地基巖土體應(yīng)變特征分析

陳益群

（重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局107地質(zhì)隊(duì)，重慶 401120）

不管是靜力觸探試驗(yàn)還是動(dòng)力觸探試驗(yàn)，是工民建行業(yè)地基勘察工作中必不可少的技術(shù)手段。由于操作簡(jiǎn)便，試驗(yàn)成果可靠程度高，而被廣泛采用。

試驗(yàn)過程中，錐頭在被試驗(yàn)巖土體中施加兩種作用力：一種是垂直向下的沖(壓)力；一種是向錐頭體外側(cè)的推力。由于被試驗(yàn)巖土體本身物理力學(xué)性質(zhì)的不同 (在同一巖性地層中，由于含水量或各物質(zhì)組分含量大小的差異，或由于沉積歷史或受力歷史的不同，也會(huì)形成物理力學(xué)性質(zhì)具有差異的巖土體；在不同巖性的地層中，一般具有不同的物理力學(xué)特征)，而使得在應(yīng)力受影響范圍或受力破壞范圍和程度的不同。但總的特征是，自然狀態(tài)下的巖土體，其自身強(qiáng)度越大，則受破壞或受影響的范圍也越大。因?yàn)?，?qiáng)度相對(duì)較大的巖土體，其骨架顆粒間的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度也較大，聯(lián)結(jié)也越牢固，在其受力后沿錐頭外緣達(dá)到剪切破壞前，受應(yīng)力影響而發(fā)生變形的應(yīng)變點(diǎn)離開施力點(diǎn)的距離也越遠(yuǎn)。

理論既是如此，我們需采用可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和嚴(yán)密的邏輯計(jì)算來進(jìn)行論證，以科學(xué)、精確的計(jì)算成果來支持理論的正確性和嚴(yán)密性。為此，我們需要計(jì)算施力點(diǎn)所施加力自該點(diǎn)向周圍擴(kuò)散的變化率，同時(shí)還要考慮土體在天然狀態(tài)下的強(qiáng)度 (抗壓及抗剪強(qiáng)度)，從而計(jì)算兩種力在極限平衡狀態(tài)時(shí)該點(diǎn)離開施力點(diǎn)的距離，最后將各破壞點(diǎn)用線或面聯(lián)起來，便得到了破壞邊界范圍。至于計(jì)算“影響”范圍，那不過是一個(gè)“相對(duì)”的應(yīng)力影響“零點(diǎn)”邊界而已。比如我們可以取值0.1P的點(diǎn)作為外邊界，也可以取值0.001P的點(diǎn)作為外邊界，這里只是一個(gè)精確程度的問題。當(dāng)然，我們還可以利用微積分理論來求得一個(gè)完全準(zhǔn)確的“極限邊界值”。

為了便于理解和計(jì)算，以上理論的推理分析我們只考慮從Q1～Q4的第四系松散堆積地層；對(duì)于基巖地層，雖然也具有以上呈松散狀態(tài)巖土體的普遍特征，但由于其對(duì)本試驗(yàn)種類不適用，故在此不做考慮。

首先，將巖土體視為均勻的半無限空間彈性體(半無限直線變形體)，則在該巖土體內(nèi)任意點(diǎn)M(x、γ、z)處所引起的應(yīng)力及位移分別為：M點(diǎn)沿x、γ、z軸方向的法向應(yīng)力 σx、σγ、σz；M 點(diǎn)沿與各軸垂直的作用面上的剪應(yīng)力 τxγ、τγz、τzx；M 點(diǎn)沿各坐標(biāo)軸方向的位移u、υ、ω。而在巖土體表面，由于Z=0，則自應(yīng)力點(diǎn)向外某一點(diǎn)(r，o)，即 r=R 處各點(diǎn)的垂向位移量按式ω=P(1-r2)/(πEor)計(jì)算。同時(shí)，應(yīng)力點(diǎn)周圍的巖土體表面也不受法向應(yīng)力作用，而只受 、兩個(gè)剪應(yīng)力的作用，并且 τxγ=τzx=3Pxz2/2π R5。由剪應(yīng)力計(jì)算公式可以看出，離開施力點(diǎn)越遠(yuǎn)，剪應(yīng)力所起到的作用也越小，這正與前面所述相一致。同樣，施力點(diǎn)向下某深度處所受的法向壓應(yīng)力也呈現(xiàn)與此相同的變化規(guī)律，其計(jì)算公式為 σΖ=3PΖ3/2πR5。

下面，我們以巖土體表面受力點(diǎn)周圍的位移變化情況為例來揭示這一應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。根據(jù)各類巖土的力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗(yàn)值，先以可塑狀態(tài)的粉質(zhì)粘土為例進(jìn)行考察；其側(cè)壓力系數(shù) ε=0.53，泊松比 u=0.35；設(shè)此時(shí)巖土體的壓縮模量Es=8MPa，則變形模量Eo=5MPa；另設(shè)所施壓力P=100kPa，則地表r=R處各點(diǎn)的垂向位移量為：ω1=5.59cm、ω2=2.80cm、ω3=1.86cm、ω4=1.40cm、ω5=1.12cm、ω10=0.56cm、ω20=0.28cm、…….

以上為承受(觸探錐頭)集中力的直線變形體，在其未被刺破時(shí)離開受力點(diǎn)不同距離地表各點(diǎn)的垂向下沉量。事實(shí)上，原生狀態(tài)下的巖土體為彈塑性甚至是塑性變形體，其粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度不可能大到允許錐頭施加如此大的力，并在受力巖土體中形成如此大的影響范圍。根據(jù)剪力平衡原理，當(dāng)施加的集中力與巖土體本身所具有的抗剪強(qiáng)度達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，(錐頭)便將巖土體表面沖破而刺入巖土體內(nèi)，而此刻，集中力點(diǎn)處(錐頭外側(cè)緣)的巖土體表面的下沉量也許還不到以上計(jì)算值的一半，甚至達(dá)不到2cm；尤其是在粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度較弱而抗剪強(qiáng)度低的相對(duì)軟弱巖土層中，近力點(diǎn)處的下沉量會(huì)更小，那么，其水平向外擴(kuò)展的影響范圍也會(huì)更小。而在真正的軟土(非流塑狀態(tài)海相淤泥質(zhì)粘土)中，受力點(diǎn)周圍的下沉量往往是由于土顆粒間的粘聚力的作用而形成的“累加性”塑性變形，這樣，受影響的變化范圍也會(huì)逐漸加大，最終形成一個(gè)相對(duì)較大的變形范圍。當(dāng)受力巖土體為硬塑狀態(tài)，即變形模量Eo=10MPa時(shí)，則有：ω1=2.80cm、ω2=1.40cm、ω3=0.93cm、ω4=0.70cm、ω5=0.56cm、ω10=0.28cm、ω20=0.14cm、……。

由此知，當(dāng)巖土體強(qiáng)度增大時(shí)，受到(錐頭)集中的沖壓應(yīng)力后地表的下沉量會(huì)減小。但由于巖土體中，粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度較大，使其抗剪能力增強(qiáng)，在施力點(diǎn)(錐頭)刺破巖土體表面之前，巖土體在水平方向上的受影響范圍會(huì)比巖土體強(qiáng)度相對(duì)較低時(shí)的范圍大，因?yàn)閺?qiáng)度較高的巖土體剪切破壞時(shí)的剪應(yīng)力平衡點(diǎn)相對(duì)較高。

我們?cè)賮砜疾旆坌酝猎谥忻軤顟B(tài)時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變情況。粉土的側(cè)壓力系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值ε=0.43，泊松比經(jīng)驗(yàn)值 u=0.30；設(shè)此時(shí)巖土體的Es=8MPa，變形模量為Eo=6MPa；那么，離開施力點(diǎn)向外各點(diǎn)處的垂向下沉量計(jì)算如下(設(shè) P=100kPa)：ω1=4.83cm、ω2=2.42cm、ω3=1.61cm、ω4=1.21cm、ω5=0.97cm、ω10=0.48cm、ω20=0.24cm、……。

由以上計(jì)算結(jié)果知，粉土受力后巖土體表面各點(diǎn)處的下沉量均較粘性土?xí)r低，這也證明了粉土的粒間聯(lián)系更直接更緊密。那么，其粒間的孔隙度也相對(duì)較小，這也與土的自然沉積和自沉固結(jié)規(guī)律相吻合。這里還存在另外一個(gè)需要考慮的問題就是，粘土中由于含有相對(duì)較高的“粘粒”含量，使得其抗剪能力比相同質(zhì)量的粉土要高，因此，在水平方向上所表現(xiàn)出的受力影響范圍要比粉土?xí)r大。而同樣在粉土中考慮當(dāng)巖土體處于密實(shí)狀態(tài)，即變形模量Eo=12MPa時(shí)，巖土體表面受應(yīng)力影響的位移變化情況也同粘性土中只變化巖土體強(qiáng)度時(shí)的表現(xiàn)相一致。

還有一個(gè)存在受應(yīng)力影響差異的自然現(xiàn)象是，在同一種類且為同一強(qiáng)度狀態(tài)的巖土體中由于含水量大小的差異而使應(yīng)力后受影響的范圍有所不同。一般認(rèn)為，含水量相對(duì)較大者無論在水平方向上還是在垂直方向上，其受影響的范圍和受影響的程度都較含水量小者偏小。因?yàn)椋c一定水平相比多出來的“水”占據(jù)著巖土體中更大比例的孔隙空闖，使骨架顆粒間的粒問聯(lián)系相對(duì)減弱，而水的抗剪能力為零。因此，這些多出來的“水”在一定程度上“削弱”了該巖土體的抗剪能力，使其受力破壞的平衡點(diǎn)降低，從而使該巖土體在水平及垂直方向上表現(xiàn)出更小的受影響程度和受影響范圍。

[1]保定市紫園·水木年華小區(qū)巖土工程勘察報(bào)告.保定市環(huán)宇巖土工程有限公司，

[2]常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè).4 版.中國建筑工業(yè)出版社，

[3]注冊(cè)巖土工程師必備規(guī)范匯編EM].修訂縮印本.中國建筑工業(yè)出版社，