洪積礫砂層靜載試驗(yàn)研究

杜 磊

（甘肅省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 前言

甘肅中部生態(tài)移民扶貧開發(fā)供水工程北干渠武家沙河2 號(hào)渡槽位于白銀市平川區(qū)北灘鎮(zhèn)境內(nèi)，渡槽為新建渡槽，包含進(jìn)口6 m 漸變段總長(zhǎng)552 m。

渡槽整體走向正北略偏西與武家沙河該段河床正交，進(jìn)、出口為武家砂河Ⅰ級(jí)階地前緣，地形較平坦，中段跨武家沙河河溝，河溝寬約500 m，溝深10 m～12 m，溝道呈寬淺的“U”形，溝道兩岸邊坡為土質(zhì)邊坡，自然邊坡穩(wěn)定。

渡槽左岸（進(jìn)口段）布置于武家沙左岸Ⅰ級(jí)階地，該段地層巖性上部為全新統(tǒng)洪積（Q42pL）砂壤土[1]，土層厚1 m～4.5 m，具中壓縮性、輕微～強(qiáng)烈濕陷性；下部為青灰色洪積（Q42pL）砂礫石，厚11 m～13 m。河溝內(nèi)地層巖性表層為全新統(tǒng)洪積（Q43pL）砂壤土，土黃色，厚1 m～2 m，結(jié)構(gòu)松散；下部為洪積（Q43pL）砂礫石，厚9 m～12 m。出口段布置于武家沙左岸Ⅰ級(jí)階地，地層巖性從上至下依次為：第一層為洪積（Q42pL）砂壤土，土黃色，厚2 m～3 m，結(jié)構(gòu)松散；第二層為松散的洪積（Q42pL）粉細(xì)砂，褐黃色，厚1m～1.6 m；第三層為洪積（Q42pL）砂礫石，厚2 m～3 m。武家沙河屬季節(jié)性洪水河道，地下水埋深約15 m，對(duì)工程的影響較小。

北干渠2# 渡槽斷面型式為U 形斷面，斷面尺寸寬×高=1.8 m×1.6 m；主要建筑物有：基礎(chǔ)工程含墊層、基礎(chǔ)；支撐工程含支墩、墩帽、支座；槽身工程含槽頂欄桿等附件。基礎(chǔ)共設(shè)計(jì)47 個(gè)重力墩，基礎(chǔ)形式主要有樁基礎(chǔ)和鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)。武家沙河右岸濕陷性土層段主要采用樁基礎(chǔ)，河床及漫灘礫砂段和左岸砂礫石段主要采用鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)，重力墩高度4.3 m～11 m。

渡槽樁號(hào)0＋514～0＋693.8 段位于河流Ⅰ級(jí)階地與山前沖洪積裙的接合部位，地層巖性層位不穩(wěn)定不均一，上部砂壤土施工時(shí)基本挖除，對(duì)工程無影響，下部洪積（Q4PL）砂礫石，厚11 m～13 m，青灰色，顆粒級(jí)配：粒徑200 mm～60mm 占4.9%，60 mm～2 mm 占56.2%，2 mm～0.075 mm 占37%，＜0.075 mm 占1.9%，d50＝6.65 mm，不均勻系數(shù)Cu＝38.5，曲率系數(shù)Cc＝0.3，級(jí)配不良，相對(duì)密度0.41，屬中密，渡槽鋼筋混凝土基礎(chǔ)坐落于其上。根據(jù)鉆孔及施工開挖揭示，其下局部夾礫砂和粉質(zhì)壤土夾層或者透鏡體，所夾粉質(zhì)壤土厚度0.2～0.8 m，結(jié)構(gòu)松散，所夾礫砂厚度一般1 m～3.5 m，顆粒級(jí)配：60 mm～2 mm 占40.5%～45.6%，2 mm～0.075 mm 占50.2%～53.9%，＜0.075 mm占4.2%～5.6%，d50＝1.16 mm～1.59 mm，該土層不均勻系數(shù)Cu＝8.9～12.7，曲率系數(shù)Cc＝0.4～0.5，屬于級(jí)配不良，相對(duì)密度0.17～0.35，表層屬松散～中密。其下依次為洪積（Q42nL）粉質(zhì)壤土、洪積（Q4PL）砂礫石以及新近系含礫砂巖夾砂質(zhì)泥巖。因此有必要對(duì)該承力層下部透鏡體對(duì)地基承載力和地基沉降的影響進(jìn)行試驗(yàn)研究論證，以保證安全。

2 試驗(yàn)方法

淺層平板載荷試驗(yàn)測(cè)定的是承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)淺部地基土層的承載力和變形參數(shù)[2]。該地質(zhì)單元內(nèi)地基土最大顆粒不超過200 mm，選擇采用承壓板面積0.25 m2進(jìn)行試驗(yàn)以確定地質(zhì)和設(shè)計(jì)要求的地基土相關(guān)參數(shù)。地基淺層平板主要試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 武家沙河淺層平板載荷試驗(yàn)主要參數(shù)

3 試驗(yàn)點(diǎn)布置

在武家沙河左岸已開挖的渡槽建基面上，依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)開挖后建基面地層情況，試驗(yàn)點(diǎn)布置于具有代表性的2 號(hào)渡槽軸線上41、42、43號(hào)重力墩基礎(chǔ)部位，樁號(hào)0+627.85、0+639.85、0+651.84，地層巖性為沖洪積礫砂，局部夾細(xì)砂層透鏡體，試驗(yàn)點(diǎn)高程與基礎(chǔ)底面高程一致。試驗(yàn)點(diǎn)布置圖及點(diǎn)位信息見圖1。

圖1 試驗(yàn)點(diǎn)布置示意圖

4 平板載荷試驗(yàn)成果

按照制定的試驗(yàn)檢測(cè)方案，對(duì)布置的3 個(gè)試驗(yàn)檢測(cè)點(diǎn)，采用慢速維持荷載法，進(jìn)行不同荷載下的變形數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分別繪制靜載1#、2#、3#試驗(yàn)點(diǎn)的p-s、slgt 曲線。見圖2～圖4。

圖2 1#試點(diǎn)p-s、s-lgt 曲線

圖3 2#試點(diǎn)p-s、s-lgt 曲線

圖4 3#試點(diǎn)p-s、s-lgt 曲線

靜載3# 試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)時(shí)預(yù)估最大荷載1200 kPa，分8 級(jí)施荷，加載至900 kPa 時(shí)，根據(jù)載荷試驗(yàn)的破壞判定標(biāo)準(zhǔn)，地基土體已破壞，遂終止試驗(yàn)，因此該點(diǎn)p-s 曲線采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，為驗(yàn)證特征點(diǎn)取值的合理性，對(duì)p-s 曲線用外插作圖法進(jìn)行了擬合延伸。外插擬合的原則為：①擬合曲線不改變?cè)€的整體狀態(tài)和具體趨勢(shì)；②因位置相近，地層特性基本一致，擬合曲線的變化與1#、2# 點(diǎn)具備類似性；③擬合的插值函數(shù)作為被插值函數(shù)的近似值應(yīng)符合該類土體靜載試驗(yàn)p-s 曲線的一般規(guī)律；④插值函數(shù)應(yīng)盡可能考慮前后級(jí)的繼承和傳遞，建立插值函數(shù)所需之鄰近表列個(gè)數(shù)應(yīng)反復(fù)驗(yàn)算推理以確定合理的函數(shù)階；⑤擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)應(yīng)盡可能高，以考察模型假設(shè)的合理性和擬合數(shù)據(jù)的可靠性。經(jīng)反復(fù)推演后滿足要求的3# 點(diǎn)多項(xiàng)式擬合曲線見圖5。

圖5 多項(xiàng)式擬合3#試點(diǎn)后段p-s 曲線

4.1 平板載荷試驗(yàn)結(jié)果分析

（1）1#試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果分析

43 號(hào)重力墩基礎(chǔ)靜載荷試驗(yàn)點(diǎn)，位于基槽X=2688044.221，Y=279166.558，H=1742.75 處，其實(shí)測(cè)p-s 關(guān)系曲線見圖2。該點(diǎn)p-s 關(guān)系曲線呈緩變漸降型，曲線前端呈線性，比例界限拐點(diǎn)為400 kPa，后段變形加大但無明顯陡降。s-lgt 曲線整體呈大致平行排列，各級(jí)壓力下的曲線體現(xiàn)等差遞進(jìn)式規(guī)律，其曲線類型與p-s 的緩變漸降相互映證呼應(yīng)。該試驗(yàn)點(diǎn)加荷至800 kPa 維荷穩(wěn)定期間，周邊土體出現(xiàn)裂紋并逐漸擴(kuò)展，判定為土體出現(xiàn)剪切破壞，此時(shí)相應(yīng)沉降量6.79 mm，遂終止試驗(yàn)。該點(diǎn)破壞荷載為800 kPa，按規(guī)范規(guī)定取值要求，該試驗(yàn)點(diǎn)的承載力特征值為360 kPa。在比例界限和極限荷載的0.5 倍折減值中取小值，綜合分析確定1#試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值取360 kPa。

（2）2#試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果分析

42 號(hào)重力墩壩基基礎(chǔ)靜載荷試驗(yàn)點(diǎn)，位于基槽X=2688033.359，Y=279170.72，H=1742.946 位置，其實(shí)測(cè)p-s 關(guān)系曲線見圖2。p-s 關(guān)系曲線前段呈直線型，比例界限拐點(diǎn)為700 kPa，后段變形加大，直至破壞，但無明顯陡降段。s-lgt 曲線呈平行規(guī)律排列，破壞荷載前各級(jí)曲線隨時(shí)間延續(xù)呈線性且各級(jí)間間距基本相等，加載至960 kPa 時(shí)與上一級(jí)曲線間距陡然加大，周邊土體亦出現(xiàn)鼓出隆起，因此判斷試驗(yàn)點(diǎn)已出現(xiàn)破壞的特征，遂終止試驗(yàn)。該試驗(yàn)點(diǎn)最大加荷量960 kPa，相應(yīng)沉降量3.98 mm。該點(diǎn)破壞荷載為960 kPa，按規(guī)范規(guī)定取其極限荷載為前一級(jí)壓力800 kPa，該試驗(yàn)點(diǎn)的承載力特征值為400 kPa。在比例界限和極限荷載的0.5 倍折減值中取舍，綜合分析確定2#試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值取400 kPa。

（3）3#試驗(yàn)點(diǎn)試驗(yàn)結(jié)果分析

41 號(hào)重力墩基礎(chǔ)靜載荷試驗(yàn)點(diǎn)，位于基槽X=2688022.496，Y=279166.558，H=1743.326 位置，其實(shí)測(cè)p-s關(guān)系曲線見圖3。該點(diǎn)p-s 關(guān)系曲線整體呈曲線狀，近似圓弧，無明顯直線段（比例界限拐點(diǎn)），后段變形量加大。s-lgt曲線呈扇骨狀排列，各級(jí)壓力下線段的水平夾角較上一級(jí)順時(shí)針逐步加大；該試驗(yàn)點(diǎn)加荷至900 kPa 時(shí)，相應(yīng)沉降量16.96 mm，沉降速率明顯增大，承壓板周邊土層有鼓起和裂縫出現(xiàn)，且該級(jí)荷載下s-lgt 曲線尾段陡降掉尾，出現(xiàn)明顯向下彎曲；諸多現(xiàn)象表明該點(diǎn)已經(jīng)破壞，遂終止試驗(yàn)。

該試驗(yàn)點(diǎn)的承載力特征值取極限荷載的一半，該點(diǎn)極限荷載為破壞壓力的前一級(jí)750 kPa，所以綜合分析確定3#試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值為375 kPa。

綜上，武家沙河2 號(hào)渡槽靜載荷試驗(yàn)成果見表2。

表2 武家沙河2 號(hào)渡槽靜載荷試驗(yàn)成果表

4.2 承載力特征值的統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)比表2 中載荷試驗(yàn)確定的承載力特征值，結(jié)合試驗(yàn)采集的p-s 曲線，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，以便為重力墩基礎(chǔ)承載力標(biāo)準(zhǔn)值的確定提供依據(jù)。在3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)中，1#試驗(yàn)點(diǎn)在800 kPa 的壓力下已明顯破壞，3#試驗(yàn)點(diǎn)在900 kPa的壓力下也出現(xiàn)破壞，而2#試驗(yàn)點(diǎn)的p-s 曲線直線段較長(zhǎng)，說明2#試驗(yàn)點(diǎn)的地基土在700 kPa～800 kPa 的壓力范圍內(nèi)仍基本處于彈塑性階段，這與試驗(yàn)前被測(cè)土體的干密度為三者中較大及試驗(yàn)后開挖探坑了解的地層實(shí)際情況相符。

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》計(jì)算承載力特征值的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)值[3]。

式中：Φk為巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；Φm為巖土參數(shù)的平均值；γs為統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)；n 為試驗(yàn)組數(shù)；δ 為巖土參數(shù)的變異系數(shù)。

3 個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值平均值為X=378 kPa，三點(diǎn)其他統(tǒng)計(jì)參數(shù)見表3。

表3 武家沙河2 號(hào)渡槽靜載荷試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)分析表

5 結(jié)語

（1）2 號(hào)渡槽重力墩基礎(chǔ)建基面地基承載力特征值范圍為360 kPa～400 kPa，平均值為378 kPa；變形模量范圍為44.8 MPa～103.4 MPa,平均值為70.1 MPa；最終確定的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為348 kPa，變形模量標(biāo)準(zhǔn)值為24.9 MPa。

（2）本次平板載荷試驗(yàn)針對(duì)的是以砂土為主的地層；試驗(yàn)得出的結(jié)論較為科學(xué)，同類地層具有一定的代表性，可在同類地層的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中參考使用。