武廣客運(yùn)專線灰?guī)r殘積層紅黏土力學(xué)特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

黃曉暉

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

平板載荷試驗(yàn)是在巖土體原位條件下,對(duì)一定尺寸的承壓板施加豎向荷載,通過承壓板向地基土逐級(jí)加荷,同時(shí)觀測(cè)承壓板沉降,測(cè)定地基土承載力和變形特性的原位測(cè)試方法[1]。一般認(rèn)為,平板載荷試驗(yàn)在各種原位測(cè)試中最為可靠,具有直接、直觀、準(zhǔn)確的突出優(yōu)點(diǎn),作為一種主要的原位測(cè)試手段,在巖土工程勘察中得到了廣泛應(yīng)用。

武廣客運(yùn)專線武漢至韶關(guān)段分布近100 km的灰?guī)r殘積層紅黏土地基。紅黏土力學(xué)特性的復(fù)雜已為業(yè)內(nèi)所公認(rèn),其強(qiáng)度及變形特性可能對(duì)路基變形產(chǎn)生不良影響,因此正確認(rèn)識(shí)紅黏土力學(xué)特性非常必要并具有十分重要的研究?jī)r(jià)值。目前,已有多位學(xué)者通過室內(nèi)動(dòng)單軸、三軸、壓縮試驗(yàn)及靜力觸探等，對(duì)紅黏土的動(dòng)、靜強(qiáng)度、變形特性進(jìn)行了研究[2-5],但尚缺乏系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)資料。本文通過平板載荷試驗(yàn),研究了武廣客運(yùn)專線灰?guī)r殘積層紅黏土的承載力特性和沉降變形特點(diǎn),分析了粒徑組成、氣候條件的影響,提出了不同條件下紅黏土地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值及變形模量參考值,并對(duì)紅黏土地基段路基工程的設(shè)計(jì)與施工提出了建議,為武廣客運(yùn)專線紅黏土地基力學(xué)參數(shù)合理取值提供了依據(jù)。

1 變形試驗(yàn)

1.1 工程概況

武廣客運(yùn)專線為全程無砟軌道設(shè)計(jì)的高速鐵路,設(shè)計(jì)速度達(dá)350 km/h。無砟軌道系統(tǒng)以其少維修、耐久性強(qiáng)、生命周期長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn),在現(xiàn)代高速鐵路中得到迅速推廣和運(yùn)用,是現(xiàn)代高速鐵路建設(shè)與發(fā)展的必然趨勢(shì)[6]。它對(duì)地基變形的要求比有砟軌道嚴(yán)格得多,在特殊土地段對(duì)沉降量的要求也很嚴(yán)格,要求控制在15 mm以內(nèi)。

設(shè)計(jì)中,該線路中的武漢—韶關(guān)段大約100 km為殘積紅黏土地基。紅黏土的大孔隙、高含水量、高液限、高塑性、非飽和等特殊性質(zhì),對(duì)地基沉降變形要求非常嚴(yán)格的客運(yùn)專線路基工程帶來的影響不容忽視。因此，在紅黏土地區(qū)選擇了有代表性的路段,進(jìn)行了平板載荷試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)點(diǎn)

根據(jù)武廣客運(yùn)專線工程地質(zhì)勘察資料,共選擇19個(gè)代表性地基路段進(jìn)行載荷試驗(yàn),其中灰?guī)r殘積層紅黏土地基段布設(shè)有6個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),各試驗(yàn)點(diǎn)樁號(hào)及地層概況見表1。

表1 試驗(yàn)工點(diǎn)及地層概況

1.3 試驗(yàn)準(zhǔn)備[7]

平板載荷試驗(yàn)通常在試坑中進(jìn)行。試坑底的寬度應(yīng)不小于承壓板寬度(或直徑)的3倍,以消除側(cè)向土自重引起的超載影響。為了保持測(cè)試時(shí)地基土的天然濕度與原狀結(jié)構(gòu),應(yīng)注意做到以下幾點(diǎn)：

①在坑底頂留20～30 cm厚的原土層,試驗(yàn)前再挖去,并立即放入載荷板。對(duì)軟黏土或飽和的松散砂,在承壓板周圍預(yù)留20～30 cm厚的原土做為保護(hù)層。

②試坑底板高程低于地下水位時(shí),應(yīng)先將水位降至坑底高程以下,并在坑底鋪設(shè)2 cm厚的砂墊層,再放下承壓板,等水位恢復(fù)后進(jìn)行試驗(yàn)。

1.4 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備包括1 m×1 m剛性承壓板、直徑0.7 m剛性圓承壓板、壓重平臺(tái)、傳力柱、100 t千斤頂、百分表、壓力表、手動(dòng)加壓泵等。壓重平臺(tái)主要由三根6×40工字鋼主梁、七根6×30工字鋼副梁及竹跳板、沙包組成。100 t千斤頂、壓力表、百分表分別由中科院武漢巖土力學(xué)研究所、湖北省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院進(jìn)行檢定(如圖1所示)。

圖1 平板載荷試驗(yàn)示意

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 試驗(yàn)原理

載荷試驗(yàn)是目前公認(rèn)的確定地基承載力或預(yù)估地基變形的有效方法。它是在原位條件下,在一定面積的剛性承壓板上加荷,通過承壓板向地基土逐級(jí)加荷,來測(cè)定地基土變形、強(qiáng)度特性的方法。土體變形模量E0可按下式計(jì)算[8]

E0=ω(1-μ2)bpa/Sa

(1)

式中：b為承壓板直徑或?qū)挾龋沪貫槌袎喊逑禂?shù),圓形取0.79,方形取0.89；μ為泊松比,碎石類土取0.25,砂類土和粉土取0.3,粉質(zhì)黏土取0.35,黏土取0.42；pa為比例界限壓力；即P-S曲線上第一拐點(diǎn)壓力,當(dāng)P-S曲線無直線段時(shí),按0.5pu取值,pu為極限承載力；Sa為與pa對(duì)應(yīng)的沉降。

平板載荷試驗(yàn)還可用于計(jì)算地基豎向基床系數(shù),計(jì)算公式如下

Ksa=pa/Sa

(2)

為了載荷試驗(yàn)的承壓板尺度進(jìn)行修正,計(jì)算時(shí)多采用基準(zhǔn)基床系數(shù),基準(zhǔn)基床系數(shù)的計(jì)算公式為

Kv2=3.28·b·Ksa

(3)

2.2 加載原則

本次試驗(yàn)分為常規(guī)載荷試驗(yàn)和非常規(guī)載荷試驗(yàn)兩種類型。

常規(guī)載荷試驗(yàn)參照相關(guān)規(guī)范,采用方法是慢速維持荷載法,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(cè)沉降一次,直至當(dāng)連續(xù)2 h內(nèi),每小時(shí)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(jí)荷載。

非常規(guī)載荷試驗(yàn)是荷載按8 m土柱高計(jì)算,土柱自重應(yīng)力為160 kPa,模擬土柱荷載,觀測(cè)地基沉降,此級(jí)荷載試驗(yàn)時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),定為15 d(具體時(shí)間示地基實(shí)際沉降變形定),每1 h記錄一次地基沉降。

2.3 試驗(yàn)分析

對(duì)獲取的試驗(yàn)P-S曲線,按照文獻(xiàn)[4]中的方法進(jìn)行修正。得到2種類型的曲線,各有3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)P-S曲線為直線形、曲線形,圖2列出了各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的P-S曲線,圖中標(biāo)出了各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)P-S曲線直線段的擬合關(guān)系式。

由圖2(a)～(c)可知,這3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)P-S曲線相關(guān)系數(shù)都接近于1,線性關(guān)系很好,加載過程主要以壓密變形或彈性變形為主,總體變形量較小,地基土處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由《鐵道工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》知：在P-S曲線關(guān)系中,直線段端點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的壓力即為比例界限,可作為地基土的承載力特征值。當(dāng)曲線沒有明顯的直線段，沉降量為板寬的0.01倍時(shí)，對(duì)應(yīng)的荷載值作為地基土的承載力特征值。由試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)可知,該工點(diǎn)地基載荷試驗(yàn)并未做到讓地基產(chǎn)生破壞的階段,只是做到了沉降變形趨于穩(wěn)定的階段,所以無法通過試驗(yàn)曲線得出其比例極限值。因此要通過該工點(diǎn)的P-S情況得出承載力特征值基本上不太可能,故只能通過經(jīng)驗(yàn)方法初步估計(jì)承載力特征值：即對(duì)于圖2(a)只能初步估計(jì)地基承載力特征值P≥800 kPa,采用沉降量為板寬的0.01倍(板寬B=1 m)即10 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的荷載為該試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值,可得沉降量為10 mm時(shí)的荷載值為810 kPa。

同樣可得：PLTS1、PLTS3試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值的估測(cè)值分別為1 100、890 kPa。

圖2(d)為PLTS9-1試驗(yàn)點(diǎn)的P-S曲線,由圖中知試驗(yàn)加載到80 kPa前,P-S曲線為直線彈性階段,曲線特征為近似線性,基本上反映了地基土的彈性性質(zhì),P=80 kPa點(diǎn)為比例界限。當(dāng)P-S曲線上有明確的比例界限時(shí),取該比例界限所對(duì)應(yīng)的荷載值作為地基承載力特征值,因此取P=80 kPa為承載力特征值。當(dāng)加載超過80 kPa時(shí),P-S曲線呈圓弧形,地基壓縮變形為塑性變形階段,在塑性發(fā)展階段,曲線特征為曲率加大,表明地基土由彈性過渡到彈塑性,并逐步進(jìn)入破壞,但是就該工點(diǎn)的試驗(yàn)情況,看不出有破壞的痕跡,因此加載只是到了塑性階段,得出極限承載力。

同樣可得：PLTS9-2、PLTS9-3試驗(yàn)點(diǎn)承載力特征值的估測(cè)值分別為100、100 kPa。

圖2 各試驗(yàn)點(diǎn)P-S試驗(yàn)曲線

2.4 試驗(yàn)成果匯總分析

按照式(1)和式(3)計(jì)算各個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)地基土變形模量、基準(zhǔn)基床系數(shù),依據(jù)2.3節(jié)所估測(cè)的承載力特征值,荷載試驗(yàn)結(jié)果如表2。

通過分析可知：

(1)結(jié)合試驗(yàn)點(diǎn)紅黏土含水狀態(tài)可知，PLT0、PLT1、PLT3三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)地下水位較深,紅黏土處于硬塑狀態(tài),且含有較多碎石,導(dǎo)致其承載力和變形模量均很高,承載力高達(dá)800～1 100 kPa,強(qiáng)度滿足客運(yùn)專線設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；PLT9-1、PLT9-2、PLT9-3三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí),逢連續(xù)降雨,基坑有滲水,導(dǎo)致紅黏土力學(xué)狀態(tài)急劇惡化,其承載力一般為100 kPa左右,其承載力達(dá)不到客運(yùn)專線強(qiáng)度要求。

表2 載荷試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

(2)通過地基載荷試驗(yàn)進(jìn)行分析,確定其承載力為80～1 100 kPa,變化幅度大。

(3)武廣客運(yùn)專線紅黏土變形模量為4～70.58 MPa,變化幅度很大。

3 結(jié) 論

通過上述分析得到以下結(jié)論：

(1)紅黏土作為區(qū)域性特殊土,氣候條件及地質(zhì)成因?qū)ζ溆绊戄^大,導(dǎo)致其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,裂隙發(fā)育,力學(xué)特性受含水狀態(tài)的影響極其明顯,地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值、變形模量變化幅度均較大。

(2)建議堅(jiān)硬及硬塑層地基承載力特征值取800 kPa左右,飽和狀態(tài)的紅黏土取100 kPa左右；建議堅(jiān)硬及硬塑層紅黏土變形模量取為60 MPa左右,飽和狀態(tài)的紅黏土變形模量取4 MPa左右；設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合勘察所得紅黏土狀態(tài)進(jìn)行合理取值。

(3)紅黏土地基上硬下軟,應(yīng)詳細(xì)勘察確定其堅(jiān)硬及硬塑層深度,確定是否要對(duì)其進(jìn)行地基加固處理,如硬塑層較淺,建議進(jìn)行地基加固處理。

(4)由于紅黏土力學(xué)特性受含水狀態(tài)的影響極其顯著,路基設(shè)計(jì)、施工過程中應(yīng)注意做好防排水措施。

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