顧成權(quán)

大型平板載荷試驗(yàn)對滬昆客運(yùn)專線土體強(qiáng)度參數(shù)的研究

顧成權(quán)

（中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，武漢 430063）

滬昆客運(yùn)專線為高速無碴鐵路，路基鋪軌后允許沉降僅為1．5 cm。線路沿線分布大量粉土地層，設(shè)計(jì)中路基沉降主要根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)估算，計(jì)算參數(shù)的取值對路基沉降計(jì)算起著至關(guān)重要的影響。選取現(xiàn)場典型地段，通過大型平板載荷試驗(yàn)（PLT）獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)，并和室內(nèi)試驗(yàn)及靜力觸探測試數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，分析不同測試方法、試驗(yàn)結(jié)果的優(yōu)劣，并為該地區(qū)粉土地層上的路基沉降計(jì)算提供力學(xué)參數(shù)。

粉土；路基沉降；大型平板載荷試驗(yàn)；室內(nèi)試驗(yàn)；靜力觸探；力學(xué)參數(shù)

滬昆客運(yùn)專線為國家重點(diǎn)建設(shè)的高速鐵路，按時(shí)速350 km／h無碴軌道設(shè)計(jì)，路基對沉降要求極為嚴(yán)格，路基鋪軌后允許沉降僅為1．5 cm。設(shè)計(jì)中路基沉降主要根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)估算。路基鋪軌后沉降計(jì)算準(zhǔn)確與否，與地基土變形參數(shù)的取值有著十分密切的聯(lián)系。線路沿線跨越多條大型河流，河流兩岸沖積大量的粉土地層，對沿線廣泛分布的粉土地基，選取典型地段，采用大型平板載荷試驗(yàn)，對修正沉降估算，優(yōu)化地基加固處理措施，有著十分重要的意義。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

分析沿線第四系全新統(tǒng)（Q4）代表性粉土地層在載荷作用下的沉降變形計(jì)算。分析地基土大型平板載荷試驗(yàn)與靜力觸探、土工試驗(yàn)等成果的對比關(guān)系，確定地基土的物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，為路基沉降估算提供依據(jù)。

2 試驗(yàn)原理

平板載荷試驗(yàn)是一種縮尺真型試驗(yàn)，以剛性承壓板模擬建筑物基礎(chǔ)地基土的受荷條件，直觀反映地基土的變形特性。荷載通過承壓板均勻傳至地基，實(shí)測地基土在荷載作用下的變形，得到載荷試驗(yàn)P-S（壓力-沉降）、P-ΔS／ΔP（壓力-沉降差／壓力差）曲線，然后根據(jù)該曲線推求地基土參數(shù)的一種方法。

3 試驗(yàn)要求

載荷試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，自加荷開始按1，2，2，5，5，15，15，15 min間隔，以后每隔30 min觀測沉降一次，直至連續(xù)2 h內(nèi)，每1h的沉降量小于0．1 mm時(shí)，則認(rèn)為已達(dá)穩(wěn)定，可施加下級荷載。

4 載荷試驗(yàn)成果分析

試驗(yàn)點(diǎn)位于江西高安市境內(nèi)，周邊出露大量第四系全新統(tǒng)沖洪積粉土地層（Q4al＋pl），淺黃色，稍密、潮濕，厚約3．8 m，其下為粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂及淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土等地層，呈透鏡體或互層狀，厚度大于10 m。測點(diǎn)附近地下水較發(fā)育，主要為第四系孔隙潛水和弱承壓水，試驗(yàn)點(diǎn)水位埋深2．2 m。試驗(yàn)點(diǎn)編號為PLT1，線路里程，DK580＋220左5 m。試驗(yàn)采用邊長1 m的方形承壓板，上部砂包堆載達(dá)50 t（圖1）。

4．1 載荷試驗(yàn)前后物理力學(xué)性質(zhì)對比

大型平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)最后一級荷載變形較大，但未見明顯的破壞特征，對試驗(yàn)后指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表1。

由表1分析，經(jīng)過載荷試驗(yàn)，地基土因受擾動(dòng)影響，除稠度狀態(tài)（即液性指數(shù)IL）和基本承載力降低外，其余地層指標(biāo)均有提高，這與荷載作用后土體的固結(jié)壓密是一致的。

表1 載荷試驗(yàn)前后室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)對比表Table 1 Com parison of laboratory test values before and after the plate loading

圖1 現(xiàn)場大型平板載荷試驗(yàn)Fig．1 Large-scale plate loading on site test

4．2 載荷試驗(yàn)參數(shù)分析

PLT1試驗(yàn)點(diǎn)荷載沉降關(guān)系詳見表2和圖2。圖2沒有明顯的第一拐點(diǎn)和第二拐點(diǎn)。采用經(jīng)雙曲線擬合：

式中：S0為沉降修正值；S′為沉降實(shí)測值；S為p值對應(yīng)承壓板的沉降量（mm）；p為p-s直線段任一點(diǎn)的壓力（kPa）；a，b＇為曲線擬合參數(shù)，試取S0值達(dá)最佳擬合為止。

當(dāng)S0＝－0．76時(shí)，擬合相關(guān)系數(shù)最高，求得b′＝0．001 2。P-ΔS／ΔP曲線見圖3，由圖3確定比例界限壓力pa為130 kPa；

地基極限承載力：

表2 PLT1荷載沉降統(tǒng)計(jì)表Table 2 Load settlement（PLT1）

圖2 PLT1試驗(yàn)點(diǎn)P-S曲線Fig．2 The P-S curve of the test site（PLT1）

圖3 PLT1試驗(yàn)點(diǎn)P-ΔS／ΔP曲線Fig．3 The P-ΔS／ΔP curve of the test site（PLT1）

式中：pf為破壞荷載；b′為由式（1）得到的曲線擬合參數(shù)；Rf為破壞比。

由公式（3）、（4）計(jì)算得，土體極限承載力pu＝541 kPa（Rf此處取0．65），pf＝833 kPa。因?yàn)閜u≥1．5 pa，所以地基基本承載力σo＝pa＝130 kPa。

土的變形模量E0，壓縮模量Es可按下式計(jì)算：

式中：ω為承壓板形狀系數(shù)，方形取0．89；μ為泊松比，粉土取0．3；pa為比例界限壓力；Sa與pa為相對應(yīng)的沉降；b為方形承壓板的邊長。

由公式（5）、（6）計(jì)算得，土體變形模量E0＝4．27 MPa，換算壓縮模量Es＝5．68 MPa。

平板載荷試驗(yàn)基床系數(shù)Ksa可由下式確定：

基準(zhǔn)基床系數(shù)K1按公式（8）修正：

式中：K1為基準(zhǔn)基床系數(shù)，即方形1平方英尺承壓板面積對應(yīng)的基床系數(shù)（F1＝0．092 9 m2）；Fa為實(shí)際使用的承壓板面積。

由公式（7）、（8）計(jì)算得，土體大型平板載荷試驗(yàn)基床系數(shù)Ksa＝5．27 MPa／m?；鶞?zhǔn)基床系數(shù)K1＝17．28 MPa／m。

粉土地層室內(nèi)試驗(yàn)壓縮模量為9．21 MPa，而靜力觸探測得壓縮模量為4．10 MPa，大型平板載荷試驗(yàn)所得壓縮模量值為5．68 MPa，后兩者較為接近，且能更真實(shí)地反映土體變形特性，考慮靜力觸探所測壓縮模量僅為經(jīng)驗(yàn)值，故取用載荷試驗(yàn)成果Es＝5．68 MPa。

根據(jù)大型平板載荷試驗(yàn)指標(biāo)測量值，建議本段線路粉土地層地基參數(shù)設(shè)計(jì)值：σo＝130 kPa，Pu＝625 kPa，Eo＝4．27 MPa，Es＝5．68 MPa，Ksa＝5．27 MPa／m，K1＝17．28 MPa／m。

5 結(jié) 論

通過粉土地基大型平板載荷試驗(yàn)、原位靜力觸探測試、室內(nèi)土工試驗(yàn)研究分析，得出如下結(jié)論：

（1）粉土地層在取樣或運(yùn)輸過程中易擾動(dòng)失真，室內(nèi)試驗(yàn)方法測得的土體強(qiáng)度參數(shù)精確度較低，一般情況下不宜采用。載荷試驗(yàn)是確定粉土地層壓縮模量和承載力最準(zhǔn)確的方法；

（2）靜力觸探法所取得的粉土地層壓縮模量和承載力略小，在沒有載荷試驗(yàn)直接測定的情況下，可用靜力觸探法確定該地區(qū)粉土壓縮模量和承載力值；

（3）粉土地層經(jīng)過載荷試驗(yàn)后，除稠度狀態(tài)和靜力觸探測試值受土體擾動(dòng)變差外，粉土層其余指標(biāo)均有提高，這與荷載作用后土體的固結(jié)壓密狀態(tài)是一致的；

（4）壓縮模量Es約為變形模量E0的1．3倍，與粉土地層經(jīng)驗(yàn)取值1．2較為接近，驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)方法也適合于該地區(qū)粉土地層；

（5）試驗(yàn)工點(diǎn)主要設(shè)計(jì)參數(shù)建議值：σo＝130 kPa，Eo＝4．27 MPa，Es＝5．68 MPa。

由于大型平板載荷試驗(yàn)也不能完全模擬現(xiàn)場施工的實(shí)際情況，所得參數(shù)和結(jié)論尚需結(jié)合路基填筑現(xiàn)場開展進(jìn)一步的研究。

［1］ TB 10018－2003，鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程［S］．北京：中國鐵道出版社，2003．（TB 10018－2003，Code for In-situ Measurement of Railway Engineering Geology［S］．Beijing：China Railway Press，2003．（in Chi-nese））

［2］ 鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院．鐵路工程地質(zhì)手冊［M］．北京：中國鐵道出版社，1999．（Editor of the First Survey and Design Institute of Railway．Railway Engineering Ge-ology Guide［M］．Beijing：China Railway Press，1999．（in Chinese））

［3］ 鐘顯春，曾令州．淺層平板載荷檢測結(jié)果與巖土鉆探資料的對比分析［J］．廣東土木與建筑，2005，（2）：59－61．（ZHONG Xian-chun，ZENG Ling-zhou．The Com-parative Analysis of Shallow Plate Loading Tests Results with Geotechnical Drilling Data［J］．Guangdong Civil En-gineering and Architecture，2005，（2）：59－61．（in Chi-nese））

［4］ 陳大為，張明啟．平板載荷試驗(yàn)的方法及成果應(yīng)用［J］．鐵道勘察，2007，33（3）：38－40．（CHEN Da-wei，ZHANG Ming-qi．Method for Plate Loading Tests and A-chievement Application［J］．Railway Investigation，2007，33（3）：38－40．（in Chinese））

［5］ 王國強(qiáng)，孫立楊．淺談平板載荷試驗(yàn)［J］．科技創(chuàng)業(yè)月刊，2003，（8）：69－70．（WANG Guo-qiang，SUN Li-yang．Discussion on Experiment of Flat Plate Load［J］．Pioneering with Science＆Technology Monthly，2003，（8）：69－70．（in Chinese） ）

（編輯：趙衛(wèi)兵）

Research of Soil Intensity Parameters of Shanghai-Kunm ing Railway Line for Passenger Traffic by Large-Scale Plate Loading Test

GU Cheng-quan
（China Railway the Fourth Survey and Design Group Co．LTD，Wuhan 430063，China）

The Shanghai-Kunming special railway line for passenger traffic is a high-speed and ballastless railway．The subgrade allows only 1．5 cm of settlementafter rail-laying．There is a large quantity of silt distributed along the line，and the designed subgrade settlement is calculated mainly based on laboratory test．The calculation parameter has significant impacton the calculation of subgrade settlement．Typical section of the railway is selected to conduct large-scale plate loading test（PLT）in order to obtain test data，which were further compared with the data of labo-ratory tests and cone penetration tests（CPT）to analyse the advantages and disadvantages of different testmethods and different test results，and also to providemechanical parameters for the subgrade settlement computation of the silt layer．

silt；subgrade settlement；large-scale plate loading test；laboratory test；cone penetration test；me- chanical parameters

TU441．6

A

1001－5485（2011）04－0032－04

2010-04-13

顧成權(quán)（1978-），男，江蘇建湖人，注冊巖土工程師，高級工程師，碩士，主要從事鐵路勘察、設(shè)計(jì)等方面的研究工作，（電話）13554110017（電子信箱）38606746＠qq．com。