原位測試在巖土工程勘察中的應(yīng)用研究

徐慶功

(遼寧省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司,沈陽 110006)

0 前 言

近年來巖土工程勘察在資源開發(fā)、各類工程建設(shè)領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用[1],勘察工作主要為:地質(zhì)測繪、鉆探、原位測試、取樣與室內(nèi)試驗[2]。

快速準(zhǔn)確確定各層巖土體的物理力學(xué)參數(shù)一直是困擾工程界的技術(shù)難題[3],由于現(xiàn)場原位測試對巖土體擾動小,且能夠較為準(zhǔn)確獲取巖土體在自然狀態(tài)的各項物理力學(xué)參數(shù),應(yīng)用效果廣泛、明顯[4]。

文章以盤錦凈水廠巖土工程勘察項目為依托,針對表層軟塑狀態(tài)粉質(zhì)黏土層,主要進行靜力觸探、十字板剪切試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗,并與室內(nèi)試驗成果進行對比分析,評價該軟土地基的物理力學(xué)性質(zhì)。

1 原位測試技術(shù)特征

原位測試是在巖土體原位置,基本保持天然應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、含水率等,測定物理力學(xué)性質(zhì),并評價其強度、變形等性能狀態(tài)[5]。原位測試主要包括:①變形特性試驗;②抗剪強度試驗;③觸探試驗;④滲透性試驗等[6]。

相比于室內(nèi)土工試驗,原位測試優(yōu)勢在于:①擾動小,更能真實反映原位巖土體的天然物理力學(xué)性質(zhì)[7];②可針對地基土任意部位進行,測試范圍廣泛,可連續(xù)測試,測試全面[8]。但部分指標(biāo)參數(shù)很難通過單一測試獲取,仍需多種方法相互驗證,與室內(nèi)試驗綜合分析[9]。

原位測試未來應(yīng)用前景將更廣泛,測試手段也將更自動化[10]。

2 工程地質(zhì)概況

盤錦凈水廠位于盤錦市大洼區(qū)榮興鎮(zhèn),南距濱海大道約1000m,東距和運路約400m,交通便利。

工程區(qū)地貌類型為濱海洼地沖海平原,地形平坦,現(xiàn)為蘆葦蕩,現(xiàn)地面高程2.5～3.2m。本區(qū)地表地層主要為第四系全新統(tǒng)沖海積(Qhfm),以黏性土、砂土為主。

勘察期間地下水位埋深0.3～1.0m,高程1.8～2.2m。地下水類型為第四系孔隙潛水,微承壓性,地下水主要受潮汐、大氣降水、附近河水補給,以地表、地下徑流、人工抽水及蒸發(fā)、蒸騰等形式進行排泄。

場區(qū)距入?？诩s5km,受海水潮汐作用明顯。環(huán)境水中Cl-含量較高,對混凝土中鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)均具強腐蝕性。

3 表層粉質(zhì)黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)

盤錦凈水廠表層為粉質(zhì)黏土,呈灰黑色,處于含欠固結(jié)狀態(tài),含水率高,基本為飽和狀態(tài),軟塑狀態(tài)為主,中等～高壓縮性,抗剪強度較低,鉆探揭露層厚3.1～4.7m。通過對該層采用薄壁取土器取樣、室內(nèi)試驗,粉質(zhì)黏土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計,見表1。

表1 粉質(zhì)黏土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計表

5 力學(xué)參數(shù)估算

5.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SPT)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SPT),是將一定質(zhì)量(63.5kg)重錘,將標(biāo)貫器貫入土45cm(其中前15cm為預(yù)打),通過錘擊數(shù)判別土層工程性質(zhì)。作為巖土工程勘察可靠的原位測試方法,在地震液化判別、黏性土及砂土狀態(tài)判別、計算地基承載力、土層均勻性等方面廣泛應(yīng)用,并積累了豐富的工程經(jīng)驗[11]。

本次勘察對表層粉質(zhì)黏土進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗,對試驗錘擊數(shù)進行桿長修正,剔除異常值后,進行數(shù)理統(tǒng)計,評價地基土性質(zhì)、確定相關(guān)力學(xué)參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)統(tǒng)計,見表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)統(tǒng)計

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗表明該層土標(biāo)貫擊數(shù)2.5～5.3,平均3.1擊,建議值3.0擊,土體偏軟,但較均勻。

5.2 十字板剪切試驗(VST)

十字板剪切試驗(VST)(文章采用自鉆式),是用標(biāo)準(zhǔn)十字板鉆入土中預(yù)定深度,以一定速率扭轉(zhuǎn),直到將土體剪切破壞,自動記錄土體破壞時抵抗力矩。試驗成果一般用來獲取飽和軟黏土不排水抗剪強度Cu、靈敏度St、計算地基承載力、評價地基處理效果等[12]。

本次勘察針對場地表層粉質(zhì)黏土承載力偏低,易擾動的特點,布置十字板剪切試驗,機器型號為KE-2103型靜探微機外接電測十字板探頭。十字板剪切強度采用土體破壞時峰值強度,先測試原狀土不排水抗剪強度Cu,經(jīng)充分擾動后測試重塑土不排水抗剪強度Cu＇,靈敏度計算公式St=Cu/Cu＇。本次針對表層粉質(zhì)黏土共布置6個試驗孔,測試深度分別為0.5、1.5、2.5、3.5m,共24個測試點。十字板剪切試驗成果統(tǒng)計表,見表3。

表3 十字板剪切試驗成果統(tǒng)計表

十字板剪切試驗計算地基承載力采用《工程地質(zhì)手冊》(第五版)中所列中國建筑科學(xué)研究院、華東電力設(shè)計院的公式,計算公式為:

q=2Cu+γh

(1)

式中:q為地基承載力,kPa;Cu為修正后的十字板抗剪強度,kPa;γ為土的重度,kN/m3;h為基礎(chǔ)埋置深度,m,本工程按2.0m考慮。十字板剪切試驗計算地基承載力,見表4。

表4 十字板剪切試驗計算地基承載力

十字板剪切試驗成果表明:該土層原狀土不排水抗剪強度Cu為30kPa,重塑土不排水抗剪強度Cu＇為12kPa,數(shù)據(jù)有一定離散性,說明土體局部不均勻。中等靈敏性,地基承載力特征值98kPa。

5.3 靜力觸探試驗(CPT)

靜力觸探試驗(CPT),是將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的觸探頭以一定壓力勻速壓入土中,根據(jù)不同土層探頭所受阻力不同,探頭傳感器記錄入土?xí)r所受貫入阻力。是一種常規(guī)的原位測試方法,成果曲線能很好的反映地層變異特性,且所測得錐尖阻力qc與地基承載力具有緊密的線性相關(guān)性。適用于軟黏土、粉土、砂土,可進行力學(xué)分層、估算土的塑性狀態(tài)、壓縮性、地基承載力、砂土液化判別等。

本次勘察為掌握了軟土的基本性質(zhì)指標(biāo),為進一步查明工程區(qū)表層粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)性質(zhì),共布置6個靜力觸探試驗孔,測試深度至15m,文章僅分析表層粉質(zhì)黏土測試成果。所用機器型號為KE-2103型靜探微機外接雙橋探頭,可同時獲得錐尖阻力qc、側(cè)壁阻力fs,按公式摩阻比Rf=fs/qc×100%。剔除異常值后進行數(shù)理統(tǒng)計,靜力觸探試驗結(jié)果數(shù)理統(tǒng)計,見表5。

表5 靜力觸探試驗結(jié)果數(shù)理統(tǒng)計

靜力觸探試驗確定地基承載力采用《巖土工程勘察技術(shù)規(guī)程》(遼寧省地方標(biāo)準(zhǔn))(DB21/T1564.1～14-2007)中所列,靜力觸探錐尖阻力及地基承載力特征值,見表6;靜力觸探試驗計算地基承載力,見表7。

表6 靜力觸探錐尖阻力及地基承載力特征值

表7 靜力觸探試驗計算地基承載力

靜力觸探試驗表明:該土層錐尖阻力qc為0.5MPa,側(cè)壁阻力fs為12kPa,摩阻比Rf為4.5%,原狀土不排水抗剪強度Cu為31kPa,地基承載力特征值為95kPa。(采用同濟大學(xué)針對濱海相軟黏土提出的原狀土不排水抗剪強度Cu計算公式:Cu=0.071qc+1.28。)

綜合上述原位測試及室內(nèi)試驗成果,結(jié)合本工程特點及工程經(jīng)驗,按最小值給出場址區(qū)表層粉質(zhì)黏土地基承載力建議值,粉質(zhì)黏土層承載力特征值統(tǒng)計表,見表8。

表8 粉質(zhì)黏土層承載力特征值統(tǒng)計表

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、室內(nèi)試驗換算地基承載力采用《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》DB21/T 907-2015。

6 原位測試對比分析

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗操作相對較簡潔,應(yīng)用普遍,可通過錘擊數(shù)判斷土體的狀態(tài),并計算承載力,在黏性土、砂土場地適用性較強。

十字板試驗,能直接測定原狀土不排水抗剪強度Cu、重塑土不排水抗剪強度Cu＇,可計算得靈敏度St、地基承載力,在飽和軟黏土地基使用效果較好。

靜力觸探試驗直接測定原狀土體錐尖阻力qc、側(cè)壁阻力fs,可換算原狀土不排水抗剪強度Cu、摩阻比Rf、地基承載力,具有連續(xù)、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點。

三種原位測試方法按規(guī)范法計算的承載力具有統(tǒng)計意義,均能得到準(zhǔn)確、供設(shè)計使用的力學(xué)參數(shù)值。

7 結(jié)論與建議

通過對盤錦凈水廠表層粉質(zhì)黏土進行室內(nèi)試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、十字板剪切試驗、靜力觸探試驗等成果進行綜合對比分析,得出如下結(jié)論:

1)綜合給出該層承載力特征值建議值90kPa;原位測試能較好反映土的實際狀態(tài),三種方法得出的承載力相近,但室內(nèi)試驗則相對偏高;

2)通過靜力觸探試驗、十字板剪切試驗獲取土的抗剪強度基本一致,比室內(nèi)試驗合理,在軟黏土地基使用效果較好;

3)在盤錦地區(qū)軟土勘察中,建議采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗為主,十字板剪切試驗、靜力觸探試驗作為參考、輔助;

4)通過室內(nèi)試驗與多種原位測試成果對比分析,相互驗證,選取更加科學(xué)、合理的物理力學(xué)參數(shù),對準(zhǔn)確評價地基土性質(zhì)意義重大。