原位測(cè)試在巖土工程勘察中的應(yīng)用研究

徐慶功

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司,沈陽(yáng) 110006)

0 前 言

近年來(lái)巖土工程勘察在資源開(kāi)發(fā)、各類(lèi)工程建設(shè)領(lǐng)域均發(fā)揮著重要作用[1],勘察工作主要為:地質(zhì)測(cè)繪、鉆探、原位測(cè)試、取樣與室內(nèi)試驗(yàn)[2]。

快速準(zhǔn)確確定各層巖土體的物理力學(xué)參數(shù)一直是困擾工程界的技術(shù)難題[3],由于現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試對(duì)巖土體擾動(dòng)小,且能夠較為準(zhǔn)確獲取巖土體在自然狀態(tài)的各項(xiàng)物理力學(xué)參數(shù),應(yīng)用效果廣泛、明顯[4]。

文章以盤(pán)錦凈水廠巖土工程勘察項(xiàng)目為依托,針對(duì)表層軟塑狀態(tài)粉質(zhì)黏土層,主要進(jìn)行靜力觸探、十字板剪切試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),并與室內(nèi)試驗(yàn)成果進(jìn)行對(duì)比分析,評(píng)價(jià)該軟土地基的物理力學(xué)性質(zhì)。

1 原位測(cè)試技術(shù)特征

原位測(cè)試是在巖土體原位置,基本保持天然應(yīng)力狀態(tài)、結(jié)構(gòu)、含水率等,測(cè)定物理力學(xué)性質(zhì),并評(píng)價(jià)其強(qiáng)度、變形等性能狀態(tài)[5]。原位測(cè)試主要包括:①變形特性試驗(yàn);②抗剪強(qiáng)度試驗(yàn);③觸探試驗(yàn);④滲透性試驗(yàn)等[6]。

相比于室內(nèi)土工試驗(yàn),原位測(cè)試優(yōu)勢(shì)在于:①擾動(dòng)小,更能真實(shí)反映原位巖土體的天然物理力學(xué)性質(zhì)[7];②可針對(duì)地基土任意部位進(jìn)行,測(cè)試范圍廣泛,可連續(xù)測(cè)試,測(cè)試全面[8]。但部分指標(biāo)參數(shù)很難通過(guò)單一測(cè)試獲取,仍需多種方法相互驗(yàn)證,與室內(nèi)試驗(yàn)綜合分析[9]。

原位測(cè)試未來(lái)應(yīng)用前景將更廣泛,測(cè)試手段也將更自動(dòng)化[10]。

2 工程地質(zhì)概況

盤(pán)錦凈水廠位于盤(pán)錦市大洼區(qū)榮興鎮(zhèn),南距濱海大道約1000m,東距和運(yùn)路約400m,交通便利。

工程區(qū)地貌類(lèi)型為濱海洼地沖海平原,地形平坦,現(xiàn)為蘆葦蕩,現(xiàn)地面高程2.5～3.2m。本區(qū)地表地層主要為第四系全新統(tǒng)沖海積(Qhfm),以黏性土、砂土為主。

勘察期間地下水位埋深0.3～1.0m,高程1.8～2.2m。地下水類(lèi)型為第四系孔隙潛水,微承壓性,地下水主要受潮汐、大氣降水、附近河水補(bǔ)給,以地表、地下徑流、人工抽水及蒸發(fā)、蒸騰等形式進(jìn)行排泄。

場(chǎng)區(qū)距入海口約5km,受海水潮汐作用明顯。環(huán)境水中Cl-含量較高,對(duì)混凝土中鋼筋、鋼結(jié)構(gòu)均具強(qiáng)腐蝕性。

3 表層粉質(zhì)黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)

盤(pán)錦凈水廠表層為粉質(zhì)黏土,呈灰黑色,處于含欠固結(jié)狀態(tài),含水率高,基本為飽和狀態(tài),軟塑狀態(tài)為主,中等～高壓縮性,抗剪強(qiáng)度較低,鉆探揭露層厚3.1～4.7m。通過(guò)對(duì)該層采用薄壁取土器取樣、室內(nèi)試驗(yàn),粉質(zhì)黏土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表1。

表1 粉質(zhì)黏土層物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

5 力學(xué)參數(shù)估算

5.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(SPT),是將一定質(zhì)量(63.5kg)重錘,將標(biāo)貫器貫入土45cm(其中前15cm為預(yù)打),通過(guò)錘擊數(shù)判別土層工程性質(zhì)。作為巖土工程勘察可靠的原位測(cè)試方法,在地震液化判別、黏性土及砂土狀態(tài)判別、計(jì)算地基承載力、土層均勻性等方面廣泛應(yīng)用,并積累了豐富的工程經(jīng)驗(yàn)[11]。

本次勘察對(duì)表層粉質(zhì)黏土進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn),對(duì)試驗(yàn)錘擊數(shù)進(jìn)行桿長(zhǎng)修正,剔除異常值后,進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì),評(píng)價(jià)地基土性質(zhì)、確定相關(guān)力學(xué)參數(shù)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表2。

表2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)統(tǒng)計(jì)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)表明該層土標(biāo)貫擊數(shù)2.5～5.3,平均3.1擊,建議值3.0擊,土體偏軟,但較均勻。

5.2 十字板剪切試驗(yàn)(VST)

十字板剪切試驗(yàn)(VST)(文章采用自鉆式),是用標(biāo)準(zhǔn)十字板鉆入土中預(yù)定深度,以一定速率扭轉(zhuǎn),直到將土體剪切破壞,自動(dòng)記錄土體破壞時(shí)抵抗力矩。試驗(yàn)成果一般用來(lái)獲取飽和軟黏土不排水抗剪強(qiáng)度Cu、靈敏度St、計(jì)算地基承載力、評(píng)價(jià)地基處理效果等[12]。

本次勘察針對(duì)場(chǎng)地表層粉質(zhì)黏土承載力偏低,易擾動(dòng)的特點(diǎn),布置十字板剪切試驗(yàn),機(jī)器型號(hào)為KE-2103型靜探微機(jī)外接電測(cè)十字板探頭。十字板剪切強(qiáng)度采用土體破壞時(shí)峰值強(qiáng)度,先測(cè)試原狀土不排水抗剪強(qiáng)度Cu,經(jīng)充分?jǐn)_動(dòng)后測(cè)試重塑土不排水抗剪強(qiáng)度Cu＇,靈敏度計(jì)算公式St=Cu/Cu＇。本次針對(duì)表層粉質(zhì)黏土共布置6個(gè)試驗(yàn)孔,測(cè)試深度分別為0.5、1.5、2.5、3.5m,共24個(gè)測(cè)試點(diǎn)。十字板剪切試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表,見(jiàn)表3。

表3 十字板剪切試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

十字板剪切試驗(yàn)計(jì)算地基承載力采用《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第五版)中所列中國(guó)建筑科學(xué)研究院、華東電力設(shè)計(jì)院的公式,計(jì)算公式為:

q=2Cu+γh

(1)

式中:q為地基承載力,kPa;Cu為修正后的十字板抗剪強(qiáng)度,kPa;γ為土的重度,kN/m3;h為基礎(chǔ)埋置深度,m,本工程按2.0m考慮。十字板剪切試驗(yàn)計(jì)算地基承載力,見(jiàn)表4。

表4 十字板剪切試驗(yàn)計(jì)算地基承載力

十字板剪切試驗(yàn)成果表明:該土層原狀土不排水抗剪強(qiáng)度Cu為30kPa,重塑土不排水抗剪強(qiáng)度Cu＇為12kPa,數(shù)據(jù)有一定離散性,說(shuō)明土體局部不均勻。中等靈敏性,地基承載力特征值98kPa。

5.3 靜力觸探試驗(yàn)(CPT)

靜力觸探試驗(yàn)(CPT),是將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的觸探頭以一定壓力勻速壓入土中,根據(jù)不同土層探頭所受阻力不同,探頭傳感器記錄入土?xí)r所受貫入阻力。是一種常規(guī)的原位測(cè)試方法,成果曲線能很好的反映地層變異特性,且所測(cè)得錐尖阻力qc與地基承載力具有緊密的線性相關(guān)性。適用于軟黏土、粉土、砂土,可進(jìn)行力學(xué)分層、估算土的塑性狀態(tài)、壓縮性、地基承載力、砂土液化判別等。

本次勘察為掌握了軟土的基本性質(zhì)指標(biāo),為進(jìn)一步查明工程區(qū)表層粉質(zhì)黏土的物理力學(xué)性質(zhì),共布置6個(gè)靜力觸探試驗(yàn)孔,測(cè)試深度至15m,文章僅分析表層粉質(zhì)黏土測(cè)試成果。所用機(jī)器型號(hào)為KE-2103型靜探微機(jī)外接雙橋探頭,可同時(shí)獲得錐尖阻力qc、側(cè)壁阻力fs,按公式摩阻比Rf=fs/qc×100%。剔除異常值后進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì),靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果數(shù)理統(tǒng)計(jì),見(jiàn)表5。

表5 靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果數(shù)理統(tǒng)計(jì)

靜力觸探試驗(yàn)確定地基承載力采用《巖土工程勘察技術(shù)規(guī)程》(遼寧省地方標(biāo)準(zhǔn))(DB21/T1564.1～14-2007)中所列,靜力觸探錐尖阻力及地基承載力特征值,見(jiàn)表6;靜力觸探試驗(yàn)計(jì)算地基承載力,見(jiàn)表7。

表6 靜力觸探錐尖阻力及地基承載力特征值

表7 靜力觸探試驗(yàn)計(jì)算地基承載力

靜力觸探試驗(yàn)表明:該土層錐尖阻力qc為0.5MPa,側(cè)壁阻力fs為12kPa,摩阻比Rf為4.5%,原狀土不排水抗剪強(qiáng)度Cu為31kPa,地基承載力特征值為95kPa。(采用同濟(jì)大學(xué)針對(duì)濱海相軟黏土提出的原狀土不排水抗剪強(qiáng)度Cu計(jì)算公式:Cu=0.071qc+1.28。)

綜合上述原位測(cè)試及室內(nèi)試驗(yàn)成果,結(jié)合本工程特點(diǎn)及工程經(jīng)驗(yàn),按最小值給出場(chǎng)址區(qū)表層粉質(zhì)黏土地基承載力建議值,粉質(zhì)黏土層承載力特征值統(tǒng)計(jì)表,見(jiàn)表8。

表8 粉質(zhì)黏土層承載力特征值統(tǒng)計(jì)表

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)換算地基承載力采用《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》DB21/T 907-2015。

6 原位測(cè)試對(duì)比分析

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)操作相對(duì)較簡(jiǎn)潔,應(yīng)用普遍,可通過(guò)錘擊數(shù)判斷土體的狀態(tài),并計(jì)算承載力,在黏性土、砂土場(chǎng)地適用性較強(qiáng)。

十字板試驗(yàn),能直接測(cè)定原狀土不排水抗剪強(qiáng)度Cu、重塑土不排水抗剪強(qiáng)度Cu＇,可計(jì)算得靈敏度St、地基承載力,在飽和軟黏土地基使用效果較好。

靜力觸探試驗(yàn)直接測(cè)定原狀土體錐尖阻力qc、側(cè)壁阻力fs,可換算原狀土不排水抗剪強(qiáng)度Cu、摩阻比Rf、地基承載力,具有連續(xù)、快速、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。

三種原位測(cè)試方法按規(guī)范法計(jì)算的承載力具有統(tǒng)計(jì)意義,均能得到準(zhǔn)確、供設(shè)計(jì)使用的力學(xué)參數(shù)值。

7 結(jié)論與建議

通過(guò)對(duì)盤(pán)錦凈水廠表層粉質(zhì)黏土進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)等成果進(jìn)行綜合對(duì)比分析,得出如下結(jié)論:

1)綜合給出該層承載力特征值建議值90kPa;原位測(cè)試能較好反映土的實(shí)際狀態(tài),三種方法得出的承載力相近,但室內(nèi)試驗(yàn)則相對(duì)偏高;

2)通過(guò)靜力觸探試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)獲取土的抗剪強(qiáng)度基本一致,比室內(nèi)試驗(yàn)合理,在軟黏土地基使用效果較好;

3)在盤(pán)錦地區(qū)軟土勘察中,建議采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)為主,十字板剪切試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)作為參考、輔助;

4)通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)與多種原位測(cè)試成果對(duì)比分析,相互驗(yàn)證,選取更加科學(xué)、合理的物理力學(xué)參數(shù),對(duì)準(zhǔn)確評(píng)價(jià)地基土性質(zhì)意義重大。