強風(fēng)化泥巖地層淺層平板載荷試驗確定基床系數(shù)及變形模量方法探討

周 楊

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

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強風(fēng)化泥巖地層淺層平板載荷試驗確定基床系數(shù)及變形模量方法探討

周 楊

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300142)

指出相關(guān)規(guī)范中采用淺層平板載荷試驗確定基床系數(shù)及變形模量方法的不足，結(jié)合山東省某擬建地鐵工程現(xiàn)場平板載荷試驗，提出基床系數(shù)及變形模量新的確定方法：“直線斜率法”。直線斜率法具有能充分利用數(shù)據(jù)、避免內(nèi)插法誤差和方法簡單實用等優(yōu)點，不足之處在于不能確定呈圓弧形、無初始直線段的P-S曲線。

平板載荷試驗 基床系數(shù) 變形模量 直線斜率法

隨著我國城市軌道交通工程的迅速發(fā)展，獲取準確、合理的巖土參數(shù)是工程設(shè)計的基礎(chǔ)，其中地層基床系數(shù)及變形模量在設(shè)計中具有重要的作用[1-4]。陳大為[5]、章富遠[6]、潘瑞林[7]、張蕾、高廣運[8]等人在各自的論文里都論述了基床系數(shù)在地下工程及建筑地基基礎(chǔ)等工程中的應(yīng)用情況?；蚕禂?shù)主要用于計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形，其取值和分布形式對求解作用在擋土結(jié)構(gòu)物的壓力、位移和內(nèi)力等有影響。根據(jù)相關(guān)文獻及實際工程，基床系數(shù)應(yīng)用在如下幾個方面：第一，基坑支擋結(jié)構(gòu)按豎向彈性地基梁模型計算；第二，路基土采用地基系數(shù)K30控制壓實標(biāo)準；第三，明挖結(jié)構(gòu)按底板支承在彈性地基上的結(jié)構(gòu)物計算[9]。根據(jù)《高層建筑巖土勘察規(guī)程》 (JGJ 72—2004)和《高層建筑筏形與箱形基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 6—2011)，變形模量E0可用來估算天然地基平均沉降量及計算箱形與筏形基礎(chǔ)最終沉降。綜上所述，合理、準確地從平板載荷試驗數(shù)據(jù)中確定出基床系數(shù)與變形模量是很有必要的。

1 平板載荷試驗中基床系數(shù)及變形模量目前的確定方法

1.1 基床系數(shù)目前確定方法

根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012)，基床系數(shù)在現(xiàn)場測定時宜采用K30方法，即采用直徑30 cm的荷載板垂直或者水平加載試驗，可直接測定地基土的垂直基床系數(shù)和水平基床系數(shù)。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB10018—2003)，平板載荷試驗基床系數(shù)Ksa可由下式確定

式中，Pa為比例界限壓力，即P-S曲線上第一拐點壓力；當(dāng)P-S曲線無直線段時，可按0.5Pu(0.5倍極限壓力)取值。

1.2 變形模量目前確定方法

根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307—2012)，土的變形模量應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場載荷試驗P-S曲線的初始直線段，按均質(zhì)各向同性半無限彈性介質(zhì)的彈性理論計算。

淺層平板載荷試驗的變形模量E0(MPa)，可按下式計算

式中I0——剛性承壓板的形狀系數(shù)，圓形承壓板取0.785；方形承壓板取0.886；

μ——土的泊松比；

d——承壓板直徑；

P——P-S曲線線性段的壓力；

S——與壓力P對應(yīng)的沉降。

根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB10018—2003)，變形模量E0(MPa)的計算可按下式計算

式中ω——承壓板的形狀系數(shù)，圓形承壓板取0.79；方形承壓板取0.89；

μ——土的泊松比；

d——承壓板直徑；

Pa——比例界限壓力，P-S曲線上第一拐點壓力；當(dāng)P-S曲線無直線段時，可按0.5Pu(0.5倍極限壓力)取值；

Sa——與Pa對應(yīng)的沉降。

通過以上的確定方法可以看出，地層基床系數(shù)與變形模量兩個指標(biāo)的最直接獲得方法是通過現(xiàn)場平板載荷試驗，繪制P-S曲線，再通過曲線上“一點”壓力與沉降的比值計算基床系數(shù)和變形模量。

《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012)及《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》(TB10001—2005)中提出利用K30方法計算基床系數(shù)，即當(dāng)沉降達1.25 mm時，對應(yīng)的壓力與1.25 mm的比值作為基床系數(shù)；《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB10018—2003)中是根據(jù)P-S曲線上第一個拐點的壓力與對應(yīng)沉降的比值作為基床系數(shù)。變形模量是通過獲取P-S曲線線性段的壓力與對應(yīng)沉降的比值或者曲線上第一個拐點壓力與對應(yīng)沉降的比值來進一步計算。

以上確定方法存在一定的不足：第一，沒有充分利用試驗記錄數(shù)據(jù)；第二，通過曲線上人為規(guī)定一點的壓力沉降數(shù)據(jù)計算基床系數(shù)與變形模量，經(jīng)常會涉及到使用插值法確定數(shù)據(jù)，誤差較大(以一點數(shù)據(jù)確定地層整個彈性變形過程必然會造成一定誤差)；第三，不同規(guī)范上規(guī)定的計算點不統(tǒng)一，造成不同人員確定同一P-S曲線會得到不同的試驗數(shù)據(jù)。針對以上問題，結(jié)合山東省某地鐵擬建現(xiàn)場平板載荷試驗，提出針對強風(fēng)化泥巖地層基床系數(shù)和變形模量新的確定方法：直線斜率法。

2 平板載荷試驗中基床系數(shù)及變形模量新的確定方法(直線斜率法)

2.1 直線斜率法的提出

根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB 50307—2012)，巖土體在外力作用下，單位面積巖土體產(chǎn)生單位變形時所需的壓力，也稱彈性抗力系數(shù)或者地基反力系數(shù)。按照巖土體受力方向分為水平基床系數(shù)和垂直基床系數(shù)(單位MPa/m)。

土的變形模量是指土在無側(cè)限條件下受壓時，壓力增量與壓力應(yīng)變增量之比，即[10]

從以上定義可以看出，基床系數(shù)與變形模量的求取關(guān)鍵在于確定平板載荷試驗中地層在彈性變形階段的抗力系數(shù)，即P-S曲線初始直線段斜率的倒數(shù)。據(jù)此，建議采用以下方法確定平板載荷試驗中的P-S曲線，以獲得基床系數(shù)及變形模量。

基床系數(shù)

變形模量

式中，C為平板載荷試驗初始直線段記錄數(shù)據(jù)線性擬合后的直線斜率(通過EXCEL線性擬合)。

其它參數(shù)如式(2)。

以上計算公式充分利用試驗記錄數(shù)據(jù)，避免了采用P-S曲線上單一點計算產(chǎn)生的誤差，并較好的規(guī)范了P-S曲線的確定方法。公式(4)、公式(5)是結(jié)合山東省某擬建地鐵現(xiàn)場針對強風(fēng)化泥巖地層的平板載荷試驗提出的?，F(xiàn)場試驗表明，通過試驗獲取的P-S曲線均有初始直線段，所以上述公式不適合無直線段的P-S曲線。值得提出的是，《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》(TB10018—2003)要求由實測數(shù)據(jù)繪制P-S曲線后，當(dāng)曲線前段呈直線時，應(yīng)先根據(jù)最小二乘原理求得該段直線的斜率C和截距S0，之后比例界限以前各點的沉降值按S=CP進行修正。實際上，按此種方法修正后，再以第一拐點與其對應(yīng)的沉降量的比值作為基床系數(shù)，就是以1/C作為基床系數(shù)。但其表述不直接，造成在實際工程中，試驗人員往往因沒有掌握最小二乘原理而未對曲線進行修正，而是直接根據(jù)實測曲線上第一拐點進行確定，造成一定的誤差。直線斜率法闡明了確定基床系數(shù)的本質(zhì)，并且明確規(guī)范了基床系數(shù)的求取方法，具有一定的實際意義。

2.2 直線斜率法的應(yīng)用

山東省某地鐵平板載荷試驗場地地層為棕紅色強風(fēng)化泥巖，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，鍬挖困難，鎬可挖?，F(xiàn)場采用分級維持荷載沉降相對穩(wěn)定法(常規(guī)慢速法)，液壓加載，試驗裝備如圖1、圖2所示。

圖1 載荷試驗全局

圖2 載荷試驗細觀

通過試驗獲得原始數(shù)據(jù)(如表1所示)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制P-S曲線，如圖3所示。

表1 原始試驗數(shù)據(jù)

圖3 載荷試驗P-S曲線

從圖3可以看出，確定出比例界限壓力為2 500 kN，此荷載之前曲線呈直線。對前5級荷載進行線性擬合，如圖4所示。從圖4中可以看出，線性擬合度很高，擬合直線斜率為0.002，帶入公式(4)、公式(5)，可得基床系數(shù)為500 MPa/m。

通過K30方法計算基床系數(shù)，采用內(nèi)插法，沉降1.25 mm時荷載位于第一級荷載與第二級荷載之間，所以可得K30=821/1.25=656.8 MPa/m；利用曲線第一拐點計算基床系數(shù)K=2 500/3.22=776.4 MPa/m。

通過上述計算過程可以看出：直線斜率法計算獲得的基床系數(shù)小于其它方法計算值，偏于安全；利用曲線上不同點計算基床系數(shù)，得出結(jié)果差異性較大；使用內(nèi)插法計算，僅利用了兩點數(shù)據(jù)，不可避免地會產(chǎn)生誤差。相對而言，用直線斜率法確定P-S曲線具有以下優(yōu)點：第一，直線斜率法能充分利用試驗數(shù)據(jù)(比例界限荷載之前的所有數(shù)據(jù))，從而能更真實反映地層彈性變形階段特征；第二，直線斜率法避免了確定數(shù)據(jù)時使用“內(nèi)插法”。另外，直線斜率法計算只需由EXCEL就可以實現(xiàn)，簡單實用。

圖4 P-S曲線初始直線段線性擬合

3 結(jié)束語

總結(jié)分析相關(guān)規(guī)范中關(guān)于淺層平板載荷試驗基床系數(shù)與變形模量的確定方法，提出其不足之處，并從基床系數(shù)與變形模量定義出發(fā)，結(jié)合山東省某擬建地鐵針對強風(fēng)化泥巖地層展開的淺層平板載荷試驗，提出基床系數(shù)與變形模量新的確定方法：“直線斜率法”。直線斜率法具有充分利用數(shù)據(jù)、避免“內(nèi)插法”誤差和確定方法簡單實用等優(yōu)點。直線斜率法不足之處在于不能確定呈圓弧形的、無初始直線段的P-S曲線。

[1] 周宏磊，張在明.基床系數(shù)的試驗方法與取值[J].工程勘察，2004(2):11-15

[2] 仲鎖慶，張西平，潘海利.地基土基床系數(shù)研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2005(z1):1109-1112

[3] 黃昌乾，李國強，潘啟輝.基床系數(shù)取值方法相關(guān)問題分析[J].建筑結(jié)構(gòu)，2010，40(S1):298-302

[4] 顧寶和，周紅.深圳層平板靜力載荷試驗測定土的變形模量[J].工程勘察，2000(4):1-2

[5] 陳大為，張明啟.平板載荷試驗的方法及成果應(yīng)用[J].鐵道勘察，2007，33(3):38-40

[6] 章富遠.南昌軌道交通1號線巖土工程勘察確定地基土基床系數(shù)的方法探討[J].中國高新技術(shù)企業(yè)，2011(12):30-32

[7] 潘瑞林，易鑫，孫寶忠.地鐵勘察中綜合方法確定基床系數(shù)[J].鐵道勘察，2013(3):22-25

[8] 張蕾，高廣運，高盟.基床系數(shù)確定方法的討論[J].地下空間與工程學(xué)報，2011，7(4):812-818

[9] 遲云峰，李永東.地鐵勘察中基床系數(shù)的確定方法初探[J].科技展望，2015(15)

[10]《土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)》編委會.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京：人民交通出版社，1999

The Discuss Of Determination Methods of the Highly Weathered Mudstone Ground’s Coefficient of Subgrade Reaction and Deformation Modulus by Launching the Shallow Plate Load Tests

ZHOU Yang

2016-06-02

鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司科技開發(fā)課題(合同編號721635)。

周 楊(1989—)，男，2015年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)06-0067-03

TU413.4

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