宮浩亮 甄振 萬燕龍

摘要：對大量平板載荷試驗和現(xiàn)場大面積剪切試驗成果進行對比研究與分析，結(jié)合超重型動力觸探N120試驗成果的有效驗證，發(fā)現(xiàn)相比于大量平板載荷試驗和超重型動力觸探N120試驗，采用大面積剪切試驗得到的土體的承載力特征值更可靠。

關(guān)鍵詞：平板載荷試驗；大面積剪切試驗；承載力特征值；抗剪強度；變形模量

0? ?引言

長江中下游地區(qū)的原料場大多使用長寬分別為360m和50m的A型料條，原料場的地基土采用強夯或排水固結(jié)處理。為了響應(yīng)國家環(huán)保發(fā)展要求，需將A型原料場進行智能化升級改造為堆填高度在23m以上的B型料條，這對地基的承載變形提出了更大挑戰(zhàn)性。而對地基土的密度、孔隙比、含水量、壓縮性和抗剪強度等力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)進行準(zhǔn)確評價，有助于選擇合適的地基加固方案，提高地基土的承載力和抗變形能力。

超重型動力觸探試驗在現(xiàn)場勘查中，通常采用錘擊數(shù)修正值來確定地基土體的基本力學(xué)特性[1]。但是錘擊數(shù)修正值法是一種經(jīng)驗性方法，需要大量的試驗數(shù)據(jù)來建立修正系數(shù)。在現(xiàn)場勘查中，直接利用錘擊數(shù)修正值來確定地基土的力學(xué)參數(shù)誤差較大。平板載荷試驗[2]通常用于評估土壤的壓縮特性和地基的承載能力。現(xiàn)場剪切試驗[3]是一種用于測量土壤抗剪強度的測試方法。由于3種方法各有優(yōu)缺點，因此采用何種方法去測量夯壓實碎石類土的力學(xué)參數(shù)，仍有待進一步研究[4]。

本文針對馬鋼原料場的地基土的力學(xué)性質(zhì)進行測量，對比采用平板載荷、現(xiàn)場剪切和超重型動力觸探N120等3種勘探方法得到的數(shù)據(jù)，并通過有限元和工程試驗樁的檢測進行驗證，發(fā)現(xiàn)相比于大量平板載荷試驗和超重型動力觸探N120試驗采用大面積剪切試驗得到的土體承載力特征值更可靠。

1? ?碎石類土詳細(xì)分類

根據(jù)碎石的大小、形狀和含量，碎石類土可以進一步分類如下：

碎石質(zhì)沙土是含有大量的碎石顆粒，其粒徑在2mm以上，且沙子含量較高，該類型土壤的透水性好；碎石質(zhì)壤土是含有適量的碎石顆粒，其粒徑在0.2～2mm之間，透水性良好；碎石質(zhì)粘土是含有適量的碎石顆粒，其粒徑小于0.2mm，同時粘土顆粒含量較高，水分保存能力強，透水性較差；碎石質(zhì)砂壤土是含有大量的碎石顆粒，其粒徑在0.2～2mm之間，且沙子含量較高。碎石質(zhì)礫壤土是含有大量的碎石顆粒，其粒徑在2mm以上，其土壤透水性良好，但容易流失。

2? ?錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值確定

超重型動力觸探錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值如表1所示。由表1可知，塊石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值最大，碎石填土和礫石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值次之，黏?；斓[石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值最小。塊石填土的承載力特征值最大為580kPa，黏粒混礫石填土的承載力特征值最最小為240kPa。

塊石填土中含有大塊的石頭或巖石，這些大塊的石頭或巖石會形成土體中的骨架結(jié)構(gòu)，增加土體的剛度和強度，因此需要更大的錘擊數(shù)來振實土體，以達到預(yù)期的固結(jié)效果。碎石填土和礫石填土由于顆粒間隙較大，存在較多的空隙，相對來說土體的剛度和強度相對較低，需要較少的錘擊數(shù)來達到固結(jié)效果。黏?；斓[石填土中含有較多的黏土和有機質(zhì)等膠結(jié)物質(zhì)，這些物質(zhì)會填充顆粒間隙，增加土體的粘聚力和內(nèi)聚力，使土體的剛度和強度提高，因此需要較少的錘擊數(shù)來達到相應(yīng)的固結(jié)效果。

總之，不同類型的填土具有不同的力學(xué)特性，需要根據(jù)實際情況進行相應(yīng)的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值確定，以確保填土的固結(jié)效果和穩(wěn)定性。

3? ?試驗方法

3.1? ?平板載荷試驗

平板載荷試驗是一種原位試驗方法，用于確定地基土的承載能力。通過對試驗數(shù)據(jù)進行處理和分析。得到地基土的彈性模量和極限承載力。

采用邊長為2m的正方形鋼板作為試驗板，并在上方施加800t的重力，平板載荷試驗結(jié)果見表2。由表2可知，不同填土的承載力特征值和變形模量平均值不同。

3.2? ?大面積剪切試驗

大面積剪切試驗是一種測定土壤抗剪強度的試驗方法之一。在這種試驗中，土壤樣品被壓縮成一個圓柱形，然后在圓柱形的兩端施加剪切力，以測定土壤的抗剪強度。

現(xiàn)場采用的圓柱形剪力盒面積為1m2，并采用平堆法在試驗板上施加6t的重力，每一類土分別選擇3個試驗點，設(shè)置6組試驗，整個試驗共設(shè)置36組實驗，大面積剪試驗見結(jié)果表3。塊石填土、碎石填土、礫石填土、黏?；斓[石填土的內(nèi)聚力呈遞增，而內(nèi)摩擦角呈遞減。

3.3? ?承載力特征值擬合效果

相關(guān)試驗結(jié)果顯示，所有填土的承載力特征值經(jīng)驗公式的擬合度均在95%以上，所有填土的變形模量經(jīng)驗公式系數(shù)的擬合度均在92%以上，由此說明承載力特征值和變形模量的擬合方程的擬合效果比較好。

4? ?力學(xué)參數(shù)確定

4.1? ?試驗參數(shù)分析

對比超重型動力觸探錘擊、平板載荷試驗和按照規(guī)范得到的抗剪強度計算承載力特征值，可得到4類土的承載力特征值。

超重型動力觸探錘擊試驗方法是一種簡單和快速的方法，能夠提供土層厚度和地基類型的信息，但它僅僅提供地基的動態(tài)性質(zhì)，難以獲得地基的靜態(tài)性質(zhì)和一些其他參數(shù)，如地基的形狀、深度等。

平板載荷試驗方法提供了地基的靜態(tài)性質(zhì)，并且能夠更精確地計算承載力特征值；但它需要更多的時間和成本，且需要更多的儀器和設(shè)備。規(guī)范計算得到的抗剪強度方法簡單易用，成本低廉，但它需要依賴于土壤或巖石的性質(zhì)和類型，且可能會導(dǎo)致一定的誤差。

這3種方法各有優(yōu)勢，選擇哪種方法應(yīng)該取決于具體應(yīng)用場景和需要。使用超重型動力觸探試驗在判定填土在垂直的均勻性時，易受到夯實方法、夯實頻率、夯實時間和夯實壓力等因素影響，且試驗數(shù)據(jù)容易受到顆粒之間隙縫和不均勻分布影響，從而導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)誤差較大。

平板載荷試驗的測試結(jié)果，會受到堆料位置、土壤類型、試驗面積、測試深度和堆料場中的土壤可能存在變形和沉降的影響，導(dǎo)致測試結(jié)果存在較大差異性，因此不可靠。而大面積剪試驗的測試結(jié)果與超重型動力觸探試驗具有一致性。

4.2? ?按礦料堆工況反演分析

在礦料堆工況反演分析模型中，將梯形的高設(shè)為13m，下底部寬設(shè)為45m，上頂部寬設(shè)為14m，鐵礦粉的重度為3.30t/m3，靜堆積角為40°。模型參數(shù)如圖1所示。根據(jù)反演分析，計算堆料中的最大堆高段承載力特征值和堆料肩部的特征值如下：

（1）

計算結(jié)果顯示，料堆中心的承截力特征值不低于429kPa，肩部不低于214.5kPa。

5? ?巖土勘察工程應(yīng)用

5.1? ?工程概況

馬鋼股份港務(wù)原料總廠有A至E共5個料條，C型料條有2個。老料條地基采用“排水板+強夯”處理。強夯土由開山塊石、石渣和黏性土等混合組成。處理區(qū)域的長寬分別為600m和330m，堆料區(qū)的歷史最高高度為13m。

5.2? ?填土主要成分

馬鋼股份港務(wù)原料總廠的夯壓實土主要顆粒含量與成份如表4所示。

5.3? ?勘察手段與方法

現(xiàn)場重度測試和原位測試是兩種常見的現(xiàn)場勘察方法?，F(xiàn)場重度試驗是指測量單位容積原狀土壤干土的重量的試驗，目的是了解土壤固體顆粒和土壤孔隙的狀況。原位測試主要采用載荷試驗、靜力觸探試驗和波速測試。其中，載荷試驗是對土體施加一定的荷載，測定土體的變形和應(yīng)力等參數(shù)，以確定土體的力學(xué)性質(zhì)。

靜力觸探試驗是指在鉆孔過程中，利用靜力作用測定土體的抗壓強度和變形模量等參數(shù)。波速測試是指利用機械設(shè)備或工具，在巖層中鉆孔，并采用剪切波波速測試等方法，了解地質(zhì)情況的手段。

通過對原位測試、變形觀測以及反演計算的數(shù)據(jù)，分析得到各夯壓碎石類土的各種力學(xué)參數(shù)信息見表5。對該原料廠的現(xiàn)場原位試驗得到的多組數(shù)據(jù)，采用有限元軟件進行驗算，并對工程試驗樁的承載力進行檢測，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場原位試驗得到的土體力學(xué)參數(shù)是可靠的。

6? ?結(jié)束語

本文針對馬鋼原料場的地基土的力學(xué)性質(zhì)進行研究，對比采用平板載荷、現(xiàn)場剪切和超重型動力觸探N120等3種勘探方法得到的數(shù)據(jù)，并通過有限元和工程試驗樁的檢測進行驗證。

塊石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值最大，碎石填土和礫石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值次之，黏?；斓[石填土的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值最小，塊石填土的承載力特征值最大為580kPa，黏?；斓[石填土的承載力特征值最最小為240kPa，主要是因為這些土壤的力學(xué)特性不同。不同類型的填土具有不同的力學(xué)特性，為此需要根據(jù)實際情況進行相應(yīng)的錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值的制定，以確保填土的固結(jié)效果和穩(wěn)定性。

大面積剪試驗發(fā)現(xiàn)，塊石填土、碎石填土、礫石填土、黏?；斓[石填土的內(nèi)聚力呈遞增，而內(nèi)摩擦角呈遞減，大面積剪試驗的測試結(jié)果與與超重型動力觸探試驗具有一致性，其測試數(shù)據(jù)的可靠度高。

在超重型動力觸探試驗分析中，承載力特征值和變形模量的估算公式的擬合度分別在95%和92%以上，因此承載力特征值和變形模量的擬合方程的擬合效果比較好。

通過對原位測試、變形觀測以及反演計算的數(shù)據(jù)，分析得到各夯壓碎石類土的承載力和變形模量建議值。采用有限元的穩(wěn)定性驗算，對復(fù)合地基工程試樁現(xiàn)場測試得到的土的物理力學(xué)指標(biāo)的可靠性較高。

參考文獻

[1] 王婷灝.動力觸探試驗有關(guān)問題商榷[J].西部探礦工程，2007，19（1）：4（z1）：431-439.

[2] 翟洪飛，高云.載荷試驗沉降與承壓板尺寸關(guān)系的分析[J].西部探礦工程，2008，（10）：219-221.

[3] 巖土體現(xiàn)場直剪試驗規(guī)程 HG/T 20693-2006.

[4] 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范GB50007—2011.中國建筑工業(yè)出版社.