基于原位測(cè)試的花崗巖力學(xué)參數(shù)分析

萬(wàn)燕龍 宮浩亮 甄振

摘要：風(fēng)化花崗巖有著遇水軟化、結(jié)構(gòu)性比較強(qiáng)、取樣較難等特性，故一般室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)測(cè)出的變形參數(shù)和抗剪強(qiáng)度通常存在偏差。為了掌握風(fēng)化花崗巖準(zhǔn)確的變形參數(shù)與抗剪強(qiáng)度，以實(shí)際項(xiàng)目為例，通過(guò)旁壓試驗(yàn)等原位試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)化花崗巖的變形參數(shù)與抗剪強(qiáng)度，并與平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。研究結(jié)果表明：當(dāng)?shù)貙语L(fēng)化程度降低時(shí)，土體的強(qiáng)度指標(biāo)和變形參數(shù)指標(biāo)逐漸增大，這表示土體強(qiáng)度和抵抗變形的能力會(huì)隨著土體強(qiáng)風(fēng)化程度的降低而增大；劍橋旁壓試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)所得出的土層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)基本一致，但劍橋旁壓試驗(yàn)計(jì)算出土體變形模量高于平板載荷試驗(yàn)；試驗(yàn)擾動(dòng)會(huì)對(duì)巖土體參數(shù)產(chǎn)生較大影響，劍橋旁壓試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)所測(cè)出的土體變形參數(shù)和強(qiáng)度指標(biāo)要大于室內(nèi)試驗(yàn)所得結(jié)果；通過(guò)劍橋旁壓試驗(yàn)?zāi)軌蛞淮斡?jì)算出較多的土體參數(shù)，且不會(huì)對(duì)土層造成較大擾動(dòng)，所得結(jié)果比較準(zhǔn)確，能夠?qū)こ淘O(shè)計(jì)起到很好指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：風(fēng)化花崗巖；變形參數(shù)；抗剪強(qiáng)度；旁壓試驗(yàn)；原位試驗(yàn)

0? ?引言

近幾年，在風(fēng)化花崗巖地質(zhì)區(qū)域開展的工程常常出現(xiàn)邊坡失穩(wěn)和樁基失效的問(wèn)題[1-2]。造成此類問(wèn)題發(fā)生的根本原因是在確定地層土體各項(xiàng)力學(xué)參數(shù)時(shí)存在偏差，導(dǎo)致設(shè)計(jì)并不準(zhǔn)確[3-4]。通常以室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)的方式來(lái)確定土層參數(shù)，與一般室內(nèi)常規(guī)試驗(yàn)相比，原位試驗(yàn)對(duì)土層的擾動(dòng)較小，在不破壞土體原有應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)的情況下測(cè)試出巖土體的力學(xué)參數(shù)[5]。朱德昌等[6]對(duì)結(jié)構(gòu)性風(fēng)化花崗巖層進(jìn)行了原位試驗(yàn)，并提出了一種分析方法，對(duì)風(fēng)化花崗巖力學(xué)參數(shù)的確定提供了借鑒。為了掌握風(fēng)化花崗巖更加準(zhǔn)確的變形參數(shù)與抗剪強(qiáng)度，本文以實(shí)際項(xiàng)目為例，通過(guò)旁壓試驗(yàn)等原位試驗(yàn)，測(cè)試了場(chǎng)地內(nèi)風(fēng)化花崗巖的變形參數(shù)與抗剪強(qiáng)度，并與平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，以為相關(guān)工程提供指導(dǎo)和借鑒。

1? ?項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目規(guī)劃海域面積為30km2，區(qū)域內(nèi)有較多的海島與暗礁，25～30m為海域水深。項(xiàng)目預(yù)計(jì)安裝單機(jī)容量4.0MW的風(fēng)機(jī)60臺(tái)，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)選擇樁基礎(chǔ)和重力式基礎(chǔ)，樁型為鋼管樁，直徑2.0m。因?yàn)楹Ｉ先永щy、難以進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)風(fēng)化花崗巖有較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)性，故在項(xiàng)目附近陸地找到一處和項(xiàng)目場(chǎng)地土層結(jié)構(gòu)相同的場(chǎng)地開展原位試驗(yàn)。

通過(guò)地質(zhì)勘查得出，試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)從下往上分為碎裂體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖、全風(fēng)化花崗巖、花崗巖殘積土以及粉細(xì)砂。在試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)共鉆取試驗(yàn)孔6各，依次開展了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)以及波速試驗(yàn)。

2? ?原位試驗(yàn)

2.1? ?旁壓試驗(yàn)

選擇劍橋自鉆式旁壓儀來(lái)開展旁壓試驗(yàn)，此儀器具有精度高、不會(huì)對(duì)原狀土層造成較大擾動(dòng)、適應(yīng)性強(qiáng)、不需對(duì)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行校對(duì)、測(cè)試范圍大等優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)用其除此之外，還能夠?qū)Ρ姸嗤亮W(xué)參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)（內(nèi)摩擦角、變形模量、側(cè)壓力系數(shù)、粘聚力、地基容許承載力、水平應(yīng)力等），在獲取花崗巖參數(shù)方面有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)旁壓試驗(yàn)和地勘報(bào)告得出土體各項(xiàng)參數(shù)，具體見(jiàn)表1。

通過(guò)劍橋旁壓數(shù)據(jù)能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)貙语L(fēng)化程度降低時(shí)，土體強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角和粘聚力指標(biāo)逐漸增大；當(dāng)?shù)貙语L(fēng)化程度降低時(shí)，能夠體現(xiàn)土體變形特性的變形模量和剪切模量也逐漸增大。除此之外，PL、P?等能體現(xiàn)土體承載能力的指標(biāo)也逐漸增大，總體上說(shuō)明土體承載能力隨著其風(fēng)化程度的降低而增大。

2.2? ?剪切波測(cè)試

通過(guò)單孔法對(duì)剪切波速進(jìn)行測(cè)試。一般情況下的操作步驟為在信號(hào)接收孔或地面進(jìn)行激振時(shí)，在一個(gè)垂直鉆孔里，檢波器以上往下或從下往上的順序?qū)Ω鞯貙拥腟波進(jìn)行檢測(cè)，同時(shí)對(duì)每層土S波的波速進(jìn)行計(jì)算，試驗(yàn)得出的剪切波速測(cè)試曲線見(jiàn)圖1。

計(jì)算小應(yīng)變剪切模量的公式為：

Gd=ρv2s? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中：Gd為剪切模量，ρ為密度，vs表示剪切波波速。

結(jié)合公式（1）和剪切波速試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)土層動(dòng)剪切模量進(jìn)行計(jì)算，得到如表2所示為具體結(jié)果。從表2中能夠發(fā)現(xiàn)，當(dāng)土層風(fēng)化程度逐漸降低時(shí)，其剪切波速與動(dòng)剪切模量均表現(xiàn)出逐漸提高的規(guī)律。

2.3? ?標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

在主要土層中（風(fēng)化殘疾土）開展此次標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，具體試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

對(duì)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，參考巖土勘察規(guī)范，當(dāng)工程的巖土工程勘察等級(jí)小于等于乙級(jí)，且缺少無(wú)載荷試驗(yàn)資料時(shí)，可參考標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)對(duì)花崗巖殘積土的變形模量E0與承載力特征值?ak進(jìn)行推算，具體公式如下：

E0=1.167N'-1.053? ? ? ? （2）

?ak=11.97N'-87.37? ? ? ? ?（3）

式中：N'代表標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的錘擊次數(shù)。

通過(guò)表3能夠發(fā)現(xiàn)，14.6擊為花崗巖殘積土經(jīng)過(guò)修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫擊數(shù)均值。變形模量E0與承載力特征值?ak計(jì)算如下：

E0=1.167×14.6-1.053=15.99MPa? ? ? ? （4）

?ak=11.97×14.6-87.37=262.13kPa? ? ? ?（5）

3? ?分析風(fēng)化花崗巖巖土參數(shù)取值

3.1? ?對(duì)比平板載荷試驗(yàn)推算結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地先后開展全風(fēng)化花崗巖和花崗巖殘積土的平板載荷試驗(yàn)，具體的試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)并參考巖土勘察規(guī)范來(lái)計(jì)算其變形模量E0，計(jì)算公式如下所示：

（6）

式中：μ代表泊松比；承壓板的邊長(zhǎng)或直徑表示為d；剛性承壓板的形狀系數(shù)表示為I0，方形和圓形的值分別為0.886和0.785；s、p分別為壓力沉降曲線中的沉降和線性段壓力。

通過(guò)相關(guān)規(guī)范，能夠得出地基承載力特征值和土體抗剪強(qiáng)度間的關(guān)系，具體形式如下所示：

?a=Mbγb+Mdγmb+Mcc? ? ? ? ? ? ?（7）

參考當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)并結(jié)合旁壓試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)內(nèi)摩擦角φ進(jìn)行假定，再對(duì)粘聚力進(jìn)行計(jì)算。通過(guò)地基承載力確定標(biāo)準(zhǔn)和式（6）、式（7）對(duì)平板載荷試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行確定，具體見(jiàn)表4。

通過(guò)對(duì)表1和表4進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)劍橋旁壓試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)所得出的土層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)基本一致，不過(guò)前者計(jì)算出的土體變形模量要高于后者。

3.2? ?對(duì)比室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)土體進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)，得到其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)和變形參數(shù)，具體見(jiàn)表5。從表5中能夠看出，試驗(yàn)擾動(dòng)對(duì)巖土體參數(shù)有較大的影響，土樣從原來(lái)環(huán)境中取出時(shí)，破壞了土體的原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)出的土體變形參數(shù)和強(qiáng)度指標(biāo)，要小于劍橋旁壓試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)所得出的結(jié)果。

3.3? ?風(fēng)化花崗巖巖土參數(shù)取值研究

綜合分析平板載荷試驗(yàn)結(jié)果、場(chǎng)地鉆探結(jié)果、標(biāo)貫結(jié)果以及旁壓試驗(yàn)結(jié)果之后，并參考工程地質(zhì)手冊(cè)、巖土工程勘察規(guī)范等規(guī)范，同時(shí)考慮到原位測(cè)試不會(huì)對(duì)土層造成較大的擾動(dòng)，故提出各土層的力學(xué)指標(biāo)應(yīng)以旁壓試驗(yàn)等原位測(cè)試的計(jì)算結(jié)果為準(zhǔn)。場(chǎng)地內(nèi)各土層力學(xué)指標(biāo)和設(shè)計(jì)提議值如表6所示。地基承載力特征值如表7所示。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)劍橋旁壓等試驗(yàn)對(duì)巖土開展了原位試驗(yàn)，并與平板試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)合相關(guān)國(guó)家規(guī)范后整理后得出各巖土層力學(xué)參數(shù)取值的指標(biāo)，可以得到以下結(jié)論：

當(dāng)?shù)貙语L(fēng)化程度降低時(shí)，土體強(qiáng)度的內(nèi)摩擦角和粘聚力指標(biāo)逐漸增大，這表示土體強(qiáng)度隨著土體強(qiáng)風(fēng)化程度的降低而增大。當(dāng)?shù)貙语L(fēng)化程度降低時(shí)，能體現(xiàn)土體變形特性的變形模量和剪切模量也逐漸增大，這表示土體抵抗變形的能力會(huì)隨著土體強(qiáng)風(fēng)化程度的降低而增大。除此之外，PL、P?等能體現(xiàn)土體承載能力的指標(biāo)也逐漸增大，總體上說(shuō)明土體承載能力隨著其風(fēng)化程度的降低而增大。劍橋旁壓試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)所得出的土層抗剪強(qiáng)度指標(biāo)基本一致，不過(guò)前者計(jì)算出的土體變形模量要高于后者。試驗(yàn)擾動(dòng)對(duì)巖土體參數(shù)有較大影響，土樣從原來(lái)環(huán)境中取出時(shí)，破壞了土體的原有結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)出的土體變形參數(shù)和強(qiáng)度指標(biāo)，要小于劍橋旁壓試驗(yàn)和平板載荷試驗(yàn)所得出的結(jié)果。

通過(guò)劍橋旁壓試驗(yàn)?zāi)軌蛞淮斡?jì)算出較多的土體參數(shù)，且不會(huì)對(duì)土層造成較大的擾動(dòng)，所得結(jié)果比較準(zhǔn)確，能夠很好的對(duì)工程設(shè)計(jì)起到很好的指導(dǎo)作用。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳餓，吳傳云，韓中會(huì).干密度和飽和度對(duì)花崗巖殘積土抗剪強(qiáng)度的影響[J].鐵道勘察，2018，44（6）：75-78.

[2] 劉翔宇，楊光華，楊球玉，等.旁壓試驗(yàn)在深厚強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層中的應(yīng)用[J].工程勘察，2016，44（7）：31-36.

[3] 朱斌，劉非，郭金玉.某露天礦區(qū)全風(fēng)化花崗巖原位試驗(yàn)研究[J].中國(guó)礦山工程，2012，41（2）：1-3+7.

[4] 白曉宇，張明義，朱磊，等.強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中嵌巖短樁承載特征原位試驗(yàn)與有限元分析[J]中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2017，48（2）：512-524.

[5] 徐曉斌，奏晶晶，高飛.某核電站強(qiáng)風(fēng)化花崗巖原位直剪試驗(yàn)研究[J].工程勘察，2009，37（12）：40-43.

[6] 朱德昌.花崗巖殘積土的試驗(yàn)及測(cè)試研究[J].福建建筑，1999（2）：42-44.