經(jīng)夯壓實(shí)碎石類土力學(xué)指標(biāo)確定方法探討

宮浩亮 甄振 萬(wàn)燕龍

摘要：對(duì)大量平板載荷試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)大面積剪切試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比研究與分析，結(jié)合超重型動(dòng)力觸探N120試驗(yàn)成果的有效驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)相比于大量平板載荷試驗(yàn)和超重型動(dòng)力觸探N120試驗(yàn)，采用大面積剪切試驗(yàn)得到的土體的承載力特征值更可靠。

關(guān)鍵詞：平板載荷試驗(yàn)；大面積剪切試驗(yàn)；承載力特征值；抗剪強(qiáng)度；變形模量

0? ?引言

長(zhǎng)江中下游地區(qū)的原料場(chǎng)大多使用長(zhǎng)寬分別為360m和50m的A型料條，原料場(chǎng)的地基土采用強(qiáng)夯或排水固結(jié)處理。為了響應(yīng)國(guó)家環(huán)保發(fā)展要求，需將A型原料場(chǎng)進(jìn)行智能化升級(jí)改造為堆填高度在23m以上的B型料條，這對(duì)地基的承載變形提出了更大挑戰(zhàn)性。而對(duì)地基土的密度、孔隙比、含水量、壓縮性和抗剪強(qiáng)度等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行準(zhǔn)確評(píng)價(jià)，有助于選擇合適的地基加固方案，提高地基土的承載力和抗變形能力。

超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)勘查中，通常采用錘擊數(shù)修正值來(lái)確定地基土體的基本力學(xué)特性[1]。但是錘擊數(shù)修正值法是一種經(jīng)驗(yàn)性方法，需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立修正系數(shù)。在現(xiàn)場(chǎng)勘查中，直接利用錘擊數(shù)修正值來(lái)確定地基土的力學(xué)參數(shù)誤差較大。平板載荷試驗(yàn)[2]通常用于評(píng)估土壤的壓縮特性和地基的承載能力?，F(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)[3]是一種用于測(cè)量土壤抗剪強(qiáng)度的測(cè)試方法。由于3種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，因此采用何種方法去測(cè)量夯壓實(shí)碎石類土的力學(xué)參數(shù)，仍有待進(jìn)一步研究[4]。

本文針對(duì)馬鋼原料場(chǎng)的地基土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測(cè)量，對(duì)比采用平板載荷、現(xiàn)場(chǎng)剪切和超重型動(dòng)力觸探N120等3種勘探方法得到的數(shù)據(jù)，并通過(guò)有限元和工程試驗(yàn)樁的檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)相比于大量平板載荷試驗(yàn)和超重型動(dòng)力觸探N120試驗(yàn)采用大面積剪切試驗(yàn)得到的土體承載力特征值更可靠。

1? ?碎石類土詳細(xì)分類

根據(jù)碎石的大小、形狀和含量，碎石類土可以進(jìn)一步分類如下：

碎石質(zhì)沙土是含有大量的碎石顆粒，其粒徑在2mm以上，且沙子含量較高，該類型土壤的透水性好；碎石質(zhì)壤土是含有適量的碎石顆粒，其粒徑在0.2～2mm之間，透水性良好；碎石質(zhì)粘土是含有適量的碎石顆粒，其粒徑小于0.2mm，同時(shí)粘土顆粒含量較高，水分保存能力強(qiáng)，透水性較差；碎石質(zhì)砂壤土是含有大量的碎石顆粒，其粒徑在0.2～2mm之間，且沙子含量較高。碎石質(zhì)礫壤土是含有大量的碎石顆粒，其粒徑在2mm以上，其土壤透水性良好，但容易流失。

2? ?錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值確定

超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。由表1可知，塊石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值最大，碎石填土和礫石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值次之，黏粒混礫石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值最小。塊石填土的承載力特征值最大為580kPa，黏?；斓[石填土的承載力特征值最最小為240kPa。

塊石填土中含有大塊的石頭或巖石，這些大塊的石頭或巖石會(huì)形成土體中的骨架結(jié)構(gòu)，增加土體的剛度和強(qiáng)度，因此需要更大的錘擊數(shù)來(lái)振實(shí)土體，以達(dá)到預(yù)期的固結(jié)效果。碎石填土和礫石填土由于顆粒間隙較大，存在較多的空隙，相對(duì)來(lái)說(shuō)土體的剛度和強(qiáng)度相對(duì)較低，需要較少的錘擊數(shù)來(lái)達(dá)到固結(jié)效果。黏?；斓[石填土中含有較多的黏土和有機(jī)質(zhì)等膠結(jié)物質(zhì)，這些物質(zhì)會(huì)填充顆粒間隙，增加土體的粘聚力和內(nèi)聚力，使土體的剛度和強(qiáng)度提高，因此需要較少的錘擊數(shù)來(lái)達(dá)到相應(yīng)的固結(jié)效果。

總之，不同類型的填土具有不同的力學(xué)特性，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值確定，以確保填土的固結(jié)效果和穩(wěn)定性。

3? ?試驗(yàn)方法

3.1? ?平板載荷試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)是一種原位試驗(yàn)方法，用于確定地基土的承載能力。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。得到地基土的彈性模量和極限承載力。

采用邊長(zhǎng)為2m的正方形鋼板作為試驗(yàn)板，并在上方施加800t的重力，平板載荷試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知，不同填土的承載力特征值和變形模量平均值不同。

3.2? ?大面積剪切試驗(yàn)

大面積剪切試驗(yàn)是一種測(cè)定土壤抗剪強(qiáng)度的試驗(yàn)方法之一。在這種試驗(yàn)中，土壤樣品被壓縮成一個(gè)圓柱形，然后在圓柱形的兩端施加剪切力，以測(cè)定土壤的抗剪強(qiáng)度。

現(xiàn)場(chǎng)采用的圓柱形剪力盒面積為1m2，并采用平堆法在試驗(yàn)板上施加6t的重力，每一類土分別選擇3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，設(shè)置6組試驗(yàn)，整個(gè)試驗(yàn)共設(shè)置36組實(shí)驗(yàn)，大面積剪試驗(yàn)見(jiàn)結(jié)果表3。塊石填土、碎石填土、礫石填土、黏?；斓[石填土的內(nèi)聚力呈遞增，而內(nèi)摩擦角呈遞減。

3.3? ?承載力特征值擬合效果

相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果顯示，所有填土的承載力特征值經(jīng)驗(yàn)公式的擬合度均在95%以上，所有填土的變形模量經(jīng)驗(yàn)公式系數(shù)的擬合度均在92%以上，由此說(shuō)明承載力特征值和變形模量的擬合方程的擬合效果比較好。

4? ?力學(xué)參數(shù)確定

4.1? ?試驗(yàn)參數(shù)分析

對(duì)比超重型動(dòng)力觸探錘擊、平板載荷試驗(yàn)和按照規(guī)范得到的抗剪強(qiáng)度計(jì)算承載力特征值，可得到4類土的承載力特征值。

超重型動(dòng)力觸探錘擊試驗(yàn)方法是一種簡(jiǎn)單和快速的方法，能夠提供土層厚度和地基類型的信息，但它僅僅提供地基的動(dòng)態(tài)性質(zhì)，難以獲得地基的靜態(tài)性質(zhì)和一些其他參數(shù)，如地基的形狀、深度等。

平板載荷試驗(yàn)方法提供了地基的靜態(tài)性質(zhì)，并且能夠更精確地計(jì)算承載力特征值；但它需要更多的時(shí)間和成本，且需要更多的儀器和設(shè)備。規(guī)范計(jì)算得到的抗剪強(qiáng)度方法簡(jiǎn)單易用，成本低廉，但它需要依賴于土壤或巖石的性質(zhì)和類型，且可能會(huì)導(dǎo)致一定的誤差。

這3種方法各有優(yōu)勢(shì)，選擇哪種方法應(yīng)該取決于具體應(yīng)用場(chǎng)景和需要。使用超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)在判定填土在垂直的均勻性時(shí)，易受到夯實(shí)方法、夯實(shí)頻率、夯實(shí)時(shí)間和夯實(shí)壓力等因素影響，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)容易受到顆粒之間隙縫和不均勻分布影響，從而導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)誤差較大。

平板載荷試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，會(huì)受到堆料位置、土壤類型、試驗(yàn)面積、測(cè)試深度和堆料場(chǎng)中的土壤可能存在變形和沉降的影響，導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果存在較大差異性，因此不可靠。而大面積剪試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果與超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)具有一致性。

4.2? ?按礦料堆工況反演分析

在礦料堆工況反演分析模型中，將梯形的高設(shè)為13m，下底部寬設(shè)為45m，上頂部寬設(shè)為14m，鐵礦粉的重度為3.30t/m3，靜堆積角為40°。模型參數(shù)如圖1所示。根據(jù)反演分析，計(jì)算堆料中的最大堆高段承載力特征值和堆料肩部的特征值如下：

（1）

計(jì)算結(jié)果顯示，料堆中心的承截力特征值不低于429kPa，肩部不低于214.5kPa。

5? ?巖土勘察工程應(yīng)用

5.1? ?工程概況

馬鋼股份港務(wù)原料總廠有A至E共5個(gè)料條，C型料條有2個(gè)。老料條地基采用“排水板+強(qiáng)夯”處理。強(qiáng)夯土由開(kāi)山塊石、石渣和黏性土等混合組成。處理區(qū)域的長(zhǎng)寬分別為600m和330m，堆料區(qū)的歷史最高高度為13m。

5.2? ?填土主要成分

馬鋼股份港務(wù)原料總廠的夯壓實(shí)土主要顆粒含量與成份如表4所示。

5.3? ?勘察手段與方法

現(xiàn)場(chǎng)重度測(cè)試和原位測(cè)試是兩種常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)勘察方法?，F(xiàn)場(chǎng)重度試驗(yàn)是指測(cè)量單位容積原狀土壤干土的重量的試驗(yàn)，目的是了解土壤固體顆粒和土壤孔隙的狀況。原位測(cè)試主要采用載荷試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)和波速測(cè)試。其中，載荷試驗(yàn)是對(duì)土體施加一定的荷載，測(cè)定土體的變形和應(yīng)力等參數(shù)，以確定土體的力學(xué)性質(zhì)。

靜力觸探試驗(yàn)是指在鉆孔過(guò)程中，利用靜力作用測(cè)定土體的抗壓強(qiáng)度和變形模量等參數(shù)。波速測(cè)試是指利用機(jī)械設(shè)備或工具，在巖層中鉆孔，并采用剪切波波速測(cè)試等方法，了解地質(zhì)情況的手段。

通過(guò)對(duì)原位測(cè)試、變形觀測(cè)以及反演計(jì)算的數(shù)據(jù)，分析得到各夯壓碎石類土的各種力學(xué)參數(shù)信息見(jiàn)表5。對(duì)該原料廠的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)得到的多組數(shù)據(jù)，采用有限元軟件進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)工程試驗(yàn)樁的承載力進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)得到的土體力學(xué)參數(shù)是可靠的。

6? ?結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)馬鋼原料場(chǎng)的地基土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究，對(duì)比采用平板載荷、現(xiàn)場(chǎng)剪切和超重型動(dòng)力觸探N120等3種勘探方法得到的數(shù)據(jù)，并通過(guò)有限元和工程試驗(yàn)樁的檢測(cè)進(jìn)行驗(yàn)證。

塊石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值最大，碎石填土和礫石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值次之，黏?；斓[石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值最小，塊石填土的承載力特征值最大為580kPa，黏?；斓[石填土的承載力特征值最最小為240kPa，主要是因?yàn)檫@些土壤的力學(xué)特性不同。不同類型的填土具有不同的力學(xué)特性，為此需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行相應(yīng)的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的制定，以確保填土的固結(jié)效果和穩(wěn)定性。

大面積剪試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，塊石填土、碎石填土、礫石填土、黏?；斓[石填土的內(nèi)聚力呈遞增，而內(nèi)摩擦角呈遞減，大面積剪試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果與與超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)具有一致性，其測(cè)試數(shù)據(jù)的可靠度高。

在超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)分析中，承載力特征值和變形模量的估算公式的擬合度分別在95%和92%以上，因此承載力特征值和變形模量的擬合方程的擬合效果比較好。

通過(guò)對(duì)原位測(cè)試、變形觀測(cè)以及反演計(jì)算的數(shù)據(jù)，分析得到各夯壓碎石類土的承載力和變形模量建議值。采用有限元的穩(wěn)定性驗(yàn)算，對(duì)復(fù)合地基工程試樁現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試得到的土的物理力學(xué)指標(biāo)的可靠性較高。

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