某客運專線工程粉土地基承載力的確定

陳 占

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司, 湖北武漢 430063)

1 概述

粉土是界于砂類土與黏性土之間,塑性指數(shù)Ip≤10且粒徑>0.075 mm，顆粒含量不超過全重50％的土[1][2]。河南鄭州至許昌鐵路粉土地基受黃淮河水系多次洪澇災害改道和遷移的影響,成因和相變較為復雜,主要為第四系全新統(tǒng)近代黃河泛濫堆積物,成分以粉粒為主,砂粒和黏粒較少,結(jié)構(gòu)較松散,常含有3％左右、外形不規(guī)則、粒徑5～25 mm的鈣質(zhì)結(jié)核。粉土的物理力學指標差異性較大,工程性質(zhì)比較復雜,長期以來,對粉土地基承載力的確定存在一些矛盾和爭議。粉土工程性質(zhì)界于砂類土與黏性土之間,一般情況下,當砂粒含量較多時,其地基承載力更接近于粉砂,當黏粒含量較多時,其地基承載力更接近于黏性土。為取得鄭州至許昌鐵路粉土地基較為合理的承載力,選取6處代表性試驗點,采用載荷試驗、靜力觸探、標準貫入試驗、鉆探取樣等多種勘察方法(表1給出了各代表性試驗點粉土相關(guān)物理力學指標)的綜合對比，分析了粉土地基承載力,提出了該段粉土地基承載力確定的方法。

表1 代表性試驗點粉土地基相關(guān)物理力學指標

2 粉土地基承載力的確定

目前,確定粉土地基承載力的方法主要有：查表內(nèi)插法、標準貫入試驗法、靜力觸探法、理論計算法、載荷試驗直接測定法等。各種方法確定的代表性試驗點粉土地基承載力見表2,其他各種方法得取得的粉土地基承載力與載荷試驗直接測定法均存在一定或較大的差異。

表2 不同方法確定的代表性試驗點粉土地基承載力

2.1 查表內(nèi)插法

查表內(nèi)插法[3]確定粉土地基承載力,所需參數(shù)僅為天然孔隙比(e)與天然含水量(W),通過他們之間的相關(guān)關(guān)系,在表中可方便、快捷的求得粉土地基承載力。根據(jù)多年來鐵路部門在粉土地區(qū)工程地質(zhì)勘察工作實踐,認為粉土(特別是飽和粉土)在鉆探取樣及搬運過程中較易失水,室內(nèi)土工試驗測得的天然含水量失真,其值常偏低而且數(shù)據(jù)分散,計算的孔隙比也隨之產(chǎn)生較大誤差,導致采用查表內(nèi)插法確定粉土地基承載力值常偏高,趨于不安全。從表2可以得出,本次6個代表性試驗點中,1號試驗點位于地下水位之上,為稍濕狀態(tài),其試驗室取得含水量、孔隙比與實際值較為接近,查表法取得的地基承載力與載荷試驗直接測定法較為接近,其余試驗點均位于地下水位以下,為飽和狀態(tài),其試驗室取得含水量、孔隙比與實際值相關(guān)接近,查表法的結(jié)果為載荷試驗直接測定法的161.1％～204.0％,存在較大的差異。因此，對于飽和粉土,地基承載力采用查表內(nèi)插法進行粉土地基承載力取值,其值往往偏高,對工程結(jié)構(gòu)安全不利,飽和粉土承載力取值一般不宜采用該法進行。

2.2 標準貫入試驗法[4]

粉土易擾動失水,其中又含有較堅硬的、分布雜亂、粒徑大小不一的鈣質(zhì)結(jié)核,造成標準貫入試驗數(shù)據(jù)分散,可靠性較差,時有偏高、不合理的擊數(shù)出現(xiàn),造成承載力數(shù)值較高的假象,有可能給鐵路工程建設(shè)帶來隱患。從表2可以得出,本次6個代表性試驗點中,4號試驗點標準貫入試驗法的地基承載力與載荷試驗直接測定法較為接近,其余試驗點標準貫入試驗法取值為載荷試驗直接測定法的109.4％～155.6％,存在相當?shù)牟町?大多數(shù)偏高,對工程結(jié)構(gòu)安全不利。粉土承載力取值一般不宜采用該法進行,但標貫成果可作為參考,同時應(yīng)注意積累資料,不斷總結(jié)經(jīng)驗,建立該地區(qū)由標貫擊數(shù)確定地基承載力的經(jīng)驗公式。

2.3 靜力觸探法

根據(jù)實測的比貫入阻力(錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力)值,貫入曲線的分布特征,結(jié)合鐵路工程經(jīng)驗,采用《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》[5]中根據(jù)粉土載荷試驗和靜力觸探成果對比建立的地基承載力經(jīng)驗公式

σ0=0.89Ps0.63+14.4(Ps≥0.9 MPa)

或

σ0=0.112Ps+5(Ps<0.9 MPa)

式中：σ0為地基承載力/kPa；Ps為單橋靜力觸探比貫入阻力/MPa。

從表2可以得出,本次6個代表性試驗點靜力觸探法所取得的粉土地基承載力為載荷試驗直接測定法的95.2％～106.4％,兩者取值較為接近,對工程結(jié)構(gòu)安全設(shè)計基本無影響,粉土地基承載力取值在沒有載荷試驗直接測定的情況下,可以采用靜力觸探法確定該地區(qū)粉土地基承載力,并可參考標準貫入試驗成果進行確定。

2.4 理論計算法[6]

20世紀40年代K.太沙基、50年代G.G.梅耶霍夫、60年代J.B.漢森、70年代A.S.魏錫克、90年代沈珠江等各國學者都提出了計算地基極限承載力的公式。但上述公式的推導都有特定的邊界條件及適用范圍,使用時應(yīng)十分重視參數(shù)的測定和選取,仍不能排除個人專業(yè)水平和工作經(jīng)驗的影響。在鐵路工程實踐中,一般采用現(xiàn)行建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[6]中推薦的根據(jù)土的抗剪強度指標確定地基承載力特征值fa的計算公式

fa=Mb·r·b+Md·rm·d+Mc·ck

式中fa——由土的抗剪強度指標確定的地基承載力特征值/kPa；

Mb、Md、Mc——承載力系數(shù)；

r——基礎(chǔ)底面以下土的重度/kN·m-3；

rm——基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度/kN·m-3；

b——基礎(chǔ)底面寬度/m；

d——基礎(chǔ)埋置深度/m；

ck——基底下一倍短邊寬深度內(nèi)土的黏聚力標準值/kPa。

在計算中發(fā)現(xiàn),采用該理論計算法所取得的結(jié)果與載荷試驗直接測定法的結(jié)果相差太大,建議不采用理論計算法確定該地區(qū)粉土地基承力。

2.5 載荷試驗直接測定法[5]

通常采用載荷試驗可直接確定地基的承載力,并以此作為其他原位測試的對比依據(jù)；載荷試驗一般可采用強度和變形雙重安全度控制,按荷載-沉降(P-S)曲線的線形可分別采用拐點法(比例界限點)、極限荷載法和相對沉降法確定地基承載力特征值。為確定鄭武客運專線鄭州至許昌段粉土地基承載力,在該地區(qū)粉土層中分別進行了3組平板靜力載荷試驗和3組螺旋板靜力載荷試驗(承載板面積0.25～1.0 m2),試驗結(jié)果見表2。由于載荷試驗一般反映承載板下大約1.5～3倍承載板直徑深度范圍內(nèi)土的性狀,且承載板影響范圍內(nèi)的土質(zhì)較為均一時,其測試成果才是最可靠的,當土層為非均質(zhì)土或土質(zhì)不同的多層土時,載荷試驗得出的測試數(shù)據(jù)與實際基礎(chǔ)下地基土的性狀將存在一定的差異,在確定地基承載力時應(yīng)予以關(guān)注,盡量消除可能存在的一些誤差。

3 結(jié)論與建議

通過以上各種方法的對比分析,得出確定粉土地基承載力的主要結(jié)論與建議：

載荷試驗是目前確定地基承載力最可靠、最直觀的方法,但技術(shù)要求高、耗資大、費時費力,條件許可時,可分段進行代表性試驗,并與其他方法進行對比分析,選用較簡便、經(jīng)濟而快速的1～2種方法,確定該地區(qū)鐵路工程地基承載力。

根據(jù)天然孔隙比(e)與天然含水量(W)的關(guān)系,采用查表內(nèi)插法確定粉土地基承載力,受粉土室內(nèi)試驗測試值與實際值差異較大的影響,承載力取值常偏高,對工程結(jié)構(gòu)設(shè)計不利,一般不宜采用其進行飽和粉土承載力取值,對地下水位以上的粉土層,可在地區(qū)經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,參考采用。

受該地區(qū)粉土層中含有較多分布雜亂、粒徑大小不一的鈣質(zhì)結(jié)核,標貫擊數(shù)往往受到的影響,且一般結(jié)果偏大,建議標貫試驗成果作為確定該地區(qū)粉土地基承載力一般不宜單獨應(yīng)用,當粉土層埋深較深時,可參考利用。

靜力觸探法所取得的粉土地基承載力為載荷試驗直接測定法的取值基本接近,建議該在沒有載荷試驗直接測定的情況下,以靜力觸探法為主確定該地區(qū)粉土地基承載力,并可參考標準貫入試驗成果進行綜合確定。

粉土地基承載力的確定受多種因素的影響,其承載力的確定是一個較為復雜的難題,在工作中不斷積累經(jīng)驗,以完善修正相關(guān)成果。

[1]GB50021—2001 巖土工程勘察規(guī)范[S]

[2]TB10077—2001 鐵路工程巖土分類標準[S]

[3]TB10012—2007 鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[4]黑龍江省寒地建筑科學研究院.黑龍江省建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005

[5]TB10041—2003 鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程[S]

[6]GB50007—2002 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]