標準貫入試驗和靜力觸探試驗在秭歸新縣城回填風化砂地基檢測中的應用

蔣曉娟, 龔福洪

(1.水利部 長江勘測技術研究所,湖北 武漢 430011; 2. 廣西萬華建設工程咨詢公司,廣西 南寧 530021)

標準貫入試驗和靜力觸探試驗在秭歸新縣城回填風化砂地基檢測中的應用

蔣曉娟1, 龔福洪2

(1.水利部 長江勘測技術研究所,湖北 武漢 430011; 2. 廣西萬華建設工程咨詢公司,廣西 南寧 530021)

為了準確、快速、經濟地檢測厚度較大、未碾壓密實的回填風化砂地基的工程性狀,必須采用能對較深砂土層進行檢測的原位測試方法。標準貫入試驗、靜力觸探試驗是最有希望被采用的方法,但是在此之前本地區尚無這二種方法確定回填風化砂性狀的經驗公式。通過標準貫入試驗、靜力觸探試驗與回填風化砂的室內物理力學試驗、載荷試驗的對比研究,發現標準貫入擊數、靜力觸探比貫入阻力與回填風化砂的相對密度、內摩擦角、壓縮模量、地基承載力和變形模量均有較好的相關性,并建立了上述指標之間的經驗關系,然后將經驗關系應用于回填風化砂地基的檢測。實踐證明,應用標準貫入試驗、靜力觸探試驗檢測回填風化砂地基的效果良好。

標準貫入試驗;靜力觸探試驗;回填風化砂;地基檢測

秭歸新縣城為三峽庫區移民遷建新城。新城區場地平整形成約5萬m2的回填花崗巖風化砂地基,由于回填期間未嚴格按規范要求分層碾壓和質量檢測,回填“完工”后,出現了一些地基變形破壞現象,種種跡象表明回填砂的密實度不夠。為了制定回填風化砂地基的處理方案,需要準確、快速、經濟的方法來檢測回填風化砂地基的工程性狀。正常情況下,回填土地基質量檢測是隨施工進程分層進行的,采用的方法是在地面進行的,但是當時地基已經回填到了場地整平標高,回填厚度達5～35 m,地面的檢測方法已不能對深部回填風化砂進行檢測,必須采用能對深部砂土層進行檢測的測試方法。目前能對深部土層進行檢測的方法有:鉆探配合原狀取砂器采取原狀砂樣進行室內物理力學試驗、豎井配合容重試驗和平板載荷試驗、旁壓試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗等。上述方法在秭歸新縣城回填砂工程性狀研究中都有應用,但是由于回填風化砂中含角礫較多,原狀取砂器取樣并不理想;豎井配合容重試驗和平板載荷試驗,其費用昂貴、試驗周期長,只在回填砂性狀對比研究階段實施了1個豎井3個測點;旁壓試驗能直接測試土的承載力和旁壓模量,但因設備較貴,許多勘察單位尚無此設備,也只在回填砂工程性狀研究階段實施了4個孔12個測點的旁壓試驗。標準貫入試驗(以下簡稱標貫試驗)、靜力觸探試驗(以下簡稱靜探試驗)因設備簡單、操作方便,為工程勘察單位最常用的設備,在回填砂工程性狀專題研究階段以及后續各建筑物地基詳細勘察和強夯效果檢測中應用得最多,而且效果好、快速、經濟,因此本文專門針對這兩種方法在秭歸新縣城回填風化砂地基檢測中的應用作一簡介。

1 標貫和靜探試驗在回填砂地基檢測中的應用

應用標貫試驗和靜探試驗,可以檢測回填砂的密實度和均勻性,估算回填砂的相對密度、內摩擦角、壓縮模量、地基承載力和變形模量。以標貫試驗、靜探試驗在秭歸新縣城回填風化砂工程性狀專題研究中的應用為例,將測試原理和方法說明如下。

1.1 檢測回填砂的密實度和均勻性

秭歸新縣城回填風化砂地基分布在高家屋場、剪刀峪、周家灣、柳樹壩四條沖溝,取料為溝兩側山梁挖方區的花崗巖風化砂,砂粒呈棱角形,酥松、半酥松狀。回填風化砂的顆粒組成以粗砂粒為主,其次為礫粒,粘粒含量1%～6%,土的分類主要為礫砂,局部為角礫[1]。

根據《建筑地基基礎設計規范》[2],采用標貫擊數判定砂土密實度的標準是:N≤10擊,松散;1030,密實。據此可采用標貫試驗對回填風化砂的密實度進行檢測。

在回填砂工程性狀研究階段,在回填風化砂層中做了89次標準貫入試驗,回填砂的標貫擊數頻率分布如圖1,其中處于松散狀態的18次,占總數的22.5%;稍密狀態的24次,占總數的30%;中密狀態的38次,占總數的47.5%。

圖1 回填砂標貫擊數頻率分布圖Fig.1 Backfilled sand standard penetration test blow count frequency distribution

根據《工程地質手冊》[3],比貫入阻力ps劃分砂土密實度的標準為:ps≤4 MPa,Dr≤0.33,松散;414,Dr>0.67,密實。

根據上述密實度的劃分標準,在計算靜力觸探參數加權平均時剔除個別異常峰值,并考慮分層的最小厚度,即<0.5 m不分層。在回填砂工程性狀研究階段,在回填風化砂地基中做了41個靜力觸探孔,41個靜力觸探孔可分為155段,其中松散回填砂36段,占總段數的23.2%;稍密的42段,占總段數的27.1%;中密的64段,占總段數的41.3%;密實的13段,占總段數的8.4%(圖2)。

在靜探總進尺426 m中,松散回填砂的進尺合計88.5m ,占20.0%,25個靜探孔存在松散回填砂,約占孔數的61%,有些孔揭露的松散回填砂的厚度較大。

由于回填砂的工程性狀受控于密實度,因此研究回填砂的均勻性實際上也就是研究回填砂的密實度在平面上和深度上的差異性。根據41個孔的ps-z曲線,回填砂的密實度在平面上和空間上變化相當復雜,很不均勻。采用靜探檢驗壓實填土地基均勻程度的標準是:K=psmax/psmin,當ps≤6 MPa、K≤1.55,屬均勻回填砂;當ps>6、K≤1.80,為均勻回填砂。41個孔中只有4個孔的K=1.39～1.79,而37個孔的K>1.8,K的范圍值為2.02～4.32,由此可見,回填砂很不均勻。

圖2 回填砂比貫入阻力頻率分布圖Fig.2 Backfilled sand specific penetration resistance frequency distribution

由圖1、圖2可以直觀地看出,回填風化砂的密實度,其松散的、稍密的、中密的皆有分布,局部還有密實的,密實度一般都跨過了三種類型,松散狀態的回填砂在平面上和深度上隨機分布,都反應出回填砂很不均勻,而且密實度不夠。

1.2 估算回填砂的相對密度

在此之前,本地區還沒有采用標貫試驗、靜探試驗確定回填花崗巖風化砂工程性質指標的經驗表格。在回填砂工程性狀研究階段,本場地做了大量的標貫試驗、靜探試驗與回填風化砂的室內相對密度試驗的對比研究,發現標貫擊數N與相對密度Dr的相關性較好,經驗關系如下:

Dr=0.016 5N+0.175

(1)

應用上述經驗關系估算出了本場地所有鉆孔每一段標貫試點回填風化砂的相對密度,供評價回填砂的密實度應用。

1.3 估算回填砂的內摩擦角與壓縮模量

在回填砂工程性狀研究階段,做了大量的回填砂原狀樣室內直接剪切試驗、壓縮試驗與標貫試驗、靜探試驗的對比研究,將回填砂的標貫擊數N、靜力觸探比貫入阻力ps與砂土的抗剪強度指標φ、壓縮模量Es進行相關分析,并參考鐵道部《靜力觸探技術規則》TBJ38—93[4]提出本場地的φ-N、φ-ps、Es-ps的經驗關系如下:

φ=0.267N+30.3

(2)

φ=3.47ps+28.4

(3)

Es=(1.1～1.3)ps

(4)

應用上述三式估算得本場地松散回填砂的φ=31°(均值,下同),Es=3.84 MPa;稍密的φ=34°,Es=6.05 MPa;中密的φ=36°,Es=11.5 MPa;密實的φ=38°,Es=19.94 MPa。

1.4 估算回填砂的地基承載力和變形模量

目前為了利用標準貫入試驗、靜力觸探試驗確定地基土的承載力,國內外都是通過對比試驗結果提出經驗公式,以解決生產上的應用問題。建立經驗公式的途徑主要是將標貫或靜探試驗結果與載荷試驗得到的比例界限值(及地基承載力特征值)進行對比,并通過對比數據的相關分析得到用于特定地區特定性的經驗公式。

平板載荷試驗是確定回填砂承載能力和變形特性參數的有效方法,也是標貫試驗、靜探試驗進行對比的基本方法。在回填砂工程性狀研究階段,在高家屋場、剪刀峪、周家灣、柳樹壩四條沖溝回填區分別做了一個載荷試驗,每個試點做了天然狀態和浸水兩種試驗,同時在剪刀峪豎井內5.0 m、10 m、15 m深處各做了一個載荷試驗,取得有效數據10組。

1.4.1 復核現有的承載力公式

用載荷試驗資料復核現有的自然沉積砂的經驗公式是否適用于回填風化砂,如果表明現有的經驗公式具有足夠的安全度,則可以采用現有經驗公式來估計回填砂的地基承載力,否則不宜采用,而應進行相關分析,提出新的經驗公式。

武漢聯合小組提出采用靜力觸探試驗結果估計自然沉積砂的地基承載力公式為:

f=5.25ps0.5-103

(5)

式中:f為地基承載力標準值,kPa。

在回填砂工程性狀研究階段,采用所取得的靜力觸探ps值代入上式計算回填砂的地基承載力,所得結果都比對照組的載荷試驗值高,而且離差普遍較大,安全度得不到保證,不宜采用。

有標準貫入試驗對比資料的載荷試驗共7臺,其中豎井5 m處數據無代表性,另3個松散砂土的N值<10,規范對松散砂不提供地基承載力,因此能復核的僅3組數據。復核結果,兩者相差僅為10%～15%,因此可以用湖北省《巖土工程勘察工作規程》DB42/169—2003所列自然沉積砂的地基承載力表來確定回填砂的承載力。

復核規范承載力公式。《建筑地基基礎設計規范》推薦的地基承載力公式為:

fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck

(6)

式中:fa為地基承載力設計值,kPa;Mb、Md、Mc為承載力系數;b為基礎寬度,m;d為基礎埋深,m;γ為基礎底面以下土的重度,kN/m3;γm為基礎底面以上土的重度,kN/m3;ck為基底下土的內聚力標準值,kPa。

采用上式計算回填砂的地基承載力與載荷試驗結果比較,發現公式計算的結果比載荷試驗值偏大很多,特別是松散回填砂,因此公式計算值不宜采用。

1.4.2 用原位測試結果估計回填砂地基承載力的建議公式

ps>4 MPa,f=3.5ps0.5-120

(7)

ps≤4 MPa,f=0.81ps0.5+50

(8)

N>10擊,f=103N0.5-225

(9)

N≤10擊,f=5.1N+50

(10)

根據回填砂的標準貫入試驗和靜力觸探試驗成果分析,應用上述換算公式換算出了每個孔每個測點的地基承載力標準值,按密實度歸納如下:松散回填砂fak=79～100 kPa,稍密fak=105～169 kPa,中密fak=185～285 kPa,密實fak=305～394 kPa。計算結果表明處理前不同部位回填風化砂的承載力相差非常懸殊,地基很不均勻。

1.4.3 估算變形模量的經驗公式

變形模量E0與比貫入阻力ps有較好的相關性,回歸方程為:

E0=8.44+0.968ps

(11)

應用該式估計稍密—中密回填砂的變形模量為16～18 MPa。

2 結語

(1) 經本次復核,采用靜探確定自然沉積砂承載力的經驗公式和規范推薦的采用抗剪強度指標計算地基承載力公式都不適用于本處回填風化砂,因此,應用標準貫入試驗和靜力觸探試驗檢測回填風化砂地基,必須先開展標準貫入試驗、靜力觸探試驗與室內物理力學試驗、平板載荷試驗對比研究,建立標準貫入擊數、靜力觸探比貫入阻力與回填砂的物理力學性質指標之間的經驗關系,然后推廣應用。

(2) 本文列出的采用標準貫入試驗、靜力觸探試驗指標換算回填風化砂物理力學性質指標的經驗公式可以應用于、而且已經成功應用于秭歸新縣城回填風化砂地基的詳細勘察和強夯效果檢測,這方面的實例參見參考文獻[5]。

(3) 秭歸新縣城已經建成近20年,未出現回填風化砂地基變形超過規范允許值的現象,證明了應用標準貫入試驗和靜力觸探試驗檢測回填風化砂地基的效果好,而且快速、經濟。

(4) 標準貫入試驗、靜力觸探試驗測試土的物理力學性質指標是間接性的,根據《巖土工程勘察規范》GB50021—2001,對一級工程的詳細勘察和強夯效果檢測,除必須進行勘探、標貫試驗、靜探試驗或者動力觸探測試外,尚宜進行載荷試驗。

致謝:本文編寫過程中得到高大釗、劉特洪二位教授悉心指導,在此表示誠摯的感謝！

[1] 高大釗,劉特洪.長江三峽水利樞紐庫區秭歸縣城新址回填砂工程性狀研究報告[R].武漢:長江水利委員會綜合勘測局,1995.

[2] 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑地基基礎設計規范:GB50007—2011[S].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[3] 《工程地質手冊》編寫委員會.工程地質手冊[M].第三版.北京:中國建筑工業出版社,1992:261-265.

[4] 鐵道部第四勘測設計院.靜力觸探技術規則:TBJ38—93[S].北京:中國鐵道出版社,1993.

[5] 王周萼,李從華,彭靜.靜力觸探測試在秭歸回填砂地基檢測中的應用[J].人民長江,2005,36(3):42-57.

(責任編輯：于繼紅)

Application of Standard Penetration Test and Static ConePenetration Test in Foundation Detection of BackfillWeathered Sand in Zigui New County

JIANG Xiaojuan1, GONG Fuhong2

(1.ChangjiangInstituteofSurveyTechnicalResearch.MWR,Wuhan,Hubei430011; 2.GuangxiWanhuaConstructionEngineeringConsultingCompany,Nanning,Guangxi530021)

In order to accurately,quickly and economically detect the engineering traits with large thickness and non-compacted backfill weathered sand foundation,it is necessary to adopt an in situ test method which can detect the deeper sand layer. Standard penetration test,and static cone penetration test are the most promising methods,but before this area there are no empirical formula of the two methods to determine the backfill weathered sand traits. Through the comparative study of standard penetration test,static cone penetration test,indoor physical mechanics test and load test of backfill weathered sand,it is found that the good correlation of standard penetration test blow count,specific penetration resistance,and relative density,internal friction angle,compression modulus,foundation bearing capacity,and deformation modulus of the backfill weathered sand. The empirical relationship between the above indexes is established,and then applied to the backfill weathered sand foundation detection. Practice has proved that the application of standard penetration test and static cone penetration test in foundation detection of backfill weathered sand with good results.

standard penetration test; static cone penetration test; backfill weathered sand; foundation detection

2017-05-31;改回日期:2017-06-14

蔣曉娟(1969-),女,工程師,巖土工程專業,從事土的工程性質試驗研究工作。E-mail:840189258@qq.com

TU413.5

A

1671-1211(2017)04-0497-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.031

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1435.036.html 數字出版日期:2017-06-20 14:35