易 鑫 潘瑞林 孫寶忠

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

原位測(cè)試在地鐵勘察巖土參數(shù)求取中的應(yīng)用

易 鑫 潘瑞林 孫寶忠

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，北京 100055)

以太原地鐵2號(hào)線為例，運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)貫入、靜力觸探、旁壓、扁鏟側(cè)脹、十字板剪切等多種原位測(cè)試方法，求取巖土體的靜止側(cè)壓力系數(shù)、基床系數(shù)、地基土承載力、變形模量等巖土力學(xué)參數(shù)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果及規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)值，綜合確定巖土參數(shù)建議值。

原位測(cè)試 地鐵 工程勘察 巖土參數(shù)

1 主要巖土力學(xué)參數(shù)的原位測(cè)試求取方法

1.1 靜止側(cè)壓力系數(shù)

(1)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)

靜止側(cè)壓力系數(shù)K0，可通過(guò)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)成果中土的水平應(yīng)力指數(shù)KD與K0的關(guān)系式求取，依據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10041-2003)[1]公式12.4.7計(jì)算

(適用于KD為1.5～4.0的一般飽和黏性土)

(2)室內(nèi)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)公式

靜止側(cè)壓力系數(shù)K0也可采用室內(nèi)試驗(yàn)、經(jīng)驗(yàn)公式法求取。室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定方法有側(cè)壓力儀法與三軸儀法。經(jīng)驗(yàn)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(nèi)摩擦角。

1.2 基床系數(shù)

(1)旁壓試驗(yàn)

預(yù)鉆式旁壓計(jì)算水平基床系數(shù)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(shí)旁壓器對(duì)應(yīng)的徑向位移，P0為初始?jí)毫?，R0為初始?jí)毫r(shí)旁壓器對(duì)應(yīng)的徑向位移。但上式所算的基床系數(shù)主要是旁壓試驗(yàn)彈性階段的值，實(shí)際工程當(dāng)中多為彈-塑性階段或塑性階段，計(jì)算值與規(guī)范和實(shí)際值偏差較大。實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)結(jié)合土類、工況環(huán)境、應(yīng)力條件乘以相應(yīng)的修正系數(shù)[6]，黏性土修正系數(shù)為0.25～0.34，飽和砂土層修正系數(shù)為0.20～0.30。

(2)扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)

飽和黏性土、飽和砂土及粉土的水平基床系數(shù)Kh可采用《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10041—2003)公式12.4.9計(jì)算

Kh=0.2kh；kh=1 817(1-A)(p1-p0)

式中，kh為側(cè)脹儀抗力系數(shù)，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(shù)，可參考表1選取。

表1 飽和土的A值

(3)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

基床系數(shù)可采用《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307—2012)[2]給出的基床系數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系計(jì)算，即K=(1.5～3..0)N。通過(guò)標(biāo)貫擊數(shù)求取垂直、水平基床系數(shù)可按以下公式[7]計(jì)算：垂直基床系數(shù)KV=2N；水平基床系數(shù)Kh=4N。

(4)室內(nèi)試驗(yàn)及規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值

基床系數(shù)可采用通過(guò)室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)中壓縮模量計(jì)算[8]求取。對(duì)于砂土、粉土，計(jì)算公式為KV≈1.85ES1-2、對(duì)于黏性土，計(jì)算公式為KV≈3.30ES1-2。也可根據(jù)巖土類別、狀態(tài)、密實(shí)度，參考《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307—2012)附錄H中經(jīng)驗(yàn)值選取。

1.3 地基承載力

(1)旁壓試驗(yàn)

根據(jù)旁壓試驗(yàn)特征值計(jì)算一般土的地基土承載力，可采用臨塑荷載法公式計(jì)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?jí)毫Α?/p>

式中fak為地基土承載力特征值；pL為極限壓力；p0為初始?jí)毫Γ籉S為安全系數(shù)，一般取2～3，也可根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定[4]。

(2)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)外關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)確定地基承載力的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式較多，可參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)[4]相關(guān)內(nèi)容選取。

黏性土、粉土通過(guò)標(biāo)貫擊數(shù)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(yàn)

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

(4)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值

地基基本承載力可根據(jù)巖土類別、狀態(tài)，參考《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》(TB10012—2007)[3]附錄D中經(jīng)驗(yàn)值選取。

1.4 變形模量

(1)旁壓試驗(yàn)

旁壓試驗(yàn)確定土的變形模量E0，可通過(guò)旁壓剪切模量Gm與變形模量E0的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系求取。

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

表3 變形模量轉(zhuǎn)換系數(shù)K

(2)靜力觸探試驗(yàn)

靜力觸探試驗(yàn)確定土的變形模量E0參考《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10041—2003)中表10.5.18-2中相應(yīng)公式求取。

(3)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

國(guó)內(nèi)外關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)確定土的變形參數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式較多，可參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)相關(guān)內(nèi)容選取。標(biāo)貫擊數(shù)確定土的變形模量E0選用Webbe關(guān)系式[9]E0=2.0+0.6N求取。

(4)理論公式計(jì)算

1.5 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度

(1)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)N確定無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu，可采用Terzaghi和Peck建立了N與qu的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系進(jìn)行，見(jiàn)表4。

表4 N與稠度狀態(tài)和無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度的關(guān)系

(2)室內(nèi)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)查表

室內(nèi)采用應(yīng)變控制式無(wú)側(cè)限壓縮儀試驗(yàn)求取無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，同時(shí)也可參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)表3-1-33選取。

1.6 土靈敏度

(1)十字板剪切試驗(yàn)

通過(guò)十字板剪切試驗(yàn)求取飽和軟黏性土的靈敏度St，可采用《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10041—2003)公式6.4.3計(jì)算

(2)室內(nèi)試驗(yàn)及經(jīng)驗(yàn)查表

室內(nèi)可根據(jù)原狀土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度與重塑土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度之比取得

同時(shí)也可參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)表3-1-34選取。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程地質(zhì)條件

太原軌道交通2號(hào)線一期工程人民南路—化章街站段共2站1區(qū)間，1條出入線，全長(zhǎng)2.815 km。車站與出入線采用明挖法施工，區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，結(jié)構(gòu)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(kāi)闊平坦，主要地層如下。

(1)第四系全新統(tǒng)沖、洪積地層(Q4al+pl)

粉質(zhì)黏土(2-2)：黃褐色，軟塑-可塑；

黏質(zhì)粉土(2-3-1)：灰褐色，稍密，潮濕—飽和；

粉細(xì)砂(2-4-1)：灰褐色，稍密，飽和；

粉細(xì)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(tǒng)沖、洪積層(Q3al+pl)

粉質(zhì)黏土(3-3)：黃褐色，可塑；

黏質(zhì)粉土(3-4-1)：灰黃色，中密，飽和；

粉細(xì)砂(3-5)：褐黃色，密實(shí)，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(yīng)用成果

在該段線路的巖土工程勘察中，運(yùn)用了多種原位測(cè)試手段，包括標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)、十字板剪切試驗(yàn)。完成工作量：靜力觸探完成707.6 m/37孔，旁壓試驗(yàn)完成119點(diǎn)/12孔，扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)完成515點(diǎn)/13孔，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)完成2614次/168孔，十字板剪切試驗(yàn)完成38點(diǎn)/10孔。多種原位測(cè)試手段在求取靜止側(cè)壓力系數(shù)、基床系數(shù)、地基承載力、變形模量等參數(shù)上進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。同時(shí)，結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)成果以及規(guī)范經(jīng)驗(yàn)，綜合給出了各土層物理力學(xué)參數(shù)的建議值。

各地層靜止側(cè)壓力系數(shù)綜合選取見(jiàn)表5。

表5 土的靜止側(cè)壓力系數(shù)K0

①室內(nèi)試驗(yàn)值為各層平均值；

②扁鏟試驗(yàn)采用《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10041—2003)按公式12.4.7計(jì)算得；

③經(jīng)驗(yàn)公式法采用K0=0.95-sinφ′(黏性土)、K0=1-sinφ′(砂性土)；

④查表法依據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)表3-1-25。

各地層垂直、水平基床系數(shù)綜合選取見(jiàn)表6、表7。

表6 垂直基床系數(shù)統(tǒng)計(jì)表KV MPa/m

①壓縮模量計(jì)算：對(duì)于砂土、粉土，計(jì)算公式為Kv≈1.85×ES1-2、對(duì)于黏性土，計(jì)算公式為Kv≈3.30×ES1-2；

②標(biāo)貫經(jīng)驗(yàn)公式法采用Kv=2N；

③規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值按《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307—2012)附錄H。

表7 水平基床系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Kh MPa/m

①扁鏟試驗(yàn)采用《鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程》(TB10041—2003)按公式12.4.9計(jì)算得；

②標(biāo)貫經(jīng)驗(yàn)公式法采用Kh=4N；

③規(guī)范經(jīng)驗(yàn)值按《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》(GB50307—2012)附錄H。

各地層地基承載力綜合選取見(jiàn)表8。

表8 地基土承載力特征值fak kPa

注：《TB10012—2007》為《鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)確定的承載力分別見(jiàn)表6.3.2、6.3.4及6.3.1。

各地層變形模量綜合選取見(jiàn)表9。

表9 變形模量E0 MPa

主要地層的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度綜合選取見(jiàn)表10。

表10 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度qu kPa

注：①經(jīng)驗(yàn)查表法依據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)表3-1-33；

②標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)確定法按《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)表3-3-7。

飽和軟黏土及軟粉土的靈敏度選取見(jiàn)表11。

表11 靈敏度St

3 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合太原地鐵2號(hào)線勘察應(yīng)用實(shí)例對(duì)靜止側(cè)壓力系數(shù)、基床系數(shù)、地基承載力、變形模量、無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度、靈敏度的求取方法進(jìn)行了總結(jié)，可為同類工程中以上各參數(shù)建議值的選取提供參考。

[1] GB50307—2012城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范[S]

[2] TB10018—2003 J261—2003鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程 [S]

[3] TB10012—2007 J124—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[4] 常士驃，張?zhí)K民.工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2007

[5] 潘瑞林，等.地鐵勘察中綜合方法確定基床系數(shù)[J].鐵道勘察，2013,39 (3)

[6] 劉志強(qiáng)，劉興云，等.旁壓試驗(yàn)在地鐵勘察中的應(yīng)用[J]. 廣州建筑，2006(5)

[7] 林宗元，等.巖土工程治理手冊(cè)[M].沈陽(yáng):遼寧科學(xué)技術(shù)出版社,1993

[8] 仲鎖慶.關(guān)于用室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)方法確定地基土基床系數(shù)的探討[J].巖土工程界，2004,7(12)

[9] 易廟子.原位測(cè)試求取巖土參數(shù)應(yīng)用總結(jié)[J].城市勘測(cè)，2013(2)

[10]高大釗，等.土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)[M].北京:人民交通出版社,2001

ApplicationofObtainingGeotechnicalParametersthroughIn-situtestinMetroInvestigation

YI Xin PAN Rui-lin SUN Bao-zhong

2014-02-20

易 鑫(1982—)，男，2009年畢業(yè)于中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京)地下建筑工程專業(yè)，碩士，工程師。

1672-7479(2014)03-0034-04

TU413

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