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        武漢地區(qū)黏性土靜力觸探與基床系數(shù)相關(guān)性研究

        2021-03-08 02:16:52何金星趙亮周淼高振宇官善友
        城市勘測 2021年1期
        關(guān)鍵詞:基床靜力黏性

        何金星,趙亮,周淼,高振宇,官善友

        (武漢市勘察設(shè)計(jì)有限公司,湖北 武漢 430022)

        1 前 言

        基床系數(shù),其定義是基于捷克工程師溫克爾(Winkler)在1867年提出的假設(shè):地基上任一點(diǎn)所受的壓力強(qiáng)度p(MPa)與該點(diǎn)的地基沉降s(m)成正比,即p=K·s。比例常數(shù)K即為基床系數(shù),其單位為MPa/m。它的物理意義是地基土在外力作用下產(chǎn)生單位變形時(shí)所需的應(yīng)力。

        基床系數(shù)的提法,在不同的規(guī)范里有所差別,《地下鐵道、輕軌交通巖土工程勘察規(guī)范》和《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》中稱“基床系數(shù)”,《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中稱“地基反力系數(shù)”,《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中稱“地基系數(shù)”,《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)和《巖土工程勘察規(guī)范》及《高層建筑巖土工程勘察規(guī)程》中稱“基準(zhǔn)基床系數(shù)”,但其各自的定義,幾乎一致。

        自1867年Winkler提出基床系數(shù)的概念以后,工程師們首先將其應(yīng)用在彈性地基梁板的計(jì)算中,后來又將其應(yīng)用于分析承受橫向荷載結(jié)構(gòu)的內(nèi)力[1]。基床系數(shù)作為地下結(jié)構(gòu)變形計(jì)算的重要參數(shù),得到了工程師們的重視。隨著城市軌道交通的規(guī)劃建設(shè)和地下空間的開發(fā)利用,基礎(chǔ)和地下工程的埋置深度呈現(xiàn)向深層發(fā)展的趨勢[2],如何便捷準(zhǔn)確合理地確定土層基床系數(shù)[3],是工程師們需研究解決的課題。

        現(xiàn)階段基床系數(shù)的確定主要有以下三類方法[4],一是原位測試,包括平板載荷試驗(yàn)、螺旋板載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)[5]、扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)等;二是室內(nèi)土工試驗(yàn)[6],包括三軸試驗(yàn)法和固結(jié)試驗(yàn)法[7];三是規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值法。第一類方法具有原位測試的優(yōu)點(diǎn),但這類原位測試方法對(duì)現(xiàn)場條件要求苛刻(經(jīng)常受場地條件和土層深度的限制),儀器設(shè)備安裝復(fù)雜,操作步驟煩瑣,而且試驗(yàn)成本高,因此,這類原位測試在很多情況下是難以實(shí)施的。第二類方法測試過程較快、較方便,可操作性強(qiáng),但是室內(nèi)試驗(yàn)測得的基床系數(shù)往往與原位測試的結(jié)果有一定誤差[8],由室內(nèi)試驗(yàn)方法得出的基床系數(shù)值要進(jìn)行修正才能為工程所使用。第三類方法取值簡便,主要是工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累,但規(guī)范針對(duì)不同狀態(tài)的黏性土所提供的經(jīng)驗(yàn)值界限不明確,在實(shí)際工作中較難把握。

        靜力觸探原位測試技術(shù)是巖土工程勘察中針對(duì)黏性土及砂類土較為成熟可靠的勘察手段。現(xiàn)行國家、行業(yè)及地方規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)中已建立了靜力觸探比貫入阻力Ps值與地基土承載力特征值fak、壓縮模量Es1-2,剪切波速Vse等指標(biāo)的相關(guān)關(guān)系。由于靜力觸探測試具有方便快捷的特點(diǎn),若能建立其與地基土基床系數(shù)間的相關(guān)關(guān)系,將會(huì)節(jié)約大量的勘察成本與工期。研究和解決靜力觸探確定基床系數(shù)的方法,是對(duì)原位測試方法獲取基床系數(shù)重要的補(bǔ)充和完善。

        2 資料收集、現(xiàn)場測試取樣與室內(nèi)試驗(yàn)工作

        本次研究采用資料收集、現(xiàn)場原位測試、現(xiàn)場取樣與室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的研究手段。

        2.1 資料收集

        收集的資料包括黏性土靜力觸探比貫入阻力測試指標(biāo)168組,黏性土現(xiàn)場扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)水平基床系數(shù)指標(biāo)97組;黏性土室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)水平基床系數(shù)指標(biāo)121組,垂直基床系數(shù)指標(biāo)127組;黏性土室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)水平基床系數(shù)指標(biāo)9組,垂直基床系數(shù)指標(biāo)6組。

        2.2 現(xiàn)場原位測試

        (1)靜力觸探測試

        選取武漢地區(qū)具代表性的工程場地完成靜力觸探孔348孔,累計(jì)進(jìn)尺 12 314.4 m。

        (2)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)

        在同一場地進(jìn)行了6個(gè)孔扁鏟側(cè)脹測試工作,共獲取扁鏟側(cè)脹數(shù)據(jù)36組。

        2.3 室內(nèi)試驗(yàn)工作

        在同一場地針對(duì)黏性土采取了34組原狀土試樣進(jìn)行了固結(jié)試驗(yàn),共獲取水平基床系數(shù)指標(biāo)34組、垂直基床系數(shù)指標(biāo)34組。

        3 靜力觸探比貫入阻力指標(biāo)與基床系數(shù)指標(biāo)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及相關(guān)分析

        本次研究針對(duì)不同狀態(tài)黏性土,分別進(jìn)行靜力觸探比貫入阻力指標(biāo)和基床系數(shù)指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)和相關(guān)分析。

        3.1 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析原則

        在統(tǒng)計(jì)過程中,為保證所采用數(shù)據(jù)的合理性,按照3倍均方差原則剔除不合理指標(biāo),所得的統(tǒng)計(jì)結(jié)果變異系數(shù)一般小于0.30,或統(tǒng)計(jì)修正系數(shù)大于0.75。

        3.2 數(shù)據(jù)相關(guān)分析

        靜力觸探比貫入阻力與基床系數(shù)指標(biāo)的相關(guān)性分析主要遵循以下原則:

        (1)總體線性原則。通過數(shù)據(jù)初步整理分析(剔除不合理數(shù)據(jù)),靜力觸探比貫入阻力與基床系數(shù)(水平基床系數(shù)和垂直基床系數(shù))指標(biāo)之間基本滿足線性關(guān)系。

        (2)分段研究。據(jù)武漢地區(qū)巖土工程勘察統(tǒng)一技術(shù)措施,靜力觸探比貫入阻力與黏性土承載力特征值之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系亦是通過分段研究所得。本次研究亦采用分段的方法,同時(shí)考慮到靜力觸探比貫入阻力與基床系數(shù)相關(guān)性盡量簡單化及軟黏性土的特殊性,主要根據(jù)靜力觸探比貫入阻力Ps值結(jié)合黏性土塑性狀態(tài)分為小于 0.4 MPa(流塑)、0.4 MPa~0.7 MPa(軟塑)、大于 0.7 MPa(可塑、硬塑、堅(jiān)硬)三段進(jìn)行研究。

        (3)分段處連續(xù)性。為保證靜力觸探數(shù)值與基床系數(shù)唯一對(duì)應(yīng)關(guān)系,在分段處按不利情況對(duì)分段公式進(jìn)行修正,以保證連續(xù)性。

        (4)安全性原則。數(shù)據(jù)中大值形成的包絡(luò)線對(duì)于工程而言是不安全的,而小值形成的包絡(luò)線則過于保守,雖然平均值介于兩者之間,但對(duì)于工程而言仍偏于不安全,因此基床系數(shù)的確定最終采用靜力觸探比貫入阻力標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)應(yīng)進(jìn)行查取。

        3.2.1 靜力觸探比貫入阻力Ps與垂直基床系數(shù)KV的相關(guān)關(guān)系

        以靜力觸探比貫入阻力Ps值為橫坐標(biāo),以垂直基床系數(shù)KV值為縱坐標(biāo),進(jìn)行二者相關(guān)關(guān)系擬合,并按本節(jié)第(2)條原則進(jìn)行分段研究,擬合關(guān)系曲線如圖1、圖2所示。

        圖1 靜力觸探指標(biāo)Ps值(大于0.7 MPa段)與垂直基床系數(shù)KV的相關(guān)關(guān)系

        圖2 靜力觸探比貫入阻力Ps值(0.4 MPa~0.7 MPa段)與垂直基床系數(shù)KV的相關(guān)關(guān)系

        得到的靜力觸探比貫入阻力Ps值(大于0.7 MPa段)與垂直基床系數(shù)KV的相關(guān)關(guān)系為:KV=10Ps+12.2,R2=0.8724。

        根據(jù)本節(jié)第(3)條原則,為保證分段處連續(xù)性,在分段處按不利情況進(jìn)行修正,經(jīng)修正的靜力觸探比貫入阻力Ps值(0.4 MPa~0.7 MPa段)與垂直基床系數(shù)KV的相關(guān)關(guān)系為:KV=15.4Ps+8.42,R2=0.3813。

        由于靜力觸探比貫入阻力Ps值小于 0.4 MPa段未收集到相關(guān)數(shù)據(jù),按極限原理,假設(shè)Ps值趨于 0 MPa時(shí),垂直基床系數(shù)KV為 0 MPa/m,另根據(jù)連續(xù)性原則,Ps值等于 0.4 MPa時(shí),垂直基床系數(shù)KV為 14.58 MPa/m。因此推導(dǎo)靜力觸探比貫入阻力Ps值(小于 0.4 MPa段)與垂直基床系數(shù)KV的相關(guān)關(guān)系為:KV=36.45Ps。

        通過以上三組相關(guān)關(guān)系,繪制出靜力觸探比貫入阻力Ps與垂直基床系數(shù)KV完整關(guān)系曲線,如圖3所示。

        圖3 靜力觸探比貫入阻力Ps值與垂直基床系數(shù)KV的相關(guān)關(guān)系

        3.2.2 靜力觸探比貫入阻力Ps與水平基床系數(shù)Kh的相關(guān)關(guān)系

        以靜力觸探比貫入阻力Ps值為橫坐標(biāo),以水平基床系數(shù)Kh值為縱坐標(biāo),進(jìn)行二者相關(guān)關(guān)系擬合,并按本節(jié)第(2)條原則進(jìn)行分段研究,擬合關(guān)系曲線如圖4、圖5所示。

        圖4 靜力觸探比貫入阻力Ps值(大于0.7 MPa段)與水平基床系數(shù)Kh的相關(guān)關(guān)系

        圖5 靜力觸探比貫入阻力Ps值(0.4~0.7MPa段)與水平基床系數(shù)Kh的相關(guān)關(guān)系

        得到的靜力觸探比貫入阻力Ps值(大于0.7 MPa段)與水平基床系數(shù)Kh的相關(guān)關(guān)系為:Kh=12.4Ps+8.6,R2=0.8577。

        根據(jù)本節(jié)第(3)條原則,為保證分段處連續(xù)性,在分段處按不利情況進(jìn)行修正,經(jīng)修正的靜力觸探比貫入阻力Ps值(0.4 MPa~0.7 MPa段)與水平基床系數(shù)Kh的相關(guān)關(guān)系為:Kh=15.8Ps+6.22,R2=0.7828。

        由于靜力觸探比貫入阻力Ps值小于0.4 MPa段收集到相關(guān)數(shù)據(jù)較少,按極限原理,假設(shè)Ps值趨于 0 MPa時(shí),水平基床系數(shù)Kh為 0 MPa/m,另根據(jù)連續(xù)性原則,Ps值等于 0.4 MPa時(shí),水平基床系數(shù)Kh為 12.52 MPa/m。因此推導(dǎo)靜力觸探比貫入阻力Ps值(小于 0.4 MPa段)與水平基床系數(shù)Kh的相關(guān)關(guān)系為:Kh=31.3Ps。

        通過以上三組相關(guān)關(guān)系,繪制出靜力觸探比貫入阻力Ps與水平基床系數(shù)Kh完整關(guān)系曲線,如圖6所示。

        圖6 靜力觸探比貫入阻力Ps值與水平基床系數(shù)Kh的相關(guān)關(guān)系

        4 基床系數(shù)的確定

        4.1 靜力觸探比貫入阻力與基床系數(shù)關(guān)系式

        根據(jù)第3節(jié)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及相關(guān)分析,得出了黏性土靜力觸探比貫入阻力與基床系數(shù)的相關(guān)性,關(guān)系如下:

        (1)黏性土靜力觸探比貫入阻力Ps與垂直基床系數(shù)的相關(guān)關(guān)系

        (2)黏性土靜力觸探比貫入阻力Ps與水平基床系數(shù)的相關(guān)關(guān)系

        4.2 關(guān)系式取值與規(guī)范取值比較

        對(duì)上述公式進(jìn)行代值計(jì)算,將其與《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》附錄H給出巖土層基床系數(shù)經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行比較,如表1所示。

        基床系數(shù)取值范圍比較表 表1

        由表1可知:規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值范圍較大,且存在不同狀態(tài)巖土的經(jīng)驗(yàn)值存在交叉的問題。本次研究所得關(guān)系式取值范圍較小且均在《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》附錄H經(jīng)驗(yàn)值范圍之內(nèi),另不同狀態(tài)巖土取值上是連續(xù)的,解決了規(guī)范中不同狀態(tài)巖土的經(jīng)驗(yàn)值存在交叉這一問題。

        4.3 基床系數(shù)指標(biāo)參考值值表

        為方便查閱,按黏性土靜力觸探比貫入阻力Ps給出基床系數(shù)指標(biāo)參考值如表2所示:

        基床系數(shù)指標(biāo)參考值 表2

        5 結(jié)論與展望

        黏性土靜力觸探比貫入阻力與基床系數(shù)之間存在較明顯的線性關(guān)系。本文得出了黏性土靜力觸探比貫入阻力與水平基床系數(shù)及黏性土靜力觸探比貫入阻力與垂直基床系數(shù)之間的分段對(duì)應(yīng)關(guān)系,使得巖土工程勘察中較為成熟可靠的勘察手段--靜力觸探原位測試技術(shù)可應(yīng)用于基床系數(shù)指標(biāo)的獲取,基床系數(shù)的獲取因此也更為簡便快捷,極大地減少了勘察成本和工期,也是對(duì)采用原位測試方法獲取基床系數(shù)重要的補(bǔ)充和完善。

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