武广高铁残积层红黏土对比性勘探试验研究

2012-11-29袁森

铁道勘察 2012年1期

袁森

(中铁第四勘察设计院集团有限公司，湖北武汉 430063)

1 概述

武广高铁为全线无砟轨道，设计时速350 km，路基工后沉降控制标准为15 mm，高标准的沉降控制要求对地基土力学参数的合理选取也提出了更高的要求。武广高铁沿线分布有近100 km的灰岩残积红黏土地基，其复杂的力学特性已为业内所公认。由于大孔隙率、高含水量、高液限、高塑性、非饱和等特殊性质，如何获取合理的土体变形参数，是保证地基工后沉降计算准确性和地基处理措施选取合理性的关键。现场原位试验(如标准贯入试验)是确定地基承载力，判别土层类型最可靠的方法。因此，找出压缩模量ES与标贯击数N之间的关系就显得十分有意义。虽然国内外已经总结出很多关于压缩模量ES与标贯击数N之间经验公式，但其工程背景与武广高速铁路沿线的地质条件不同。且武广高铁要求工后沉降量小，设计参数精度要求高，试验方法必须可靠。为了便于设计和施工，且节省工程经费，结合代表性红黏土地基工点进行标贯试验，同时采用三重管单动回转取样器连续采取原状土样进行室内土工试验，总结出压缩模量Es与标贯击数N之间的经验公式显得尤为重要。本文在不同含水比条件下，分别研究获取了湖北、湖南两地红黏土地基压缩模量Es与标贯击数N的经验关系式，研究成果指导了武广高铁路基工程的设计和施工，获得了较好的效果。

2 取样及对比勘探技术要求

2.1 勘探目的和要求

在试验点附近布置100型机动钻孔，连续进行标准贯入试验，并采用三重管单动回转取样器连续采取原状土样，对所取的原状土样进行物理力学试验，收集各试验的数据，分析地基土的强度、应力、变形特征。为确保室内试验数据的完整与真实性，钻探所取土样均为一级质量土样。结合对各原位测试进行对比统计分析，总结适用于武广高铁地基土的压缩模量与标贯击数之间的经验关系式。

2.2 机具要求

使用100型回转机动钻，护壁套管，三重管单动回转取样器(外径108 mm)，推土器，塑料衬管(直径74 mm)，土样箱，标贯器等。

2.3 钻进要求

一律无水回转钻进，孔壁不稳时，应采用套管护壁。钻探流程:开孔(钻进0.5m)→连续取样(3～4组)→标贯→套管跟进(必要时)→岩芯管清孔(长50 cm)→连续取样(3～4组)→标贯→套管跟进(必要时)→岩芯管清孔(长50 cm)→钻至基岩面终孔。

具体操作时，先应慢速旋转，当钻头切入土层时(当遇坚硬土层钻头吃不进土层时可适当加压)改为中速档钻进。提升时要控制速度，保证孔底形成的空间能被水(或空气)充填，而不至于形成真空。回次进尺按取样器有效长度控制。

2.4 土样的保管和运输

取土器提出孔后，将土试样轻轻拿出，先切去超出衬筒部分，使之与样筒等齐，立即用事先备好的铁皮盖盖住两头，在样筒上标明上下方向，而后把土试样衬筒的外壁用棉纱擦拭干净，用蜡水涂封缝隙处，再用麻纸仔细包裹，纸外涂一层蜡水使其完全密封，然后贴好土样标签。考虑到试样较多，短时间之内难于全部用于试验，为了保持土样的原状性，将土样外表裹一层同土层的泥浆保护，然后在样筒上标明上下方向，贴好土样标签之后，再装进用木屑填好的土试样箱内。土试样筒要放置牢靠，以免振动和来回摆动影响试验结果，包装箱内以4个样一箱为宜，不可过多，箱内填充旧棉花，谷糠等防震材料，箱外面注写“防震”和“轻拿轻放”字样，而且运输过程中要限制运输车速。

2.5 钻孔布置

为了更好地与其他原位测试作对比，钻孔点布置依载荷试验位置而定，沿载荷试验点周围布置钻孔位置。岩土体一般为非均质体，其性状指标是一定空间范围的随机变量，因此取样的位置在一定的单元体内应力要求在不同方向上均匀分布，以反映趋势性的变化。根据室内试验所需原状土样的个数，确定钻孔个数和深度的布置。钻孔深度要求为17m(或钻至基岩面)，钻孔个数为4孔(图1)。在载荷试验的周围还进行钻探取样，标准贯入试验与钻孔取样一起进行。

图1 钻孔及原位测试平面布置(单位:m)

2.6 取原状土样及标准贯入试验要求

(1)取原状土样要求

为了保持土试样的天然湿度和原状结构，除采用与地层相适宜的钻探工艺和严格遵守取土操作规程外，还要选用合适的取土器。取土器是取土的直接工具，对土试样扰动的影响最大。取土器要针对不同土层的特点，合理、正确地选择其结构与技术参数，如面积比、内间距比、外间距比、刃角，取样筒的长度、直径、长径比以及取样筒在取土器中的位置等。

采用三重管单动回转取土器进行原状土的取样，对土样的扰动降低到最小。这种取土器的结构特点是:内管及其上的塑料衬管单动，即不随外管转动;土样上端不受动水冲力和静水压力作用，内管下端的切割靴能随土层的软硬程度，自动调节其突出钻头底端的长度，有效保护土芯不受冲洗液的冲刷破坏，最大外伸量为5 cm。取土后，方便把塑料衬管和土样一起从取土器中卸出;将装满土心的塑料衬管两端挖去2～3 cm，灌入蜡液，塞上胶塞密封;如土芯未满，则填入木屑等再灌蜡，把已密封的管端再缠上布条固定，以免塞子脱落。

使用和操作情况同一般的取土器相似，即上一个回次终了，立即清孔，取净孔底残余土体后，按取土的程序操作(具体操作按原状土取样规范进行)。用正循环回转压入钻进时，注意不得提动取土器，减少对土样的干扰，以保证作业顺利进行，标贯或取土作业完成，提出钻具到地面，打开钻具，取出其中带土样的衬管，套上胶塞，置于标准的样品盒内，清洁钻具。

(2)标准贯入试验要求

标准贯入试验是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能，将一定规格的对开管式贯入器，根据打入土中的贯入阻抗，判别土层的变化和土的工程性质。贯入阻抗用贯入土中30 cm的锤击数N表示(也称标贯击数)。

为保证标准贯入试验用钻孔的质量，要求采用回转钻进，当钻进至试验高程以上15 cm处，应停止钻进。为保证孔壁稳定，必要时可用泥浆或套管护壁。如使用水冲钻进，应使用侧向水冲钻头，不能用底端向下水冲钻头，以使孔底土尽可能少扰动。钻孔直径在63.5～150 mm间。

标准贯入试验所用的钻杆应进行检查，钻杆相对弯曲应小于1/1000，接头应牢固，否则受锤击后钻杆会侧向晃动。

标准贯入试验应采用自动脱钩的自由落锤法，并减小导向杆与锤间的摩阻力，以保持锤击能量恒定。

标准贯入试验时，先将整个杆件系统连同静置于钻杆顶端的锤击系统一起下到孔底，在静重下贯入器的初始贯入度作好记录，如初始贯入度已超过450 mm，不作锤击贯入试验，N值记为零。贯入试验分两段进行。

①预打阶段:将贯入器打入土中150 mm，如锤击已达50击，贯入深度未达150 mm，记录实际贯入度。

②试验阶段:将贯入器再打入土中300 mm，记录每打入10 cm的锤击数，累计打入300 mm的锤击数为标贯击数N。当累计数已达50击，而贯入度未达300 mm，应终止试验，记录实际贯入度及累计锤击数。按下式计算贯入300 mm的锤击数N

式中 Δs——对应锤击数的贯入度/mm。

标贯试验在钻孔全深度范围内等间距进行。间距为1.0～2.0m，根据非饱和黏土和红黏土厚度调整。

3 Es与N之间的经验关系研究

压缩模量是反映土体性质的重要参数，也是进行路基沉降计算和预测等必不可少的试验参数。虽然通过现场勘探取样进行室内试验可以得到取样点的准确压缩模量，但是这样耗费的工作量大，周期长，所需费用高，且在全线各个工点取样做试验也很不现实。而现场原位测试试验(如标准贯入试验)是确定地基承载力，判别土层类型最可靠的方法。因此找出压缩模量与标贯击数的关系就显得十分有意义。

3.1 异常数据的剔除

红黏土具有区域性分布特点，分别对湖南、湖北两个地区红黏土压缩模量Es与标贯击数N的关系进行分析，图2、图3分别为湖北、湖南地区红黏土Es与N的关系点分布。由两图可以看出Es与N的相关性较差，这是由于Es、N分别受不同因素影响。如影响Es的主要因素有:

①取样不完整，试样易受扰动，坚硬及硬塑状态下红黏土黏性大，强度高，造成红黏土取样局部缺失。

②红黏土取样密封不严易造成土样含水量改变，影响土样的试验结果，红黏土取样密封后应及时腊封。

③土样在运输过程中受扰动。

此外，红黏土局部含杂质较多，以及现场标贯试验操作不当等因素会造成标贯值有所偏差。所以在进行Es与N的相关性分析时，首先应对离散较大的数据进行剔除。

3.2 不同含水比范围压缩模量与标贯击数的关系

图2 湖北典型红黏土E s与N的关系点分布

图3 湖南典型红黏土E s与N的关系点分布

通过对试验数据的分析发现，红黏土在不同的塑性状态下，压缩模量与标贯击数的相关性不一样，且含水比aw＞1.0时，即红黏土在流塑状态下，很难满足取原状样要求。分别对湖北、湖南典型红黏土进行三种含水比范围内Es与N的相关性分析。拟合曲线如图4、图5所示。

图4 湖北红黏土标贯击数与压缩模量的关系

从图中可以看出，采用二次多项式对Es－N关系进行拟合，相关性较好，相关系数可以达到0.9以上。不同含水比下，红黏土压缩模量及标贯击数的变化范围:

①当aw≤0.55时，湖北地区红黏土，10 MPa＜Es＜28 MPa;湖南地区红黏土，11 MPa＜Es＜24 MPa。

图5 湖南红黏土标贯击数与压缩模量的关系

②当0.55＜aw≤0.7时，湖北地区红黏土，3 MPa＜Es＜15 MPa;湖南地区红黏土，3 MPa＜Es＜13 MPa。

③当0.7＜aw≤1.0时，湖北地区红黏土，2 MPa＜Es＜5 MPa;湖南地区红黏土，2 MPa＜Es＜4.5 MPa。

对比勘探试验研究表明:标准贯入试验击数与采用三重管单动回转取土器取得的一级质量土样进行的室内土工试验确定的压缩模量间有良好的线性或二次曲线相关性，相关系数普遍在0.90以上。红黏土地基上部土层较硬，常规勘察取样难以得到一级质量土样，易造成变形指标室内试验值偏低等实际问题。武广高速铁路红黏土地区勘察时，标贯试验作为硬塑—坚硬土层常规勘察手段，特别是红黏土地区，加强了对上部硬塑—坚硬红黏土的标贯工作，并对典型红黏土区段的标准贯入试验击数与室内试验变形计算参数进行了对比分析，得到相应的经验公式。实际沉降计算参数选取时参考了标准贯入试验击数，有效提高了沉降变形计算参数的准确性，在一定程度上避免了因计算参数的不准确造成地基处理措施过强。

通过对试验结果分析研究，总结出武广高速铁路典型红黏土Es－N关系公式如表1所示。分析可以得出，在三种不同含水比aw取值范围内，标贯击数N有重叠区域。由于含水比的不同，在相同的标贯击数下，其压缩模量值有较大的变化，若按经验采用标贯击数来划分红黏土的塑性状态会存在较大的偏差。根据红黏土的塑性状态采用不同的拟合公式进行计算压缩模量值更加合理。