埃及規(guī)范對確定土層基本物理力學(xué)參數(shù)的要求

付開隆 李朝輝 楊 舉

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

埃及開羅附近規(guī)劃了兩條鐵路線，開羅至齋月十日城項目和Robeiky至Belbis City貨運線。兩條線路均位于開羅市東側(cè)，地理上屬于尼羅河三角洲向荒漠地區(qū)的過渡地帶。地形平緩開闊，與土建工程相關(guān)的土層以第三系或第四系砂層為主，局部夾少量黏性土或礫石層。埃及巖土工程勘察主要規(guī)范是《埃及基礎(chǔ)設(shè)計與施工規(guī)范》。筆者在兩條線路巖土勘察項目過程中，通過與當?shù)氐乜弊稍儏f(xié)作單位的溝通，并結(jié)合可研階段完成的巖土勘察報告，對適應(yīng)當?shù)氐耐翆釉O(shè)計參數(shù)確定方法進行闡述，可供在埃及從事巖土勘察的同仁參考。

1 野外勘察

1.1 鉆探

鉆探是當?shù)夭扇〉闹饕辈旆椒?。由于土質(zhì)較為均一，且地下水位埋深較大，土體承載力及穩(wěn)定性較好，因而，鉆孔間距較大，尤其是路基工程地段，鉆孔間距可達到500 m，鉆孔深度為5～10 m，對于橋梁工程地段，鉆孔應(yīng)鉆至基礎(chǔ)以下不小于 7 m。需要說明的是，本地段的第三系土層，其膠結(jié)程度較好，土體承載力較高，不均勻沉降較小，故較多的橋梁采用了明挖擴大基礎(chǔ)，勘探深度按20～25 m控制。

鉆孔前先開挖1～1.5 m的試坑，以探明下覆管線等，這與國內(nèi)鐵路行業(yè)做法相同。由于地形相對平緩開闊，鉆探采用車載鉆機，土層一般采用旋轉(zhuǎn)沖洗鉆頭，鉆進過程中通過沖洗液將巖土沖出，采用泥漿護壁以保持孔壁穩(wěn)定。對于砂性土，取標貫器中的樣品作為室內(nèi)試驗的樣品。對于黏性土，采用取土器取原狀土樣。對于巖石，采用取芯鉆進，鉆進過程中注重量測巖石質(zhì)量指標(RQD值)。

1.2 原位測試

現(xiàn)場使用最多的測試方法是標準貫入試驗(SPT)。標貫器尺寸、錘重、落距等試驗方法執(zhí)行美國材料試驗協(xié)會(ASTM D-1586)的相關(guān)要求。每次試驗先貫入15 cm，不計錘數(shù)，然后再計貫入30 cm的總錘擊數(shù)。如果錘擊數(shù)超過了50擊，則不再貫入。上提標貫器采用固定在車上的動滑輪通過人工拉動繩子來實現(xiàn)，這與國內(nèi)采用卷揚機上提有一定區(qū)別。一般間隔1.5～2 m做一次標慣試驗。中國鐵路標準及埃及規(guī)范中標貫擊數(shù)與土的密實度及塑性狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系，如表1所示。

表1 中埃規(guī)范標貫擊數(shù)與土的密實度及塑性狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系對比表

SPT擊數(shù)需進行校正。當?shù)氐臉素炐Ｕ椒ㄅc國內(nèi)鐵路略有不同，先針對某一工點(或某地段線路)統(tǒng)計所有鉆孔0～5 m、5～20 m、>20 m的平均擊數(shù)，然后按0～5 m平均擊數(shù)×1.15、5～20 m平均擊數(shù)×0.7、>20 m平均擊數(shù)×0.48進行修正。開羅至齋月十日城項目初勘階段完成鉆孔標貫測試統(tǒng)計如圖1、圖2所示。根據(jù)圖2分析，校正后的N值都在50以上(非常密實)，而在30～50(密實)之間的值很少。 深度間隔0～5 m、5～20 m和大于20 m的N平均值分別為85、97和126。

2 室內(nèi)試驗

在實地勘察過程中，所有土樣都被送至實驗室進行分類和物理力學(xué)性質(zhì)測定。

2.1 物理性質(zhì)試驗

通過篩分試驗確定砂類土不同粒徑組成的百分比，并繪制粒度分布曲線。依據(jù)統(tǒng)一土壤分類系統(tǒng)或ASTM D-2488對土樣進行分類。由于取樣間隔較小，因而此類試驗結(jié)果較多，往往占據(jù)試驗成果資料大部分。此外，還包括天然含水量、密度、比重等試驗項目。對于黏性土則主要包括界線含水量、自由膨脹率等試驗項目，同國內(nèi)鐵路要求相同。

圖1 實測標貫擊數(shù)與鉆孔深度變化的關(guān)系圖

圖2 修正后標貫擊數(shù)與鉆孔深度變化的關(guān)系圖

2.2 力學(xué)性質(zhì)試驗

力學(xué)性質(zhì)試驗包括擾動砂土的直剪試驗、黏性土的擊實試驗和加州承載比(CBR)試驗、巖石樣品的無側(cè)限抗壓強度及點荷載等試驗。直剪試驗主要確定砂土的剪切強度參數(shù)，這與我國一般只針對原狀土進行直剪試驗不同。對黏性土的擊實試驗，埃及多采用重型擊實(擊錘重量4.5 kg)，我國則有輕型和重型之分。對原狀巖樣進行無側(cè)限抗壓強度試驗并繪制應(yīng)力-應(yīng)變曲線，與國內(nèi)做法相同。點荷載試驗所得成果資料為所產(chǎn)生的破壞載荷P和每個試驗的點載荷強度指數(shù)Is(50)的計算結(jié)果，主要用于巖石分類及巖石各向異性的測定，并可計算其單軸抗壓強度和抗拉強度。

2.3 水和土的腐蝕性試驗

表2 埃及-中國鐵路標準中化學(xué)侵蝕對混凝土作用等級對比表(對研究區(qū)砂性土對比)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 土的粒徑統(tǒng)計

根據(jù)篩分試驗結(jié)果，可分別對各段落、各工點、各孔揭示的土層中礫砂、砂、或黏性土進行統(tǒng)計分析。礫砂土加粗砂百分比含量隨深度的變化統(tǒng)計如圖3所示。

從圖3可以看出，礫石的百分比在0～90%之間，總體平均值為16%。 礫石加粗砂的組合百分比在0～95%之間，總體平均值為32%。

圖3 礫砂加粗砂百分比含量隨深度變化的關(guān)系圖

3.2 非黏性土抗剪強度

非黏性土抗剪強度參數(shù)主要是內(nèi)摩擦角，按照埃及規(guī)范的規(guī)定，可根據(jù)SPT試驗結(jié)果查表或通過擾動樣直剪試驗取得。埃及規(guī)范提供了SPT的校正N值與內(nèi)摩擦角(φ)之間的關(guān)系，如表3所示。

表3 SPT的校正(N)值與內(nèi)摩擦角及相對密度之間的關(guān)系

在標貫統(tǒng)計值的基礎(chǔ)上，再同室內(nèi)試驗結(jié)果相比較，進行綜合分析后取設(shè)計值。一般情況下，通過標貫查得的數(shù)值偏高，而通過室內(nèi)試驗得到的值偏低?；赟PT測試的結(jié)果，并對照表4，可認為項目內(nèi)摩擦角為36°～40°。

3.3 變形模量

根據(jù)埃及規(guī)范，變形模量可參考標貫擊數(shù)(N)進行換算，其換算方法如下：

粉土及粉砂：E(kg/cm2)=4N

細～中砂：E(kg/cm2)=7N

砂加礫石及粗砂：E(kg/cm2)=10N

礫石及礫砂：E(kg/cm2)=12N

同時，埃及規(guī)范也提供了根據(jù)非黏性土的密實度與變形模量的關(guān)系，如表4所示。

表4基于非黏性土相對密實度的變形模量典型變化范圍(埃及規(guī)范ECP202-2001)

相對密實度變形模量E/(kg/cm2)松散100～250中密250～750密實750～1 500非常密實1 500～4 000

變形模量還可通過Janbu(1963)經(jīng)驗公式進行計算，具體公式表述如下：

(1)

式中：F——系數(shù)，取決于砂土的相對密度及組成，當土質(zhì)為松散狀粉砂時，取1 5000；當土質(zhì)為中密狀砂土?xí)r，取30 000；當土質(zhì)為密實狀砂土?xí)r，取50 000；

σx——有效圍壓，(kN/m2)，σx=σy×K0；

K0——靜止土壓力系數(shù)；

σy——有效垂直壓力(kN/m2)。

3.4 填料

埃及當?shù)氐囊?guī)范，主要強調(diào)使用加州承載比試驗值進行填料分級。加州承載比試驗需與擊實試驗相互配合。其試驗方法與我國相似。

本項目在可研階段，對LRT-11鉆孔進行了一次CBR測試，樣品以粗砂礫和細砂為主，樣品級配好， 得出的CBR值為74.6%。

3.5 黏性土不排水抗剪強度

埃及規(guī)范中黏性土不排水抗剪強度指標與標貫試驗錘擊數(shù)有關(guān)，如表5所示。

表5 標貫擊數(shù)與黏性土的CI和Cu的關(guān)系

注：Wsh——縮限,Wc——土的含水量

4 地基承載力及沉降

4.1 地基承載力

埃及規(guī)范建議使用太沙基公式(Terzaghi formula)進行地基承載力計算，公式如下。

qult=c×Nc×λc+γ1×Df×Nq×λq+γ2×B×Nγ×λγ

(2)

qall=qult/Fs

式中：qult——極限承載力；

qall——容許承載力；

c——凝聚力；

Df——基礎(chǔ)深度；

B——短邊基礎(chǔ)寬度；

γ1——地基以上土容重；

γ2——地基以下土容重；

Nc、Nq、Nγ——取決于土層φ值的承載力系數(shù)，其定義為：

Nc=(Nq-1)cotφ

Nγ=(Nq-1)tanφ;

λc、λq、λγ——取決于地基寬度B與長度L之比的地基形狀系數(shù)，定義如下：

λc、λq=1+0.3(B/L)

λγ=1-0.3(B/L);

FS——安全系數(shù)。

根據(jù)現(xiàn)場勘探試驗結(jié)果，將實際參數(shù)代入式(2)中，可得承載力換算表，如表6所示。

表6 淺基礎(chǔ)允許承載力表(基礎(chǔ)深度=1.5 m)

4.2 淺基礎(chǔ)沉降

由于段內(nèi)土質(zhì)以砂土為主，故地基沉降主要計算短時間內(nèi)的沉降。埃及當?shù)貙A(chǔ)沉降計算采用多種方法，其中采用Stienbrener(取自Bowels 1996的方程式)方法進行角點沉降計算。具體公式表述如下：

(3)

式中：Si——彈性沉降；

q——施加的壓力；

Es——有關(guān)土層的楊氏模量(變形模量)；

ν——有關(guān)土層的泊松比；

I1和I2——Stienbrener影響因子，取決于L/B和H/B的比率。

通過計算，得到淺基礎(chǔ)的沉降值如表7所示。

表7 方形淺基礎(chǔ)的預(yù)估沉降表(mm)

4.3 樁基承載力

根據(jù)埃及規(guī)范，樁端承載力和樁周土極限摩阻力可分別通過表表取得。如表8～表11所示。

其中，樁端極限承載力與樁實際發(fā)生的沉降量有關(guān)，且以3.4 MPa為限。非黏性土樁周極限摩阻力與埋深和標貫擊數(shù)有關(guān)。黏性土樁周極限摩阻力與不排水抗剪強度有關(guān)。

表8大直徑鉆孔灌注樁在無粘性土中樁端承載力與沉降的關(guān)系(ECP202-2001)

沉降值/cm端承應(yīng)力 qb/( ton/m2) (MPa)1.050 (0.50)2.080 (0.80)3.0110 (1.10)15.0340 (3.40)

表9大直徑鉆孔灌注樁在無粘性土中樁周極限摩阻力(ECP202-2001)

標貫擊數(shù)N原始地面以下深度/m極限側(cè)阻力qf(ult)/(ton/m2) (kPa)<10-0.010～200.0～2.00.02.0～5.03.0 (30)> 5.05.0 (50)20～300.0～2.00.02.0～7.54.5 (45)> 7.57.5 (75)>300.0～2.00.02.0～10.06.0 (60)> 10.010.0 (100)

表10 不同直徑和長度鉆孔樁容許承載力

注：容許承載力單位為ton-1，ton=10 kN

表11大直徑鉆孔灌注樁在粘性土樁周極限粘附應(yīng)力(ECP202-2001)

土的凝聚力 cu/(ton/m2) (kPa)樁周極限粘附應(yīng)力 ca(ult)/(ton/m2) (kPa)0.00.02.5 (25)2.5 (25)10.0 (100)4.0 (40)20.0 (200)5.0 (50)

4.4 群樁基礎(chǔ)沉降

群樁基礎(chǔ)沉降量采用經(jīng)驗公式計算。

(4)

式中：SG——群樁基礎(chǔ)沉降；

Ss——單樁基礎(chǔ)沉降；

B——較短的樁群基礎(chǔ)寬度；

d——樁徑。

5 結(jié)論

本文通過埃及開羅至齋月十日城項目及Robeiky至Belbis City貨運鐵路初勘全過程的實際工作，搜集了豐富的現(xiàn)場及實驗室相關(guān)數(shù)據(jù)，較系統(tǒng)全面地總結(jié)了按照埃及規(guī)范確定土層基本物理力學(xué)參數(shù)方法，并與我國相關(guān)規(guī)范進行了對比。

(1)埃及巖土勘察有關(guān)規(guī)范(ECP 202-2001)多參考國際鐵路聯(lián)盟(UIC)、英國標準(BS)及美國材料試驗協(xié)會ASTM的相關(guān)標準，并結(jié)合本國實際情況進行了優(yōu)化，有一套相對完善的巖土勘察及建筑結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)計算體系，但出版物多為阿拉伯語版本。故若國內(nèi)同仁需在埃及開展有關(guān)項目巖土工程勘察，可先熟悉UIC、BS及ASTM等相關(guān)標準及規(guī)范。

(2)埃及本國在開展巖土勘察的過程中，對現(xiàn)場鉆探十分重視。強調(diào)標準貫入試驗的應(yīng)用，通過標貫擊數(shù)(N)總結(jié)了較為全面的力學(xué)參數(shù)經(jīng)驗公式或表格。

(3)項目區(qū)多為密實狀中粗砂及礫砂，除每隔1.5～2 m取標貫測試樣品，并送實驗室進行一系列的顆粒篩分、密度、含水量等測試外，其他鉆探過程均不取芯。

(4)由于埃及常年干旱少雨，故本文物理力學(xué)參數(shù)的具體數(shù)值及經(jīng)驗公式存在一定的局限性。