某客運(yùn)專線工程粉土地基承載力的確定

陳 占

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司, 湖北武漢 430063)

1 概述

粉土是界于砂類土與黏性土之間,塑性指數(shù)Ip≤10且粒徑>0.075 mm，顆粒含量不超過全重50％的土[1][2]。河南鄭州至許昌鐵路粉土地基受黃淮河水系多次洪澇災(zāi)害改道和遷移的影響,成因和相變較為復(fù)雜,主要為第四系全新統(tǒng)近代黃河泛濫堆積物,成分以粉粒為主,砂粒和黏粒較少,結(jié)構(gòu)較松散,常含有3％左右、外形不規(guī)則、粒徑5～25 mm的鈣質(zhì)結(jié)核。粉土的物理力學(xué)指標(biāo)差異性較大,工程性質(zhì)比較復(fù)雜,長(zhǎng)期以來,對(duì)粉土地基承載力的確定存在一些矛盾和爭(zhēng)議。粉土工程性質(zhì)界于砂類土與黏性土之間,一般情況下,當(dāng)砂粒含量較多時(shí),其地基承載力更接近于粉砂,當(dāng)黏粒含量較多時(shí),其地基承載力更接近于黏性土。為取得鄭州至許昌鐵路粉土地基較為合理的承載力,選取6處代表性試驗(yàn)點(diǎn),采用載荷試驗(yàn)、靜力觸探、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、鉆探取樣等多種勘察方法(表1給出了各代表性試驗(yàn)點(diǎn)粉土相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo))的綜合對(duì)比，分析了粉土地基承載力,提出了該段粉土地基承載力確定的方法。

表1 代表性試驗(yàn)點(diǎn)粉土地基相關(guān)物理力學(xué)指標(biāo)

2 粉土地基承載力的確定

目前,確定粉土地基承載力的方法主要有：查表內(nèi)插法、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法、靜力觸探法、理論計(jì)算法、載荷試驗(yàn)直接測(cè)定法等。各種方法確定的代表性試驗(yàn)點(diǎn)粉土地基承載力見表2,其他各種方法得取得的粉土地基承載力與載荷試驗(yàn)直接測(cè)定法均存在一定或較大的差異。

表2 不同方法確定的代表性試驗(yàn)點(diǎn)粉土地基承載力

2.1 查表內(nèi)插法

查表內(nèi)插法[3]確定粉土地基承載力,所需參數(shù)僅為天然孔隙比(e)與天然含水量(W),通過他們之間的相關(guān)關(guān)系,在表中可方便、快捷的求得粉土地基承載力。根據(jù)多年來鐵路部門在粉土地區(qū)工程地質(zhì)勘察工作實(shí)踐,認(rèn)為粉土(特別是飽和粉土)在鉆探取樣及搬運(yùn)過程中較易失水,室內(nèi)土工試驗(yàn)測(cè)得的天然含水量失真,其值常偏低而且數(shù)據(jù)分散,計(jì)算的孔隙比也隨之產(chǎn)生較大誤差,導(dǎo)致采用查表內(nèi)插法確定粉土地基承載力值常偏高,趨于不安全。從表2可以得出,本次6個(gè)代表性試驗(yàn)點(diǎn)中,1號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)位于地下水位之上,為稍濕狀態(tài),其試驗(yàn)室取得含水量、孔隙比與實(shí)際值較為接近,查表法取得的地基承載力與載荷試驗(yàn)直接測(cè)定法較為接近,其余試驗(yàn)點(diǎn)均位于地下水位以下,為飽和狀態(tài),其試驗(yàn)室取得含水量、孔隙比與實(shí)際值相關(guān)接近,查表法的結(jié)果為載荷試驗(yàn)直接測(cè)定法的161.1％～204.0％,存在較大的差異。因此，對(duì)于飽和粉土,地基承載力采用查表內(nèi)插法進(jìn)行粉土地基承載力取值,其值往往偏高,對(duì)工程結(jié)構(gòu)安全不利,飽和粉土承載力取值一般不宜采用該法進(jìn)行。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法[4]

粉土易擾動(dòng)失水,其中又含有較堅(jiān)硬的、分布雜亂、粒徑大小不一的鈣質(zhì)結(jié)核,造成標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)分散,可靠性較差,時(shí)有偏高、不合理的擊數(shù)出現(xiàn),造成承載力數(shù)值較高的假象,有可能給鐵路工程建設(shè)帶來隱患。從表2可以得出,本次6個(gè)代表性試驗(yàn)點(diǎn)中,4號(hào)試驗(yàn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法的地基承載力與載荷試驗(yàn)直接測(cè)定法較為接近,其余試驗(yàn)點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)法取值為載荷試驗(yàn)直接測(cè)定法的109.4％～155.6％,存在相當(dāng)?shù)牟町?大多數(shù)偏高,對(duì)工程結(jié)構(gòu)安全不利。粉土承載力取值一般不宜采用該法進(jìn)行,但標(biāo)貫成果可作為參考,同時(shí)應(yīng)注意積累資料,不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn),建立該地區(qū)由標(biāo)貫擊數(shù)確定地基承載力的經(jīng)驗(yàn)公式。

2.3 靜力觸探法

根據(jù)實(shí)測(cè)的比貫入阻力(錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力)值,貫入曲線的分布特征,結(jié)合鐵路工程經(jīng)驗(yàn),采用《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》[5]中根據(jù)粉土載荷試驗(yàn)和靜力觸探成果對(duì)比建立的地基承載力經(jīng)驗(yàn)公式

σ0=0.89Ps0.63+14.4(Ps≥0.9 MPa)

或

σ0=0.112Ps+5(Ps<0.9 MPa)

式中：σ0為地基承載力/kPa；Ps為單橋靜力觸探比貫入阻力/MPa。

從表2可以得出,本次6個(gè)代表性試驗(yàn)點(diǎn)靜力觸探法所取得的粉土地基承載力為載荷試驗(yàn)直接測(cè)定法的95.2％～106.4％,兩者取值較為接近,對(duì)工程結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)基本無影響,粉土地基承載力取值在沒有載荷試驗(yàn)直接測(cè)定的情況下,可以采用靜力觸探法確定該地區(qū)粉土地基承載力,并可參考標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果進(jìn)行確定。

2.4 理論計(jì)算法[6]

20世紀(jì)40年代K.太沙基、50年代G.G.梅耶霍夫、60年代J.B.漢森、70年代A.S.魏錫克、90年代沈珠江等各國(guó)學(xué)者都提出了計(jì)算地基極限承載力的公式。但上述公式的推導(dǎo)都有特定的邊界條件及適用范圍,使用時(shí)應(yīng)十分重視參數(shù)的測(cè)定和選取,仍不能排除個(gè)人專業(yè)水平和工作經(jīng)驗(yàn)的影響。在鐵路工程實(shí)踐中,一般采用現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[6]中推薦的根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定地基承載力特征值fa的計(jì)算公式

fa=Mb·r·b+Md·rm·d+Mc·ck

式中fa——由土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定的地基承載力特征值/kPa；

Mb、Md、Mc——承載力系數(shù)；

r——基礎(chǔ)底面以下土的重度/kN·m-3；

rm——基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度/kN·m-3；

b——基礎(chǔ)底面寬度/m；

d——基礎(chǔ)埋置深度/m；

ck——基底下一倍短邊寬深度內(nèi)土的黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值/kPa。

在計(jì)算中發(fā)現(xiàn),采用該理論計(jì)算法所取得的結(jié)果與載荷試驗(yàn)直接測(cè)定法的結(jié)果相差太大,建議不采用理論計(jì)算法確定該地區(qū)粉土地基承力。

2.5 載荷試驗(yàn)直接測(cè)定法[5]

通常采用載荷試驗(yàn)可直接確定地基的承載力,并以此作為其他原位測(cè)試的對(duì)比依據(jù)；載荷試驗(yàn)一般可采用強(qiáng)度和變形雙重安全度控制,按荷載-沉降(P-S)曲線的線形可分別采用拐點(diǎn)法(比例界限點(diǎn))、極限荷載法和相對(duì)沉降法確定地基承載力特征值。為確定鄭武客運(yùn)專線鄭州至許昌段粉土地基承載力,在該地區(qū)粉土層中分別進(jìn)行了3組平板靜力載荷試驗(yàn)和3組螺旋板靜力載荷試驗(yàn)(承載板面積0.25～1.0 m2),試驗(yàn)結(jié)果見表2。由于載荷試驗(yàn)一般反映承載板下大約1.5～3倍承載板直徑深度范圍內(nèi)土的性狀,且承載板影響范圍內(nèi)的土質(zhì)較為均一時(shí),其測(cè)試成果才是最可靠的,當(dāng)土層為非均質(zhì)土或土質(zhì)不同的多層土?xí)r,載荷試驗(yàn)得出的測(cè)試數(shù)據(jù)與實(shí)際基礎(chǔ)下地基土的性狀將存在一定的差異,在確定地基承載力時(shí)應(yīng)予以關(guān)注,盡量消除可能存在的一些誤差。

3 結(jié)論與建議

通過以上各種方法的對(duì)比分析,得出確定粉土地基承載力的主要結(jié)論與建議：

載荷試驗(yàn)是目前確定地基承載力最可靠、最直觀的方法,但技術(shù)要求高、耗資大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力,條件許可時(shí),可分段進(jìn)行代表性試驗(yàn),并與其他方法進(jìn)行對(duì)比分析,選用較簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)而快速的1～2種方法,確定該地區(qū)鐵路工程地基承載力。

根據(jù)天然孔隙比(e)與天然含水量(W)的關(guān)系,采用查表內(nèi)插法確定粉土地基承載力,受粉土室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)試值與實(shí)際值差異較大的影響,承載力取值常偏高,對(duì)工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不利,一般不宜采用其進(jìn)行飽和粉土承載力取值,對(duì)地下水位以上的粉土層,可在地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,參考采用。

受該地區(qū)粉土層中含有較多分布雜亂、粒徑大小不一的鈣質(zhì)結(jié)核,標(biāo)貫擊數(shù)往往受到的影響,且一般結(jié)果偏大,建議標(biāo)貫試驗(yàn)成果作為確定該地區(qū)粉土地基承載力一般不宜單獨(dú)應(yīng)用,當(dāng)粉土層埋深較深時(shí),可參考利用。

靜力觸探法所取得的粉土地基承載力為載荷試驗(yàn)直接測(cè)定法的取值基本接近,建議該在沒有載荷試驗(yàn)直接測(cè)定的情況下,以靜力觸探法為主確定該地區(qū)粉土地基承載力,并可參考標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果進(jìn)行綜合確定。

粉土地基承載力的確定受多種因素的影響,其承載力的確定是一個(gè)較為復(fù)雜的難題,在工作中不斷積累經(jīng)驗(yàn),以完善修正相關(guān)成果。

[1]GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[2]TB10077—2001 鐵路工程巖土分類標(biāo)準(zhǔn)[S]

[3]TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[4]黑龍江省寒地建筑科學(xué)研究院.黑龍江省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2005

[5]TB10041—2003 鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程[S]

[6]GB50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]