陳遠(yuǎn)洪

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司　武漢　430063)

石武高鐵黃淮平原區(qū)粉質(zhì)土特性試驗(yàn)研究

陳遠(yuǎn)洪

(中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司武漢430063)

摘要：石武鐵路為按車速350 km/h無(wú)碴軌道設(shè)計(jì)的高速鐵路，工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，對(duì)變形要求極為嚴(yán)格.深厚層粉質(zhì)土性質(zhì)較差、變形控制尤為困難，提供可靠的粉質(zhì)土地質(zhì)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)該類地基上路基和橋涵工程高標(biāo)準(zhǔn)沉降控制的基礎(chǔ)，對(duì)設(shè)計(jì)和施工起著重要的指導(dǎo)作用.采用土工試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)等多種方法進(jìn)行綜合勘探測(cè)試，試驗(yàn)研究黃淮平原區(qū)粉質(zhì)土特性，準(zhǔn)確獲得其特征參數(shù)和變化規(guī)律，得到粉質(zhì)土壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系曲線，掌握粉質(zhì)土單橋靜力觸探與雙橋靜力觸探的關(guān)系特征，分析粉質(zhì)土載荷試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及靜力觸探試驗(yàn)測(cè)試承載力的差異，確定準(zhǔn)確求取粉質(zhì)土承載力的經(jīng)濟(jì)實(shí)用方法.

關(guān)鍵詞：高速鐵路；粉質(zhì)土特性；沉降；綜合勘探測(cè)試

陳遠(yuǎn)洪(1975- )：男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)榈缆放c橋梁工程

0引言

石武高鐵鄭武段約300km穿越黃淮沖積平原，主要由路基和橋涵構(gòu)成，沿線廣泛分布深厚第四系地層，厚100～300m，主要由粉土、粉質(zhì)黏土組成，屬粉質(zhì)土地基，這種土介于無(wú)粘性土與粘性土之間[1]，粘粒含量較少，塑性指數(shù)小，飽水性強(qiáng)，性質(zhì)差，具壓縮性，對(duì)工程較為不利.石武鐵路為按車速350km/h無(wú)碴軌道設(shè)計(jì)的高速鐵路，工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高，對(duì)變形要求極為嚴(yán)格[2]，路基和橋梁鋪軌后允許沉降僅為15～20mm[3-4]，路基、橋涵等組成的基礎(chǔ)設(shè)施的平順性和穩(wěn)定性是確保高速行車安全、平穩(wěn)、舒適的前提條件[5].深厚層粉質(zhì)土性質(zhì)較差、變形控制尤為困難，提供可靠的粉質(zhì)土地質(zhì)參數(shù)是實(shí)現(xiàn)該類地基上路基和橋涵工程高標(biāo)準(zhǔn)沉降控制的基礎(chǔ)，同時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)和施工起著重要的指導(dǎo)作用.為此，本文采用土工試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)等多種勘探測(cè)試手段方法，通過綜合比較和驗(yàn)證分析，研究黃淮平原區(qū)粉質(zhì)土特性，確定其特征參數(shù)和變化規(guī)律.

1試驗(yàn)工點(diǎn)概況

代表性試驗(yàn)工點(diǎn)分別設(shè)于許昌和駐馬店，試驗(yàn)工點(diǎn)均屬黃淮平原區(qū)，地勢(shì)平坦開闊，出露第四系沖洪積厚層粉質(zhì)土，地下水主要為第四系孔隙潛水和弱承壓水，地下水埋深2～3m.

許昌試驗(yàn)工點(diǎn)地層分為6個(gè)主要層次：(1)2-1第四系全新統(tǒng)Q4粉質(zhì)黏土，褐黃色間有灰白色，軟塑，夾雜2%～10%姜石，粒徑5～20mm，層厚2.45～11.30m；(2)2-2第四系全新統(tǒng)Q4粉質(zhì)黏土，黃褐色及褐黃色，硬塑，層厚2.50～14.50m； (3)4-2 第四系全新統(tǒng)Q4粉土，灰黃色及褐黃色為主，局部為淺灰色，潮濕～飽和，稍密，局部地段夾雜薄層粉質(zhì)黏土及少量細(xì)小鈣質(zhì)結(jié)核，層厚1.95～8.50m；(4)4-3 第四系全新統(tǒng)Q4粉土，灰黃色及褐黃色為主，飽和，中密，局部地段夾雜薄層粉質(zhì)黏土及少量細(xì)小鈣質(zhì)結(jié)核，層厚3.9～11.5m；(5)1-4 第四系上更新統(tǒng)Q3粉質(zhì)黏土，局部夾薄層粉土，灰黃間棕黃色，硬塑，局部夾有姜石，分布不均勻，層厚3.55～36.20m；(6)4-4 第四系上更新統(tǒng)Q3粉土，灰黃色及褐黃色為主，飽和，密實(shí)，層厚3.40～20.15m.

駐馬店試驗(yàn)工點(diǎn)地層分為3個(gè)主要層次：(1)1-4 第四系上更新統(tǒng)Q3粉質(zhì)黏土，灰褐～黃褐色，軟塑，層厚約5.00～8.80m；(2)1-6 第四系上更新統(tǒng)Q3粉質(zhì)黏土，褐黃～淺黃色，硬塑，可見有針狀孔隙，含有灰黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)及結(jié)核，夾有灰綠色條帶，層厚12.20～28.50m；(3)1-8 第四系上更新統(tǒng)Q3粉質(zhì)黏土，褐黃、淺黃色，硬塑，可見有針狀孔隙，含有灰黑色鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)及結(jié)核，夾有灰綠色斑點(diǎn)，層厚1.00～36.00m.

2粉質(zhì)土特性綜合測(cè)試分析

2.1土工試驗(yàn)成果分析

1) 強(qiáng)度指標(biāo)試驗(yàn)通過室內(nèi)剪切試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在豎向壓力作用下粉質(zhì)土較之黏性土易于排水固結(jié)、強(qiáng)度提高較快，盡管粉質(zhì)土與砂土有著相似的破壞應(yīng)力水平和整體應(yīng)力發(fā)展趨勢(shì)，但粉質(zhì)土的體積收縮性顯著高于砂土的體積收縮性.通過剔除異常值，強(qiáng)度指標(biāo)變異系數(shù)較小，一般不超過0.25，表明強(qiáng)度指標(biāo)具有較好的統(tǒng)計(jì)特性，地基土層性質(zhì)較為均勻，具有良好的沉積特征和成層性，粉質(zhì)土強(qiáng)度指標(biāo)取用標(biāo)準(zhǔn)值，見表1.

表1　粉質(zhì)土強(qiáng)度指標(biāo)

2)變形指標(biāo)試驗(yàn).土層變形指標(biāo)變異系數(shù)一般不超過0.21，地基土層性質(zhì)較為均勻，粉質(zhì)土變形指標(biāo)取用平均值，見表2.粉質(zhì)土壓縮系數(shù)處于0.13～0.32之間，屬中等壓縮性土.由考慮應(yīng)力歷史的粉質(zhì)土e-lgp試驗(yàn)及表2可知，在初始階段，當(dāng)壓力小于前期固結(jié)壓力時(shí)，曲線斜率相對(duì)平緩；壓力超過超過某一值(前期固結(jié)壓力)后，曲線變陡，Q3粉質(zhì)土要陡于Q4粉質(zhì)土；回彈再壓縮曲線明顯緩于初始?jí)嚎s曲線，回彈變形遠(yuǎn)小于壓縮變形，回填變形不到壓縮變形的1/10.

表2　粉質(zhì)土變形指標(biāo)

2.2標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)成果分析

根據(jù)文獻(xiàn)[6]，粉質(zhì)土層標(biāo)貫擊數(shù)變異系數(shù)較小，一般不超過0.26，表明標(biāo)貫擊數(shù)具有較好的統(tǒng)計(jì)特性，標(biāo)貫擊數(shù)取用標(biāo)準(zhǔn)值，標(biāo)貫擊數(shù)按《工程地質(zhì)手冊(cè)》換算承載力，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)粉質(zhì)土層標(biāo)貫擊數(shù)及換算承載力見表3.

表3　粉質(zhì)土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)指標(biāo)

根據(jù)對(duì)試驗(yàn)測(cè)試的163組壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)擬和分析，各粉質(zhì)土地基壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)具有良好的相關(guān)性，隨著標(biāo)貫擊數(shù)增加，壓縮模量相應(yīng)增大，呈線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.98，見圖1，粉質(zhì)土壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)相關(guān)公式為：Es=0.26N+3.13.

2.3靜力觸探試驗(yàn)成果分析

粉質(zhì)土層靜力觸探值變異系數(shù)較小，一般不超過0.3，取用粉質(zhì)土層靜力觸探標(biāo)準(zhǔn)值見表4.由表4可知，對(duì)粉質(zhì)黏土層，單橋探頭的比貫入阻力(Ps)與雙橋探頭的錐尖阻力(qc)相比，比值為1.1～1.3，與規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)值1.1較為吻合[7]，說明規(guī)范公式對(duì)粉質(zhì)黏土是適用的；對(duì)粉土層，二者比值則為2.0～2.1，可取粉土層二者比值為2.0.

圖1　粉質(zhì)土壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)的關(guān)系曲線

工點(diǎn)項(xiàng)目單橋比貫入阻力ps/MPa雙橋錐尖阻力qc/MPa雙橋側(cè)壁阻力Fs/kPa比值ps/qc壓縮模量Es/MPa許昌駐馬店 (1)2-2Q4粉質(zhì)黏土1.21.131.51.15.9 (1)2-3Q4粉質(zhì)黏土2.42311.29 (1)4-2Q4粉土2.41.129.42.16.1 (1)4-3Q4粉土3.91.9115.7211.4(2)1-4Q3粉質(zhì)黏土1.891.4457.131.38.3(2)1-6Q3粉質(zhì)黏土3.933.43150.81.116.5

2.4載荷試驗(yàn)成果分析

圖2　許昌粉土載荷試驗(yàn)曲線

許昌表層粉土代表性載荷試驗(yàn)曲線見圖2，圖上沒有明顯的第一拐點(diǎn)和第二拐點(diǎn)，經(jīng)雙曲線擬合相關(guān)系數(shù)較高，計(jì)算得到載荷試驗(yàn)參數(shù)：承載力σo=130 kPa，極限承載力pu=625kPa，變形模量Eo=4.05MPa，壓縮模量Es=5.42MPa，基床系數(shù)Ksa=5.00MPa/m，基準(zhǔn)基床系數(shù)K1=16.39MPa/m.壓縮模量Es約為變形模量E0的1.3倍，和粉土經(jīng)驗(yàn)取值約1.2較為接近，驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)方法也適合于該粉質(zhì)土層.許昌表層粉土層載荷試驗(yàn)測(cè)得的承載力為130 kPa，靜力觸探法測(cè)得的粉土地基承載力為136 kPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)測(cè)定的粉土地基承載力為120 kPa，三者基本相同，均能很好地反映土體承載特性，故表層粉土承載力取130 kPa.

圖3　駐馬店粉質(zhì)粘土載荷試驗(yàn)曲線

駐馬店表層粉質(zhì)粘土代表性載荷試驗(yàn)曲線見圖3，圖上沒有明顯的第一拐點(diǎn)和第二拐點(diǎn)，經(jīng)雙曲線擬合相關(guān)系數(shù)較高，計(jì)算得到載荷試驗(yàn)參數(shù)：承載力σo=220 kPa，極限承載力pu=963kPa，變形模量E0=17.62MPa，壓縮模量Es=28.28MPa，基床系數(shù)Ksa=22.57MPa/m，基準(zhǔn)基床系數(shù)K1=74.03MPa/m.壓縮模量Es約為變形模量E0的1.6倍，和粉質(zhì)黏土經(jīng)驗(yàn)取值約1.7較為接近，驗(yàn)證了經(jīng)驗(yàn)方法也適合于該粉質(zhì)土層.駐馬店表層粉質(zhì)黏土載荷試驗(yàn)測(cè)得的承載力為220kPa，靜力觸探法測(cè)得的粉土地基承載力為207kPa，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)測(cè)定的粉土地基承載力為165kPa，前二者較為接近，均能較好地反映土體承載特性，而標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)換算承載力與之相差較大、不宜采用，故表層粉質(zhì)黏土承載力取220kPa.

載荷試驗(yàn)是確定承載力最準(zhǔn)確直觀的方法，但技術(shù)要求高、耗資大、費(fèi)時(shí)費(fèi)力[8]，靜力觸探法作為簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)而快速的方法，建議在沒有載荷試驗(yàn)或者少量載荷試驗(yàn)的情況下，可多采用靜力觸探法確定粉質(zhì)土地基承載力，使得載荷試驗(yàn)與靜力觸探法互為對(duì)比和補(bǔ)充.

3結(jié)論

1) 土體工程地質(zhì)特性測(cè)試是工程建設(shè)的基礎(chǔ)工作，通過取樣土工試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)等綜合勘探測(cè)試和對(duì)比驗(yàn)證，準(zhǔn)確獲取了粉質(zhì)土特性參數(shù).

2) 粉質(zhì)土地基壓縮模量與標(biāo)貫擊數(shù)具有良好的相關(guān)性，相關(guān)公式為：Es=0.26N+3.13.

3) 對(duì)于粉質(zhì)黏土層，單橋靜力觸探的貫入阻力與雙橋靜力觸探的錐尖阻力比值與規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)值1.1較為吻合；對(duì)于粉土層，二者比值則為2.0.

4) 與載荷試驗(yàn)結(jié)果相比，粉土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)換算承載力與之基本吻合、可作為參考，而粉質(zhì)黏土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)換算承載力與之相差較大、不宜采用.

5) 許昌表層粉土層及駐馬店表層粉質(zhì)黏土層載荷試驗(yàn)測(cè)得的承載力與靜力觸探法測(cè)試值基本相同，能較好地反映土體承載特性.載荷試驗(yàn)耗費(fèi)大，在沒有載荷試驗(yàn)或者少量載荷試驗(yàn)的情況下，可多采用靜力觸探法確定粉質(zhì)土地基承載力，使得載荷試驗(yàn)與靜力觸探法互為對(duì)比和補(bǔ)充.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]鐵道部第一勘探設(shè)計(jì)院.TB10012-2001鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2007．

[2]鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.TB10621-2009高速鐵路設(shè)計(jì)規(guī)范(試行)[S]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2010.

[3]中華人民共和國(guó)鐵道部.客運(yùn)專線鐵路無(wú)砟軌道鋪設(shè)條件評(píng)估技術(shù)指南[S].北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

[4]陳善雄，宋劍，周全能，等.高速鐵路沉降變形觀測(cè)評(píng)估理論與實(shí)踐[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，2010.

[5]鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.TB10035-2002鐵路特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2006．

[6]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50021-2001巖土工程勘察規(guī)范[S]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009 .

[7]鐵道第四勘察設(shè)計(jì)院.TB10018-2003 鐵路工程地質(zhì)原位測(cè)試規(guī)程[S]．北京：中國(guó)鐵道出版社，2003.

[8]FRANKEE，KLUBERE.Pilesgroupunderhorizontalload[J].Bouingnieur，1989，64：19-26．

中圖法分類號(hào)：U238

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.051

收稿日期：2014-00-00

ExperimentalStudyonSiltySoilCharacteristicsof
SiwuHigh-speedRailwayintheHuanghuaiPlain

CHENYuanhong

(China Railway Fourth Survey and Design Institute Group CO., LTD, Wuhan 4300063, China)

Abstract：Shiwu high-speed railway is running at the speed of 350km/h according to ballastless track designed, the technical standard of engineering is high, the deformation requirements are extremely strict, the properties of deep layer of silty soil are poor and deformation control is particularly difficult, providing the reliable geological parameters of silty soil is the foundation to realize the high standard settlement control of the roadbed and bridge and culvert engineering in this ground, and the role is important to direct the design and construction of the engineering. Comprehensive exploration test has been developped by multiple methods of soil test, standard penetration test, the static cone penetration test, and load test, it has been tested and studied on silty soil characteristics in the Huang Huai plain, the characteristic parameters and variation rules have been exactly obtained, silty soil relation curve between compression modulus and standard penetration test number has been obtained, relationship characteristic between single bridge cone penetration test and double bridges cone penetration test has been mastered, analyzing the difference of silty soil bearing capacity by measurements of load test and standard penetration test and static cone penetration test, the economic and practical method has been deterimined to obtain the exact bearing capacity of silty soil.

Key words：high-speed railway； silty soil characteristics； settlement； comprehensive exploration test