扁鏟側(cè)脹試驗在長春地鐵勘察工程中的應(yīng)用

摘要：通過對長春市地鐵勘察工程中扁鏟側(cè)脹試驗與土工試驗成果的對比，發(fā)現(xiàn)扁鏟側(cè)脹試驗得到的土體參數(shù)與土工試驗參數(shù)有很好的相關(guān)性，可通過扁鏟試驗參數(shù)直接計算巖土參數(shù)。在對地鐵1、2線的勘察中，扁鏟側(cè)脹試驗在波狀臺地獲得了大量數(shù)據(jù)，為保證原始數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，公司進行科學(xué)管理，實施PDCA循環(huán)。通過對大量的試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計和研究，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外經(jīng)驗公式在長春地區(qū)并不完全適用，通過對數(shù)據(jù)的整理、分析，對原有經(jīng)驗公式進行修正，提出了適用于本地區(qū)工程的通過扁鏟試驗數(shù)據(jù)計算巖土參數(shù)（不排水抗剪強度Cu）的經(jīng)驗公式。

關(guān)鍵詞：扁鏟側(cè)脹試驗;經(jīng)驗公式;不排水抗剪強度Cu扁鏟側(cè)脹試驗儀器操作簡單、重復(fù)性好、人為影響因素小且較為經(jīng)濟，一次試驗?zāi)軌颢@得多種參數(shù)，被廣泛應(yīng)用于地鐵項目。運用扁鏟側(cè)脹試驗可對土層進行分層，計算出靜止側(cè)壓力系數(shù)、不排水抗剪強度、水平基床系數(shù)等巖土參數(shù)，對重大地下構(gòu)筑物（地鐵工程）的設(shè)計、施工有著非常重要的作用［1］。

從1998年以來，據(jù)初步統(tǒng)計扁鏟側(cè)脹試驗在北京、上海、廣州、南京等約30個城市和地區(qū)的地鐵項目中得到了應(yīng)用，獲得了大量的實測數(shù)據(jù)，并經(jīng)過科學(xué)、合理的統(tǒng)計分析，總結(jié)出適合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗公式，而長春地區(qū)在這方面則屬于空白［2］。

2009年11月起我公司在長春地鐵1、2號線勘察中首次采用扁鏟側(cè)脹試驗，在長春地區(qū)業(yè)內(nèi)也屬于首例，沒有成熟的經(jīng)驗可以借鑒。本文通過實踐研究，總結(jié)出適合當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗公式，填補長春地區(qū)在這方面應(yīng)用的空白。

1試驗設(shè)備及工作原理

試驗設(shè)備是由鏟形插板、測控箱、率定裝置、氣電管路、貫入設(shè)備、探桿和壓力源組成［3］。

試驗由貫入扁鏟測頭開始，在貫入至某一深度后暫停，通過測控箱操作使膜片充氣膨脹。在充氣鼓脹過程中，得到兩個讀數(shù)：A讀數(shù)（膜片距離基座0.05 mm時的氣壓值）、 B讀數(shù)（膜片距離基座1.10 mm時的氣壓值）。另外，在到達B點之后，通過測控箱上的氣壓調(diào)控器釋放氣壓，使膜片緩慢回縮到距離基座0.05 mm時，可讀取C讀數(shù)?？紤]到膜片本身的剛度，根據(jù)試驗前后得到的標(biāo)定值Da（ΔA），Db（ΔB）來對它們進行修正，以計算P0、P1、P2。P0為膜片在基座時土體所受的壓力；P1為膜片距離基座1.10 mm時土體所受的壓力，P2為膜片回縮到A點（距離基座0.05 mm）時土體所受的壓力，然后由P0、P1、P2值可獲得4個扁鏟試驗中間參數(shù)：材料指數(shù)ID、水平應(yīng)力指數(shù)KD、孔隙水壓力指數(shù)UD和扁鏟模量ED。這些參數(shù)經(jīng)過經(jīng)驗公式計算，可以得到一些土性參數(shù)，如靜止側(cè)壓力系數(shù)K0、超固結(jié)比OCR、不排水抗剪強度Cu和砂土內(nèi)摩擦角等。

2實例分析

2.1實例簡介

根據(jù)長春地鐵1、2號線詳勘階段巖土工程勘察報告，長春地鐵1號線一期工程地貌單元較為單一，全線位于長春市波狀臺地，地層結(jié)構(gòu)較為簡單；長春地鐵2號線一期工程地貌單元以伊通河為界，以西為長春波狀臺地，以東為伊通河一級階地。由于一級階地扁鏟側(cè)脹試驗數(shù)據(jù)較少，本次扁鏟側(cè)脹試驗只對波狀臺地淺層粉質(zhì)黏土進行研究，長春波狀臺地淺層主要為可塑狀粉質(zhì)黏土。

2.2方案實施

我公司對地鐵1、2號線每個工點布置了2～3個扁鏟側(cè)脹試驗孔位。各參數(shù)根據(jù)每個工點同一土層的試驗數(shù)據(jù)剔除異常數(shù)據(jù)后進行統(tǒng)計計算。各工點計算完畢后，再對地鐵1、2號線全線同一地層的計算數(shù)據(jù)再進行統(tǒng)計，舍棄異常值，要求變異系數(shù)小于0.3，找出沿線試驗參數(shù)的分布規(guī)律，研究并確定相關(guān)參數(shù)及經(jīng)驗公式［4］。

在2009年11月份，將地鐵1號線鐵北三站三區(qū)間當(dāng)做試點進行扁鏟側(cè)脹試驗。工點位于北人民大街城市主干道上，所布設(shè)的試驗孔頂部均為砼路面。試驗前均用勘察鉆機進行引孔，引孔深度為穿過砼路面及上部雜填土地層。引孔完畢后，將鉆孔用膨潤土回填。試驗貫入設(shè)備采用靜力觸探設(shè)備貫入扁鏟測頭，量測3個特殊位置的壓力，用筆記本自動記錄數(shù)據(jù)，從而獲得需要的巖土參數(shù)［5］。

2.3現(xiàn)存問題

通過對鐵北三站三區(qū)間扁鏟側(cè)脹試驗，發(fā)現(xiàn)個別站點上部土層存在數(shù)據(jù)異常及數(shù)據(jù)丟失等現(xiàn)象。

2.4分析問題

發(fā)現(xiàn)問題后，我公司通過討論研究，從影響質(zhì)量形成的各種主觀和客觀因素（包括人、機、料、法、環(huán)）中驗證分析，找出造成數(shù)據(jù)失真的原因［6］。針對影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的要因，進行了認(rèn)真討論，制定對策如下：

（1） 要因1：鉆孔未回填或回填材料不當(dāng)

對策：采用鉆機引孔破除砼路面，將雜填土地層進行取芯后回填，回填材料為膨潤土，杜絕空孔，防止雪水流入孔內(nèi)結(jié)冰以及土體遇水后工程性質(zhì)發(fā)生變化。

（2） 要因2：施工時溫度過低，試驗儀器、設(shè)備受影響

對策：通過改變操作室溫度，使儀器、設(shè)備處于正常工作環(huán)境溫度，防止因冬季施工氣溫過低試驗儀器死機或氣電管路折斷，造成數(shù)據(jù)丟失、失準(zhǔn)。

（3） 要因3：扁鏟使用前率定處理不當(dāng)

對策：針對每個試驗孔，試驗前、后均應(yīng)對扁鏟進行率定老化，使ΔA處于5～25 kPa，ΔB處于10～110 kPa。

（4） 要因4：首次使用，人員基本技能差

對策：針對人員基本技能差，邀請儀器廠方技術(shù)人員對項目部進行技術(shù)指導(dǎo)、培訓(xùn)，明確質(zhì)量控制點及試驗操作流程等。

項目部于2009年12月對鐵北的三站三區(qū)異常試驗重新進行扁鏟側(cè)脹試驗。經(jīng)計算、統(tǒng)計分析，各工點相同土層數(shù)據(jù)的變異系數(shù)均小于0.3。通過2009年扁鏟側(cè)脹試驗的經(jīng)驗，在2010年11～12月對地鐵1號線其它工點及2013年4～8月對地鐵2號所有工點進行了扁鏟側(cè)脹試驗，試驗點位達到4 200個，通過對1、2號線扁鏟側(cè)脹試驗與室內(nèi)試驗取得數(shù)據(jù)按層統(tǒng)計結(jié)果，去除異常值，統(tǒng)計結(jié)果見表1。

對于靜止側(cè)壓力系數(shù)K0，扁鏟側(cè)脹試驗與室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)相近；對于不排水抗剪強度Cu，根據(jù)地層進行劃分。對于可塑～可塑偏軟粉質(zhì)黏土，扁鏟側(cè)脹試驗取得數(shù)據(jù)是室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的1.10～1.20倍；對于可塑偏硬～硬塑粉質(zhì)黏土扁鏟側(cè)脹試驗取得數(shù)據(jù)是室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的1.40～1.50倍。

由于水平基床系數(shù)未進行室內(nèi)試驗，無法對比，故不對其進行討論。但通過扁鏟側(cè)脹試驗計算出水平基床系數(shù)與《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》GB 50307—2012附錄H中的經(jīng)驗值相吻合。

（1） 通過以上分析，得出靜止側(cè)壓力系數(shù)K0計算公式：K0=0.34K0.54D-nKD式中K0——靜止側(cè)壓力系數(shù)

KD——水平應(yīng)力指數(shù)

其中n的取值，可塑狀態(tài)可采用0.07，可偏軟塑可采用0.03，可偏硬塑可采用0.08。

（2） 不排水抗剪強度Cu計算公式：

對于可塑～可塑偏軟粉質(zhì)黏土計算公式：Cu=0.19（KD/2）1.25σvo對于可塑偏硬～硬塑粉質(zhì)黏土計算公式：Cu=0.152（KD/2）1.25σvo式中Cu——不排水抗剪強度

KD——水平應(yīng)力指數(shù)

σvo——試驗點有效上覆土壓力

3結(jié)語

國外經(jīng)驗公式與長春本地區(qū)土性參數(shù)有偏差，不適直接運用?？偨Y(jié)的經(jīng)驗公式更契合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗參數(shù)及室內(nèi)土工試驗得出的數(shù)據(jù)，故更為適合長春地區(qū)使用。扁鏟側(cè)脹試驗這項新技術(shù)在長春市首次成功使用，其所取得參數(shù)應(yīng)用到地鐵項目中均得到設(shè)計單位及甲方的認(rèn)可。通過這幾年實踐，在這項新技術(shù)的運用中積累了豐富的經(jīng)驗，并本著“認(rèn)真、負(fù)責(zé)、科學(xué)、嚴(yán)謹(jǐn)”的理念，建立起滿足本地區(qū)工程需要的經(jīng)驗公式，為此項新技術(shù)的推廣及使用奠定了先期的基礎(chǔ)，樹立了良好的企業(yè)形象。

參考文獻：

［1］GB 50021—2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［2］GB 50307—2012，城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［3］林國華.扁鏟側(cè)脹試驗在巖土工程中的應(yīng)用［D］.上海：同濟大學(xué)，2004.

［4］陳國民，鐘建東.采用扁鏟側(cè)脹試驗估算土的側(cè)向基床反力系數(shù)的探討［J］.上海地質(zhì)，2002（2）：4053.

［5］唐世棟，林華國.用扁鏟側(cè)脹試驗求解側(cè)向基床反力系數(shù)［J］.巖土工程學(xué)報，2003，26（6）：692701.

［6］李雄威，蔣剛，等.扁鏟側(cè)脹原位測試的應(yīng)用與探討［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2004（6）：21182130.