武廣客運專線灰?guī)r殘積層紅黏土力學特性現(xiàn)場試驗研究

黃曉暉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

平板載荷試驗是在巖土體原位條件下,對一定尺寸的承壓板施加豎向荷載,通過承壓板向地基土逐級加荷,同時觀測承壓板沉降,測定地基土承載力和變形特性的原位測試方法[1]。一般認為,平板載荷試驗在各種原位測試中最為可靠,具有直接、直觀、準確的突出優(yōu)點,作為一種主要的原位測試手段,在巖土工程勘察中得到了廣泛應用。

武廣客運專線武漢至韶關段分布近100 km的灰?guī)r殘積層紅黏土地基。紅黏土力學特性的復雜已為業(yè)內所公認,其強度及變形特性可能對路基變形產(chǎn)生不良影響,因此正確認識紅黏土力學特性非常必要并具有十分重要的研究價值。目前,已有多位學者通過室內動單軸、三軸、壓縮試驗及靜力觸探等，對紅黏土的動、靜強度、變形特性進行了研究[2-5],但尚缺乏系統(tǒng)的現(xiàn)場原位試驗資料。本文通過平板載荷試驗,研究了武廣客運專線灰?guī)r殘積層紅黏土的承載力特性和沉降變形特點,分析了粒徑組成、氣候條件的影響,提出了不同條件下紅黏土地基承載力標準值及變形模量參考值,并對紅黏土地基段路基工程的設計與施工提出了建議,為武廣客運專線紅黏土地基力學參數(shù)合理取值提供了依據(jù)。

1 變形試驗

1.1 工程概況

武廣客運專線為全程無砟軌道設計的高速鐵路,設計速度達350 km/h。無砟軌道系統(tǒng)以其少維修、耐久性強、生命周期長的優(yōu)點,在現(xiàn)代高速鐵路中得到迅速推廣和運用,是現(xiàn)代高速鐵路建設與發(fā)展的必然趨勢[6]。它對地基變形的要求比有砟軌道嚴格得多,在特殊土地段對沉降量的要求也很嚴格,要求控制在15 mm以內。

設計中,該線路中的武漢—韶關段大約100 km為殘積紅黏土地基。紅黏土的大孔隙、高含水量、高液限、高塑性、非飽和等特殊性質,對地基沉降變形要求非常嚴格的客運專線路基工程帶來的影響不容忽視。因此，在紅黏土地區(qū)選擇了有代表性的路段,進行了平板載荷試驗。

1.2 試驗點

根據(jù)武廣客運專線工程地質勘察資料,共選擇19個代表性地基路段進行載荷試驗,其中灰?guī)r殘積層紅黏土地基段布設有6個試驗點,各試驗點樁號及地層概況見表1。

表1 試驗工點及地層概況

1.3 試驗準備[7]

平板載荷試驗通常在試坑中進行。試坑底的寬度應不小于承壓板寬度(或直徑)的3倍,以消除側向土自重引起的超載影響。為了保持測試時地基土的天然濕度與原狀結構,應注意做到以下幾點：

①在坑底頂留20～30 cm厚的原土層,試驗前再挖去,并立即放入載荷板。對軟黏土或飽和的松散砂,在承壓板周圍預留20～30 cm厚的原土做為保護層。

②試坑底板高程低于地下水位時,應先將水位降至坑底高程以下,并在坑底鋪設2 cm厚的砂墊層,再放下承壓板,等水位恢復后進行試驗。

1.4 試驗設備

試驗設備包括1 m×1 m剛性承壓板、直徑0.7 m剛性圓承壓板、壓重平臺、傳力柱、100 t千斤頂、百分表、壓力表、手動加壓泵等。壓重平臺主要由三根6×40工字鋼主梁、七根6×30工字鋼副梁及竹跳板、沙包組成。100 t千斤頂、壓力表、百分表分別由中科院武漢巖土力學研究所、湖北省計量測試技術研究院進行檢定(如圖1所示)。

圖1 平板載荷試驗示意

2 試驗成果分析

2.1 試驗原理

載荷試驗是目前公認的確定地基承載力或預估地基變形的有效方法。它是在原位條件下,在一定面積的剛性承壓板上加荷,通過承壓板向地基土逐級加荷,來測定地基土變形、強度特性的方法。土體變形模量E0可按下式計算[8]

E0=ω(1-μ2)bpa/Sa

(1)

式中：b為承壓板直徑或寬度；ω為承壓板系數(shù),圓形取0.79,方形取0.89；μ為泊松比,碎石類土取0.25,砂類土和粉土取0.3,粉質黏土取0.35,黏土取0.42；pa為比例界限壓力；即P-S曲線上第一拐點壓力,當P-S曲線無直線段時,按0.5pu取值,pu為極限承載力；Sa為與pa對應的沉降。

平板載荷試驗還可用于計算地基豎向基床系數(shù),計算公式如下

Ksa=pa/Sa

(2)

為了載荷試驗的承壓板尺度進行修正,計算時多采用基準基床系數(shù),基準基床系數(shù)的計算公式為

Kv2=3.28·b·Ksa

(3)

2.2 加載原則

本次試驗分為常規(guī)載荷試驗和非常規(guī)載荷試驗兩種類型。

常規(guī)載荷試驗參照相關規(guī)范,采用方法是慢速維持荷載法,自加荷開始按1、2、2、5、5、15、15、15 min間隔,以后每隔30 min觀測沉降一次,直至當連續(xù)2 h內,每小時的沉降量小于0.1 mm時,則認為已達穩(wěn)定,可施加下級荷載。

非常規(guī)載荷試驗是荷載按8 m土柱高計算,土柱自重應力為160 kPa,模擬土柱荷載,觀測地基沉降,此級荷載試驗時間相對較長,定為15 d(具體時間示地基實際沉降變形定),每1 h記錄一次地基沉降。

2.3 試驗分析

對獲取的試驗P-S曲線,按照文獻[4]中的方法進行修正。得到2種類型的曲線,各有3個試驗點P-S曲線為直線形、曲線形,圖2列出了各個試驗點的P-S曲線,圖中標出了各個試驗點P-S曲線直線段的擬合關系式。

由圖2(a)～(c)可知,這3個試驗點P-S曲線相關系數(shù)都接近于1,線性關系很好,加載過程主要以壓密變形或彈性變形為主,總體變形量較小,地基土處于穩(wěn)定狀態(tài)。

由《鐵道工程地質原位測試規(guī)程》知：在P-S曲線關系中,直線段端點所對應的壓力即為比例界限,可作為地基土的承載力特征值。當曲線沒有明顯的直線段，沉降量為板寬的0.01倍時，對應的荷載值作為地基土的承載力特征值。由試驗采集數(shù)據(jù)可知,該工點地基載荷試驗并未做到讓地基產(chǎn)生破壞的階段,只是做到了沉降變形趨于穩(wěn)定的階段,所以無法通過試驗曲線得出其比例極限值。因此要通過該工點的P-S情況得出承載力特征值基本上不太可能,故只能通過經(jīng)驗方法初步估計承載力特征值：即對于圖2(a)只能初步估計地基承載力特征值P≥800 kPa,采用沉降量為板寬的0.01倍(板寬B=1 m)即10 mm時，對應的荷載為該試驗點承載力特征值,可得沉降量為10 mm時的荷載值為810 kPa。

同樣可得：PLTS1、PLTS3試驗點承載力特征值的估測值分別為1 100、890 kPa。

圖2(d)為PLTS9-1試驗點的P-S曲線,由圖中知試驗加載到80 kPa前,P-S曲線為直線彈性階段,曲線特征為近似線性,基本上反映了地基土的彈性性質,P=80 kPa點為比例界限。當P-S曲線上有明確的比例界限時,取該比例界限所對應的荷載值作為地基承載力特征值,因此取P=80 kPa為承載力特征值。當加載超過80 kPa時,P-S曲線呈圓弧形,地基壓縮變形為塑性變形階段,在塑性發(fā)展階段,曲線特征為曲率加大,表明地基土由彈性過渡到彈塑性,并逐步進入破壞,但是就該工點的試驗情況,看不出有破壞的痕跡,因此加載只是到了塑性階段,得出極限承載力。

同樣可得：PLTS9-2、PLTS9-3試驗點承載力特征值的估測值分別為100、100 kPa。

圖2 各試驗點P-S試驗曲線

2.4 試驗成果匯總分析

按照式(1)和式(3)計算各個試驗點地基土變形模量、基準基床系數(shù),依據(jù)2.3節(jié)所估測的承載力特征值,荷載試驗結果如表2。

通過分析可知：

(1)結合試驗點紅黏土含水狀態(tài)可知，PLT0、PLT1、PLT3三個試驗點地下水位較深,紅黏土處于硬塑狀態(tài),且含有較多碎石,導致其承載力和變形模量均很高,承載力高達800～1 100 kPa,強度滿足客運專線設計標準；PLT9-1、PLT9-2、PLT9-3三個試驗點進行試驗時,逢連續(xù)降雨,基坑有滲水,導致紅黏土力學狀態(tài)急劇惡化,其承載力一般為100 kPa左右,其承載力達不到客運專線強度要求。

表2 載荷試驗結果統(tǒng)計

(2)通過地基載荷試驗進行分析,確定其承載力為80～1 100 kPa,變化幅度大。

(3)武廣客運專線紅黏土變形模量為4～70.58 MPa,變化幅度很大。

3 結 論

通過上述分析得到以下結論：

(1)紅黏土作為區(qū)域性特殊土,氣候條件及地質成因對其影響較大,導致其內部結構復雜,裂隙發(fā)育,力學特性受含水狀態(tài)的影響極其明顯,地基承載力標準值、變形模量變化幅度均較大。

(2)建議堅硬及硬塑層地基承載力特征值取800 kPa左右,飽和狀態(tài)的紅黏土取100 kPa左右；建議堅硬及硬塑層紅黏土變形模量取為60 MPa左右,飽和狀態(tài)的紅黏土變形模量取4 MPa左右；設計時應結合勘察所得紅黏土狀態(tài)進行合理取值。

(3)紅黏土地基上硬下軟,應詳細勘察確定其堅硬及硬塑層深度,確定是否要對其進行地基加固處理,如硬塑層較淺,建議進行地基加固處理。

(4)由于紅黏土力學特性受含水狀態(tài)的影響極其顯著,路基設計、施工過程中應注意做好防排水措施。

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[8]鐵道第四勘察設計院.鐵道工程地質原位測試規(guī)程(TB10018—2003)[S].北京:中國鐵道出版社,2003