堆載平臺對平板載荷試驗影響的研究

周 楊 王傳煥

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

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堆載平臺對平板載荷試驗影響的研究

周 楊 王傳煥

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300142)

以山東省某地鐵工程范圍內強風化泥巖地層展開的平板載荷試驗為研究對象，通過三維有限元數值模擬、理論計算和現場試驗等手段探究堆載平臺對試驗結果的影響規律。通過分析得出以下結論，采用霍克-布朗非線性破壞準則模擬強風化泥巖地層平板載荷試驗效果理想；隨著堆載平臺間距的減小，地層承載力試驗結果逐漸增大，表明堆載平臺的間距對試驗具有較大的影響；數值模擬和理論計算結果表明，強風化泥巖地層平臺最小間距不宜小于4倍承壓板直徑。

淺層平板載荷試驗 三維數值模擬 強風化泥巖地層 堆載平臺間距

確定軟質巖石地層承載力的方法主要有現場載荷試驗法、理論計算法、經驗法和室內飽和單軸抗壓強度等方法，其中現場載荷試驗是上述方法中最直觀、最可靠的[1-4]。現場試驗結果易受外界環境因素影響，其中提供試驗反力的堆載，由于自身質量較大，通過堆載平臺對試驗地層產生的附加應力不容忽視。為探究堆載對試驗結果產生的影響，根據MIDAS GTS三維巖土有限元分析軟件及相關理論[5，6]，結合現場試驗對其展開研究。

1 平板載荷試驗概述

1.1 概述

山東省某地鐵工程中，為確定擬建工程范圍內強風化泥巖地層的地基承載力、地基系數等相關指標展開了現場平板載荷試驗。現場強風化泥巖為棕紅色—紫紅色，泥質結構，厚層—巨厚層狀構造，礦物成分以黏土礦物為主，構造節理及風化裂隙較發育，多為高角度節理，節理面呈閉合—微張開狀；巖芯遇水易崩解軟化，具有一定的可塑性，干時表面出現裂紋，易崩解；鍬挖困難，鎬可挖。

1.2 試驗依據及加載方法

現場試驗依據《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(GB50307—2012)及《鐵路工程地質原位測試規程》(TB10018—2003)執行，采用慢速維持荷載法，反力裝置采用堆載法，由工字鋼搭成堆載平臺，上面均勻堆放預制水泥塊，構成加載反力系統，如圖1所示。

圖1 現場試驗堆載照片

2 數值模擬分析

2.1 模型的建立

采用MIDAS GTS巖土三維有限元軟件模擬現場試驗，如圖2所示。圖2中，堆載平臺及承壓板采用彈性模型，地基采用霍克-布朗非線性破壞模型[7，8]。堆載平臺長、寬和高各為2.1 m、2.1 m和1 m，地基模型尺寸長、寬和高各為20 m、20 m和10 m。數值模擬過程中，使用液壓裝置逐級加載，可避免結構過于復雜對模擬產生的不必要影響。模型參數通過室內外試驗和經驗值確定，如表1所示。

圖2 數值模型示意

表1 模型參數取值

2.2 數值模擬成果驗證

數值模擬中，通過逐級加載，獲得承壓板下地層塑性區發展趨勢(如圖3所示)。從圖3中可以看出，在荷載作用下，地層在承壓板邊緣處首先達到塑性狀態，隨著荷載增加，塑性區從承壓板邊緣逐漸向承壓板中心發展，直至塑性區貫通，地層破壞。繪制荷載-沉降曲線，與現場試驗p-s曲線對比，如圖4所示。從圖4中可以看出，極限荷載之前的p-s曲線擬合度較高，并且數值模擬獲得的極限荷載與現場試驗結果一致，表明數值模擬結果合理、可用。

圖3 承壓板下地層塑性區隨加載變化

圖4 數值模擬與現場試驗p-s曲線對比

2.3 數值模擬結論分析

經2.2節分析可知，采用的三維有限元數值模擬方法可行，在此基礎上設置平臺間距分別為載荷板直徑2倍、3倍、4倍、5倍和6倍的數值模擬對比組，進一步分析堆載平臺對平板載荷試驗的影響規律。

(1)堆載平臺間距對地層極限承載力的影響

通過數值模擬，得出不同平臺間距下針對強風化泥巖地層的平板載荷試驗p-s曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，2倍間距時地層極限承載力最高，達到5 000 kPa，3倍間距時為4 500 kPa，4、5和6倍間距皆為4 000 kPa，由此可得出結論，平臺間距越小，試驗結果越大，試驗誤差越大；隨著平臺間距的增大，這種影響逐漸減小，當間距超過4倍承壓板直徑時，平臺對試驗點地層承載力的影響較小，隨著間距的繼續增大，間距對試驗的影響程度趨于平穩，淺層平板載荷試驗平臺間距應不小于4倍承壓板直徑。

圖5 不同平臺間距下地層的極限承載力對比

(2)堆載平臺間距對地層水平應力的影響

通過數值模擬計算，提取載荷板中心下不同深度水平應力，應力方向由平臺中心到載荷板中心，結果如圖6所示。從圖6可以看出，在同一間距下，載荷板下土柱受到的水平應力隨深度增加先增大，而后逐漸減小，隨著平臺間距增加，最大水平應力出現深度逐漸加深；平臺間距由2倍承壓板直徑到6倍承壓板直徑，載荷板下土柱受到的水平應力逐漸降低，間距大于3倍承壓板直徑時水平應力減小趨勢變緩。可以看出，平臺間距較小時載荷板下土柱受到的水平應力較大，從而提高了載荷板下土體豎向承載能力，并且間距越小，對近地表的土層的加固效果越明顯，即對試驗結果影響越大。

圖6 不同平臺間距下不同深度地層的水平應力對比

3 理論分析

(1)

式中m=l/b，n=z/b;

l——矩形荷載長邊長度/m；

b——矩形荷載短邊長度/m；

z——計算點深度/m。

由上式結合平板載荷試驗實際情況(如圖7所示)，計算堆載通過平臺對載荷板中心下地層產生的豎向附加應力σ

(2)

式中p0——堆載通過平臺在地層表面上產生的附加應力；

αOACD——圖5中矩形OACD角點應力系數；

αOABE——圖5中矩形OABE角點應力系數。

圖7 角點法計算堆載對載荷板下地層產生豎向附加應力

從圖8可以看出，平板載荷試驗中，堆載平臺對在載荷板下產生的附加應力隨著深度的增加先增大，在某一深度達到最大值，而后逐漸減小；隨著平臺間距的增加，堆載平臺在載荷板下產生的豎向附加應力逐漸減小，從2倍至4倍間距豎向附加應力減小幅度較大，從4倍到6倍間距附加應力減小幅度降低；隨著平臺間距的增加，平臺產生附加應力的最大值所在深度逐漸加深，當間距大于4倍載荷板直徑后，最大附加應力深度隨間距增加而加深的趨勢逐漸減小。

圖8 不同間距堆載平臺在載荷板下產生的豎向附加應力

從以上規律可以看出，增大間距可以減少堆載平臺在載荷板下產生的附加應力，并且隨著間距的增加，可以增加最大附加應力的深度，而淺層平板載荷試驗影響深度一般為兩倍承壓板直徑或寬度，所以增加平臺間距可以降低堆載在載荷板下的豎向附加應力，從而減小對試驗結果的影響。從計算結果可以看出，當平臺間距小于4倍載荷板直徑時，堆載平臺對試驗影響較大；當平臺間距小于4倍載荷板直徑時，堆載平臺對試驗的影響逐漸減小，并且減小幅度趨于平緩，所以平板載荷試驗堆載平臺間距不宜小于4倍載荷板直徑。

砂土地層中進行淺層平板載荷試驗時，堆載平臺對試驗的影響較大，根據《城市軌道交通巖土工程勘察規范》(GB50307—2012)表15.6.6，試驗中，每級荷載增量根據地層軟硬情況在15～200 kPa之間，計算得出堆載平臺在載荷板下產生的附加應力最大值可達到50 kPa，所以堆載平臺對平板載荷試驗的影響不容忽視。

4 結論

通過三維有限元數值模擬、理論計算與現場試驗等方法對淺層平板載荷試驗中堆載平臺對試驗結果產生的影響展開討論。

結果表明：平板載荷試驗中，堆載通過平臺對試驗地層產生附加應力，從而對試驗結果產生一定影響，隨著平臺間距減小，堆載產生的附加應力對載荷板下地層承載能力影響逐漸增加，使試驗結果偏大，對后期工程產生不利影響；數值模擬和理論計算結果表明，針對強風化泥巖地層，平臺間距大于4倍載荷板直徑時，堆載通過平臺在試驗地層中產生的附加應力對試驗結果產生的影響較小，即試驗中平臺間距不宜小于四倍承壓板直徑。

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Research on the Effects of Heaped Load Platform on Shallow Plate Load Tests

ZHOU Yang WANG Chuanhuan

2016-06-02

鐵道第三勘察設計院集團有限公司科技開發課題(合同編號721635)。

周 楊(1989—)，男，2015年畢業于西南交通大學地質工程專業，工學碩士，助理工程師。

1672-7479(2016)05-0071-04

TU413.4

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