原位測試在地鐵勘察巖土參數求取中的應用

2014-07-25 11:28:56潘瑞林孫寶忠

鐵道勘察 2014年3期

易鑫潘瑞林孫寶忠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

原位測試在地鐵勘察巖土參數求取中的應用

易鑫潘瑞林孫寶忠

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司，北京 100055)

以太原地鐵2號線為例，運用標準貫入、靜力觸探、旁壓、扁鏟側脹、十字板剪切等多種原位測試方法，求取巖土體的靜止側壓力系數、基床系數、地基土承載力、變形模量等巖土力學參數，結合室內試驗成果及規范和經驗值，綜合確定巖土參數建議值。

原位測試地鐵工程勘察巖土參數

1 主要巖土力學參數的原位測試求取方法

1.1 靜止側壓力系數

(1)扁鏟側脹試驗

靜止側壓力系數K0，可通過扁鏟側脹試驗成果中土的水平應力指數KD與K0的關系式求取，依據《鐵路工程地質原位測試規程》(TB10041-2003)[1]公式12.4.7計算

(適用于KD為1.5～4.0的一般飽和黏性土)

(2)室內試驗及經驗公式

靜止側壓力系數K0也可采用室內試驗、經驗公式法求取。室內試驗測定方法有側壓力儀法與三軸儀法。經驗公式法采用：砂性土K0=1-sinφ′；黏性土K0=0.95-sinφ′，式中,φ′為有效內摩擦角。

1.2 基床系數

(1)旁壓試驗

預鉆式旁壓計算水平基床系數Kh通常采用公式[5]Kh=(Pf-P0)/(Rf-R0)確定。其中Pf為臨塑壓力，Rf為臨塑壓力時旁壓器對應的徑向位移，P0為初始壓力，R0為初始壓力時旁壓器對應的徑向位移。但上式所算的基床系數主要是旁壓試驗彈性階段的值，實際工程當中多為彈-塑性階段或塑性階段，計算值與規范和實際值偏差較大。實際應用時應結合土類、工況環境、應力條件乘以相應的修正系數[6]，黏性土修正系數為0.25～0.34，飽和砂土層修正系數為0.20～0.30。

(2)扁鏟側脹試驗

飽和黏性土、飽和砂土及粉土的水平基床系數Kh可采用《鐵路工程地質原位測試規程》(TB10041—2003)公式12.4.9計算

Kh=0.2kh；kh=1 817(1-A)(p1-p0)

式中，kh為側脹儀抗力系數，p1-p0為土體膨脹1.10 mm與膨脹前的壓力增量，A為孔隙壓力系數，可參考表1選取。

表1 飽和土的A值

(3)標準貫入試驗

基床系數可采用《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(GB50307—2012)[2]給出的基床系數與標準貫入試驗錘擊數的經驗關系計算，即K=(1.5～3..0)N。通過標貫擊數求取垂直、水平基床系數可按以下公式[7]計算：垂直基床系數KV=2N；水平基床系數Kh=4N。

(4)室內試驗及規范經驗值

基床系數可采用通過室內固結試驗中壓縮模量計算[8]求取。對于砂土、粉土，計算公式為KV≈1.85ES1-2、對于黏性土，計算公式為KV≈3.30ES1-2。也可根據巖土類別、狀態、密實度，參考《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(GB50307—2012)附錄H中經驗值選取。

1.3 地基承載力

(1)旁壓試驗

根據旁壓試驗特征值計算一般土的地基土承載力，可采用臨塑荷載法公式計算：fak=pf-p0，

式中fak為地基土承載力特征值；pf為臨塑壓力；p0為初始壓力。

式中fak為地基土承載力特征值；pL為極限壓力；p0為初始壓力；FS為安全系數，一般取2～3，也可根據地區經驗確定[4]。

(2)標準貫入試驗

國內外關于標準貫入試驗錘擊數確定地基承載力的經驗關系式較多，可參考《工程地質手冊》(第四版)[4]相關內容選取。

黏性土、粉土通過標貫擊數確定地基承載力選用Terzaghi回歸式fk=12N，砂類土承載力參考表2選取。

表2 砂土承載力特征值fak kPa

(3)靜力觸探試驗

靜力觸探確定地基基本承載力σ0，可根據土層類別、比貫入阻力PS，參考《鐵路工程地質原位測試規程》(TB10041—2003)中表10.5.16-1中相應公式求取。

(4)規范經驗值

地基基本承載力可根據巖土類別、狀態，參考《鐵路工程地質勘察規范》(TB10012—2007)[3]附錄D中經驗值選取。

1.4 變形模量

(1)旁壓試驗

旁壓試驗確定土的變形模量E0，可通過旁壓剪切模量Gm與變形模量E0的經驗關系求取。

黏性土可參考《鐵路工程地質原位測試規程》(TB10041—2003)中表7.4.8-1確定。砂類土可根據公式E0=KGm求取，式中K為變形模量轉換系數，可按表3取值。

表3 變形模量轉換系數K

(2)靜力觸探試驗

靜力觸探試驗確定土的變形模量E0參考《鐵路工程地質原位測試規程》(TB10041—2003)中表10.5.18-2中相應公式求取。

(3)標準貫入試驗

國內外關于標準貫入試驗錘擊數確定土的變形參數的經驗關系式較多，可參考《工程地質手冊》(第四版)相關內容選取。標貫擊數確定土的變形模量E0選用Webbe關系式[9]E0=2.0+0.6N求取。

(4)理論公式計算

1.5 無側限抗壓強度

(1)標準貫入試驗

通過標準貫入錘擊數N確定無側限抗壓強度qu，可采用Terzaghi和Peck建立了N與qu的經驗關系進行，見表4。

表4 N與稠度狀態和無側限抗壓強度的關系

(2)室內試驗及經驗查表

室內采用應變控制式無側限壓縮儀試驗求取無側限抗壓強度，同時也可參考《工程地質手冊》(第四版)表3-1-33選取。

1.6 土靈敏度

(1)十字板剪切試驗

通過十字板剪切試驗求取飽和軟黏性土的靈敏度St，可采用《鐵路工程地質原位測試規程》(TB10041—2003)公式6.4.3計算

(2)室內試驗及經驗查表

室內可根據原狀土的無側限抗壓強度與重塑土的無側限抗壓強度之比取得

同時也可參考《工程地質手冊》(第四版)表3-1-34選取。

2 工程應用

2.1 工程地質條件

太原軌道交通2號線一期工程人民南路—化章街站段共2站1區間，1條出入線，全長2.815 km。車站與出入線采用明挖法施工，區間采用盾構法施工，結構底板最大埋深為23.029 m。該段地貌單元為太原盆地汾河漫灘，地形開闊平坦，主要地層如下。

(1)第四系全新統沖、洪積地層(Q4al+pl)

粉質黏土(2-2)：黃褐色，軟塑-可塑；

黏質粉土(2-3-1)：灰褐色，稍密，潮濕—飽和；

粉細砂(2-4-1)：灰褐色，稍密，飽和；

粉細砂(2-4-2)：褐黃色，中密，飽和；

中砂(2-5)：褐黃色，中密，飽和。

(2)第四系上更新統沖、洪積層(Q3al+pl)

粉質黏土(3-3)：黃褐色，可塑；

黏質粉土(3-4-1)：灰黃色，中密，飽和；

粉細砂(3-5)：褐黃色，密實，飽和。

地下水類型為第四系松散層孔隙潛水，地下水埋深較高，勘察期間地下水埋深約0.4～4.7 m。

2.2 應用成果

在該段線路的巖土工程勘察中，運用了多種原位測試手段，包括標準貫入試驗、靜力觸探試驗、旁壓試驗、扁鏟側脹試驗、十字板剪切試驗。完成工作量：靜力觸探完成707.6 m/37孔，旁壓試驗完成119點/12孔，扁鏟側脹試驗完成515點/13孔，標準貫入試驗完成2614次/168孔，十字板剪切試驗完成38點/10孔。多種原位測試手段在求取靜止側壓力系數、基床系數、地基承載力、變形模量等參數上進行了廣泛的應用。同時，結合室內試驗成果以及規范經驗，綜合給出了各土層物理力學參數的建議值。

各地層靜止側壓力系數綜合選取見表5。