關(guān)于二次變形模量試驗的中德法規(guī)范對比*

陳明杰，牛文宣，陳海波

(1.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；2.中交交通基礎(chǔ)工程環(huán)保與安全重點實驗室，廣東 廣州510230；3.中交四航局廣州南沙工程有限公司，廣東 廣州 510230)

在我國，二次變形模量最早是用于評價鐵路地基壓實質(zhì)量的參數(shù)，其試驗適用條件、儀器設(shè)備、試驗方法、試驗過程和試驗結(jié)果處理等在《鐵路工程土工及試驗規(guī)程》[1]中均有詳細的描述。對于二次變形模量試驗的影響因素以及其在陸域高填方的穩(wěn)定性評價方面的應(yīng)用，孫笑[2]也進行了深入研究，可見國內(nèi)對于二次變形模量的研究已較為成熟。

隨著“一帶一路”倡議的實施，非洲國家的港口碼頭建設(shè)，尤其是其堆場的建設(shè)中，普遍涉及應(yīng)用二次變形模量對堆場壓實質(zhì)量的評價，而且要求采用的規(guī)范各不相同，有德國規(guī)范[3]、法國規(guī)范[4]等，熟悉了解這些規(guī)范的差異對我國基礎(chǔ)建設(shè)產(chǎn)能輸出極為關(guān)鍵，在有選擇的情況下，也能做到知己知彼、趨利避害。

中國、德國和法國規(guī)范均對二次變形模量進行了規(guī)定，其中德國規(guī)范和中國規(guī)范較為詳細、具體，也較為相近，試驗方法大同小異，計算方法基本相同，法國規(guī)范則變化較大。本文通過對二次變形模量試驗的3個規(guī)范進行對比，明確主要差異點，結(jié)合實例說明計算公式的本質(zhì)差異，為應(yīng)用二次變形模量試驗進行地基處理效果評價的海外工程提供指導(dǎo)和參考。

1 儀器設(shè)備及試驗裝置對比

1.1 承載板尺寸

3個規(guī)范中承載板的相關(guān)規(guī)定見表1。德國規(guī)范有3種尺寸的承載板可供選擇，而中法規(guī)范均只有一種尺寸，因此德國規(guī)范的靈活性更好。中國規(guī)范規(guī)定了粗糙度和影響深度，較為全面具體，而德法規(guī)范均未規(guī)定。粗糙度對試驗結(jié)果影響較小，而明確影響深度可以指導(dǎo)現(xiàn)場施工，了解設(shè)計意圖，引導(dǎo)施工方向。在無法滿足指標要求時，重點對表層1.5D(D為承載板直徑)范圍的地基土進行處理?？梢娨?guī)范對影響深度的規(guī)定，可以減少現(xiàn)場施工的盲目性，降低成本。

表1 各國規(guī)范對承載板的相關(guān)規(guī)定

1.2 加載裝置

中國規(guī)范規(guī)定：試驗使用的千斤頂最大加載能力應(yīng)大于50 kN，連接千斤頂?shù)母邏很浌荛L度應(yīng)大于1.8 m，兩端應(yīng)裝有自動開閉閥門的快速接頭，千斤頂活塞的行程應(yīng)大于150 mm，且千斤頂高度不應(yīng)超過0.6 m。德國規(guī)范規(guī)定：千斤頂油壓管最小長度2 m，應(yīng)能滿足試驗加載卸載的各荷載級，對壓力活塞行程和千斤頂高度的規(guī)定與中國規(guī)范相同。為補償千斤頂與反力裝置的高度差，提供的加高部件應(yīng)能使千斤頂?shù)某跏几叨仍龈叩街辽? m。法國規(guī)范無加載裝置的相關(guān)規(guī)定。

1.3 反力裝置

中德規(guī)范均規(guī)定反力裝置能提供的最大反力應(yīng)比最大試驗荷載大10 kN以上，法國規(guī)范則規(guī)定反力基座的質(zhì)量必須足以保證其至少能向裝卸板施加80 kN的壓力，可見反力裝置也應(yīng)至少能提供80 kN的壓力。按照德國規(guī)范對應(yīng)直徑為600 mm的承載板，最大荷載為70.69 kN，加上10 kN之后為80.69 kN，與法國規(guī)范相差不大。

1.4 荷載測量裝置

中國規(guī)范規(guī)定：荷載測量裝置的量程應(yīng)不小于預(yù)估最大試驗荷載的1.25倍，試驗過程中最大誤差不應(yīng)超過最大量程的1%。德國規(guī)范規(guī)定：對于小承載板(直徑300 mm)，對應(yīng)儀表分辨力至少為1 kN/m2，對于大承載板(直徑600 mm和762 mm)，對應(yīng)儀表分辨力至少為0.1 kN/m2。最大誤差應(yīng)不大于試驗荷載的1%。法國規(guī)范規(guī)定：荷載測量裝置應(yīng)能測量出裝卸板所受承載力并應(yīng)滿足加載速率。

1.5 沉降測量裝置

對于沉降測量裝置，法國規(guī)范要求的精度高于中德規(guī)范，而測量方式也增加了三點法，具體見表2。試驗中，由于沉降需要用到測橋，采用杠桿原理間接測量沉降，用三點法會使儀器設(shè)備的布置變得復(fù)雜困難，因此適用性不佳。

表2各國規(guī)范對沉降測量裝置的規(guī)定

1.6 杠桿比規(guī)定

中國規(guī)范規(guī)定杠桿式測量臂杠桿比介于1～2；德國規(guī)范規(guī)定杠桿比不大于2；法國規(guī)范未規(guī)定杠桿比。

1.7 試驗裝置的布置

中國規(guī)范規(guī)定：承載板中心至測橋支撐座的距離應(yīng)大于1.25 m，承載板與反力裝置支撐點的凈距不得小于0.75 m，測橋支撐座支點距離反力裝置支撐點應(yīng)大于1.25 m。

德國規(guī)范規(guī)定：承載板中心至測橋支撐座的距離應(yīng)介于1.5～1.6 m。關(guān)于承載板與反力裝置支撐點的距離，直徑為300、600、762 mm的承載板，最小凈間距分別為0.75、1.10、1.30 m。對測橋支撐座支點與反力裝置支撐點距離的規(guī)定則與中國規(guī)范完全相同。

法國規(guī)范規(guī)定反應(yīng)基座的底面與地面相連的所有支撐點必須與裝卸板的中心保持1.2 m距離。

2 試驗過程

在試驗過程中，中國規(guī)范規(guī)定卸載時直接卸載至0，與德國規(guī)范不同。除此之外，中德規(guī)范基本一致，荷載分級較多，而法國規(guī)范分級較少，比較注重持荷時間。對于一般試驗而言，分級越多，結(jié)果越準確。中德規(guī)范均采用位移、應(yīng)力限值雙控，而法國規(guī)范只采用應(yīng)力限值控制，過程見表3。當(dāng)?shù)聡?guī)范采用直徑300 mm的承載板時，由于第一循環(huán)最大應(yīng)力相等，中德規(guī)范的二次變形模量試驗結(jié)果一致；而當(dāng)采用直徑600和762 mm的承載板時，由于第一循環(huán)最大應(yīng)力比較小，對地基土的壓實效果不明顯，因此二次變形模量試驗結(jié)果偏小。法國規(guī)范采用直徑600 mm的靜裝卸板，同樣存在第一循環(huán)最大應(yīng)力小導(dǎo)致壓實程度不足，試驗結(jié)果偏小的問題。

表3 各國規(guī)范對試驗過程的規(guī)定

從儀器設(shè)備、試驗裝置及試驗過程分析，3個規(guī)范在條款規(guī)定的詳細程度、試驗裝置布置的嚴格程度、操作復(fù)雜程度均不同，從而對試驗結(jié)果的影響也有所區(qū)別，具體對比見表4。

表4 各國規(guī)范對試驗過程的規(guī)定

3 計算公式對比

對于二次變形模量Ev2，按照中國規(guī)范，加載曲線符合公式：

(1)

式中：s為承載板中心沉降量；σ0為荷載板板底應(yīng)力；a0、a1、a2為影響系數(shù)。

由最小二乘法有式(2)～(4)，從而可計算a0、a1、a2：

(2)

(3)

(4)

式中：n為加載級；si為第i級荷載對應(yīng)的承載板中心沉降量；σ0i為第i級荷載對應(yīng)的承載板板底應(yīng)力。

(5)

式中：Evi為第i循環(huán)對應(yīng)的變形模量；r為荷載板半徑；a1、a2為影響系數(shù)；σ1max為第一循環(huán)板底最大應(yīng)力。

根據(jù)《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》[5]規(guī)定，淺層平板載荷試驗確定的地基變形模量公式為：

(6)

式中：E0為變形模量；I0為承載板與形狀有關(guān)的系數(shù)，圓形取0.785；μ為土的泊松比；b為承壓板的直徑或邊長；p為p-s曲線線性段的壓力值；s為與p對應(yīng)的沉降量。

對于德國規(guī)范，計算公式基本一致，只是第一循環(huán)最大應(yīng)力用σ0max表示：

(7)

對于法國規(guī)范，有兩個計算公式，分別為:

(8)

(9)

式中：z2為靜裝卸板第二循環(huán)的凈沉降量；ν為靜裝卸板材料的泊松比，假設(shè)為0.25；p為靜裝卸板最大荷載對應(yīng)的板底壓強；d為靜裝卸板直徑。

4 結(jié)果分析

西非某工程堆場為強夯砂土地基，二次變形模量試驗采用德國規(guī)范，對獲得的347個試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，結(jié)果見圖1。二次項系數(shù)有84.73%小于0，15.27%大于0。說明對于砂土地基，公式中二次項系數(shù)a2的存在會大概率使Ev2增大。就砂土而言，由于加載過程對地基有壓密作用，其σ-s曲線一般為下凹型(在含泥量較大時變?yōu)樯贤剐?,此時中德規(guī)范的計算公式普遍比法國規(guī)范大；而對于其他地基土，則應(yīng)根據(jù)試驗或土本身的特性判斷二次項的存在對試驗結(jié)果的影響。

圖1 德國規(guī)范下二次項系數(shù)統(tǒng)計值

5 實例分析

5.1 案例1

西非某新集裝箱碼頭工程，其堆場為強夯砂土地基，根據(jù)設(shè)計文件，要求處理后的二次變形模量大于80 MPa，采用德國規(guī)范進行試驗。典型試驗曲線見圖2，計算結(jié)果見表5?？梢钥闯?，采用德國規(guī)范的式(7)，計算結(jié)果最大，其次是法國規(guī)范的式(9)，最小為法國規(guī)范的式(8)，式(7)的計算結(jié)果平均比式(8)大10.45 MPa，式(9)的計算結(jié)果平均比式(8)大1.92 MPa，由此說明法國規(guī)范偏于保守。在對外所承接的工程中，對于砂土地基，在有選擇條件下，應(yīng)選擇德國規(guī)范作為二次變形模量的驗收規(guī)范，有利于中方驗收。而由于中德規(guī)范基本一致，甚至在某些內(nèi)容的規(guī)定上中國規(guī)范比德國規(guī)范更詳細，因此也更具有操作性，能更好指導(dǎo)現(xiàn)場試驗人員工作,積極推動中國規(guī)范的對外輸出。

圖2 板底應(yīng)力-沉降曲線

表5 德國規(guī)范試驗下各公式計算結(jié)果對比

5.2 案例2

西非某國砂土地基處理工程，該國以法語作為官方語言，因此偏向于采用法國規(guī)范評價地基處理效果。在二次變形模量試驗中，獲得的典型試驗曲線如圖3所示，其結(jié)果見表6?？梢钥闯?，采用德國規(guī)范的式(7)由于忽略了二次項，其結(jié)果與法國規(guī)范的式(9)一致，均大于法國規(guī)范的式(8)。需要說明的是，對于砂土地基，無論試驗過程采用哪國規(guī)范，在結(jié)果處理方面法國規(guī)范都偏于保守。

圖3 板底應(yīng)力-沉降曲線

表6 法國規(guī)范試驗下各公式計算結(jié)果對比

6 結(jié)語

1)中國規(guī)范的承壓板和法國規(guī)范的靜裝卸板都是單一的直徑尺寸，德國規(guī)范則有3種尺寸，相比而言比較靈活，可以根據(jù)已有的反力裝置、場地大小等靈活選擇承載板尺寸。

2)中德規(guī)范均有詳細具體的試驗過程以及其他相關(guān)的事項，而法國規(guī)范則較為籠統(tǒng)，不利于現(xiàn)場操作執(zhí)行。

3)中德規(guī)范無論是試驗過程還是結(jié)果處理上基本相同，法國規(guī)范則相差較大，對于砂土地基，中德規(guī)范的計算結(jié)果一般比法國規(guī)范大。