何維維

(中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032)

靜力觸探作為一種原位測(cè)試方法，與常規(guī)的勘探和標(biāo)準(zhǔn)貫入等原位測(cè)試方法相比，具有測(cè)試快捷、經(jīng)濟(jì)和節(jié)省人力等優(yōu)點(diǎn)，在國外巖土工程勘察中得到廣泛應(yīng)用。雖然我國在靜力觸探研究領(lǐng)域取得了一些成果，但技術(shù)水平仍停留在科研階段，與發(fā)達(dá)國家仍然存在理論研究、應(yīng)用范圍等技術(shù)層面上的差距[1]。

在集裝箱碼頭重箱堆場(chǎng)，軌道式龍門吊行駛作業(yè)時(shí)，需要鋪設(shè)專用軌道，而軌道基礎(chǔ)對(duì)地基的沉降及其差異沉降非常敏感。目前國內(nèi)主要結(jié)合勘探及室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定土體壓縮模量，采用傳統(tǒng)基礎(chǔ)沉降計(jì)算方法對(duì)軌道基礎(chǔ)沉降進(jìn)行分析，但此方法無法滿足國外項(xiàng)目的設(shè)計(jì)需求，因?yàn)橥ㄟ^室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定土體壓縮模量值的費(fèi)用較昂貴，且取樣過程中的擾動(dòng)往往造成得出的數(shù)值并不是很準(zhǔn)確。如何從理論上解釋實(shí)際工程中靜力觸探試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，并直接應(yīng)用國外靜力觸探測(cè)試結(jié)果對(duì)軌道基礎(chǔ)沉降變形進(jìn)行計(jì)算分析，是本項(xiàng)目面臨的主要技術(shù)問題。

1 軌道基礎(chǔ)沉降計(jì)算理論

1.1 砂土靜力觸探機(jī)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(yàn)參數(shù)與砂土的相對(duì)密度和變形等指標(biāo)建立關(guān)系，可快速獲得砂土地基的關(guān)鍵參數(shù)，具有重要的工程實(shí)踐意義。但在不同相對(duì)密度的砂土中,靜力觸探的影響范圍各不相同,砂土中應(yīng)力狀態(tài)、顆粒膠結(jié)情況、砂土應(yīng)力歷史、砂土壓縮性等參數(shù)對(duì)靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果的影響也不盡相同。因此,砂土靜力觸探機(jī)理無法用統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模式來描述[2]。

Robertson和Campanella總結(jié)了Schmertmann等前人研究的試驗(yàn)結(jié)果,發(fā)現(xiàn)砂的壓縮性對(duì)錐尖阻力的影響較大，見圖1[3]。在相同的豎向有效應(yīng)力和相對(duì)密度Dr的條件下,砂的壓縮性越低其錐尖阻力越大。根據(jù)已有的文獻(xiàn)資料[4]，可得正常固結(jié)無黏性土的錐尖阻力qc和相對(duì)密實(shí)度Dr之間的關(guān)系曲線，見圖2，可根據(jù)有效壓力及錐尖阻力值得到砂土的相對(duì)密實(shí)度Dr。

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

圖1 砂的壓縮性對(duì)靜力觸探錐尖阻力的影響

圖2 正常固結(jié)無黏性土的qc和Dr近似關(guān)系

1.2 軌道基礎(chǔ)沉降計(jì)算公式

Schmertmann提出采用一個(gè)三角形的相對(duì)應(yīng)變圖來模擬應(yīng)變的分布，此圖形的面積與沉降量有關(guān)。根據(jù)應(yīng)變剖面圖，求出每個(gè)不同壓縮模量E的深度增量范圍中部的影響系數(shù)Iz，并考慮基礎(chǔ)埋置深度和時(shí)間的影響，基礎(chǔ)總沉降s計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

(3)

C2=1+0.2lg(10t)

(4)

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

注：B為條形基礎(chǔ)寬度(m)；D為條形基礎(chǔ)埋深(m)；q為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上部荷載(kPa)。

圖3 Schmertmann方法應(yīng)用于砂土地基上條形基礎(chǔ)沉降計(jì)算

軌道基礎(chǔ)差異沉降可采用相鄰兩點(diǎn)之間的沉降量差值來計(jì)算，它的大小可按計(jì)算所得最大總沉降量的34進(jìn)行估算。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

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

圖4 中東某集裝箱碼頭改造項(xiàng)目衛(wèi)星圖

根據(jù)本工程P5、P6區(qū)地基處理交工報(bào)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(xì)粒土含量低。吹填砂層經(jīng)過振沖或強(qiáng)夯法加固，表層砂較密實(shí)，地基處理后進(jìn)行了沉降計(jì)算分析，該區(qū)域場(chǎng)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(nèi)，見圖5。

圖5 P5及P6區(qū)沉降計(jì)算值

2.2 設(shè)計(jì)荷載

軌道上主要運(yùn)行自動(dòng)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(jù)軌道式龍門吊行走軌道所允許偏差，軌道基礎(chǔ)沉降要求控制為：使用期內(nèi)，同一截面不均勻沉降

2.3 基礎(chǔ)沉降計(jì)算分析

根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)報(bào)告，靜力觸探錐尖阻力qc與砂土壓縮模量E的關(guān)系為E=3qc，見圖6。

圖6 錐尖阻力qc與砂土壓縮模量E關(guān)系

軌道基礎(chǔ)分段長(zhǎng)度L為30 m，軌道基礎(chǔ)寬度B為2.2 m，基礎(chǔ)埋深為0.83 m，軌道基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)。根據(jù)設(shè)計(jì)荷載及Schmertmann計(jì)算公式，基底以下土層按0.5 m進(jìn)行分層，見圖7，讀取靜力觸探原位試驗(yàn)的錐尖阻力qc。經(jīng)計(jì)算，基底附加應(yīng)力Δp為155.4 kPa，Izp為0.66，條形基礎(chǔ)的基底應(yīng)變影響系數(shù)Iz簡(jiǎn)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(chǔ)沉降Schmertmann方法計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)本項(xiàng)目P5[6]及P6[7]區(qū)地基處理交工報(bào)告中靜力觸探CPT測(cè)試數(shù)據(jù)，選取P5及P6區(qū)一些代表性靜力觸探孔。采用Schmertmann方法計(jì)算在軌道使用荷載作用下軌道基礎(chǔ)總沉降，沉降計(jì)算值見圖8。

圖8 軌道基礎(chǔ)沉降計(jì)算值

砂土地基上軌道基礎(chǔ)最大總沉降為13 mm，軌道基礎(chǔ)差異沉降按總沉降34估算，小于10 mm。同時(shí)軌道基礎(chǔ)采用彈性地基梁結(jié)構(gòu)，可調(diào)式柔性軌道固定系統(tǒng)后期軌道可調(diào)節(jié)高度為100 mm，完全可覆蓋所有工后沉降量，因此軌道基礎(chǔ)設(shè)計(jì)采用彈性地基梁結(jié)構(gòu)可調(diào)式柔性軌道固定系統(tǒng)。由于地基沉降不均勻造成鋼軌頂面高差時(shí)，可以通過鋼軌的固定系統(tǒng)來進(jìn)行鋼軌豎直方向的調(diào)整，使得鋼軌的軌道頂面高程滿足運(yùn)營期正常使用要求。

3 結(jié)論

1)Schmertmann方法直接應(yīng)用靜力觸探測(cè)試結(jié)果對(duì)軌道基礎(chǔ)沉降變形進(jìn)行計(jì)算分析，計(jì)算公式簡(jiǎn)單，物理意義明確。計(jì)算公式中所需參數(shù)可通過靜力觸探測(cè)試數(shù)據(jù)直接獲取，無須室內(nèi)試驗(yàn)及鉆探取樣，降低了勘探測(cè)試成本及周期，而且也滿足境外工程設(shè)計(jì)審查要求。

2)Schmertmann方法基于對(duì)文獻(xiàn)中的大量工程實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算所得的沉降值與實(shí)測(cè)值相當(dāng)吻合，結(jié)合本項(xiàng)目P5及P6區(qū)沉降計(jì)算統(tǒng)計(jì)值對(duì)比分析，計(jì)算效果良好，滿足軌道基礎(chǔ)的國際設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

3)各向異性、應(yīng)力歷史、自然膠結(jié)作用以及超固結(jié)狀態(tài)很可能是影響土體壓縮模量的十分重要的因素，而對(duì)無黏性土尤其如此。該方法僅考慮正常固結(jié)砂土，對(duì)于超固結(jié)砂土，在沉降成為設(shè)計(jì)必須考慮的因素之一時(shí)，應(yīng)仔細(xì)查明場(chǎng)地條件。