武廣高鐵殘積層紅黏土對比性勘探試驗研究

袁 森

(中鐵第四勘察設(shè)計院集團有限公司，湖北武漢 430063)

1 概述

武廣高鐵為全線無砟軌道，設(shè)計時速350 km，路基工后沉降控制標(biāo)準(zhǔn)為15 mm，高標(biāo)準(zhǔn)的沉降控制要求對地基土力學(xué)參數(shù)的合理選取也提出了更高的要求。武廣高鐵沿線分布有近100 km的灰?guī)r殘積紅黏土地基，其復(fù)雜的力學(xué)特性已為業(yè)內(nèi)所公認。由于大孔隙率、高含水量、高液限、高塑性、非飽和等特殊性質(zhì)，如何獲取合理的土體變形參數(shù)，是保證地基工后沉降計算準(zhǔn)確性和地基處理措施選取合理性的關(guān)鍵。現(xiàn)場原位試驗(如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗)是確定地基承載力，判別土層類型最可靠的方法。因此，找出壓縮模量ES與標(biāo)貫擊數(shù)N之間的關(guān)系就顯得十分有意義。雖然國內(nèi)外已經(jīng)總結(jié)出很多關(guān)于壓縮模量ES與標(biāo)貫擊數(shù)N之間經(jīng)驗公式，但其工程背景與武廣高速鐵路沿線的地質(zhì)條件不同。且武廣高鐵要求工后沉降量小，設(shè)計參數(shù)精度要求高，試驗方法必須可靠。為了便于設(shè)計和施工，且節(jié)省工程經(jīng)費，結(jié)合代表性紅黏土地基工點進行標(biāo)貫試驗，同時采用三重管單動回轉(zhuǎn)取樣器連續(xù)采取原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗，總結(jié)出壓縮模量Es與標(biāo)貫擊數(shù)N之間的經(jīng)驗公式顯得尤為重要。本文在不同含水比條件下，分別研究獲取了湖北、湖南兩地紅黏土地基壓縮模量Es與標(biāo)貫擊數(shù)N的經(jīng)驗關(guān)系式，研究成果指導(dǎo)了武廣高鐵路基工程的設(shè)計和施工，獲得了較好的效果。

2 取樣及對比勘探技術(shù)要求

2.1 勘探目的和要求

在試驗點附近布置100型機動鉆孔，連續(xù)進行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗，并采用三重管單動回轉(zhuǎn)取樣器連續(xù)采取原狀土樣，對所取的原狀土樣進行物理力學(xué)試驗，收集各試驗的數(shù)據(jù)，分析地基土的強度、應(yīng)力、變形特征。為確保室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)的完整與真實性，鉆探所取土樣均為一級質(zhì)量土樣。結(jié)合對各原位測試進行對比統(tǒng)計分析，總結(jié)適用于武廣高鐵地基土的壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系式。

2.2 機具要求

使用100型回轉(zhuǎn)機動鉆，護壁套管，三重管單動回轉(zhuǎn)取樣器(外徑108 mm)，推土器，塑料襯管(直徑74 mm)，土樣箱，標(biāo)貫器等。

2.3 鉆進要求

一律無水回轉(zhuǎn)鉆進，孔壁不穩(wěn)時，應(yīng)采用套管護壁。鉆探流程:開孔(鉆進0.5m)→連續(xù)取樣(3～4組)→標(biāo)貫→套管跟進(必要時)→巖芯管清孔(長50 cm)→連續(xù)取樣(3～4組)→標(biāo)貫→套管跟進(必要時)→巖芯管清孔(長50 cm)→鉆至基巖面終孔。

具體操作時，先應(yīng)慢速旋轉(zhuǎn)，當(dāng)鉆頭切入土層時(當(dāng)遇堅硬土層鉆頭吃不進土層時可適當(dāng)加壓)改為中速檔鉆進。提升時要控制速度，保證孔底形成的空間能被水(或空氣)充填，而不至于形成真空。回次進尺按取樣器有效長度控制。

2.4 土樣的保管和運輸

取土器提出孔后，將土試樣輕輕拿出，先切去超出襯筒部分，使之與樣筒等齊，立即用事先備好的鐵皮蓋蓋住兩頭，在樣筒上標(biāo)明上下方向，而后把土試樣襯筒的外壁用棉紗擦拭干凈，用蠟水涂封縫隙處，再用麻紙仔細包裹，紙外涂一層蠟水使其完全密封，然后貼好土樣標(biāo)簽。考慮到試樣較多，短時間之內(nèi)難于全部用于試驗，為了保持土樣的原狀性，將土樣外表裹一層同土層的泥漿保護，然后在樣筒上標(biāo)明上下方向，貼好土樣標(biāo)簽之后，再裝進用木屑填好的土試樣箱內(nèi)。土試樣筒要放置牢靠，以免振動和來回擺動影響試驗結(jié)果，包裝箱內(nèi)以4個樣一箱為宜，不可過多，箱內(nèi)填充舊棉花，谷糠等防震材料，箱外面注寫“防震”和“輕拿輕放”字樣，而且運輸過程中要限制運輸車速。

2.5 鉆孔布置

為了更好地與其他原位測試作對比，鉆孔點布置依載荷試驗位置而定，沿載荷試驗點周圍布置鉆孔位置。巖土體一般為非均質(zhì)體，其性狀指標(biāo)是一定空間范圍的隨機變量，因此取樣的位置在一定的單元體內(nèi)應(yīng)力要求在不同方向上均勻分布，以反映趨勢性的變化。根據(jù)室內(nèi)試驗所需原狀土樣的個數(shù)，確定鉆孔個數(shù)和深度的布置。鉆孔深度要求為17m(或鉆至基巖面)，鉆孔個數(shù)為4孔(圖1)。在載荷試驗的周圍還進行鉆探取樣，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗與鉆孔取樣一起進行。

圖1 鉆孔及原位測試平面布置(單位:m)

2.6 取原狀土樣及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗要求

(1)取原狀土樣要求

為了保持土試樣的天然濕度和原狀結(jié)構(gòu)，除采用與地層相適宜的鉆探工藝和嚴格遵守取土操作規(guī)程外，還要選用合適的取土器。取土器是取土的直接工具，對土試樣擾動的影響最大。取土器要針對不同土層的特點，合理、正確地選擇其結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)，如面積比、內(nèi)間距比、外間距比、刃角，取樣筒的長度、直徑、長徑比以及取樣筒在取土器中的位置等。

采用三重管單動回轉(zhuǎn)取土器進行原狀土的取樣，對土樣的擾動降低到最小。這種取土器的結(jié)構(gòu)特點是:內(nèi)管及其上的塑料襯管單動，即不隨外管轉(zhuǎn)動;土樣上端不受動水沖力和靜水壓力作用，內(nèi)管下端的切割靴能隨土層的軟硬程度，自動調(diào)節(jié)其突出鉆頭底端的長度，有效保護土芯不受沖洗液的沖刷破壞，最大外伸量為5 cm。取土后，方便把塑料襯管和土樣一起從取土器中卸出;將裝滿土心的塑料襯管兩端挖去2～3 cm，灌入蠟液，塞上膠塞密封;如土芯未滿，則填入木屑等再灌蠟，把已密封的管端再纏上布條固定，以免塞子脫落。

使用和操作情況同一般的取土器相似，即上一個回次終了，立即清孔，取凈孔底殘余土體后，按取土的程序操作(具體操作按原狀土取樣規(guī)范進行)。用正循環(huán)回轉(zhuǎn)壓入鉆進時，注意不得提動取土器，減少對土樣的干擾，以保證作業(yè)順利進行，標(biāo)貫或取土作業(yè)完成，提出鉆具到地面，打開鉆具，取出其中帶土樣的襯管，套上膠塞，置于標(biāo)準(zhǔn)的樣品盒內(nèi)，清潔鉆具。

(2)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗要求

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是動力觸探的一種，它利用一定的錘擊動能，將一定規(guī)格的對開管式貫入器，根據(jù)打入土中的貫入阻抗，判別土層的變化和土的工程性質(zhì)。貫入阻抗用貫入土中30 cm的錘擊數(shù)N表示(也稱標(biāo)貫擊數(shù))。

為保證標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗用鉆孔的質(zhì)量，要求采用回轉(zhuǎn)鉆進，當(dāng)鉆進至試驗高程以上15 cm處，應(yīng)停止鉆進。為保證孔壁穩(wěn)定，必要時可用泥漿或套管護壁。如使用水沖鉆進，應(yīng)使用側(cè)向水沖鉆頭，不能用底端向下水沖鉆頭，以使孔底土盡可能少擾動。鉆孔直徑在63.5～150 mm間。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗所用的鉆桿應(yīng)進行檢查，鉆桿相對彎曲應(yīng)小于1/1000，接頭應(yīng)牢固，否則受錘擊后鉆桿會側(cè)向晃動。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗應(yīng)采用自動脫鉤的自由落錘法，并減小導(dǎo)向桿與錘間的摩阻力，以保持錘擊能量恒定。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗時，先將整個桿件系統(tǒng)連同靜置于鉆桿頂端的錘擊系統(tǒng)一起下到孔底，在靜重下貫入器的初始貫入度作好記錄，如初始貫入度已超過450 mm，不作錘擊貫入試驗，N值記為零。貫入試驗分兩段進行。

①預(yù)打階段:將貫入器打入土中150 mm，如錘擊已達50擊，貫入深度未達150 mm，記錄實際貫入度。

②試驗階段:將貫入器再打入土中300 mm，記錄每打入10 cm的錘擊數(shù)，累計打入300 mm的錘擊數(shù)為標(biāo)貫擊數(shù)N。當(dāng)累計數(shù)已達50擊，而貫入度未達300 mm，應(yīng)終止試驗，記錄實際貫入度及累計錘擊數(shù)。按下式計算貫入300 mm的錘擊數(shù)N

式中 Δs——對應(yīng)錘擊數(shù)的貫入度/mm。

標(biāo)貫試驗在鉆孔全深度范圍內(nèi)等間距進行。間距為1.0～2.0m，根據(jù)非飽和黏土和紅黏土厚度調(diào)整。

3 Es與N之間的經(jīng)驗關(guān)系研究

壓縮模量是反映土體性質(zhì)的重要參數(shù)，也是進行路基沉降計算和預(yù)測等必不可少的試驗參數(shù)。雖然通過現(xiàn)場勘探取樣進行室內(nèi)試驗可以得到取樣點的準(zhǔn)確壓縮模量，但是這樣耗費的工作量大，周期長，所需費用高，且在全線各個工點取樣做試驗也很不現(xiàn)實。而現(xiàn)場原位測試試驗(如標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗)是確定地基承載力，判別土層類型最可靠的方法。因此找出壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系就顯得十分有意義。

3.1 異常數(shù)據(jù)的剔除

紅黏土具有區(qū)域性分布特點，分別對湖南、湖北兩個地區(qū)紅黏土壓縮模量Es與標(biāo)貫擊數(shù)N的關(guān)系進行分析，圖2、圖3分別為湖北、湖南地區(qū)紅黏土Es與N的關(guān)系點分布。由兩圖可以看出Es與N的相關(guān)性較差，這是由于Es、N分別受不同因素影響。如影響Es的主要因素有:

①取樣不完整，試樣易受擾動，堅硬及硬塑狀態(tài)下紅黏土黏性大，強度高，造成紅黏土取樣局部缺失。

②紅黏土取樣密封不嚴易造成土樣含水量改變，影響土樣的試驗結(jié)果，紅黏土取樣密封后應(yīng)及時臘封。

③土樣在運輸過程中受擾動。

此外，紅黏土局部含雜質(zhì)較多，以及現(xiàn)場標(biāo)貫試驗操作不當(dāng)?shù)纫蛩貢斐蓸?biāo)貫值有所偏差。所以在進行Es與N的相關(guān)性分析時，首先應(yīng)對離散較大的數(shù)據(jù)進行剔除。

3.2 不同含水比范圍壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系

圖2 湖北典型紅黏土E s與N的關(guān)系點分布

圖3 湖南典型紅黏土E s與N的關(guān)系點分布

通過對試驗數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，紅黏土在不同的塑性狀態(tài)下，壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)的相關(guān)性不一樣，且含水比aw＞1.0時，即紅黏土在流塑狀態(tài)下，很難滿足取原狀樣要求。分別對湖北、湖南典型紅黏土進行三種含水比范圍內(nèi)Es與N的相關(guān)性分析。擬合曲線如圖4、圖5所示。

圖4 湖北紅黏土標(biāo)貫擊數(shù)與壓縮模量的關(guān)系

從圖中可以看出，采用二次多項式對Es－N關(guān)系進行擬合，相關(guān)性較好，相關(guān)系數(shù)可以達到0.9以上。不同含水比下，紅黏土壓縮模量及標(biāo)貫擊數(shù)的變化范圍:

①當(dāng)aw≤0.55時，湖北地區(qū)紅黏土，10 MPa＜Es＜28 MPa;湖南地區(qū)紅黏土，11 MPa＜Es＜24 MPa。

圖5 湖南紅黏土標(biāo)貫擊數(shù)與壓縮模量的關(guān)系

②當(dāng)0.55＜aw≤0.7時，湖北地區(qū)紅黏土，3 MPa＜Es＜15 MPa;湖南地區(qū)紅黏土，3 MPa＜Es＜13 MPa。

③當(dāng)0.7＜aw≤1.0時，湖北地區(qū)紅黏土，2 MPa＜Es＜5 MPa;湖南地區(qū)紅黏土，2 MPa＜Es＜4.5 MPa。

對比勘探試驗研究表明:標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)與采用三重管單動回轉(zhuǎn)取土器取得的一級質(zhì)量土樣進行的室內(nèi)土工試驗確定的壓縮模量間有良好的線性或二次曲線相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)普遍在0.90以上。紅黏土地基上部土層較硬，常規(guī)勘察取樣難以得到一級質(zhì)量土樣，易造成變形指標(biāo)室內(nèi)試驗值偏低等實際問題。武廣高速鐵路紅黏土地區(qū)勘察時，標(biāo)貫試驗作為硬塑—堅硬土層常規(guī)勘察手段，特別是紅黏土地區(qū)，加強了對上部硬塑—堅硬紅黏土的標(biāo)貫工作，并對典型紅黏土區(qū)段的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)與室內(nèi)試驗變形計算參數(shù)進行了對比分析，得到相應(yīng)的經(jīng)驗公式。實際沉降計算參數(shù)選取時參考了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)，有效提高了沉降變形計算參數(shù)的準(zhǔn)確性，在一定程度上避免了因計算參數(shù)的不準(zhǔn)確造成地基處理措施過強。

通過對試驗結(jié)果分析研究，總結(jié)出武廣高速鐵路典型紅黏土Es－N關(guān)系公式如表1所示。分析可以得出，在三種不同含水比aw取值范圍內(nèi)，標(biāo)貫擊數(shù)N有重疊區(qū)域。由于含水比的不同，在相同的標(biāo)貫擊數(shù)下，其壓縮模量值有較大的變化，若按經(jīng)驗采用標(biāo)貫擊數(shù)來劃分紅黏土的塑性狀態(tài)會存在較大的偏差。根據(jù)紅黏土的塑性狀態(tài)采用不同的擬合公式進行計算壓縮模量值更加合理。

表1 武廣高速鐵路典型紅黏土E s－N擬合結(jié)果

4 結(jié)論

選擇武廣高鐵典型紅黏土地段進行了對比勘探試驗，采用三重管單動回轉(zhuǎn)取樣器連續(xù)采取原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗，同時進行標(biāo)貫試驗，從而獲取了原位條件下的標(biāo)貫擊數(shù)以及相對應(yīng)原狀土樣的壓縮模量。

分析表明:在不同含水比條件下，湖北、湖南兩地紅黏土地基壓縮模量Es與標(biāo)貫擊數(shù)N均具有良好的線性或二次曲線相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)普遍在0.90以上。由此獲取了二者之間的經(jīng)驗關(guān)系式，研究成果指導(dǎo)了武廣高速鐵路路基工程的設(shè)計和施工，獲得了較好的效果。

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