大型平板載荷試驗對滬昆客運專線土體強度參數的研究

顧成權

大型平板載荷試驗對滬昆客運專線土體強度參數的研究

顧成權

（中鐵第四勘察設計院集團有限公司，武漢 430063）

滬昆客運專線為高速無碴鐵路，路基鋪軌后允許沉降僅為1．5 cm。線路沿線分布大量粉土地層，設計中路基沉降主要根據室內試驗估算，計算參數的取值對路基沉降計算起著至關重要的影響。選取現場典型地段，通過大型平板載荷試驗（PLT）獲取試驗數據，并和室內試驗及靜力觸探測試數據進行對比，分析不同測試方法、試驗結果的優劣，并為該地區粉土地層上的路基沉降計算提供力學參數。

粉土；路基沉降；大型平板載荷試驗；室內試驗；靜力觸探；力學參數

滬昆客運專線為國家重點建設的高速鐵路，按時速350 km／h無碴軌道設計，路基對沉降要求極為嚴格，路基鋪軌后允許沉降僅為1．5 cm。設計中路基沉降主要根據室內試驗估算。路基鋪軌后沉降計算準確與否，與地基土變形參數的取值有著十分密切的聯系。線路沿線跨越多條大型河流，河流兩岸沖積大量的粉土地層，對沿線廣泛分布的粉土地基，選取典型地段，采用大型平板載荷試驗，對修正沉降估算，優化地基加固處理措施，有著十分重要的意義。

1 試驗目的

分析沿線第四系全新統（Q4）代表性粉土地層在載荷作用下的沉降變形計算。分析地基土大型平板載荷試驗與靜力觸探、土工試驗等成果的對比關系，確定地基土的物理、力學性質指標，為路基沉降估算提供依據。

2 試驗原理

平板載荷試驗是一種縮尺真型試驗，以剛性承壓板模擬建筑物基礎地基土的受荷條件，直觀反映地基土的變形特性。荷載通過承壓板均勻傳至地基，實測地基土在荷載作用下的變形，得到載荷試驗P-S（壓力-沉降）、P-ΔS／ΔP（壓力-沉降差／壓力差）曲線，然后根據該曲線推求地基土參數的一種方法。

3 試驗要求

載荷試驗采用慢速維持荷載法，自加荷開始按1，2，2，5，5，15，15，15 min間隔，以后每隔30 min觀測沉降一次，直至連續2 h內，每1h的沉降量小于0．1 mm時，則認為已達穩定，可施加下級荷載。

4 載荷試驗成果分析

試驗點位于江西高安市境內，周邊出露大量第四系全新統沖洪積粉土地層（Q4al＋pl），淺黃色，稍密、潮濕，厚約3．8 m，其下為粉質黏土、粉土、粉細砂及淤泥質粉質黏土等地層，呈透鏡體或互層狀，厚度大于10 m。測點附近地下水較發育，主要為第四系孔隙潛水和弱承壓水，試驗點水位埋深2．2 m。試驗點編號為PLT1，線路里程，DK580＋220左5 m。試驗采用邊長1 m的方形承壓板，上部砂包堆載達50 t（圖1）。

4．1 載荷試驗前后物理力學性質對比

大型平板載荷試驗點最后一級荷載變形較大，但未見明顯的破壞特征，對試驗后指標進行統計，統計結果見表1。

由表1分析，經過載荷試驗，地基土因受擾動影響，除稠度狀態（即液性指數IL）和基本承載力降低外，其余地層指標均有提高，這與荷載作用后土體的固結壓密是一致的。

表1 載荷試驗前后室內試驗指標對比表Table 1 Com parison of laboratory test values before and after the plate loading

圖1 現場大型平板載荷試驗Fig．1 Large-scale plate loading on site test

4．2 載荷試驗參數分析

PLT1試驗點荷載沉降關系詳見表2和圖2。圖2沒有明顯的第一拐點和第二拐點。采用經雙曲線擬合：

式中：S0為沉降修正值；S′為沉降實測值；S為p值對應承壓板的沉降量（mm）；p為p-s直線段任一點的壓力（kPa）；a，b＇為曲線擬合參數，試取S0值達最佳擬合為止。

當S0＝－0．76時，擬合相關系數最高，求得b′＝0．001 2。P-ΔS／ΔP曲線見圖3，由圖3確定比例界限壓力pa為130 kPa；

地基極限承載力：

表2 PLT1荷載沉降統計表Table 2 Load settlement（PLT1）

圖2 PLT1試驗點P-S曲線Fig．2 The P-S curve of the test site（PLT1）

圖3 PLT1試驗點P-ΔS／ΔP曲線Fig．3 The P-ΔS／ΔP curve of the test site（PLT1）

式中：pf為破壞荷載；b′為由式（1）得到的曲線擬合參數；Rf為破壞比。

由公式（3）、（4）計算得，土體極限承載力pu＝541 kPa（Rf此處取0．65），pf＝833 kPa。因為pu≥1．5 pa，所以地基基本承載力σo＝pa＝130 kPa。

土的變形模量E0，壓縮模量Es可按下式計算：

式中：ω為承壓板形狀系數，方形取0．89；μ為泊松比，粉土取0．3；pa為比例界限壓力；Sa與pa為相對應的沉降；b為方形承壓板的邊長。

由公式（5）、（6）計算得，土體變形模量E0＝4．27 MPa，換算壓縮模量Es＝5．68 MPa。

平板載荷試驗基床系數Ksa可由下式確定：

基準基床系數K1按公式（8）修正：

式中：K1為基準基床系數，即方形1平方英尺承壓板面積對應的基床系數（F1＝0．092 9 m2）；Fa為實際使用的承壓板面積。

由公式（7）、（8）計算得，土體大型平板載荷試驗基床系數Ksa＝5．27 MPa／m。基準基床系數K1＝17．28 MPa／m。

粉土地層室內試驗壓縮模量為9．21 MPa，而靜力觸探測得壓縮模量為4．10 MPa，大型平板載荷試驗所得壓縮模量值為5．68 MPa，后兩者較為接近，且能更真實地反映土體變形特性，考慮靜力觸探所測壓縮模量僅為經驗值，故取用載荷試驗成果Es＝5．68 MPa。

根據大型平板載荷試驗指標測量值，建議本段線路粉土地層地基參數設計值：σo＝130 kPa，Pu＝625 kPa，Eo＝4．27 MPa，Es＝5．68 MPa，Ksa＝5．27 MPa／m，K1＝17．28 MPa／m。

5 結 論

通過粉土地基大型平板載荷試驗、原位靜力觸探測試、室內土工試驗研究分析，得出如下結論：

（1）粉土地層在取樣或運輸過程中易擾動失真，室內試驗方法測得的土體強度參數精確度較低，一般情況下不宜采用。載荷試驗是確定粉土地層壓縮模量和承載力最準確的方法；

（2）靜力觸探法所取得的粉土地層壓縮模量和承載力略小，在沒有載荷試驗直接測定的情況下，可用靜力觸探法確定該地區粉土壓縮模量和承載力值；

（3）粉土地層經過載荷試驗后，除稠度狀態和靜力觸探測試值受土體擾動變差外，粉土層其余指標均有提高，這與荷載作用后土體的固結壓密狀態是一致的；

（4）壓縮模量Es約為變形模量E0的1．3倍，與粉土地層經驗取值1．2較為接近，驗證了經驗方法也適合于該地區粉土地層；

（5）試驗工點主要設計參數建議值：σo＝130 kPa，Eo＝4．27 MPa，Es＝5．68 MPa。

由于大型平板載荷試驗也不能完全模擬現場施工的實際情況，所得參數和結論尚需結合路基填筑現場開展進一步的研究。

［1］ TB 10018－2003，鐵路工程地質原位測試規程［S］．北京：中國鐵道出版社，2003．（TB 10018－2003，Code for In-situ Measurement of Railway Engineering Geology［S］．Beijing：China Railway Press，2003．（in Chi-nese））

［2］ 鐵道第一勘察設計院．鐵路工程地質手冊［M］．北京：中國鐵道出版社，1999．（Editor of the First Survey and Design Institute of Railway．Railway Engineering Ge-ology Guide［M］．Beijing：China Railway Press，1999．（in Chinese））

［3］ 鐘顯春，曾令州．淺層平板載荷檢測結果與巖土鉆探資料的對比分析［J］．廣東土木與建筑，2005，（2）：59－61．（ZHONG Xian-chun，ZENG Ling-zhou．The Com-parative Analysis of Shallow Plate Loading Tests Results with Geotechnical Drilling Data［J］．Guangdong Civil En-gineering and Architecture，2005，（2）：59－61．（in Chi-nese））

［4］ 陳大為，張明啟．平板載荷試驗的方法及成果應用［J］．鐵道勘察，2007，33（3）：38－40．（CHEN Da-wei，ZHANG Ming-qi．Method for Plate Loading Tests and A-chievement Application［J］．Railway Investigation，2007，33（3）：38－40．（in Chinese））

［5］ 王國強，孫立楊．淺談平板載荷試驗［J］．科技創業月刊，2003，（8）：69－70．（WANG Guo-qiang，SUN Li-yang．Discussion on Experiment of Flat Plate Load［J］．Pioneering with Science＆Technology Monthly，2003，（8）：69－70．（in Chinese） ）

（編輯：趙衛兵）

Research of Soil Intensity Parameters of Shanghai-Kunm ing Railway Line for Passenger Traffic by Large-Scale Plate Loading Test

GU Cheng-quan
（China Railway the Fourth Survey and Design Group Co．LTD，Wuhan 430063，China）

The Shanghai-Kunming special railway line for passenger traffic is a high-speed and ballastless railway．The subgrade allows only 1．5 cm of settlementafter rail-laying．There is a large quantity of silt distributed along the line，and the designed subgrade settlement is calculated mainly based on laboratory test．The calculation parameter has significant impacton the calculation of subgrade settlement．Typical section of the railway is selected to conduct large-scale plate loading test（PLT）in order to obtain test data，which were further compared with the data of labo-ratory tests and cone penetration tests（CPT）to analyse the advantages and disadvantages of different testmethods and different test results，and also to providemechanical parameters for the subgrade settlement computation of the silt layer．

silt；subgrade settlement；large-scale plate loading test；laboratory test；cone penetration test；me- chanical parameters

TU441．6

A

1001－5485（2011）04－0032－04

2010-04-13

顧成權（1978-），男，江蘇建湖人，注冊巖土工程師，高級工程師，碩士，主要從事鐵路勘察、設計等方面的研究工作，（電話）13554110017（電子信箱）38606746＠qq．com。