搭建美國奧本大學(xué)國家?guī)r土工程試驗場地數(shù)據(jù)庫

石超

（中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津300142）

1 引言

從新澤西到阿拉巴馬東部都屬于山麓地質(zhì)區(qū)，是美國東部人口眾多的中心地帶。山麓地質(zhì)區(qū)主要由地表的殘積土組成，根據(jù)深度不同轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠诛L(fēng)化巖石（Sowers和Richardson，1983年）。先前的許多研究人員（例如，Vinson and Brown，1997；Mayne et al.2000年；Waisnor等人2001年；Ogunro等人2008）的研究表明，該地質(zhì)區(qū)的性質(zhì)對于美國東部許多地區(qū)的巖土工程設(shè)計非常重要。

目前的研究是開發(fā)一個地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，可以把來自不同來源的數(shù)據(jù)結(jié)果匯總到一個與該數(shù)據(jù)對應(yīng)的位置。這是一項獨立的研究，此數(shù)據(jù)庫可以提供先前相關(guān)研究的結(jié)果來幫助以后的研究人員完成無損檢測法來評估現(xiàn)場的深地基。本文簡要介紹了試驗場地的歷史，總結(jié)了以往的研究工作，并介紹了現(xiàn)場已經(jīng)施工完成和測試過的各種類型的深地基。這些信息已經(jīng)整合到一個地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，讓未來的研究人員能夠更好地利用該數(shù)據(jù)庫進行他們的科研項目。

2 試驗場地歷史

國家?guī)r土工程試驗場地是在由奧本大學(xué)、奧本大學(xué)公路研究中心和國家瀝青技術(shù)中心聯(lián)合購買的土地上建成的，試驗場地的主要目的是建立一個路面試驗軌道設(shè)施。該設(shè)施位于阿拉巴馬州歐佩萊卡東南部，靠近Spring Villa社區(qū)（見圖1）。關(guān)于現(xiàn)場土壤性質(zhì)的研究開始于1996年，并在1997年第一個鉆孔豎井安裝之前完成（Vinson和Brown，1997年）。初步勘探該場地時采用了孔壓靜力觸探試驗（CPT），并發(fā)現(xiàn)位于路面試驗跑道東南部4 047m2區(qū)域的地方土壤數(shù)據(jù)相對均勻，而這4 047m2的區(qū)域被稱為國家?guī)r土工程試驗場地，最新的航拍照片如圖2所示。

圖1 奧本國家?guī)r土工程試驗場地的地理位置

圖2 2017年8月從西北方向由Dakota Basham拍攝的國家?guī)r土工程試驗場地照片

奧本大學(xué)國家?guī)r土工程試驗場地位于山麓地質(zhì)區(qū)的南端。現(xiàn)場的巖層主要為片麻巖和片巖（Szabo et al.1988），殘積土粒徑范圍從砂質(zhì)粉土到粉砂，其中粉砂的分級為部分風(fēng)化巖（Mayne et al.2000）。現(xiàn)場的地下水位存在波動，但平均位于地表以下2～3m處。石英砂層和風(fēng)化云母片巖在現(xiàn)場普遍存在（Vinson and Brown，1997）。

圖3展示了國家?guī)r土工程試驗場地存在的設(shè)施、樁基的位置。到目前為止，現(xiàn)場安裝的深地基包括10個鉆孔豎井、4個管樁、2個H型樁、1個管樁組、1個連續(xù)螺旋鉆（CFA）組和2個混凝土H型樁排架。現(xiàn)場還有各種混凝土板結(jié)構(gòu)，這些混凝土板結(jié)構(gòu)不是為巖土工程建造的，因此在此處不做說明。圖3中的陰影區(qū)域表示現(xiàn)場擾動土壤區(qū)域的大致面積。2005年在陰影地區(qū)安裝了鉆孔豎井并且在試驗之后拆除了這些豎井，所以該區(qū)域的大部分土壤被挖掘和替換。由于這些地基已不在場地中，因此它們尚未包含在當(dāng)前的數(shù)據(jù)庫中【1】。

圖3 現(xiàn)在存在場地中的地基以及擾動土壤區(qū)域的面積及位置

3 先前土壤特性的調(diào)查工作

Vinson和Brown（1997）記錄了該場地最大土壤特征的調(diào)查工作，其中包括現(xiàn)場原位測試和實驗室試驗。本文將著重于現(xiàn)場原位測試。Vinson和Brown（1997年）提供了現(xiàn)場周圍進行的8次鉆孔（B1～B8）和14次孔壓靜力觸探試驗的結(jié)果。此外，還在該場地做了各種現(xiàn)場原位測試，包括標準貫入試驗（SPT）、旁壓試驗（包括一些安裝在孔壓靜力觸探試驗上的旁壓計）、膨脹計試驗（DMT）、鉆孔剪切試驗（BST）和井間剪切波速試驗。在他們的研究中還提到了利用地震膨脹儀（SDMT）和地震錐貫入試驗（SCPT）測量了剪切波速。表1總結(jié)了現(xiàn)場原位測試的類型、參考文獻和進行試驗的鉆孔和孔壓靜力觸探試驗編號。如圖4所示，鉆孔、孔壓靜力觸探試驗（標記為CPT-AU）和膨脹計試驗的位置是由Vinson和Brown（1997）提供的地圖完成的數(shù)據(jù)化。圖4只顯示了國家?guī)r土工程試驗場地現(xiàn)存的地基周圍勘探過的位置，沒有顯示整個區(qū)域所有勘探的位置。

表1 目前國家?guī)r土工程試驗場地中存在的地基類型及其涉及的參考文獻

圖4 現(xiàn)有的現(xiàn)場原位測試和地基的位置以及擾動土壤區(qū)域

佐治亞理工學(xué)院在奧本大學(xué)國家?guī)r土工程試驗場地進行了額外的孔壓靜力觸探試驗，這是作為2項獨立研究的一部分（佐治亞理工學(xué)院，2000年和McGillivray，2007年）。其中一些測試的是地震錐貫入試驗。這些試驗的地點是由這些研究學(xué)者提供的經(jīng)緯度來完成的數(shù)據(jù)化，也列在表1中，如圖4所示（標記為CPT-GT）。2016年，佐治亞理工學(xué)院的研究人員又在奧本大學(xué)國家?guī)r土工程試驗場地中進行了孔壓靜力觸探試驗，這些孔壓靜力觸探試驗的結(jié)果將在發(fā)布時添加到數(shù)據(jù)庫中。

4 深地基類型

奧本大學(xué)國家?guī)r土工程試驗場地最初是作為殘積土深層地基基礎(chǔ)的試驗場地而建立的。為了支持這個項目，現(xiàn)場施工安裝了幾種類型的深地基基礎(chǔ)，并以多種不同的載荷方法對許多深地基進行了荷載試驗。表1列出了目前仍留在現(xiàn)場的地基。這些地基的位置如圖3和圖4所示。下面將更詳細地描述每個地基。

除了表1中所列的以外，目前現(xiàn)場還安裝了2個單獨的H型樁和3個單獨的管樁。這些樁似乎沒有經(jīng)歷過任何的載荷試驗，作者也沒有找到任何描述這些地基施工的記錄或記錄他們的出版物。Brown等人施工安裝的一組包含12根管樁的群樁被拆除后，其中的9根管樁重新在現(xiàn)場制成了一個管樁群，另外，12根管樁中的1根管樁也被安裝在樁群的旁邊。目前還不清楚場地中H型樁的來源。

5 鉆孔豎井

Brown（2002）在文章中詳細介紹了目前施工安裝在國家?guī)r土工程試驗場地中的10個鉆孔豎井。豎井直徑均為0.9m，深11m。豎井的坐標和標識編號（ID）也列在附錄中。表2列出了每個豎井的施工和測試細節(jié)以及Brown（2002）使用的豎井名稱。4號豎井和9號豎井上發(fā)現(xiàn)了制作上的缺陷，這些缺陷出現(xiàn)在4號豎井的4m深度處和9號豎井的8m深度處。Brown（2002）在其文獻中給出了豎井施工的更多細節(jié)。

表2 鉆孔豎井的基本信息

6 地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫

上述所提到的數(shù)據(jù)已使用ArcMap（ESRI 2015）輸入到地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中，為未來的研究人員提供單一數(shù)據(jù)來源，以找到每個地基的位置和信息，方便在國家?guī)r土工程試驗場地中進行現(xiàn)場試驗。2017年5月，奧本大學(xué)的研究人員使用GPS測量設(shè)備收集了每個基礎(chǔ)的坐標。現(xiàn)場原位測試的位置一部分根據(jù)原始參考資料中提供的地圖進行的數(shù)字化，一部分根據(jù)原始作者提供的緯度和經(jīng)度進行的數(shù)字化。這項研究的其中一個困難是找到相關(guān)參考文獻，而且還需要這些文獻中包含相關(guān)地圖或地理位置的坐標以及相關(guān)試驗信息，如孔壓靜力觸探試驗測深度和鉆孔豎井的信息。這些文獻中無法準確定位位置的數(shù)據(jù)已從數(shù)據(jù)庫中排除。

7 結(jié)語

綜上所述，奧本大學(xué)國家?guī)r土工程試驗場地的地理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫目前可供對該實驗場地感興趣的研究人員使用。數(shù)據(jù)庫會隨著相關(guān)試驗研究來進行額外的數(shù)據(jù)信息補充。希望該數(shù)據(jù)庫和本文中提供的描述可以讓未來的研究人員能夠更好地利用該場地開發(fā)和測試評估殘積土中深地基基礎(chǔ)的方法。