經夯壓實碎石類土力學指標確定方法探討

宮浩亮 甄振 萬燕龍

摘要：對大量平板載荷試驗和現場大面積剪切試驗成果進行對比研究與分析，結合超重型動力觸探N120試驗成果的有效驗證，發現相比于大量平板載荷試驗和超重型動力觸探N120試驗，采用大面積剪切試驗得到的土體的承載力特征值更可靠。

關鍵詞：平板載荷試驗；大面積剪切試驗；承載力特征值；抗剪強度；變形模量

0? ?引言

長江中下游地區的原料場大多使用長寬分別為360m和50m的A型料條，原料場的地基土采用強夯或排水固結處理。為了響應國家環保發展要求，需將A型原料場進行智能化升級改造為堆填高度在23m以上的B型料條，這對地基的承載變形提出了更大挑戰性。而對地基土的密度、孔隙比、含水量、壓縮性和抗剪強度等力學性質指標進行準確評價，有助于選擇合適的地基加固方案，提高地基土的承載力和抗變形能力。

超重型動力觸探試驗在現場勘查中，通常采用錘擊數修正值來確定地基土體的基本力學特性[1]。但是錘擊數修正值法是一種經驗性方法，需要大量的試驗數據來建立修正系數。在現場勘查中，直接利用錘擊數修正值來確定地基土的力學參數誤差較大。平板載荷試驗[2]通常用于評估土壤的壓縮特性和地基的承載能力。現場剪切試驗[3]是一種用于測量土壤抗剪強度的測試方法。由于3種方法各有優缺點，因此采用何種方法去測量夯壓實碎石類土的力學參數，仍有待進一步研究[4]。

本文針對馬鋼原料場的地基土的力學性質進行測量，對比采用平板載荷、現場剪切和超重型動力觸探N120等3種勘探方法得到的數據，并通過有限元和工程試驗樁的檢測進行驗證，發現相比于大量平板載荷試驗和超重型動力觸探N120試驗采用大面積剪切試驗得到的土體承載力特征值更可靠。

1? ?碎石類土詳細分類

根據碎石的大小、形狀和含量，碎石類土可以進一步分類如下：

碎石質沙土是含有大量的碎石顆粒，其粒徑在2mm以上，且沙子含量較高，該類型土壤的透水性好；碎石質壤土是含有適量的碎石顆粒，其粒徑在0.2～2mm之間，透水性良好；碎石質粘土是含有適量的碎石顆粒，其粒徑小于0.2mm，同時粘土顆粒含量較高，水分保存能力強，透水性較差；碎石質砂壤土是含有大量的碎石顆粒，其粒徑在0.2～2mm之間，且沙子含量較高。碎石質礫壤土是含有大量的碎石顆粒，其粒徑在2mm以上，其土壤透水性良好，但容易流失。

2? ?錘擊數標準值確定

超重型動力觸探錘擊數標準值如表1所示。由表1可知，塊石填土的錘擊數標準值最大，碎石填土和礫石填土的錘擊數標準值次之，黏粒混礫石填土的錘擊數標準值最小。塊石填土的承載力特征值最大為580kPa，黏粒混礫石填土的承載力特征值最最小為240kPa。

塊石填土中含有大塊的石頭或巖石，這些大塊的石頭或巖石會形成土體中的骨架結構，增加土體的剛度和強度，因此需要更大的錘擊數來振實土體，以達到預期的固結效果。碎石填土和礫石填土由于顆粒間隙較大，存在較多的空隙，相對來說土體的剛度和強度相對較低，需要較少的錘擊數來達到固結效果。黏粒混礫石填土中含有較多的黏土和有機質等膠結物質，這些物質會填充顆粒間隙，增加土體的粘聚力和內聚力，使土體的剛度和強度提高，因此需要較少的錘擊數來達到相應的固結效果。

總之，不同類型的填土具有不同的力學特性，需要根據實際情況進行相應的錘擊數標準值確定，以確保填土的固結效果和穩定性。

3? ?試驗方法

3.1? ?平板載荷試驗

平板載荷試驗是一種原位試驗方法，用于確定地基土的承載能力。通過對試驗數據進行處理和分析。得到地基土的彈性模量和極限承載力。

采用邊長為2m的正方形鋼板作為試驗板，并在上方施加800t的重力，平板載荷試驗結果見表2。由表2可知，不同填土的承載力特征值和變形模量平均值不同。

3.2? ?大面積剪切試驗

大面積剪切試驗是一種測定土壤抗剪強度的試驗方法之一。在這種試驗中，土壤樣品被壓縮成一個圓柱形，然后在圓柱形的兩端施加剪切力，以測定土壤的抗剪強度。

現場采用的圓柱形剪力盒面積為1m2，并采用平堆法在試驗板上施加6t的重力，每一類土分別選擇3個試驗點，設置6組試驗，整個試驗共設置36組實驗，大面積剪試驗見結果表3。塊石填土、碎石填土、礫石填土、黏粒混礫石填土的內聚力呈遞增，而內摩擦角呈遞減。

3.3? ?承載力特征值擬合效果

相關試驗結果顯示，所有填土的承載力特征值經驗公式的擬合度均在95%以上，所有填土的變形模量經驗公式系數的擬合度均在92%以上，由此說明承載力特征值和變形模量的擬合方程的擬合效果比較好。

4? ?力學參數確定

4.1? ?試驗參數分析

對比超重型動力觸探錘擊、平板載荷試驗和按照規范得到的抗剪強度計算承載力特征值，可得到4類土的承載力特征值。

超重型動力觸探錘擊試驗方法是一種簡單和快速的方法，能夠提供土層厚度和地基類型的信息，但它僅僅提供地基的動態性質，難以獲得地基的靜態性質和一些其他參數，如地基的形狀、深度等。

平板載荷試驗方法提供了地基的靜態性質，并且能夠更精確地計算承載力特征值；但它需要更多的時間和成本，且需要更多的儀器和設備。規范計算得到的抗剪強度方法簡單易用，成本低廉，但它需要依賴于土壤或巖石的性質和類型，且可能會導致一定的誤差。

這3種方法各有優勢，選擇哪種方法應該取決于具體應用場景和需要。使用超重型動力觸探試驗在判定填土在垂直的均勻性時，易受到夯實方法、夯實頻率、夯實時間和夯實壓力等因素影響，且試驗數據容易受到顆粒之間隙縫和不均勻分布影響，從而導致測量數據誤差較大。

平板載荷試驗的測試結果，會受到堆料位置、土壤類型、試驗面積、測試深度和堆料場中的土壤可能存在變形和沉降的影響，導致測試結果存在較大差異性，因此不可靠。而大面積剪試驗的測試結果與超重型動力觸探試驗具有一致性。

4.2? ?按礦料堆工況反演分析

在礦料堆工況反演分析模型中，將梯形的高設為13m，下底部寬設為45m，上頂部寬設為14m，鐵礦粉的重度為3.30t/m3，靜堆積角為40°。模型參數如圖1所示。根據反演分析，計算堆料中的最大堆高段承載力特征值和堆料肩部的特征值如下：

（1）

計算結果顯示，料堆中心的承截力特征值不低于429kPa，肩部不低于214.5kPa。

5? ?巖土勘察工程應用

5.1? ?工程概況

馬鋼股份港務原料總廠有A至E共5個料條，C型料條有2個。老料條地基采用“排水板+強夯”處理。強夯土由開山塊石、石渣和黏性土等混合組成。處理區域的長寬分別為600m和330m，堆料區的歷史最高高度為13m。

5.2? ?填土主要成分

馬鋼股份港務原料總廠的夯壓實土主要顆粒含量與成份如表4所示。

5.3? ?勘察手段與方法

現場重度測試和原位測試是兩種常見的現場勘察方法。現場重度試驗是指測量單位容積原狀土壤干土的重量的試驗，目的是了解土壤固體顆粒和土壤孔隙的狀況。原位測試主要采用載荷試驗、靜力觸探試驗和波速測試。其中，載荷試驗是對土體施加一定的荷載，測定土體的變形和應力等參數，以確定土體的力學性質。

靜力觸探試驗是指在鉆孔過程中，利用靜力作用測定土體的抗壓強度和變形模量等參數。波速測試是指利用機械設備或工具，在巖層中鉆孔，并采用剪切波波速測試等方法，了解地質情況的手段。

通過對原位測試、變形觀測以及反演計算的數據，分析得到各夯壓碎石類土的各種力學參數信息見表5。對該原料廠的現場原位試驗得到的多組數據，采用有限元軟件進行驗算，并對工程試驗樁的承載力進行檢測，發現現場原位試驗得到的土體力學參數是可靠的。

6? ?結束語

本文針對馬鋼原料場的地基土的力學性質進行研究，對比采用平板載荷、現場剪切和超重型動力觸探N120等3種勘探方法得到的數據，并通過有限元和工程試驗樁的檢測進行驗證。

塊石填土的錘擊數標準值最大，碎石填土和礫石填土的錘擊數標準值次之，黏粒混礫石填土的錘擊數標準值最小，塊石填土的承載力特征值最大為580kPa，黏粒混礫石填土的承載力特征值最最小為240kPa，主要是因為這些土壤的力學特性不同。不同類型的填土具有不同的力學特性，為此需要根據實際情況進行相應的錘擊數標準值的制定，以確保填土的固結效果和穩定性。

大面積剪試驗發現，塊石填土、碎石填土、礫石填土、黏粒混礫石填土的內聚力呈遞增，而內摩擦角呈遞減，大面積剪試驗的測試結果與與超重型動力觸探試驗具有一致性，其測試數據的可靠度高。

在超重型動力觸探試驗分析中，承載力特征值和變形模量的估算公式的擬合度分別在95%和92%以上，因此承載力特征值和變形模量的擬合方程的擬合效果比較好。

通過對原位測試、變形觀測以及反演計算的數據，分析得到各夯壓碎石類土的承載力和變形模量建議值。采用有限元的穩定性驗算，對復合地基工程試樁現場測試得到的土的物理力學指標的可靠性較高。

參考文獻

[1] 王婷灝.動力觸探試驗有關問題商榷[J].西部探礦工程，2007，19（1）：4（z1）：431-439.

[2] 翟洪飛，高云.載荷試驗沉降與承壓板尺寸關系的分析[J].西部探礦工程，2008，（10）：219-221.

[3] 巖土體現場直剪試驗規程 HG/T 20693-2006.

[4] 建筑地基基礎設計規范GB50007—2011.中國建筑工業出版社.