基于靜力觸探CPT測試數據的軌道基礎沉降分析

何維維

(中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032)

靜力觸探作為一種原位測試方法，與常規的勘探和標準貫入等原位測試方法相比，具有測試快捷、經濟和節省人力等優點，在國外巖土工程勘察中得到廣泛應用。雖然我國在靜力觸探研究領域取得了一些成果，但技術水平仍停留在科研階段，與發達國家仍然存在理論研究、應用范圍等技術層面上的差距[1]。

在集裝箱碼頭重箱堆場，軌道式龍門吊行駛作業時，需要鋪設專用軌道，而軌道基礎對地基的沉降及其差異沉降非常敏感。目前國內主要結合勘探及室內土工試驗數據確定土體壓縮模量，采用傳統基礎沉降計算方法對軌道基礎沉降進行分析，但此方法無法滿足國外項目的設計需求，因為通過室內試驗測定土體壓縮模量值的費用較昂貴，且取樣過程中的擾動往往造成得出的數值并不是很準確。如何從理論上解釋實際工程中靜力觸探試驗數據結果，并直接應用國外靜力觸探測試結果對軌道基礎沉降變形進行計算分析，是本項目面臨的主要技術問題。

1 軌道基礎沉降計算理論

1.1 砂土靜力觸探機理

中東某集裝箱碼頭工程陸域回填采用吹填砂形成，通過將靜力觸探試驗參數與砂土的相對密度和變形等指標建立關系，可快速獲得砂土地基的關鍵參數，具有重要的工程實踐意義。但在不同相對密度的砂土中,靜力觸探的影響范圍各不相同,砂土中應力狀態、顆粒膠結情況、砂土應力歷史、砂土壓縮性等參數對靜力觸探試驗結果的影響也不盡相同。因此,砂土靜力觸探機理無法用統一的數學模式來描述[2]。

Robertson和Campanella總結了Schmertmann等前人研究的試驗結果,發現砂的壓縮性對錐尖阻力的影響較大，見圖1[3]。在相同的豎向有效應力和相對密度Dr的條件下,砂的壓縮性越低其錐尖阻力越大。根據已有的文獻資料[4]，可得正常固結無黏性土的錐尖阻力qc和相對密實度Dr之間的關系曲線，見圖2，可根據有效壓力及錐尖阻力值得到砂土的相對密實度Dr。

注：①線為Schmertmann使用高壓縮性的砂試驗得出的結果;②線為Baldi使用中等壓縮性的砂試驗得出的結果;③線為Villet和Mitchell使用低壓縮性的砂試驗得出的結果。

圖1 砂的壓縮性對靜力觸探錐尖阻力的影響

圖2 正常固結無黏性土的qc和Dr近似關系

1.2 軌道基礎沉降計算公式

Schmertmann提出采用一個三角形的相對應變圖來模擬應變的分布，此圖形的面積與沉降量有關。根據應變剖面圖，求出每個不同壓縮模量E的深度增量范圍中部的影響系數Iz，并考慮基礎埋置深度和時間的影響，基礎總沉降s計算公式如下：

(1)

(2)

(3)

C2=1+0.2lg(10t)

(4)

式中：Iz為土體應變影響系數；Ei為第i層土體壓縮模量；n為總層數；Δzi為基底下土層分層厚度，一般取0.5 m；Δp為基底附加應力；Izp為土體應變影響系數的峰值；σv0為對應基礎埋置深度處的地基土體初始有效自重應力(kPa)；σ′2為Izp所在深度處的地基土體初始有效自重應力(kPa)，條形基礎，Izp所在深度為B，獨立基礎，Izp所在深度為B2；C1為埋置深度影響系數；C2為蠕變影響系數；t為運營后時間，一般取1 a；C3為基礎類型影響系數，對于條形基礎，C3為1.75，對于方形基礎，C3為1.25。Schmertmann方法應用于砂土地基上條形基礎沉降計算見圖3。

注：B為條形基礎寬度(m)；D為條形基礎埋深(m)；q為基礎結構上部荷載(kPa)。

圖3 Schmertmann方法應用于砂土地基上條形基礎沉降計算

軌道基礎差異沉降可采用相鄰兩點之間的沉降量差值來計算，它的大小可按計算所得最大總沉降量的34進行估算。

2 工程實例

2.1 工程概況

中東地區某集裝箱碼頭工程主要為原有汽車、雜貨堆場改建為半自動化集裝箱專業碼頭，陸域堆場總面積約67.8萬m2，重箱堆場裝卸工藝采用軌道式龍門起重機，見圖4。

圖4 中東某集裝箱碼頭改造項目衛星圖

根據本工程P5、P6區地基處理交工報告顯示，工程采用海砂吹填造地，吹填砂層平均厚度約12 m，吹填層以砂、礫為主，細粒土含量低。吹填砂層經過振沖或強夯法加固，表層砂較密實，地基處理后進行了沉降計算分析，該區域場地在大面積使用荷載50 kPa均載作用下，總沉降值在50 mm以內，見圖5。

圖5 P5及P6區沉降計算值

2.2 設計荷載

軌道上主要運行自動化軌道龍門吊，軌距34 m、基距17 m、輪距1.05 m，每支腿4輪，最大輪壓340 kPa。根據軌道式龍門吊行走軌道所允許偏差，軌道基礎沉降要求控制為：使用期內，同一截面不均勻沉降

2.3 基礎沉降計算分析

根據項目設計報告，靜力觸探錐尖阻力qc與砂土壓縮模量E的關系為E=3qc，見圖6。

圖6 錐尖阻力qc與砂土壓縮模量E關系

軌道基礎分段長度L為30 m，軌道基礎寬度B為2.2 m，基礎埋深為0.83 m，軌道基礎為條形基礎。根據設計荷載及Schmertmann計算公式，基底以下土層按0.5 m進行分層，見圖7，讀取靜力觸探原位試驗的錐尖阻力qc。經計算，基底附加應力Δp為155.4 kPa，Izp為0.66，條形基礎的基底應變影響系數Iz簡化為三角形分布，z為地面以下土層深度(m)。

(5)

Iz=0.4B-0.1z(B

(6)

圖7 基礎沉降Schmertmann方法計算簡圖

根據本項目P5[6]及P6[7]區地基處理交工報告中靜力觸探CPT測試數據，選取P5及P6區一些代表性靜力觸探孔。采用Schmertmann方法計算在軌道使用荷載作用下軌道基礎總沉降，沉降計算值見圖8。

圖8 軌道基礎沉降計算值

砂土地基上軌道基礎最大總沉降為13 mm，軌道基礎差異沉降按總沉降34估算，小于10 mm。同時軌道基礎采用彈性地基梁結構，可調式柔性軌道固定系統后期軌道可調節高度為100 mm，完全可覆蓋所有工后沉降量，因此軌道基礎設計采用彈性地基梁結構可調式柔性軌道固定系統。由于地基沉降不均勻造成鋼軌頂面高差時，可以通過鋼軌的固定系統來進行鋼軌豎直方向的調整，使得鋼軌的軌道頂面高程滿足運營期正常使用要求。

3 結論

1)Schmertmann方法直接應用靜力觸探測試結果對軌道基礎沉降變形進行計算分析，計算公式簡單，物理意義明確。計算公式中所需參數可通過靜力觸探測試數據直接獲取，無須室內試驗及鉆探取樣，降低了勘探測試成本及周期，而且也滿足境外工程設計審查要求。

2)Schmertmann方法基于對文獻中的大量工程實例進行計算，計算所得的沉降值與實測值相當吻合，結合本項目P5及P6區沉降計算統計值對比分析，計算效果良好，滿足軌道基礎的國際設計標準。

3)各向異性、應力歷史、自然膠結作用以及超固結狀態很可能是影響土體壓縮模量的十分重要的因素，而對無黏性土尤其如此。該方法僅考慮正常固結砂土，對于超固結砂土，在沉降成為設計必須考慮的因素之一時，應仔細查明場地條件。