基于恒壓修正的現(xiàn)場K30水平試驗研究

雷 文，王其合，鄭曉慧

(中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

基于恒壓修正的現(xiàn)場K30水平試驗研究

雷 文，王其合，鄭曉慧

(中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

現(xiàn)場K30水平載荷試驗是獲取地基土水平力學(xué)指標(biāo)最直接有效的手段。手動油泵恒壓是保證平板載荷試驗結(jié)果準(zhǔn)確性的重要前提。在市政、地鐵等深基坑工程中進(jìn)行小型對比試驗時，由于試驗場地限制，往往會用基坑側(cè)壁土體作為試驗反力提供面。同一級壓力測試下，反力面土體存在一定的壓縮變形，導(dǎo)致油壓恒定很難做到，從而影響試驗結(jié)果的精度。為了保證試驗準(zhǔn)確性，基于恒壓問題，從理論公式計算入手，推導(dǎo)出壓力變量與反力面土體位移量之間的關(guān)聯(lián)公式，將反力面土體位移引起的壓力偏差修正到測試面土體計算位移中，為現(xiàn)場小型載荷試驗的結(jié)果可信度提供依據(jù)。

K30水平載荷試驗；反力面土體位移；位移修正

1 概述

巖土工程勘察是地鐵、橋隧、房建等工程建設(shè)的基礎(chǔ)工作，此階段會給出場地土體的地質(zhì)構(gòu)造、承載特性等工程設(shè)計參數(shù)。為了保證給設(shè)計所提供地基土力學(xué)性質(zhì)的準(zhǔn)確性，勘察單位往往會采用現(xiàn)場K30試驗、原狀土室內(nèi)試驗與參考施工行業(yè)規(guī)范相結(jié)合的方式，最終給出有利于工程安全的物理力學(xué)建議值。地基土室內(nèi)試驗對原狀土的取土質(zhì)量要求較高，在保證試驗環(huán)境及試驗精度的同時，不能解決應(yīng)力釋放對原狀土試驗結(jié)果的影響，而且室內(nèi)試驗往往只能得到土體的豎向承載系數(shù)。而根據(jù)現(xiàn)場K30水平載荷試驗，可以得到地基土水平地基系數(shù)、變形模量、土體應(yīng)力變形特性等指標(biāo)。因此，為了評價室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的離散性大小，往往需要以現(xiàn)場試驗結(jié)果作對比。

考慮到地鐵、輕軌等市政項目施工場地限制等因素，現(xiàn)場小型載荷試驗顯得尤為重要。試驗中往往會利用原狀土體作為地基土承載力載荷試驗的反力提供者。原狀土并非剛性體，在試驗過程中存在壓縮變形，影響油壓的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此基于恒壓穩(wěn)定性能的現(xiàn)場土體承載力試驗研究對于工程安全性保證十分重要。

徐正宣[1]等對比分析了K30試驗與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、旁壓試驗、室內(nèi)試驗等測試結(jié)果， 探索各測試結(jié)果間的關(guān)聯(lián)，指出K30試驗穩(wěn)定性最好，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗與旁壓試驗次之，室內(nèi)試驗結(jié)果偏小，不易直接用于設(shè)計。范云等[2]從工程實際出發(fā)，分析壓實系數(shù)、基床系數(shù)、動剛度系數(shù)和瑞利波速的檢測手段與檢測特性，指出了開發(fā)填土壓縮質(zhì)量檢測儀器的理論原則。劉俊飛[3]等從室內(nèi)試驗與原位試驗條件入手，指出受力體幾何尺寸差異是引起兩種試驗結(jié)果偏大的根本原因，最后以等效厚度的概念，對三軸、固結(jié)兩種室內(nèi)試驗方法的結(jié)果進(jìn)行了高度修正。陳安定[4]等依據(jù)經(jīng)典固結(jié)理論，通過設(shè)計制作與原位K30載荷試驗具有相同應(yīng)力路徑特征與排水邊界條件的試驗裝置，推導(dǎo)了室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗吻合較好的等效計算公式。李怒放[5]通過分析對比K30與Ev2基本概念和本質(zhì)的區(qū)別，提出無砟軌道路基壓實標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)選取的要求。黃昌乾[6]等指出了基床系數(shù)測試方法、取值方法以及尺寸修正等方面存在的一些問題，建議在進(jìn)行基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計特別是采用復(fù)合地基時，應(yīng)采用沉降觀測結(jié)果得到的經(jīng)驗值或通過變形計算確定基床系數(shù)。夏雄波[7]等通過分析現(xiàn)場載荷試驗的應(yīng)力路徑、邊界條件等，在室內(nèi)設(shè)計新的試驗儀器模擬現(xiàn)場載荷試驗，解決了現(xiàn)場載荷試驗測定基床系數(shù)存在工作量大、試驗周期長的問題。周亮[8]等以K30載荷試驗的結(jié)果為依據(jù)，經(jīng)過與室內(nèi)試驗所得的值比較，再結(jié)合室內(nèi)三軸試驗與旁壓試驗的結(jié)果，綜合確定了基床系數(shù)值。

已有研究分別從試驗環(huán)境、試驗方式、試驗結(jié)果等方面討論了現(xiàn)場K30載荷試驗的重要性，指出保障現(xiàn)場試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性是工程設(shè)計、施工得以有序進(jìn)行的重要前提。本文以現(xiàn)場試驗條件為出發(fā)點，致力于消除試驗條件的不足，保證試驗結(jié)果更接近實際情況，具有一定的理論可行性與工程實用性。

2 基于現(xiàn)場試驗的理論模型

圖1為以小型現(xiàn)場載荷試驗為藍(lán)圖繪制的理論分析模型。

圖1 現(xiàn)場載荷試驗理論分析模型

試驗過程中，根據(jù)開挖面土體的變化性質(zhì)，提前設(shè)定好一次試驗過程中的加壓級數(shù)以及每一級所加壓力的數(shù)量值。通過控制手動油泵，使壓力表維持在一個恒定的壓力值P1下。油泵所加壓力由高壓油管傳遞到區(qū)域Ⅲ中的A2測試面壓力板上。壓力板會在壓力作用下，促進(jìn)背后土體壓縮變形，由位移計監(jiān)測土體在一級壓力下的位移量。實時監(jiān)測土體在各級壓力下的壓縮變形曲線，根據(jù)曲線各點的增量趨勢，求得試驗面土體的極限抗壓能力，進(jìn)而得出其水平地基承載力。

圖1是考慮到試驗場地的可實施性以及試驗工期、經(jīng)濟(jì)等因素而采用的小型現(xiàn)場K30載荷試驗現(xiàn)場儀器安裝圖，以場地現(xiàn)有開挖土體作為試驗反力提供者。按照規(guī)范規(guī)定[9]，試驗過程中同一級壓力下，油壓表數(shù)值應(yīng)維持恒定，這樣測試面位移計1、2所測得的位移量才足以代表測試土體在相應(yīng)壓力下的壓縮量。然而由于反力面土體與試驗面土體物理力學(xué)性質(zhì)相當(dāng)，二者之間距離僅為1 m，雖然反力面持力板的面積A2大于A1，但在壓力作用下，反力面土體也會存在一定的壓縮變形。同樣，以位移計3監(jiān)測每一級壓力作用下反力面土體的壓縮變形量。

由于試驗場地條件限制以及試驗時間的要求，往往很難做到每一級試驗土體都是在恒壓作用下破壞的。試驗初期，由于試驗面土體與反力面土體壓縮變形量較大，壓力釋放導(dǎo)致油壓表壓力指針回彈量較大，此時可以人為加壓，使試驗壓力維持在恒定值。試驗后期，待壓力表指針回彈量較小時刻，記錄試驗面與反力面位移計的讀數(shù)，分別測讀3次求平均值，以平均值作為試驗土體在相應(yīng)壓力下的壓縮量。

3 基于現(xiàn)場試驗的理論推導(dǎo)

3.1 模型參數(shù)定義

現(xiàn)場試驗過程中，手動油壓泵作為施力裝置并不能滿足試驗的恒壓要求，即便是經(jīng)過壓力復(fù)加，試驗即將結(jié)束時刻，依然存在壓力值小于設(shè)計值的情況?，F(xiàn)場試驗的這種儀器操作弊端，在延長試驗持續(xù)時間的同時，也影響了試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性與真實性?！兜叵妈F道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定，基床系數(shù)易在基坑坑底進(jìn)行，試驗反力常采用上部逐級加載的方式進(jìn)行，能有效地控制反力面的位移量。為了使試驗在現(xiàn)場可利用條件下便于實施，試驗中反力面采用的基坑開挖側(cè)壁并非完全剛性體，其在壓力作用下存在一定的壓縮變形。由于試驗坑槽寬度僅1 m左右，反力面與試驗面土體的性質(zhì)相當(dāng)。試驗中僅靠增加反力面持力板的面積來減小反力面土體的壓縮位移，并不能從根本上消除反力面的土體位移。反力面存在土體位移，一定程度上會造成油壓泵壓力反彈，影響試驗精度及耽誤試驗時間。

鑒于反力面土體位移不可避免，為了評判反力面位移對于試驗結(jié)果的影響程度，找到合適的方法，將此位移量按照一定的理論模型及計算方法修正到試驗面土體的位移中去，可以增加試驗的準(zhǔn)確度，保證現(xiàn)場載荷試驗所得的試驗結(jié)果能夠真實反應(yīng)研究土體的物理力學(xué)性能，從而為設(shè)計參考及現(xiàn)場施工提供安全、經(jīng)濟(jì)的參數(shù)建議。

反力面持力體為完全剛性體時，理論分析模型見圖2(a)所示，此時一級試驗結(jié)束時，壓力表設(shè)計值為P1，最終穩(wěn)定值為P2，試驗面土體位移量為L1。反力面土體位移量為持力體為原狀開挖土體，理論分析模型如圖2(b)所示。此時一級試驗結(jié)束時，壓力表設(shè)計值為P1，最終穩(wěn)定值為P3，試驗面土體位移量為L3，反力面土體位移量為L4，其中試驗面壓力板作用面積為A1，反力面持力板作用面積為A2。此時假設(shè)反力面土體與試驗面土體性質(zhì)完全相同。

圖2 基于反力面位移的應(yīng)力分析模型

模型a中，反力面持力體為完全剛性體，因此在試驗過程中，壓力通過持力板作用在剛性體上，但持力體并不會發(fā)生壓縮變形，即L2=0。設(shè)定此級試驗的壓力設(shè)計值為P1，試驗結(jié)束時刻，壓力表指針數(shù)值為P2。設(shè)試驗過程中，受壓縮土體均無側(cè)向變形，且整個模型分析過程中，土體的壓縮系數(shù)av，體積壓縮系數(shù)mv，壓縮模量Es均為常量。其中壓縮模量Es為土體在無側(cè)向變形條件下豎向應(yīng)力與豎向應(yīng)變之比，其大小反映了土體在單向壓縮條件下對壓縮變形的抵抗能力。針對同一土質(zhì)，上述參數(shù)均相同。

3.2 模型公式計算

模型a中，測試儀器主要求得土體的水平基床系數(shù)，可以認(rèn)為受力板后土體性質(zhì)相同，為同一時期沉積的同一類型的土。由于試驗過程中，一直根據(jù)壓力表指針的反彈量調(diào)整油壓泵加壓量。設(shè)油壓式千斤頂油壓面與傳力柱的接觸面積S=A，則壓力表傳遞給千斤頂?shù)膲毫χ禐镕=PaA，Pa為模型a中壓力表的有效作用壓強(qiáng)。作用于受力面、反力面的壓應(yīng)力分別為

根據(jù)正常固結(jié)土體的沉降計算公式[10]可以得出

模型b中，利用基坑開挖土體作為反力面持力體，持力體和受力體具有相同的土性，在壓力作用下均會發(fā)生壓縮變形。同樣，設(shè)油壓式千斤頂油壓面與傳力柱的接觸面積S=A，則壓力表傳遞給千斤頂?shù)膲毫χ禐镕=PbA，Pb為模型b中壓力表的有效作用壓強(qiáng)。同樣，作用于受力面與反力面的壓應(yīng)力分別為

根據(jù)正常固結(jié)土體的沉降計算公式[10]可以得出

當(dāng)受壓力土體無限厚時，外部荷載對土體的影響深度即壓縮層，通常是按照豎向附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比確定的。為了理論換算方便，此處先不具體求出H值大小，由于模型a、b中同一作用面的土體性質(zhì)類似，公式(2)、(3)、(5)、(6)中的H1=H3、H2=H4，各對數(shù)值均按常量計算。由上式可以得出

將公式(9)與公式(10)合并，可得

由公式(11)可得

因為模型a與模型b中，試驗面壓力板的面積相同。因此在計算地基土的壓縮量時，兩種模式下研究土體壓縮層的厚度可以認(rèn)為是相等的，即H1=H3。

則公式(12)中消除同類項可得

式中，A為油壓式千斤頂油壓面與傳力柱的接觸面積，可視作常量；Es為土體的壓縮模量，亦可作常量處理；A2為模型b中反力面持力板的面積。H4為模型b中，反力面土體的壓縮層厚度，與反力面持力板的面積以及埋置深度，上覆層土體性質(zhì)等因素有關(guān)；L1為反力面完全剛性不變形條件下，試驗面土體的壓縮變形量；L3為模型b中試驗面土體的壓縮變形量；L4為模型b中反力面土體的壓縮變形量。

3.3 模型壓縮層厚度計算方法比選

公式(13)中除了H4需進(jìn)一步推求以外，其他參數(shù)均可由現(xiàn)場觀測直接得出。影響地基壓縮層厚度的因素較多，如附加壓力的大小，建(構(gòu))筑物基礎(chǔ)的形狀、大小、寬度，建(構(gòu))筑物的剛度，基礎(chǔ)埋置深度，地基土的性質(zhì)，土層的構(gòu)造等。用一個簡單的表達(dá)式來確定地基壓縮層厚度是困難的。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[11]，目前常用的地基變形影響深度zn即壓縮層厚度的計算方法如下。

(1)地基變形計算深度應(yīng)符合下式

表1 Δz確定一覽

注：b為基礎(chǔ)寬度。

(2)當(dāng)無相鄰荷載影響，基礎(chǔ)寬度在1～30 m范圍內(nèi)時，基礎(chǔ)重點的地基變形計算深度按下式計算

其中，b為基礎(chǔ)寬度。

(3)當(dāng)存在相鄰荷載時，應(yīng)計算相鄰荷載引起的地基變形，其值可按應(yīng)力疊加原理，采用角點法計算。

(4)土力學(xué)中指出按照應(yīng)力法，即附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之比等于0.2的方法確定。

(5)根據(jù)經(jīng)驗，地基土變形影響深度即壓縮層厚度，按基礎(chǔ)寬度的2.5倍選取。

上述5種描述方法中，(1)主要是按照應(yīng)變方法確定地基土的壓縮層厚度；(2)主要是應(yīng)用于條形基礎(chǔ)，且無相鄰荷載影響的情況下。已有研究表明[12]，應(yīng)力法確定壓縮層厚度比應(yīng)變法更為準(zhǔn)確，結(jié)合(2)、(3)兩種方法的計算原理，本文將按照應(yīng)力法的計算標(biāo)準(zhǔn)，確定H4的計算公式。

土力學(xué)中也按照應(yīng)力法的計算原則，給出了地基壓縮層的確定原則，如前文所述：當(dāng)?shù)鼗成疃鹊母郊討?yīng)力σZ與自重應(yīng)力σs之比等于0.2時，該深度范圍內(nèi)的土層即為壓縮層。由于本文中反力面土體為側(cè)向受壓，因此土力學(xué)中關(guān)于自重應(yīng)力與附加應(yīng)力的定義，在公式(13)H4的計算中應(yīng)換位考慮。假設(shè)反力面土體上部有i層土體分布，每一層土體的重度為γi，厚度為hi，且試驗均在地下水位以上進(jìn)行。則試驗土體所受上部土壓力為∑γihi，若反力面土體的靜止側(cè)壓力系數(shù)為Ka，則上部土體對反力面土體的水平向壓力值為Ka∑γihi。以反力面土體的受力特性為研究對象，相當(dāng)于自重應(yīng)力σs=Ka∑γihi，以反力面持力板為基礎(chǔ)模型，因持力板主要為正方形或者圓形鋼板，所以可以按照獨立基礎(chǔ)考慮，且受力方式為軸心受壓。

當(dāng)現(xiàn)場使用反力面持力板為矩形時，中心土體所受的附加應(yīng)力為

式中，ks為豎直均布壓力矩形基底角點下的附加應(yīng)力系數(shù)，它是m、n的函數(shù)，其中m=l/b，n=z/b，z為土體所受附加應(yīng)力的計算點深度，l為持力板矩形長邊長，b為矩形短邊長。

當(dāng)現(xiàn)場使用反力面持力板為圓形時，中心土體所受的附加應(yīng)力為

式中，kr為圓形面積均布荷載中心點下的豎向附加應(yīng)力系數(shù)，是z/r0的函數(shù)，z為土體所受附加應(yīng)力的計算點深度，r0為圓形持力板的直徑。

ks、kr的具體求法詳見文獻(xiàn)[13]。求得土體在不同深度z處所受的附加應(yīng)力σz后，計算其與自重應(yīng)力σs的比值，應(yīng)力法求地基壓縮層，所測得的z值即為土體的壓縮層厚度H4。將所得的H4值代入公式(13)即可。

按照本節(jié)的理論計算原理以及公式(13)中各參數(shù)在模型a、b中的實際代表意義，可以得出：反力面土體為非剛性體時，可以將其位移量按照一定的公式修正到試驗面土體的位移中去。因而，當(dāng)壓力表穩(wěn)定數(shù)值相對于設(shè)計值出現(xiàn)小幅度反彈，通過公式(13)的計算，能得出同樣試驗環(huán)境下，反力面為完全剛性體時，試驗面土體的真正位移量，能有效提高試驗結(jié)果的準(zhǔn)確度，以便得出能真實反映原狀土承載能力的測試結(jié)果。

4 結(jié)論與展望

本文通過建立與理想試驗、現(xiàn)場試驗相符合的理論分析模型，計算各種模型作用情況下，平板載荷試驗內(nèi)各部件間的作用力轉(zhuǎn)移方式及試驗土體的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律。將現(xiàn)場試驗測得的試驗數(shù)據(jù)，通過一系列的公式轉(zhuǎn)化，換算成理想情況下的試驗結(jié)果，進(jìn)而得到能夠真實反映試驗場地土體性質(zhì)的試驗數(shù)據(jù)。

(1)試驗過程中同時監(jiān)測試驗面、反力面土體的壓縮位移規(guī)律，記錄每一級壓力下，兩面土體位移計的讀數(shù)，將反力面土體的位移按照一定的公式轉(zhuǎn)換，修正到試驗面土體中，以得到理想情況下試驗面土體在該級壓力下的壓縮量。

(2)現(xiàn)場試驗過程中，要根據(jù)油壓泵壓力表指針的回彈幅度適當(dāng)加壓，使附加壓力維持在壓力設(shè)計值上下，記錄最終試驗穩(wěn)定時刻的指針讀數(shù)。

(3)由于試驗條件限制，本文主要進(jìn)行理論公式的推算研究，希望下一步能夠進(jìn)行大量的現(xiàn)場試驗，采集足夠多的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，驗證理論公式計算的可行性。

(4)下一步的研究中，在試驗面附近取原狀土進(jìn)行室內(nèi)三軸試驗，同現(xiàn)場試驗進(jìn)行對比，研究試驗數(shù)據(jù)曲線規(guī)律。

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Study on Site K30 Horizontal Test Based on Constant Pressure Correction

Lei Wen， Wang Qihe， Zheng Xiaohui

(China Railway Shanghai Design Institute Group Co.，Ltd.， Shanghai 200070)

SiteK30horizontal load test is the most direct and effective means to obtain the horizontal mechanical index of foundation soil. The constant pressure of the manual oil hydraulic pump is an important premise in guaranteeing accuracy of the testing results. In the case of small-scale test for juxtaposing in areas of deep excavation engineering such as municipal and subway， sidewalls’ soil of the foundation pit is frequently used as the reaction face provider due to the limitation of testing space. Under the same test pressure level， there is a certain compressive deformation in the reaction face， thus， it is difficult to maintain constant pressure and the accuracy of test result is affected. To ensure test accuracy， this paper derives the formula relating to pressure variable and soil displacement of the reaction face， and the pressure difference caused by the soil displacement is corrected in the calculation of displacement of the test soil， which provides references for the result credibility of small-scale site load test．

K30Horizontal load test; Displacement of reaction force provider; Displacement correction

2013-12-19；

：2014-01-17

中鐵上海設(shè)計院集團(tuán)有限公司科研項目(集13-22)

雷 文(1988—)，男，助理工程師，2013年畢業(yè)于河海大學(xué)巖土工程專業(yè)，工學(xué)碩士，E-mail:lw10422@126.com。

1004-2954(2014)10-0021-05

U213.1+57

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.10.005