平板載荷試驗在路基承載力檢測中的應用*

魏永梁 王小軍 屈耀輝

鄭州—西安鐵路客運專線正線全長484.518 km，設計時速350 km/h，是我國乃至世界上在濕陷性黃土地區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，濕陷程度從輕微(Ⅰ級)到很嚴重(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復雜，為滿足鄭西全線鋪設無碴軌道后路堤工后沉降量不超過15 mm的技術要求，必須對地基進行處理，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，并為正線建設中的地基承載力檢測總結經驗，課題組選擇代表性地段，對柱錘沖擴樁、水泥土擠密樁復合地基和強夯地基進行試驗研究。

1 試驗概況

試驗場地位于鄭西鐵路客運專線DK355+200左側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22 m，地下水埋深約40.5 m。勘察深度范圍內地層自上而下分為9層:①素填土，層厚 0.50 m;②砂質黃土，層厚4.00 m～6.10 m，平均濕陷系數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0.060，具中等濕陷性;④砂質黃土，層厚5.00 m～6.10 m，平均濕陷系數0.045，具中等濕陷性;⑤砂質黃土，層厚 8.10 m～10.00 m，平均濕陷系數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細砂，密實，層厚 7.60 m～9.40 m;⑧粉質黏土，層厚 1.40 m～2.80 m，屬中偏低壓縮性土;⑨細中砂，密實，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樁、水泥土擠密樁和強夯3個試驗分區，分區各長40 m，兩兩分區間設10 m長地基不處理的過渡段。柱錘沖擴樁和水泥土擠密樁地基處理區: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;強夯地基處理區又分15 m，10 m和15 m寬的三個子區，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，柱錘沖擴樁、水泥土擠密樁復合地基和強夯地基承載力設計值分別為260 kPa，190 kPa和180 kPa，利用平板載荷試驗檢測各區的承載力[3]。

2 試驗裝置及方法

2.1 試驗裝置

試驗設備由承壓板、加荷系統、反力系統、觀測系統四部分組成。強夯地基、水泥土擠密樁和柱錘沖擴樁復合地基分別采用1 000 mm，1 050 mm，1 100 mm三種直徑規格的圓形鋼承壓板。加荷系統是通過承壓板對地基施加荷載的裝置，根據試驗要求而采用不同規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，通過調節反力系統與加荷系統之間的力系平衡，使荷載始終保持垂直傳力狀態;觀測系統是由基準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，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，并用水平尺進行校正;然后，遵循先下后上、先中心后兩側的原則依次安放承壓板、千斤頂、反力系統及觀測系統;最后，進行加載試驗。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至最大值。先對試驗面進行預壓(加兩級荷載)，穩壓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，穩定1 min后，記錄初始讀數。

加載時，柱錘沖擴樁復合地基的極限荷載按承載力設計值的3倍考慮，預計其極限荷載為800 kPa，第一級加荷140 kPa，后每級按70 kPa加荷，加至840 kPa;同樣，預計水泥土擠密樁復合地基極限荷載為 600 kPa，第一級加荷30 kPa，后每級按60 kPa加荷，加至630 kPa;強夯地基根據夯擊能不同，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。

試驗中針對現場實際情況對荷級量進行調整，每個試驗點的加荷級數不小于8級。觀測頻次、時間及其穩定標準和試驗終止條件按照參考文獻[4]中3.3.5的規定執行。

2.3 數據分析方法

2.3.1 基本承載力

根據不同情況，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，則第一拐點對應的壓力為比例界限壓力pa，第二拐點對應壓力為極限承載力 pu。當 pu≤1.5pa時，取 σ0=pu/2;當 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，可依據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，由雙曲線擬合法確定 pu值，取σ0=pu/F(F為安全系數)，可視地基工程性質取 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，也可取相對沉降值S/b值所對應的荷載強度為s0，各類土的S/b值可依參考文獻[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，則第二拐點對應壓力為極限承載力pu。

2)雙曲線擬合法。樁頂荷載p與沉降S關系可近似地用雙曲線關系式表示:

其中，A，B均為試驗常數。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[4]中表3.4.3取值。

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

表1 平板載荷試驗結果匯總表

2.3.3 變形模量E0和基床系數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。基床系數Ksa反映了地基基本承載力范圍內產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。土體變形模量E0和基床系數Ksa可按參考文獻[4]中式 3.4.5和式3.4.6-1確定。

3 試驗結果分析

本試驗在各區分別選擇了若干測點對柱錘沖擴樁(5個)、水泥土擠密樁(6個)復合地基和強夯(3個)地基做平板載荷試驗，按2.3所述方法對試驗數據進行分析，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齡期的單樁復合地基承載力來對該場地確定的地基承載力進行驗證，柱錘沖擴樁、水泥土擠密樁復合地基承載力統計分析結果見表2。

表2 復合地基承載力統計分析表 kPa

由表1可以看出，柱錘沖擴樁、水泥土擠密樁和強夯的單樁復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計值，滿足設計要求。單樁復合地基滿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都很小，且s0值的極差與承載力平均值的比值也遠小于30%。這說明本試驗地基基本承載力和極限承載力設計使用值的確定符合TB 10041-2003鐵路工程地質原位測試規程中3.4.4條的規定，所得結果準確可靠。

平板載荷試驗結果表明，各場地地基承載力強度大小順序為:柱錘沖擴樁區＞強夯區＞水泥土擠密樁區。但考慮到強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來看:柱錘沖擴樁區＞水泥土擠密樁區＞強夯區，從變形控制角度考慮，土體在受壓時水泥土擠密樁復合地基抵抗變形的能力要優于強夯地基。

4 結論及建議

1)試驗場地柱錘沖擴樁、水泥土擠密樁單樁復合地基基本承載力分別為310 kPa，226 kPa，強夯場地地基的基本承載力范圍值為239 kPa～314 kPa，大于200 kPa，均大于承載力設計值，滿足設計要求。柱錘沖擴樁、水泥土擠密樁單樁復合地基極限承載力分別為745 kPa，461 kPa，強夯地基的極限承載力范圍值為473 kPa～523 kPa，均已達到很高的承載力水平。2)柱錘沖擴樁(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也增大。3)平板載荷試驗結果表明，各區地基承載力通常是柱錘沖擴樁區＞強夯區＞水泥土擠密樁區。4)在對試驗數據進行分析時，建議采用不同的方法來確定地基的承載力，對所得結果分析后，取合理、相近的承載力均值作為最終結果。本次平板載荷試驗結果的確定符合相關規范之規定，所得結果準確可靠。

[1] 王小軍.黃土地區高速鐵路建設中的重大工程地質問題研究[D].蘭州:蘭州大學，2008.

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

[3] 魏永梁.濕陷性黃土區客運專線復合地基和改良黃土路基沉降分析與預測[D].北京:中國鐵道科學研究院，2008.

[4] TB 10041-2003，鐵路工程地質原位測試規程[S].