膨脹土天然地基沉降特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)分析

劉　銳

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司土木建筑設(shè)計(jì)三院，四川成都 610031)

膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮特性的地質(zhì)體，其粘粒成分主要由強(qiáng)親水的蒙脫石和伊利石組成[1]。膨脹土吸水膨脹、失水收縮且變形反復(fù)，對(duì)建筑物所產(chǎn)生的變形破壞作用往往具有反復(fù)性和長(zhǎng)期潛在危險(xiǎn)性的特點(diǎn)[2]。

在鐵路路堤荷載下，天然地基的沉降變形問題主要涉及以下三方面：(1)基底應(yīng)力的分布；(2)附加應(yīng)力的分布；(3)地基土模量的選取。本文主要結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)探討影響地基沉降變形計(jì)算的因素。

本文根據(jù)柳南客運(yùn)專線有代表性的天然地基路基填筑試驗(yàn)段為研究對(duì)象(表1)，其地質(zhì)情況為上覆第四系沖洪積(Q4dl+pl)粉質(zhì)黏土，坡殘積(Q4dl+el)粉質(zhì)黏土，下伏為石炭系中統(tǒng)黃龍組(C2h)灰?guī)r，各層巖土特征分述如下：

(1)膨脹土(Q4dl+pl)：以黏土質(zhì)為主，局部為粉質(zhì)黏土質(zhì)，褐灰色、灰黃色、黃褐色，硬塑狀，質(zhì)較純。自由膨脹率FS=41 %～59 %，屬弱膨脹土，厚4～22 m。主要分布于路基段較平坦處之處。屬II級(jí)普通土，C組填料。

(1-1)軟黏土(Q4dl+pl)：褐黃色、灰黃色、灰褐色，土質(zhì)黏性較強(qiáng)，軟塑狀，局部含少量灰?guī)r質(zhì)角礫，主要分布該實(shí)驗(yàn)段土石接觸帶附近，厚0～5 m，局部稍厚，埋深8～21 m，鉆探取出巖芯手指壓易變形，其具弱膨脹性，自由膨脹率41 %～59 %。屬Ⅱ級(jí)普通土，為D～E組填料。

(2)膨脹土(Q4dl+el)：棕黃色、黃褐色，硬塑狀，微含(5 %～15 %)的灰?guī)r角礫，自由膨脹率FS=41 %～59 %，屬弱膨脹土，厚0～7 m，分布于坡丘表層之處。屬II級(jí)普通土，D～E組填料。

(3)灰?guī)r(C2h)：灰色、青灰色，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚～厚層狀，巖質(zhì)堅(jiān)硬，灰?guī)r巖芯較完整，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，裂隙面有鐵質(zhì)渲染，局部有寬約10～30 cm的溶蝕裂隙?？碧浇沂韭坊秶鷥?nèi)巖溶弱發(fā)育，一般巖芯表面多有溶蝕現(xiàn)象，部分鉆孔揭示溶洞。巖體弱風(fēng)化(W2)，屬Ⅴ級(jí)次堅(jiān)石，A組填料。

表1　特征斷面具體參數(shù)

1　現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)

土壓力盒埋置于地基面表層，沉降板埋置于該斷面中心地基表面處，沉降磁環(huán)埋設(shè)在該斷面的路基中心處，沿沉降管自地基面向下(22 m深度)每2 m設(shè)置一個(gè)，對(duì)于土層交界面同樣布置一個(gè)。該特征斷面現(xiàn)階段中心填高為4.5 m(圖1)。

圖1　實(shí)驗(yàn)儀器埋設(shè)布置

根據(jù)上述觀測(cè)項(xiàng)目，同時(shí)進(jìn)行路基填筑觀測(cè)以配合分析過程，其中該斷面是從2011年5月17日第二層碎石填筑完成開始測(cè)量，5月22日開始填筑第一層路基，路基第一階段(填高5 m)填筑完成時(shí)間為2011年9月3日，后按設(shè)計(jì)靜置三個(gè)月。

1.1　基底壓力實(shí)測(cè)值

基底不同斷面位置的應(yīng)力隨填筑高度和天數(shù)的變化如圖2。

圖2　土壓力與填高、天數(shù)的關(guān)系

斷面各個(gè)位置的基底應(yīng)力隨填筑高度的變化如圖3。

圖3　土壓力與填筑高度關(guān)系

從圖2、圖3中明顯可看出隨著填筑高度的增加，應(yīng)力增加明顯可以分為兩個(gè)階段，即隨著填筑持續(xù)進(jìn)行，壓力值線性增加，靜置期間，壓力值基本維持不變。

1.2　沉降實(shí)測(cè)值

地基總體沉降及內(nèi)部分層沉降通過埋設(shè)于地基面的沉降板及埋設(shè)于路基中心的沉降磁環(huán)進(jìn)行觀測(cè)，在此結(jié)合路基填筑過程，該斷面觀測(cè)結(jié)果如圖4所示。圖4中各深度為該點(diǎn)距地表距離。

圖4　路基中心地表及分層沉降

從圖4中可以看出天然地基地表及分層沉降都隨路基填高而增加，并大致可分為兩個(gè)階段，即填筑初期沉降量較小，隨著填筑的持續(xù)進(jìn)行沉降量繼續(xù)增加，靜置期間沉降量增加緩慢。地基內(nèi)部深度為1.6～13 m各深度處的沉降同地表沉降較規(guī)律一致,而15～21 m的沉降增量隨填高增加較小。由于沉降磁環(huán)底端并未直接固定于基巖內(nèi)，所以最底端有一定的沉降(5 mm)，但整體結(jié)構(gòu)性較好。深度為13～21 m之間土層的沉降量都較小，最大值為9 mm，而0～12 m深層沉降為10～17 mm，可看出地基沉降主要發(fā)生在0～12 m。

2　沉降理論計(jì)算

2.1　基底應(yīng)力

理論計(jì)算值。目前鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范中對(duì)于路基自重引起基底應(yīng)力的計(jì)算方法主要有兩種：比例荷載法、均布荷載法[3]。比例荷載法是用荷載γH(即用路基土容重γ乘以地基面上路基高度H)近似代替路基產(chǎn)生的荷載，這種荷載可以看成斷面形式為梯形的條形荷載(圖5(b))；均布荷載法是將路基填土自重產(chǎn)生的總荷載Q均布到路基底面寬度B范圍內(nèi)(即Q/B)來(lái)近似代替路基荷載，這種荷載可以看成斷面形式為矩形的條形荷載(圖5(c))。

圖5　實(shí)際問題中基底應(yīng)力的假設(shè)

彈性土堤法[5]假設(shè)路基和地基是連續(xù)一個(gè)整體，由各向同性的線彈性材料組成，路基足夠長(zhǎng)，并按平面應(yīng)變問題來(lái)考慮。Bozozuk、Leonards認(rèn)為彈性土堤法更接近于實(shí)際應(yīng)力[6]。

實(shí)測(cè)值：該斷面在中心填高為4.5 m時(shí)整個(gè)斷面的基底應(yīng)力的實(shí)測(cè)值與四種理論計(jì)算方法的對(duì)比如圖6。

圖6　路基范圍內(nèi)理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值

在進(jìn)行地基沉降計(jì)算時(shí)，首先需確定基底中心處的應(yīng)力，然后再根據(jù)地基的e-p曲線來(lái)確定地基的沉降量，所以合理確定基底中心應(yīng)力具有重要的工程意義。

當(dāng)路基中心填筑到4.5 m，實(shí)測(cè)值和四種方法計(jì)算結(jié)果見表2。

表2　路基中心處的基底應(yīng)力　MPa

從圖6可以看出在整個(gè)路肩范圍內(nèi)，彈性土堤法和修正比例荷載法同實(shí)測(cè)值都較為接近；從表2可以看出彈性土堤法和修正比例荷載法計(jì)算出路基中心處的應(yīng)力值同實(shí)測(cè)值較為吻合，而修正比例荷載法較彈性土堤法計(jì)算更方便，故建議采用修正比例荷載法計(jì)算基底中心應(yīng)力。

2.2　附加應(yīng)力

彈性土堤法是利用彈性理論求解計(jì)算地基附加應(yīng)力，由于考慮了路基坡度、高寬比以及地基土的泊松比等因素，該法比布氏理論更符合實(shí)際，但計(jì)算過程很繁瑣。

根據(jù)地勘資料和原位試驗(yàn)可知地層的壓縮層厚度一定，且土層較為均勻。借鑒建筑地基規(guī)定基礎(chǔ)下應(yīng)力擴(kuò)散角，繪制出填高分別為5 m、10 m時(shí)的雙線標(biāo)準(zhǔn)路基斷面中心點(diǎn)下該沉降計(jì)算深度內(nèi)彈性土堤法的附加應(yīng)力衰減情況及擴(kuò)散寬度(圖7)，并計(jì)算出地基附加應(yīng)力擴(kuò)散角(表3)。

圖7　附加應(yīng)力、擴(kuò)散寬度與深度關(guān)系

考慮路基高寬比后擬合的計(jì)算地基附加應(yīng)力的公式如式(1)。

(1)

表3　附加應(yīng)力擴(kuò)散的角度

式中：

A=-0.35×(b/H)2+0.31×(b/H)-1.25

D=0.019×(b/H)2-0.038×(b/H)+0.1

C=0.39×(b/H)2-0.33×(b/H)+1.86

y*為坐標(biāo)原點(diǎn)在路基表面時(shí)深度方向，y*/H=1，表示地基表面位置。

分別用彈性土堤法、表3計(jì)算出的擴(kuò)散角和式(1)來(lái)計(jì)算附加應(yīng)力隨深度變化(圖8)。

圖8　附加應(yīng)力與深度關(guān)系

從圖8中可以看出用彈性土堤法所計(jì)算的附加應(yīng)力和式(1)、擴(kuò)散角在5 m時(shí)衰減規(guī)律是一致的，同式(1)法計(jì)算值非常接近，用擴(kuò)散角計(jì)算的值在淺層稍微偏大，深層則較為一致；在10 m時(shí)式(1)計(jì)算值稍小于彈性土堤法的，用擴(kuò)散角計(jì)算值則淺層偏大，深層很接近，且衰減規(guī)律較為一致。還可看出用擴(kuò)散角和式(1)同彈性土堤法的差值在隨著L/H減小而增大，后面(表6)將用上述對(duì)比方法計(jì)算沉降值并同實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析。

2.3　地基土模量

在沉降計(jì)算中，模量對(duì)沉降計(jì)算影響最大，所以合理確定模量就顯得十分重要?，F(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)可以減少或避免由于取樣帶來(lái)的擾動(dòng)，更好的模擬現(xiàn)場(chǎng)情況且受到人為不必要影響較少。本次在同一地層選取兩個(gè)斷面共三個(gè)孔位進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(表4)。

表4　試驗(yàn)孔位分布

對(duì)于標(biāo)貫試驗(yàn)來(lái)說(shuō)，需要探討觸探桿長(zhǎng)的修正問題。當(dāng)進(jìn)行桿長(zhǎng)修正時(shí)，查閱相關(guān)資料列出以下兩種修正方法：

(1)當(dāng)觸探桿長(zhǎng)度大于3 m時(shí)，錘擊數(shù)應(yīng)按式(2)進(jìn)行桿長(zhǎng)校正：

N63.5=α·N′

(2)

式中N63.5為標(biāo)貫測(cè)試錘擊數(shù)；α為觸探桿校正長(zhǎng)度系數(shù)；N′為實(shí)測(cè)貫入30 cm的錘擊數(shù)。GBJ 7-89《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定修正系數(shù)α(表5)。

表5　桿長(zhǎng)修正系數(shù)α

(2)吉中(日本)公式[7]如式(3):

N=(1-0.005l)N′

(3)

式中：N為校正后的擊數(shù)值；N′為實(shí)測(cè)貫入30 cm的錘擊數(shù)；l為觸探桿長(zhǎng)度(m)。

分別根據(jù)方法(1)、(2)對(duì)上述三個(gè)試驗(yàn)孔位的實(shí)測(cè)值進(jìn)行桿長(zhǎng)修正，并同實(shí)測(cè)值對(duì)比如圖9。

圖9　各孔位N值與深度關(guān)系

可以看出兩種方法對(duì)實(shí)測(cè)值的修正后同原值相差不大；兩個(gè)斷面的N值變化規(guī)律由于土層的差異性在15 m以下明顯不同，但同一斷面不同孔位處的N值隨深度變化規(guī)律是一致的。同一土層的N值在15 m以前隨深度都在增加，而15 m以下由于土層差異性，斷面D1K559+650在15m以下不同于斷面D1K559+507.92，仍隨深度增加。

一般來(lái)講，標(biāo)貫試驗(yàn)有一定的離散性，筆者將15 m以內(nèi)的三孔位的N值統(tǒng)計(jì)后計(jì)算出其變異系數(shù)為0.57，說(shuō)明該地層同一個(gè)深度處N值具有一定的離散性，所以當(dāng)采用上述三種方法進(jìn)行模量計(jì)算時(shí)，在15 m以內(nèi)的取三處實(shí)測(cè)值的平均值，本文實(shí)測(cè)沉降值的特征斷面同D1K559+650非常接近，所以15 m以下采用該斷面N值。

國(guó)內(nèi)不同單位對(duì)標(biāo)貫試驗(yàn)估算土的變形參數(shù)均有相關(guān)研究，針對(duì)各種土類標(biāo)貫捶擊數(shù)與土體模量參數(shù)之間存在一定相關(guān)性。本文參考湖北省水利電力勘察設(shè)計(jì)院的計(jì)算公式：E0=1.0658N+7.4306。

根據(jù)公式E0=ES×μ進(jìn)行模量換算。μ=1-2×ν2/(1-ν)，其中ν值取0.25。

2.4　沉降計(jì)算

GB 50007-2002《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)計(jì)算地基變形時(shí)，最終變形量可按式(4)計(jì)算。

S=φSS′

(4)

式中：S為地基最終變形量(mm)；S′為按分層總和法計(jì)算的地基變形量；φS為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù),本文取0.2。

當(dāng)特征斷面地基為較均質(zhì)土，用分層總和法進(jìn)行沉降計(jì)算時(shí)可按式(5)計(jì)算。

(5)

式中：S′為地基總沉降量(mm)；ΔΡi為路堤荷載對(duì)第i層土中點(diǎn)的附加應(yīng)力(kPa)；Esi為第i層土的壓縮模量(MPa)；Δhi為第i層土的厚度(m)。

對(duì)上述所討論的因素進(jìn)行最終沉降計(jì)算如表6。

計(jì)算結(jié)果見表7。

表7　各方法的計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值

可以看出上述理論計(jì)算方法同實(shí)測(cè)值都較為接近，其中方法1同方法4同實(shí)測(cè)值最為吻合。當(dāng)模量用不同方法計(jì)算時(shí)，三種方法的計(jì)算值都較接近實(shí)測(cè)值，安全起見，建議類似地基計(jì)算N值時(shí)仍按照規(guī)范先進(jìn)行桿長(zhǎng)修正。當(dāng)用不同方法計(jì)算地基附加應(yīng)力時(shí)，方法1和4同實(shí)測(cè)值最吻合，考慮到式(1)計(jì)算更為方便，建議類似地基計(jì)算時(shí)可用式(1)計(jì)算。總的來(lái)說(shuō)，考慮到現(xiàn)階段的實(shí)測(cè)值是填筑完3個(gè)月的實(shí)測(cè)值，并不是最終沉降值，而理論計(jì)算值為最終沉降值，所以理論計(jì)算值是偏小的，但從沉降隨填筑與時(shí)間的關(guān)系曲線可以看出靜止期間沉降增長(zhǎng)緩慢，所以理論計(jì)算值同實(shí)測(cè)值還是較為接近的。

3　結(jié)論

(1)通過基底應(yīng)力實(shí)測(cè)值驗(yàn)證了修正比例荷載法在計(jì)算基底應(yīng)力特別是基地中心應(yīng)力計(jì)算的適用性。

(2)通過對(duì)附加應(yīng)力理論分析和計(jì)算沉降并同實(shí)測(cè)值對(duì)比，發(fā)現(xiàn)式(1)計(jì)算最終沉降值同實(shí)測(cè)值較吻合，但偏小。

(3)通過分析三種桿長(zhǎng)修正方法發(fā)現(xiàn)隨深度變化規(guī)律一致；所計(jì)算的沉降值同實(shí)測(cè)值都較為接近。分析模量與N值的關(guān)系發(fā)現(xiàn)對(duì)于膨脹土來(lái)說(shuō)模量同N值關(guān)系(或統(tǒng)計(jì)公式)應(yīng)結(jié)合更多相關(guān)地區(qū)的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)一步分析研究。