平板載荷試驗在路基承載力檢測中的應(yīng)用*

魏永梁 王小軍 屈耀輝

鄭州—西安鐵路客運(yùn)專線正線全長484.518 km，設(shè)計時速350 km/h，是我國乃至世界上在濕陷性黃土地區(qū)修建的第一條高速鐵路。全線約有65%的線路位于濕陷性黃土區(qū)，濕陷程度從輕微(Ⅰ級)到很嚴(yán)重(Ⅳ級)在全線均有分布，涵蓋了我國濕陷性黃土的全部類型[1]。濕陷性黃土工程性質(zhì)復(fù)雜，為滿足鄭西全線鋪設(shè)無碴軌道后路堤工后沉降量不超過15 mm的技術(shù)要求，必須對地基進(jìn)行處理，以消除地基土的濕陷性，提高地基承載力，并最終控制路基總沉降。目前，適用于處理濕陷性黃土的地基處理方法很多[2]，為檢驗不同地基處理方法的效果，并為正線建設(shè)中的地基承載力檢測總結(jié)經(jīng)驗，課題組選擇代表性地段，對柱錘沖擴(kuò)樁、水泥土擠密樁復(fù)合地基和強(qiáng)夯地基進(jìn)行試驗研究。

1 試驗概況

試驗場地位于鄭西鐵路客運(yùn)專線DK355+200左側(cè)200 m處，屬渭河Ⅱ級階地地貌單元，為自重濕陷性Ⅳ級黃土場地，濕陷性土層下限深度平均達(dá)22 m，地下水埋深約40.5 m。勘察深度范圍內(nèi)地層自上而下分為9層:①素填土，層厚 0.50 m;②砂質(zhì)黃土，層厚4.00 m～6.10 m，平均濕陷系數(shù)0.045，具中等濕陷性;③黑壚土，層厚0.60 m～1.20 m，平均濕陷系數(shù)0.060，具中等濕陷性;④砂質(zhì)黃土，層厚5.00 m～6.10 m，平均濕陷系數(shù)0.045，具中等濕陷性;⑤砂質(zhì)黃土，層厚 8.10 m～10.00 m，平均濕陷系數(shù)0.033，具中等濕陷性;⑥古土壤，層厚1.10 m～2.20 m，局部具弱濕陷性，屬低壓縮性土;⑦細(xì)砂，密實(shí)，層厚 7.60 m～9.40 m;⑧粉質(zhì)黏土，層厚 1.40 m～2.80 m，屬中偏低壓縮性土;⑨細(xì)中砂，密實(shí)，最大揭露厚度7.50 m，未揭穿[2]。試驗段地基處理范圍長 140.0 m，寬 38.1 m，地基處理自東向西分柱錘沖擴(kuò)樁、水泥土擠密樁和強(qiáng)夯3個試驗分區(qū)，分區(qū)各長40 m，兩兩分區(qū)間設(shè)10 m長地基不處理的過渡段。柱錘沖擴(kuò)樁和水泥土擠密樁地基處理區(qū):樁徑、樁間距、樁長分別為0.6 m和0.5 m，1.05 m和1.0 m，22 m和15m，均為正三角形布置且樁身材料為8%的水泥改良黃土;強(qiáng)夯地基處理區(qū)又分15 m，10 m和15 m寬的三個子區(qū)，夯擊能分別為3 000 kN?m，3 500 kN?m和4 000 kN?m，處理深度6 m。天然地基承載力約為90 kPa，柱錘沖擴(kuò)樁、水泥土擠密樁復(fù)合地基和強(qiáng)夯地基承載力設(shè)計值分別為260 kPa，190 kPa和180 kPa，利用平板載荷試驗檢測各區(qū)的承載力[3]。

2 試驗裝置及方法

2.1 試驗裝置

試驗設(shè)備由承壓板、加荷系統(tǒng)、反力系統(tǒng)、觀測系統(tǒng)四部分組成。強(qiáng)夯地基、水泥土擠密樁和柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基分別采用1 000 mm，1 050 mm，1 100 mm三種直徑規(guī)格的圓形鋼承壓板。加荷系統(tǒng)是通過承壓板對地基施加荷載的裝置，根據(jù)試驗要求而采用不同規(guī)格的手動液壓千斤頂，并配備不同量程的壓力表控制加荷值;反力系統(tǒng)由工字鋼梁搭建的承載平臺和其上堆砌的砂袋組成，通過調(diào)節(jié)反力系統(tǒng)與加荷系統(tǒng)之間的力系平衡，使荷載始終保持垂直傳力狀態(tài);觀測系統(tǒng)是由基準(zhǔn)梁和測量儀表兩部分組成。

2.2 試驗方法

首先，在選定的測試點(diǎn)，按大于2倍承壓板直徑的寬度開挖試驗基坑，其中承壓板底面高程位于樁頂或強(qiáng)夯地基面下0.5 m處;接著，用不超過20 mm厚的中粗砂將開挖找平，并用水平尺進(jìn)行校正;然后，遵循先下后上、先中心后兩側(cè)的原則依次安放承壓板、千斤頂、反力系統(tǒng)及觀測系統(tǒng);最后，進(jìn)行加載試驗。正式加荷前，將試驗面打掃干凈，將承壓板上的兩個百分表調(diào)至最大值。先對試驗面進(jìn)行預(yù)壓(加兩級荷載)，穩(wěn)壓1 h，使平板與砂墊層緊密接觸，百分表工作正常后放松千斤頂油門卸載，穩(wěn)定1 min后，記錄初始讀數(shù)。

加載時，柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基的極限荷載按承載力設(shè)計值的3倍考慮，預(yù)計其極限荷載為800 kPa，第一級加荷140 kPa，后每級按70 kPa加荷，加至840 kPa;同樣，預(yù)計水泥土擠密樁復(fù)合地基極限荷載為 600 kPa，第一級加荷30 kPa，后每級按60 kPa加荷，加至630 kPa;強(qiáng)夯地基根據(jù)夯擊能不同，第一級加荷50 kPa～80 kPa，后每級按 50 kPa～ 80 kPa加荷，加至 550 kPa～ 720 kPa。

試驗中針對現(xiàn)場實(shí)際情況對荷級量進(jìn)行調(diào)整，每個試驗點(diǎn)的加荷級數(shù)不小于8級。觀測頻次、時間及其穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)和試驗終止條件按照參考文獻(xiàn)[4]中3.3.5的規(guī)定執(zhí)行。

2.3 數(shù)據(jù)分析方法

2.3.1 基本承載力

根據(jù)不同情況，可按下述方法[4]確定地基基本承載力:

1)p—S曲線法。若p—S曲線存在拐點(diǎn)，則第一拐點(diǎn)對應(yīng)的壓力為比例界限壓力pa，第二拐點(diǎn)對應(yīng)壓力為極限承載力 pu。當(dāng) pu≤1.5pa時，取 σ0=pu/2;當(dāng) pu＞1.5pa時，取 σ0=pa。2)p—S/P曲線法。若p—S曲線呈圓弧形，無明顯拐點(diǎn)，可依據(jù)p—S/P曲線法判斷基本承載力。3)雙曲線擬合法。若p—S曲線呈圓弧形，無明顯拐點(diǎn)，由雙曲線擬合法確定 pu值，取σ0=pu/F(F為安全系數(shù))，可視地基工程性質(zhì)取 F=2～3(高壓縮性土取低值，低壓縮性土取高值)。4)相對沉降值法。若 p—S曲線呈圓弧形，無明顯拐點(diǎn)，也可取相對沉降值S/b值所對應(yīng)的荷載強(qiáng)度為s0，各類土的S/b值可依參考文獻(xiàn)[4]中表3.4.2取用。

2.3.2 極限承載力

地基極限承載力按下述方法[4]確定:

1)p—S曲線法。若 p—S曲線存在拐點(diǎn)，則第二拐點(diǎn)對應(yīng)壓力為極限承載力pu。

2)雙曲線擬合法。樁頂荷載p與沉降S關(guān)系可近似地用雙曲線關(guān)系式表示:

其中，A，B均為試驗常數(shù)。改寫上式得:

令K=p/S樁割線模量，將其代入上式得:

1/K—S關(guān)系為直線(如圖1所示)，該線斜率為B，與縱軸的截距為A。斜率的倒數(shù)為樁頂沉降趨于無限大時的破壞荷載pult，即:

令 Fr=pu/pult為破壞比，則極限承載力 pu=Fr?pult，式中Fr可按參考文獻(xiàn)[4]中表3.4.3取值。

3)S—lg t曲線法。S—lgt曲線法是根據(jù)S—lgt曲線的線性形態(tài)變化來判斷復(fù)合地基的破壞荷載，一般做法是若某級荷載的S—lg t曲線尾部出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折時，將前一級荷載定為破壞荷載。

表1 平板載荷試驗結(jié)果匯總表

2.3.3 變形模量E0和基床系數(shù)Ksa

土的變形模量E0反映了土體受壓后的變形情況，它的值越大說明土體在受壓時抵抗變形的能力越強(qiáng)。基床系數(shù)Ksa反映了地基基本承載力范圍內(nèi)產(chǎn)生單位沉降量所需要的壓力，Ksa值越大說明土體在受壓時抵抗變形的能力越強(qiáng)。土體變形模量E0和基床系數(shù)Ksa可按參考文獻(xiàn)[4]中式 3.4.5和式3.4.6-1確定。

3 試驗結(jié)果分析

本試驗在各區(qū)分別選擇了若干測點(diǎn)對柱錘沖擴(kuò)樁(5個)、水泥土擠密樁(6個)復(fù)合地基和強(qiáng)夯(3個)地基做平板載荷試驗，按2.3所述方法對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，試驗場地地基的 σ0，pu，E0和Ksa值見表1。

對由滿28 d齡期單樁確定的復(fù)合地基承載力作為該場地的地基承載力，而用滿90 d齡期的單樁復(fù)合地基承載力來對該場地確定的地基承載力進(jìn)行驗證，柱錘沖擴(kuò)樁、水泥土擠密樁復(fù)合地基承載力統(tǒng)計分析結(jié)果見表2。

表2 復(fù)合地基承載力統(tǒng)計分析表 kPa

由表1可以看出，柱錘沖擴(kuò)樁、水泥土擠密樁和強(qiáng)夯的單樁復(fù)合地基基本承載力比天然地基承載力均有很大提高，且都大于其承載力設(shè)計值，滿足設(shè)計要求。單樁復(fù)合地基滿90 d齡期的地基承載力比滿28 d的地基承載力要高，這表明隨著樁齡期的不同，其地基承載力也不同，齡期越大，其地基承載力也越大。

由表2可知，基本承載力和極限承載力的變異系數(shù)都很小，且s0值的極差與承載力平均值的比值也遠(yuǎn)小于30%。這說明本試驗地基基本承載力和極限承載力設(shè)計使用值的確定符合TB 10041-2003鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程中3.4.4條的規(guī)定，所得結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

平板載荷試驗結(jié)果表明，各場地地基承載力強(qiáng)度大小順序為:柱錘沖擴(kuò)樁區(qū)＞強(qiáng)夯區(qū)＞水泥土擠密樁區(qū)。但考慮到強(qiáng)夯的有效處理深度通常不足6 m，不像樁體能處理到地下十幾米甚至20多米。再從變形模量和平板載荷試驗基床系數(shù)來看:柱錘沖擴(kuò)樁區(qū)＞水泥土擠密樁區(qū)＞強(qiáng)夯區(qū)，從變形控制角度考慮，土體在受壓時水泥土擠密樁復(fù)合地基抵抗變形的能力要優(yōu)于強(qiáng)夯地基。

4 結(jié)論及建議

1)試驗場地柱錘沖擴(kuò)樁、水泥土擠密樁單樁復(fù)合地基基本承載力分別為310 kPa，226 kPa，強(qiáng)夯場地地基的基本承載力范圍值為239 kPa～314 kPa，大于200 kPa，均大于承載力設(shè)計值，滿足設(shè)計要求。柱錘沖擴(kuò)樁、水泥土擠密樁單樁復(fù)合地基極限承載力分別為745 kPa，461 kPa，強(qiáng)夯地基的極限承載力范圍值為473 kPa～523 kPa，均已達(dá)到很高的承載力水平。2)柱錘沖擴(kuò)樁(DDC樁)和水泥土擠密樁場地中，滿90 d齡期樁的地基承載力比滿28 d的地基承載力要高，而且隨著變形模量的增大其平板載荷試驗基床系數(shù)也增大。3)平板載荷試驗結(jié)果表明，各區(qū)地基承載力通常是柱錘沖擴(kuò)樁區(qū)＞強(qiáng)夯區(qū)＞水泥土擠密樁區(qū)。4)在對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析時，建議采用不同的方法來確定地基的承載力，對所得結(jié)果分析后，取合理、相近的承載力均值作為最終結(jié)果。本次平板載荷試驗結(jié)果的確定符合相關(guān)規(guī)范之規(guī)定，所得結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

[1] 王小軍.黃土地區(qū)高速鐵路建設(shè)中的重大工程地質(zhì)問題研究[D].蘭州:蘭州大學(xué)，2008.

[2] 魏永梁，王小軍，屈耀徽，等.濕陷性黃土區(qū)客運(yùn)專線路基工程試驗效果與沉降評估分析[J].發(fā)展，2008(6):107-109.

[3] 魏永梁.濕陷性黃土區(qū)客運(yùn)專線復(fù)合地基和改良黃土路基沉降分析與預(yù)測[D].北京:中國鐵道科學(xué)研究院，2008.

[4] TB 10041-2003，鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程[S].