堆載平臺(tái)對(duì)平板載荷試驗(yàn)影響的研究

周 楊 王傳煥

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

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堆載平臺(tái)對(duì)平板載荷試驗(yàn)影響的研究

周 楊 王傳煥

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300142)

以山東省某地鐵工程范圍內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化泥巖地層展開(kāi)的平板載荷試驗(yàn)為研究對(duì)象，通過(guò)三維有限元數(shù)值模擬、理論計(jì)算和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等手段探究堆載平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律。通過(guò)分析得出以下結(jié)論，采用霍克-布朗非線性破壞準(zhǔn)則模擬強(qiáng)風(fēng)化泥巖地層平板載荷試驗(yàn)效果理想；隨著堆載平臺(tái)間距的減小，地層承載力試驗(yàn)結(jié)果逐漸增大，表明堆載平臺(tái)的間距對(duì)試驗(yàn)具有較大的影響；數(shù)值模擬和理論計(jì)算結(jié)果表明，強(qiáng)風(fēng)化泥巖地層平臺(tái)最小間距不宜小于4倍承壓板直徑。

淺層平板載荷試驗(yàn) 三維數(shù)值模擬 強(qiáng)風(fēng)化泥巖地層 堆載平臺(tái)間距

確定軟質(zhì)巖石地層承載力的方法主要有現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)法、理論計(jì)算法、經(jīng)驗(yàn)法和室內(nèi)飽和單軸抗壓強(qiáng)度等方法，其中現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)是上述方法中最直觀、最可靠的[1-4]?，F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果易受外界環(huán)境因素影響，其中提供試驗(yàn)反力的堆載，由于自身質(zhì)量較大，通過(guò)堆載平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)地層產(chǎn)生的附加應(yīng)力不容忽視。為探究堆載對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響，根據(jù)MIDAS GTS三維巖土有限元分析軟件及相關(guān)理論[5，6]，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)其展開(kāi)研究。

1 平板載荷試驗(yàn)概述

1.1 概述

山東省某地鐵工程中，為確定擬建工程范圍內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化泥巖地層的地基承載力、地基系數(shù)等相關(guān)指標(biāo)展開(kāi)了現(xiàn)場(chǎng)平板載荷試驗(yàn)?，F(xiàn)場(chǎng)強(qiáng)風(fēng)化泥巖為棕紅色—紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，厚層—巨厚層狀構(gòu)造，礦物成分以黏土礦物為主，構(gòu)造節(jié)理及風(fēng)化裂隙較發(fā)育，多為高角度節(jié)理，節(jié)理面呈閉合—微張開(kāi)狀；巖芯遇水易崩解軟化，具有一定的可塑性，干時(shí)表面出現(xiàn)裂紋，易崩解；鍬挖困難，鎬可挖。

1.2 試驗(yàn)依據(jù)及加載方法

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307—2012)及《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10018—2003)執(zhí)行，采用慢速維持荷載法，反力裝置采用堆載法，由工字鋼搭成堆載平臺(tái)，上面均勻堆放預(yù)制水泥塊，構(gòu)成加載反力系統(tǒng)，如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)堆載照片

2 數(shù)值模擬分析

2.1 模型的建立

采用MIDAS GTS巖土三維有限元軟件模擬現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，如圖2所示。圖2中，堆載平臺(tái)及承壓板采用彈性模型，地基采用霍克-布朗非線性破壞模型[7，8]。堆載平臺(tái)長(zhǎng)、寬和高各為2.1 m、2.1 m和1 m，地基模型尺寸長(zhǎng)、寬和高各為20 m、20 m和10 m。數(shù)值模擬過(guò)程中，使用液壓裝置逐級(jí)加載，可避免結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜對(duì)模擬產(chǎn)生的不必要影響。模型參數(shù)通過(guò)室內(nèi)外試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)值確定，如表1所示。

圖2 數(shù)值模型示意

表1 模型參數(shù)取值

2.2 數(shù)值模擬成果驗(yàn)證

數(shù)值模擬中，通過(guò)逐級(jí)加載，獲得承壓板下地層塑性區(qū)發(fā)展趨勢(shì)(如圖3所示)。從圖3中可以看出，在荷載作用下，地層在承壓板邊緣處首先達(dá)到塑性狀態(tài)，隨著荷載增加，塑性區(qū)從承壓板邊緣逐漸向承壓板中心發(fā)展，直至塑性區(qū)貫通，地層破壞。繪制荷載-沉降曲線，與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)p-s曲線對(duì)比，如圖4所示。從圖4中可以看出，極限荷載之前的p-s曲線擬合度較高，并且數(shù)值模擬獲得的極限荷載與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果一致，表明數(shù)值模擬結(jié)果合理、可用。

圖3 承壓板下地層塑性區(qū)隨加載變化

圖4 數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)p-s曲線對(duì)比

2.3 數(shù)值模擬結(jié)論分析

經(jīng)2.2節(jié)分析可知，采用的三維有限元數(shù)值模擬方法可行，在此基礎(chǔ)上設(shè)置平臺(tái)間距分別為載荷板直徑2倍、3倍、4倍、5倍和6倍的數(shù)值模擬對(duì)比組，進(jìn)一步分析堆載平臺(tái)對(duì)平板載荷試驗(yàn)的影響規(guī)律。

(1)堆載平臺(tái)間距對(duì)地層極限承載力的影響

通過(guò)數(shù)值模擬，得出不同平臺(tái)間距下針對(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥巖地層的平板載荷試驗(yàn)p-s曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，2倍間距時(shí)地層極限承載力最高，達(dá)到5 000 kPa，3倍間距時(shí)為4 500 kPa，4、5和6倍間距皆為4 000 kPa，由此可得出結(jié)論，平臺(tái)間距越小，試驗(yàn)結(jié)果越大，試驗(yàn)誤差越大；隨著平臺(tái)間距的增大，這種影響逐漸減小，當(dāng)間距超過(guò)4倍承壓板直徑時(shí)，平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)點(diǎn)地層承載力的影響較小，隨著間距的繼續(xù)增大，間距對(duì)試驗(yàn)的影響程度趨于平穩(wěn)，淺層平板載荷試驗(yàn)平臺(tái)間距應(yīng)不小于4倍承壓板直徑。

圖5 不同平臺(tái)間距下地層的極限承載力對(duì)比

(2)堆載平臺(tái)間距對(duì)地層水平應(yīng)力的影響

通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，提取載荷板中心下不同深度水平應(yīng)力，應(yīng)力方向由平臺(tái)中心到載荷板中心，結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，在同一間距下，載荷板下土柱受到的水平應(yīng)力隨深度增加先增大，而后逐漸減小，隨著平臺(tái)間距增加，最大水平應(yīng)力出現(xiàn)深度逐漸加深；平臺(tái)間距由2倍承壓板直徑到6倍承壓板直徑，載荷板下土柱受到的水平應(yīng)力逐漸降低，間距大于3倍承壓板直徑時(shí)水平應(yīng)力減小趨勢(shì)變緩?？梢钥闯觯脚_(tái)間距較小時(shí)載荷板下土柱受到的水平應(yīng)力較大，從而提高了載荷板下土體豎向承載能力，并且間距越小，對(duì)近地表的土層的加固效果越明顯，即對(duì)試驗(yàn)結(jié)果影響越大。

圖6 不同平臺(tái)間距下不同深度地層的水平應(yīng)力對(duì)比

3 理論分析

(1)

式中m=l/b，n=z/b;

l——矩形荷載長(zhǎng)邊長(zhǎng)度/m；

b——矩形荷載短邊長(zhǎng)度/m；

z——計(jì)算點(diǎn)深度/m。

由上式結(jié)合平板載荷試驗(yàn)實(shí)際情況(如圖7所示)，計(jì)算堆載通過(guò)平臺(tái)對(duì)載荷板中心下地層產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力σ

(2)

式中p0——堆載通過(guò)平臺(tái)在地層表面上產(chǎn)生的附加應(yīng)力；

αOACD——圖5中矩形OACD角點(diǎn)應(yīng)力系數(shù)；

αOABE——圖5中矩形OABE角點(diǎn)應(yīng)力系數(shù)。

圖7 角點(diǎn)法計(jì)算堆載對(duì)載荷板下地層產(chǎn)生豎向附加應(yīng)力

從圖8可以看出，平板載荷試驗(yàn)中，堆載平臺(tái)對(duì)在載荷板下產(chǎn)生的附加應(yīng)力隨著深度的增加先增大，在某一深度達(dá)到最大值，而后逐漸減??；隨著平臺(tái)間距的增加，堆載平臺(tái)在載荷板下產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力逐漸減小，從2倍至4倍間距豎向附加應(yīng)力減小幅度較大，從4倍到6倍間距附加應(yīng)力減小幅度降低；隨著平臺(tái)間距的增加，平臺(tái)產(chǎn)生附加應(yīng)力的最大值所在深度逐漸加深，當(dāng)間距大于4倍載荷板直徑后，最大附加應(yīng)力深度隨間距增加而加深的趨勢(shì)逐漸減小。

圖8 不同間距堆載平臺(tái)在載荷板下產(chǎn)生的豎向附加應(yīng)力

從以上規(guī)律可以看出，增大間距可以減少堆載平臺(tái)在載荷板下產(chǎn)生的附加應(yīng)力，并且隨著間距的增加，可以增加最大附加應(yīng)力的深度，而淺層平板載荷試驗(yàn)影響深度一般為兩倍承壓板直徑或?qū)挾?，所以增加平臺(tái)間距可以降低堆載在載荷板下的豎向附加應(yīng)力，從而減小對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。從計(jì)算結(jié)果可以看出，當(dāng)平臺(tái)間距小于4倍載荷板直徑時(shí)，堆載平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)影響較大；當(dāng)平臺(tái)間距小于4倍載荷板直徑時(shí)，堆載平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)的影響逐漸減小，并且減小幅度趨于平緩，所以平板載荷試驗(yàn)堆載平臺(tái)間距不宜小于4倍載荷板直徑。

砂土地層中進(jìn)行淺層平板載荷試驗(yàn)時(shí)，堆載平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)的影響較大，根據(jù)《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307—2012)表15.6.6，試驗(yàn)中，每級(jí)荷載增量根據(jù)地層軟硬情況在15～200 kPa之間，計(jì)算得出堆載平臺(tái)在載荷板下產(chǎn)生的附加應(yīng)力最大值可達(dá)到50 kPa，所以堆載平臺(tái)對(duì)平板載荷試驗(yàn)的影響不容忽視。

4 結(jié)論

通過(guò)三維有限元數(shù)值模擬、理論計(jì)算與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)等方法對(duì)淺層平板載荷試驗(yàn)中堆載平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響展開(kāi)討論。

結(jié)果表明：平板載荷試驗(yàn)中，堆載通過(guò)平臺(tái)對(duì)試驗(yàn)地層產(chǎn)生附加應(yīng)力，從而對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生一定影響，隨著平臺(tái)間距減小，堆載產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)載荷板下地層承載能力影響逐漸增加，使試驗(yàn)結(jié)果偏大，對(duì)后期工程產(chǎn)生不利影響；數(shù)值模擬和理論計(jì)算結(jié)果表明，針對(duì)強(qiáng)風(fēng)化泥巖地層，平臺(tái)間距大于4倍載荷板直徑時(shí)，堆載通過(guò)平臺(tái)在試驗(yàn)地層中產(chǎn)生的附加應(yīng)力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響較小，即試驗(yàn)中平臺(tái)間距不宜小于四倍承壓板直徑。

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Research on the Effects of Heaped Load Platform on Shallow Plate Load Tests

ZHOU Yang WANG Chuanhuan

2016-06-02

鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司科技開(kāi)發(fā)課題(合同編號(hào)721635)。

周 楊(1989—)，男，2015年畢業(yè)于西南交通大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)05-0071-04

TU413.4

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