重型圓錐動(dòng)力觸探對碎石墊層承載力的應(yīng)用

鄧勇亮

0 引言

貴州省遵義市某單位擴(kuò)建工程2號(hào)辦公樓由于原始地基質(zhì)量比較差,對地基進(jìn)行了碎石墊層換填,換填深度 2.8 m,設(shè)計(jì)砂石比為3∶7(砂∶石),石子的粒徑主要集中1 cm～2 cm。換填過程中進(jìn)行分層夯實(shí),分層厚度不大于30 cm,壓實(shí)度為93%。為了保證工程的安全,對此碎石墊層進(jìn)行了重型動(dòng)力觸探試驗(yàn),以確定其地基承載力,對地基土作出評(píng)價(jià)。

1 工程實(shí)例分析

1.1 試驗(yàn)原理

重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)是實(shí)際工程中一種常用的原位測試方法,基本原理是利用固定落距將一定規(guī)格的圓錐形探頭的探桿打入土中,根據(jù)打入土中的阻力大小判別土層的變化,通過分析貫入一定深度所需的錘擊數(shù)對土層進(jìn)行力學(xué)分層,研究土層的物理和力學(xué)性質(zhì)。一定深度的錐擊數(shù)越多,則動(dòng)貫入阻力越大,也就是說巖層承載力越高。圓錐動(dòng)力觸探適用于強(qiáng)風(fēng)化、全風(fēng)化的硬質(zhì)巖石、各種軟質(zhì)巖石及各類土,根據(jù)錘擊能量分為輕型、中型、重型和超重型4種。輕型、中型動(dòng)力觸探適用于一般粘質(zhì)土及素填土;重型動(dòng)力觸探適用于中粗礫砂和碎石土;超重型動(dòng)力觸探適用于卵石、礫石類土。

1.2 試驗(yàn)工況

由于該工程的換填碎石墊層粒徑主要集中在1 cm～2 cm,所以本次試驗(yàn)采用重型(N63.5)圓錐動(dòng)力觸探。根據(jù)施工現(xiàn)場情況以及建筑面積,在地基范圍內(nèi)隨機(jī)選擇6個(gè)有代表性的試驗(yàn)點(diǎn)(見圖1),利用63.5 kg的重錘,落距(76±2)cm,探頭為圓錐頭,錐角60°,錐底直徑74 mm,探桿外徑為42 mm,試驗(yàn)時(shí),穿心錘以76 cm的落距自由下落,錘擊時(shí)應(yīng)避免偏心及側(cè)向晃動(dòng),本次試驗(yàn)錘擊速率取20擊/min,貫入器打入碎石墊層中10 cm后,開始記錄每打入10 cm的錘擊數(shù),累計(jì)打入30 cm的錘擊數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)N。當(dāng)錘擊已達(dá)到50擊,而貫入深度未達(dá)30 cm時(shí),可記錄實(shí)際貫入深度終止試驗(yàn)。

重型動(dòng)力觸探各項(xiàng)指標(biāo)見表1。

1.3 試驗(yàn)技術(shù)要求

為了準(zhǔn)確而科學(xué)地取得試驗(yàn)資料數(shù)據(jù),客觀反映該碎石墊層地基的性能。本次試驗(yàn)根據(jù)SL 237-1999土工試驗(yàn)規(guī)程中“動(dòng)力觸探試驗(yàn)SL237-047-1999”進(jìn)行,結(jié)合施工現(xiàn)場的情況,具體試驗(yàn)時(shí)應(yīng)注意以下問題:

1)試驗(yàn)前將觸探架安裝平穩(wěn),使觸探保持垂直地進(jìn)行。垂直度的最大偏差不得超過2%,觸探桿應(yīng)保持平直,連接牢固。2)觸探應(yīng)有一定的預(yù)打深度,探頭預(yù)打深度應(yīng)視消除非正常貫入因素的影響而定。貫入時(shí),應(yīng)使穿心錘自由下落,落錘落距為(76±2)cm,地面上的觸探桿高度不宜過高,以免傾斜與擺動(dòng)太大。3)錘擊速率宜為15擊/min～30擊/min,打入過程應(yīng)盡可能連續(xù),所有超過5 min的間斷都應(yīng)在記錄中予以注明。4)探頭進(jìn)入預(yù)打深度后,及時(shí)記錄每貫入10 cm所需的錘擊數(shù) N63.5。5)每貫入10 cm所需錘擊數(shù)連續(xù)3次超過50擊時(shí),即停止試驗(yàn)。

表1 重型觸探各項(xiàng)指標(biāo)

1.4 地基承載力評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場原位試驗(yàn)取得的數(shù)據(jù),參考SL 237-1999土工試驗(yàn)規(guī)程,本次試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 重型圓錐動(dòng)力觸探測試結(jié)果表

設(shè)計(jì)要求,本工程碎石墊層承載力 fk=220 kPa。根據(jù)重型(63.5 kg)圓錐動(dòng)力觸探測試結(jié)果,此單位擴(kuò)建的2號(hào)辦公樓地基碎石墊層的地基承載力 fk=320 kPa,變形模量 E0=21.3 MPa,滿足原設(shè)計(jì)要求。

通過分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出,不同試驗(yàn)點(diǎn)貫入相同深度的觸探擊數(shù)不同,說明各試驗(yàn)點(diǎn)的碎石墊層密度有差別,反映出該地基的均勻程度的差異性。

1.5 試驗(yàn)影響因素

重型圓錐動(dòng)力觸探的錘擊能量(重錘重量與落距的乘積),一部分用于克服土對探頭的貫入阻力,另一部分消耗于錘與觸探桿的碰撞、探桿的彈性變形、克服探桿與孔壁土的摩擦,以及觸探器貫入時(shí)地基土產(chǎn)生塑性變形所消耗能量、貫入時(shí)土的彈性變形消耗的能量等。根據(jù)以上特點(diǎn)并結(jié)合本次試驗(yàn),其影響因素如下:

1)碎石墊層特性的影響:碎石墊層的密實(shí)度,顆粒大小,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和抗剪性能等。

2)人為因素:試驗(yàn)過程中人工操作的準(zhǔn)確程度以及人工采集數(shù)據(jù)可能造成的誤差。

3)儀器的影響:儀器精度對試驗(yàn)有直接的影響。探頭的形狀,重錘的質(zhì)量以及觸探桿的性能,還有重錘和觸探桿之間的摩擦阻力等都是重要的因素。

2 結(jié)語

通過本次重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)法對碎石墊層壓實(shí)質(zhì)量檢驗(yàn),獲得了該換填碎石墊層的數(shù)據(jù),代表了該地基的真實(shí)質(zhì)量。為碎石地基檢測提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn),也取得了預(yù)期的結(jié)果。

1)對于天然的不良地基,根據(jù)地基承載力要求設(shè)計(jì)合理的砂石比,分層夯實(shí)層換填是一種有效的解決方法。

2)重型圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、方便、有效的地基承載力試驗(yàn)方法。該試驗(yàn)設(shè)備簡單、易操作、成本低、時(shí)間快,取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益,值得推廣。

3)利用動(dòng)力觸探法進(jìn)行碎石墊層地基壓實(shí)質(zhì)量評(píng)定是可行的,該方法能夠得出準(zhǔn)確可靠的數(shù)據(jù)成果。不僅可以評(píng)價(jià)地基的承載力,還可以在一定程度上反映出地基的密度分布是否均勻。

重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果說明該碎石墊層地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求,但是也反映出地基的均勻性存在差異。砂石比設(shè)計(jì)和分層夯實(shí)的分層高度都會(huì)影響換填效果。在實(shí)際工程中,建議采用更合理的砂石比和分層高度提高地基承載力和均勻性。

實(shí)際工程中會(huì)遇到一些比較復(fù)雜的地質(zhì)情況,單單一個(gè)動(dòng)力觸探試驗(yàn)也許不能全面而準(zhǔn)確的反映工程實(shí)際情況,所以建議加強(qiáng)重型圓錐動(dòng)力觸探與其他檢測方法的對比和結(jié)合使用,如與靜載荷試驗(yàn)聯(lián)合檢測,進(jìn)行綜合對比,總結(jié)提高經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)水平,使重型圓錐動(dòng)力觸探檢測的實(shí)用性和準(zhǔn)確性進(jìn)一步提高,有利于指導(dǎo)工程實(shí)踐。

[1] SL 237-1999,土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[2] 林宗元.巖土工程試驗(yàn)監(jiān)測手冊[Z].2005.

[3] GB 50021-2001,巖土工程勘察規(guī)范[S].

[4] 徐 超,石振明,高彥斌,等.巖土工程原位測試[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2003.

[5] 唐賢強(qiáng).地基工程原位測試技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,1996:42-62.

[6] 孫成訪,張良均,谷 倩,等.動(dòng)力觸探方法的改進(jìn)與研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào),2001,23(10):75-77.

[7] 盧照輝.動(dòng)力觸探測試及應(yīng)用[J].焦作工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2003,22(3):204-207.