利用扁铲试验成果外推粉细砂层深部承载力参数
文松霖,胡汉兵
(长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010)
摘 要:如何确定粉细砂层深部的力学参数,是水利枢纽设计过程中的一个重要课题,提出了一种新的研究思路,即在现场进行一定深度范围内的承载力试验,研究河床覆盖层原位承载力参数随深度的变化规律;再采用扁铲试验确定其试验参数随深度的变化规律;通过相关分析建立了两种数据之间的相关关系,利用该关系式由扁铲侧胀测试成果外推粉细砂层深部的地基承载力参数;结果表明是一种切实可行的方法。关键词:扁铲试验,粉细砂层,相关关系,承载力参数
中图分类号:TU455 文献标识码:B 文章编号:100423152(2008)0520014204
1 前言
兴隆水利枢纽位于汉江干流湖北省天门市与潜
江市分界河段,是汉江渠化梯级中的最后一个梯级。枢纽工程由泄水闸、船闸及水电站厂房等建筑物组成,其基底压力分别为140kPa～160kPa、400kPa～500kPa、300kPa～400kPa;坝址区广泛分布第四系松散冲积堆积物,岩性主要为粘土、粉质粘土、粉质壤土及粉细砂、含泥砂砾石及砂砾石层,其中饱和粉细砂层的厚度大约为20m。根据坝址区工程地质勘察报告的分析,该粉细砂层为可能液化土层。为了提高坝址地基的承载能力,拟采用格子状搅拌桩处理方法。然而,粉细砂层的原位物理力学参数及其地基承载力参数是制约搅拌桩复合地基设计的重要指标之一,目前是根据标准贯入、动力触探击数查有关规范确定粉细砂层深部的力学参数,但该方法很难真实地确定粉细砂层深部的力学参数。
我们为此开展了相应的专项研究工作[1],以期通过现场试验研究,利用自地表至建基面不同深度的扁铲侧胀试验数据外推确定粉细砂层深部的地基承载力参数,为设计提供参数和建设性意见。
通过加压系统加压使扁铲探头侧面的膜片侧向扩张,使土体发生侧向位移变形,然后通过量测系统测定土在不同侧胀位移时的侧向压力(原位侧压力、变位压力、终止压力)。这些压力值对应于不同位移,反映了土体的原始结构类型和工程性质特点。在实际工程应用中,可利用这一性质建立相关的经验公式,计算所需的土体物理力学参数。2.2 试验设备本次扁铲侧胀试验用意大利产DMT仪,采用锤击动力贯入方法,将扁铲探头打入土中进行试验。扁铲形探头的长为230mm～240mm、宽为94mm～96mm、厚为14mm～16mm。铲前缘刃角为12°～16°,在扁铲的一侧面为一直径60mm的钢膜。探头与钻杆连接。2.3 试验成果
本次在自地表至建基面之间不同深度处进行扁铲侧胀试验,通过地基上部一定深度范围内扁铲侧胀测试成果、载荷试验成果和原位物理力学参数试验成果之间的对应关系,建立扁铲侧胀测试成果与载荷试验成果之间的相关转换关系,利用扁铲试验成果更准确地推求深层粉细砂层的地基承载力。
自地表至建基面之间,按0.5m的深度连续贯入,最大试验深度为12.5m,各进行3孔扁铲侧胀试验。每孔23点,共进行了69点扁铲侧胀试验。
扁铲侧胀试验各试验点成果见图1～图3。由于粉细砂层地基的不均匀性,扁胀试验参数存在一定的离散性和差异性。
2 扁铲侧胀试验
2.1 基本原理及研究概况
扁铲侧胀试验(DMT)是采用静力(或锤击动力)把一扁铲形探头贯入到土中某一预定深度,然后
收稿日期:2007208217
作者简介:文松霖,教授级高工。
第5期 文松霖等:利用扁铲试验成果外推粉细砂层深部承载力参数15
均匀,与深度的关系不明显,其测值略大于室内直剪
试验得到的饱和固结快剪内摩擦角。
(2)扁胀模量ED为2.915MPa～45.84MPa,呈现出随深度增加而明显增大的趋势。
(3)扁胀指数ID在1.74kPa～19.02kPa范围内,呈现出随深度增加而缓慢增加的总体趋势。
(4)水平应力指数KD为0.18kPa～10.84kPa,平均值为0.97kPa,呈现出随深度增加而减小的趋势。
(5)压缩模量ES为3.19MPa～38.96MPa,平
φ图1 ’、ED沿高程变化曲线
均值15.3MPa,呈现出随深度增加而增加的趋势。
(6)变形模量E0为2.37MPa～28.95MPa,平均值11.4MPa,且呈现出随深度增加而增加的趋势。
总体上来说,φ’沿深度分布比较均匀,各层的均值变化不大。KD呈现出随深度增加而减小的总体趋势,各层的均值也随深度增加而减小。ID、ED、ES、E0呈现出随深度而增加的总体趋势,各层的均值也随深度增加而增加。3 平板载荷试验3.1 试验方法
图2 ID、KD沿高程变化曲线根据试验荷载和现场条件,试验的反力装置采用压重平台。
采用慢速维持荷载法,按一定要求分级加载,当达到规定的终止试验条件时,便停止加荷。承压板选用0.5m2的圆形板;沉降量采用百分表测量。3.2 试验成果试验时粉细砂层表面高出江水位4m左右,在4种深度条件下(下挖0.5m、2.0m、3.5m、5.0m),各进行3点平板载荷试验,共12点。比较不同深度的地基承载力参数,并建立地基承载力参数随深度的变化规律。图4为典型的P～S曲线。
图3 ES、E0沿高程变化曲线
2.4 成果分析
从图1～图3可见,排水条件下的摩擦角φ’、扁胀模量ED、扁胀指数ID、水平应力指数KD、压缩模量ES、变形模量E0与相对高程有一定的相关关系。
在扁铲侧胀试验深度范围内(0.5m～11.5m):
(1)摩擦角φ’为26.3°～42.5°,沿深度分布比较
图4 平板载荷试验典型P～S曲线
为了便于分析比较,本次试验采用在S～lgP
16土 工 基 础 2008
曲线上用直线交汇法推求比例界限值,并在P～S
曲线的直线段上选取一点压力P和所对应的沉降量S按下式计算变形模量E0。
2
E0=0.79(1-μ)d
PS
(1)
式中:E0为试验土层的变形模量(kPa);P为施加的压力(kPa);S为对应于施加压力的沉降量(cm);D为承压板的直径(cm);μ为泊松比,粉细砂取0.3。求得各平板载荷试验点的承载力参数如表1所示。
表1 平板载荷试验成果表
试验点编号
PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7PB8PB9PB10PB11PB12
相对高程(m)
34.2534.2634.1633.1033.1633.1131.8631.8231.7331.2831.2731.20
比例界限
(kPa)144110100132126125180215225210200180
极限荷载
(kPa)200180180380320320447397447380380380
同层相对高程平均值(m)
同层比例界限平均值(kPa)
变形模量
E0(MPa)
变形模量(平均值)(MPa)
4.259
34.2
118
3.3863.2515.253
33.1
128
3.9773.9397.167
31.8
207
6.4468.0165.371
31.3
197
8.4155.2056.337.214.393.63
3.3 成果分析
分别绘制极限荷载PL、比例界限Pf和变形模量E0与相对高程的关系曲线如图5、图6所示。
可以看出,各试验层面内3个试验点的试验成
果比较接近,说明试验数据总体上是可靠的。极限荷载、比例界限和变形模量在前三层中均随试验深度增加而增大,而第四层成果略小于第三层。
从表1、图5、图6可见,在地下水位以上随着深度的增大,极限荷载、比例界限和变形模量大致呈线性增加;地下水位以下,各值均有微弱减小。其主要原因是第四层试验层面已处于地下水位以下,且粉细砂层中存在有粉质土夹层。
4 相关性分析
图5 PL、Pf与高程关系曲线
根据平板载荷试验和扁铲侧胀试验的成果可知,随着深度的增加,变形模量逐渐增大;将两种试验数据绘于同一图中,可得图7;平板载荷试验和扁铲侧胀试验变形模量随深度的变化趋势几乎一致,在图上表现为两条大致平行的曲线,两种试验数据具有很好的相关性;可以求得平板载荷试验变形模量E0P和扁铲侧胀试验变形模量E0B之间的相关关系式(下标P代表平板载荷试验、下标B代表扁铲侧胀试验)。
图6 变形模量E0与高程关系曲线
E0P1.5283-0.061x
=eE0B
(2)
将扁铲侧胀试验实测的E0B代入式(2),得到由
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扁铲侧胀试验变形模量外推的平板载荷试验变形模量值,并与浅层平板载荷试验值绘于同一图中(图8)进行比较,发现在平板载荷试验深度范围内,按式(2)推求的值与试验值比较吻合;即在同一种地基条件下两种原位试验数据的相关性很好,因此,可以通过式(2)利用扁铲侧胀测试成果外推确定深部粉细砂层的地基承载力参数。
5 结语
在汉江兴隆水利枢纽坝址区所进行的现场试验及相关性分析研究表明:通过浅层不同深度的地基承载力试验以及自地表至建基面不同深度的扁铲侧胀试验,建立它们之间的相关关系,然后外推确定粉细砂层深部地基承载力参数的方法,是一种成功的尝试,值得在今后的工程中做进一步的研究和应用。
参
考文
献
[1] 长江水利委员会长江科学院.南水北调中线工程汉江兴隆水利
枢纽粉细砂层原位物理力学参数及地基承载力试验研究报告
[R].2006年6月
[2] 樊向阳,陈波.扁铲侧胀试验估算地基承载力初探[J].上海地
质,2004年第3期
[3] 仲锁庆.扁铲侧胀试验方法与地基土承载力的计算[J].城市勘
测,2005年第2期
图7 变形模量试验值 图8 载荷试验变形模量试 沿深度分布图 验值与外推值的比较
ExtrapolationoftheParameterofBearingCapacityinDeep
FineSandLayerwithFlatDilatometerTestResult
WENSonglin,HUHanbing
(KeyLaboratoryofGeotechnicalMechanicsandEngineeringoftheMinistryofWaterResources,
ChangjiangRiverScientificResearchInstitute,Wuhan430010,China)
Abstract Itisanimportantprojecthowtodeterminethemechanicalparameterofdeepfinesandlayerduringthehydro2junc2tiondesign.Anewresearchthoughthasbeenputforward.Theruleofin2situbearingcapacityparameterofriverbedoverlayshasbeenstudiedthroughin2situbearingcapacitytestwithinarangeofcertaindepth,andtheruleoftestparameteralongdepthhasbeenascertainedwithflatdilatometertest.Therelationshipbetweendataofin2situbearingcapacitytestanddataofflatdilatometertesthasbeenfoundedthroughcorrelationanalysis.Thenaccordingtotherelationshiptheparameterofbearingca2pacityoffoundationhasbeenextrapolatedbyflatdilatometertestresult.Itisindicatedthatthemethoddiscussedaboveisprac2ticalanduseful.
Keywords flatdilatometertest,finesandlayer,correlation,parameterofbearingcapacity
