原位測(cè)試方法在基坑勘察中的應(yīng)用

鄭曉鵬

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津　300251)

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原位測(cè)試方法在基坑勘察中的應(yīng)用

鄭曉鵬

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津300251)

Application of in Situ Testing Technology in Foundation Pit Investigation

ZHENG Xiaopeng

摘要通過運(yùn)用原位測(cè)試手段對(duì)某樞紐場(chǎng)地軟土地層進(jìn)行測(cè)試，獲得地層中原位測(cè)試試驗(yàn)各指標(biāo)參數(shù)的變化規(guī)律，并對(duì)多種測(cè)試手段進(jìn)行對(duì)比分析。結(jié)果表明：多種測(cè)試成果基本吻合，試驗(yàn)結(jié)果可靠，各種測(cè)試手段有相對(duì)適用的地質(zhì)條件。多種原位測(cè)試方法的綜合應(yīng)用，可以提高地層設(shè)計(jì)參數(shù)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞原位測(cè)試；扁鏟側(cè)脹；靜力觸探；十字板剪切

原位測(cè)試方法是在現(xiàn)場(chǎng)保持地層不擾動(dòng)或基本不擾動(dòng)的情況下，測(cè)定巖土的物理力學(xué)指標(biāo)。原位測(cè)試在確定地層物理力學(xué)參數(shù)方面的可靠性得到普遍認(rèn)同。室內(nèi)土工試驗(yàn)，雖然能夠獲得土樣的指標(biāo)，但無法完全反映地層原始狀態(tài)的性質(zhì)，并且樣品在采集時(shí)容易擾動(dòng)，土工試驗(yàn)人員的試驗(yàn)手法和經(jīng)驗(yàn)有差異，導(dǎo)致土工試驗(yàn)在反映地層的性質(zhì)上有偏差。

1工程地質(zhì)概況

本工程為某高鐵延伸線引入樞紐站。此次僅對(duì)該樞紐站的基坑展開研究，主要測(cè)試儀器有靜力觸探試驗(yàn)儀、扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)儀、十字板剪切試驗(yàn)儀等。選取關(guān)鍵性孔進(jìn)行測(cè)試研究，為工程提供更可靠的設(shè)計(jì)參數(shù)。經(jīng)勘探揭示，本場(chǎng)地代表性地質(zhì)剖面見圖1。

圖1　代表性工程地質(zhì)剖面

2扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)

2.1數(shù)據(jù)采集

測(cè)試時(shí)，將接在探桿上的插板貫入土中，壓至預(yù)定深度，再施加壓力，使鋼膜膨脹，通過壓力和變形關(guān)系，計(jì)算出不同測(cè)試深度上對(duì)應(yīng)的側(cè)向壓力p0(膜片在基座時(shí)土體所受的壓力)、p1(膜片距離基座1.10 mm時(shí)土體所受的壓力)、Δp(p0、p1差值)。制作代表性J-3孔壓力隨深度h的變化曲線(見圖2)。

根據(jù)壓力隨深度的變化曲線，可以基本判別：土性變化明顯的位置大致在6 m、8 m、21 m處，從而對(duì)地層有宏觀的了解。

2.2ID、KD、ED數(shù)據(jù)分析

圖3　J-3孔ID、KD、ED隨深度h變化曲線

通過p0、p1、Δp值分別可求得基本試驗(yàn)參數(shù)：土類指數(shù)ID、側(cè)脹模量ED、水平應(yīng)力指數(shù)KD，并制作其隨深度h的變化曲線(見圖3)。ID、KD、ED曲線能夠合理的反映地層性質(zhì)，可用于劃分地層。

圖2　J-3孔p0、p1、Δp隨深度h的變化曲線

結(jié)合圖3可以看出，0～25 m的ID值大部分小于1.0，0.8～3.4 m的ID值約在0.26附近波動(dòng)，為黏土-粉質(zhì)黏土。3.4～6.4 m的ID值約在0.46附近波動(dòng)，以粉質(zhì)黏土為主。6.4～8.2 m的ID值在1.77附近波動(dòng)，以粉土為主。8.2～21.2 m的ID值在0.40左右，為粉質(zhì)黏土。21.2～25.0 m的ID值在0.65附近波動(dòng)，以粉土為主。其中，6.4～8.2 m的ID值起伏較大，該地層含有砂粒及貝殼碎屑；21.2～25.0 m的ID值略有起伏，該地層夾有黏性土薄層。利用土性指數(shù)ID基本可以判別土的特性，與鉆探的實(shí)際情況基本吻合。

由圖3可以看出，KD隨h的增加而逐漸減小，從14.6衰減到1.6，接近1.0，表明地層水平應(yīng)力和豎向應(yīng)力隨深度的增加，差值在減小，最終會(huì)接近相等。而ED與地層巖性有關(guān)聯(lián)，在巖性分界處KD變化明顯；在砂土和粉土中ED值稍大，一般黏性土中ED值次之，軟土中ED值較小；綜合ED與ID的關(guān)系，可以提供土類劃分的準(zhǔn)確性。

2.3超固結(jié)比OCR值分析

1980年，Marchetti通過研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于未膠結(jié)、顆粒級(jí)配良好的飽和土，當(dāng)ID<1.2時(shí)，其超固結(jié)比OCR和KD之間存在如下關(guān)系

(1)

根據(jù)公式(1)和KD值制作OCR隨深度變化曲線(如圖4)。KD是扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)的重要指標(biāo)，通過OCR值可了解地層的沉積過程，由OCR值隨深度變化曲線，可以判斷0～6 m地層OCR值遠(yuǎn)大于1，可判定為超固結(jié)土。6～21 m地層OCR值平均值在1.6左右，為超固結(jié)逐漸向正常固結(jié)土過渡。21 m以下地層，OCR值小于1，為正常固結(jié)逐漸向欠固結(jié)土過渡。根據(jù)勘探資料，19.7～25.2 m地層為第Ⅱ陸相，25.2 m以下地層為第Ⅲ陸相，水平應(yīng)力指數(shù)KD分析結(jié)果與地層實(shí)際狀況基本吻合。

圖4　OCR值隨深度變化曲線

3靜力觸探試驗(yàn)

圖5　J-3孔qc、fs、Rf隨深度h的變化曲線

本次雙橋靜力觸探試驗(yàn)，利用測(cè)試點(diǎn)J-3孔繪制錐尖阻力qc、側(cè)壁摩擦力fs、摩阻比Rf隨深度h的曲線(如圖5)。根據(jù)變化曲線，可以判別土類。綜合圖3、圖5可以看出：從8～14 m深度，以軟土為主，水平側(cè)向壓力p0、p1隨深度呈線性比例增加，但增幅Δp值變化緩慢，不劇烈。另外，側(cè)脹模量ED、水平應(yīng)力指數(shù)KD波動(dòng)較小，8～14 m地層土性基本不變。在21 m深度以下，地層主要為粉土，水平側(cè)向壓力p0、p1增長(zhǎng)波動(dòng)較大，其與靜力觸探結(jié)果較吻合。在圖5中，8～14 m地層測(cè)試中，qc、fs隨深度呈線性，平緩增加，增幅較小，并且qc值基本都低于0.7 MPa。而在21 m以下，qc、fs數(shù)值波動(dòng)較大。通過對(duì)比分析，靜力觸探與扁鏟試驗(yàn)之間有關(guān)聯(lián)，測(cè)試結(jié)果基本吻合。

4十字板剪切試驗(yàn)

試驗(yàn)中將十字板頭壓入孔底土中，以均勻的速度轉(zhuǎn)動(dòng)，破壞土體，獲得土的抗剪強(qiáng)度和靈敏度。代表性J-3孔Cu隨深度h的變化曲線見圖6。

圖6　J-3孔Cu-h變化曲線

由Cu-h變化曲線可以看出，0～4.0 m土層抗剪強(qiáng)度較小，土質(zhì)不均勻，隨深度呈上升趨勢(shì)，曲線稍有波動(dòng)；4.0～8.0 m土層抗剪強(qiáng)度波動(dòng)較大，土質(zhì)很不均勻，夾粉土、砂粒，個(gè)別測(cè)點(diǎn)強(qiáng)度上升幅度較大；8.0～14.0 m土層抗剪強(qiáng)度變化緩慢，波動(dòng)較小，土質(zhì)均勻；14.0處土層抗剪強(qiáng)度在60 kPa左右，14.0 m以下地層稍硬，儀器較難貫入。

場(chǎng)地進(jìn)行了原狀土、重塑土對(duì)比測(cè)試，抗剪強(qiáng)度數(shù)值繪制如圖7。

圖7　原狀土與重塑土對(duì)比測(cè)試

從圖7可看出，不排水抗剪強(qiáng)度Cu呈現(xiàn)隨深度的增加而增大的趨勢(shì)，原狀土強(qiáng)度曲線和重塑土曲線隨深度的變化趨勢(shì)基本一致，對(duì)于均勻地層，曲線波動(dòng)較小，呈線性增長(zhǎng)，對(duì)于不均勻地層，曲線波動(dòng)較大；根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)得到0.6～3.3 m處軟土的靈敏度為4.75，8.1～14.1 m處軟土的靈敏度為4.10。

對(duì)于土質(zhì)不均勻、強(qiáng)度較大的地層，進(jìn)行十字板剪切試驗(yàn)有一定的局限性，數(shù)值波動(dòng)較大，容易造成測(cè)試結(jié)果的不準(zhǔn)確，對(duì)于夾大顆粒的地層，還存在儀器被折斷的風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于均勻軟土層，數(shù)值波動(dòng)較小，測(cè)試結(jié)果規(guī)律性較好。因此，有必要了解試驗(yàn)場(chǎng)地的地質(zhì)條件，再采用十字板試驗(yàn)。

5結(jié)論

通過基坑工程中原位測(cè)試的應(yīng)用和分析，可以得到以下結(jié)論：

(1)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)在軟弱、松散土中適用性較好，而對(duì)于堅(jiān)硬、密實(shí)的土層，適用性較差。

(2)扁鏟側(cè)脹和靜力觸探試驗(yàn)可對(duì)地層進(jìn)行初步劃分，快速了解場(chǎng)地的基本地質(zhì)情況，成本較低。對(duì)土層的精確劃分，需要結(jié)合鉆探、土工試驗(yàn)等手段。

(3)扁鏟材料指數(shù)ID是一個(gè)反映土的物性參數(shù)，對(duì)于正常沉積的均勻土體規(guī)律性較好，綜合其他的手段來判別，可以提高精度。

(4)十字板試驗(yàn)對(duì)于均勻的軟土地層，測(cè)試結(jié)果規(guī)律性較好，對(duì)于土質(zhì)不均勻和強(qiáng)度較大的地層，測(cè)試數(shù)據(jù)具有離散性。

(5)原位測(cè)試方法的綜合應(yīng)用，可多方面掌握地層的特性，為工程的設(shè)計(jì)提供充分的巖土參數(shù)。

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中圖分類號(hào)：U442.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-7479(2016)01-0055-04

作者簡(jiǎn)介：鄭曉鵬(1962—)，男，2014年畢業(yè)于北京交通大學(xué)土木工程專業(yè)，工程師。

收稿日期：2015-12-03