軌道交通基床系數(shù)測定方法應(yīng)用研究

韓 丹

(南京南大巖土工程技術(shù)有限公司，江蘇 南京 210000)

1 概述

據(jù)GB 50307城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范定義，在外力作用下，單位面積巖土體產(chǎn)生單位變形時所需壓力稱為基床系數(shù)，其根據(jù)巖土體受力情況可分為水平基床系數(shù)和垂直基床系數(shù)[1]。基床系數(shù)不單純是土的性質(zhì)指標(biāo)，其取值受土的類型和狀態(tài)、基礎(chǔ)形狀和埋深、地基剛度、基底面積、荷載作用時間等因素綜合影響，是軌道交通巖土工程勘察需要測定的重要參數(shù)之一。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者通過大量試驗研究總結(jié)出多種基床系數(shù)確定方法，主要包括原位測試法(載荷試驗、旁壓試驗、扁鏟試驗)、室內(nèi)試驗法(三軸試驗和固結(jié)試驗)、經(jīng)驗公式法與經(jīng)驗值法等[2-4]。其中，室內(nèi)試驗法在實踐中應(yīng)用較多，尤其當(dāng)現(xiàn)場試驗難以實施時，采用室內(nèi)試驗更加簡單、經(jīng)濟(jì)。就軌道交通基床系數(shù)測定方法而言，GB 50307給出了三軸試驗和固結(jié)試驗基床系數(shù)計算公式，但具體如何實現(xiàn)，需要工程技術(shù)人員在實踐中探索、總結(jié)。本文以南京軌道交通九號線初勘工程項目為例，著重論述基于固結(jié)試驗法的基床系數(shù)測定方法，并結(jié)合扁鏟試驗數(shù)據(jù)和地區(qū)經(jīng)驗數(shù)據(jù)分析試驗成果準(zhǔn)確性，給出合理的基床系數(shù)修正思路。

2 地質(zhì)條件

3 固結(jié)試驗方法

3.1 數(shù)據(jù)采集

試驗采用智龍全自動氣壓固結(jié)儀，氣壓加壓可消除荷載增加的沖擊力影響，提高試驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。試驗過程電腦控制，自動判穩(wěn)。

數(shù)據(jù)采集選擇快速固結(jié)法，由于試驗段為淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土，根據(jù)工程經(jīng)驗，對于高壓縮性、流塑狀的淤泥質(zhì)土，臨塑荷載一般在50 kPa左右，試驗選擇從較小的壓力12.5 kPa開始，荷載增加順序按12.5 kPa,25 kPa,50 kPa,100 kPa,200 kPa,400 kPa,800 kPa,1 600 kPa進(jìn)行，每間隔1 h施加一級荷載，記錄每級壓力下的歷時變形量，采用末級判穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，施加末級荷載24 h后，若每小時變形量不超過0.01 mm，結(jié)束試驗。

3.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)固結(jié)試驗中測得的應(yīng)力與變形關(guān)系確定基床系數(shù)，可采用式(1)[1]：

(1)

其中，h0為樣品高度，m；em=(e1+e2)/2為試驗過程中孔隙比的平均值；σ2-σ1為應(yīng)力增量，MPa。

由于基準(zhǔn)基床系數(shù)是由邊長為30 cm的方形承壓板通過荷載試驗測得，實際應(yīng)用中承壓板的面積不同，且基床系數(shù)K大小受基礎(chǔ)寬度影響，需要將非標(biāo)準(zhǔn)尺寸承壓板測得的基床系數(shù)根據(jù)土類修正為基準(zhǔn)基床系數(shù)，對于粘性土，可按式(2)換算[5]：

(2)

室內(nèi)壓縮試驗測試深度為樣品高度20 mm，荷載試驗測試深度為承壓板影響范圍內(nèi)深度，考慮到彼此差異，取樣品直徑B=61.8 mm，樣品高度h0=20 mm，測試深度影響因素β按B/h0=3.09考慮，代入式(2)中得K1≈0.067K。經(jīng)計算，試驗段淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土層基床系數(shù)統(tǒng)計值如表1所示。

表1 試驗段基床系數(shù)測定統(tǒng)計值 MPa/m

4 成果分析

由于不同試驗方法和試驗條件測定的基床系數(shù)數(shù)值結(jié)果存在較大差異，近年來各地區(qū)通過原位測試等手段積累了大量的資料，形成了地區(qū)經(jīng)驗值。為驗證試驗段固結(jié)試驗成果可靠性，另對中保站進(jìn)行扁鏟側(cè)脹試驗，獲取了對應(yīng)的基床系數(shù)。本文將固結(jié)試驗數(shù)據(jù)與扁鏟試驗數(shù)據(jù)、地區(qū)經(jīng)驗值進(jìn)行對比分析，綜合確定試驗段基床系數(shù)。

根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗，軟土(包括軟粘性土、軟粉土、淤泥質(zhì)土等)水平基床系數(shù)為1 MPa/m～12 MPa/m,垂直基床系數(shù)為1 MPa/m～10 MPa/m[6]，由表1可以看出，固結(jié)試驗法未修正數(shù)據(jù)和扁鏟試驗數(shù)據(jù)均比地區(qū)經(jīng)驗值大，其中固結(jié)試驗未修正結(jié)果比經(jīng)驗值大20倍左右，扁鏟試驗結(jié)果比經(jīng)驗值大10倍左右。

固結(jié)試驗法取樣方便、快捷，同時取垂直、水平向試樣進(jìn)行試驗，測試周期短，費用低，但取樣過程易擾動，樣品選取代表性、均勻性以及試驗方法本身缺陷等方面均影響著試驗結(jié)果，試驗數(shù)據(jù)不宜直接使用，而對基礎(chǔ)寬度、影響深度等參數(shù)進(jìn)行修正后的數(shù)據(jù)則接近地區(qū)經(jīng)驗值。由于地基土層垂直方向長期受自重應(yīng)力作用，理論上土樣垂直方向的物理力學(xué)性質(zhì)應(yīng)優(yōu)于水平方向，即垂直基床系數(shù)大于水平基床系數(shù)，由于本試驗段土層深度有限，并未明顯體現(xiàn)該規(guī)律，兩個方向數(shù)值相近。

扁鏟試驗是原位測試的一種方法，測試中能基本保持土體的原位應(yīng)力狀態(tài)，但由于受基礎(chǔ)性質(zhì)(剛度、尺寸、形狀等)、試驗荷載增加速率等因素影響，特別是本試驗中扁鏟側(cè)頭對靈敏性軟土的擾動，試驗值與經(jīng)驗值存在一定差距，不宜直接使用，同樣應(yīng)注意修正。

采用室內(nèi)試驗手段確定基床系數(shù)在實踐中應(yīng)用較多，但常存在著與載荷試驗結(jié)果及地區(qū)經(jīng)驗值有較大誤差的現(xiàn)象。綜合分析以上測試結(jié)果，本著“安全、經(jīng)濟(jì)、合理、可行”的設(shè)計原則，結(jié)合固結(jié)試驗修正結(jié)果和地區(qū)經(jīng)驗值，考慮1.3～1.5的安全系數(shù)，建議試驗段基床系數(shù)綜合取值如表2所示。

表2 試驗段基床系數(shù)綜合取值 MPa/m

5 結(jié)語

基床系數(shù)是軌道交通勘察的一項重要參數(shù)，室內(nèi)固結(jié)試驗簡單、經(jīng)濟(jì)、快速，在實踐中應(yīng)用廣泛，但因方法局限性和理論依據(jù)不充分，試驗數(shù)據(jù)與原位測試結(jié)果相差較大。本文以南京軌道交通九號線初勘工程項目為例，利用扁鏟試驗數(shù)據(jù)和地區(qū)經(jīng)驗數(shù)據(jù)修正固結(jié)試驗數(shù)據(jù)，取得了較好的效果，可為室內(nèi)固結(jié)試驗法準(zhǔn)確測定基床系數(shù)積累經(jīng)驗。后續(xù)如何完善試驗理論及規(guī)范試驗流程仍是軌道交通基床系數(shù)測定工作有待進(jìn)一步研究的方向。