原位测试在地铁勘察岩土参数求取中的应用

2014-07-25潘瑞林孙宝忠

铁道勘察 2014年3期

关键词：侧压力基床原位

易鑫潘瑞林孙宝忠

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

原位测试在地铁勘察岩土参数求取中的应用

易鑫潘瑞林孙宝忠

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055)

以太原地铁2号线为例，运用标准贯入、静力触探、旁压、扁铲侧胀、十字板剪切等多种原位测试方法，求取岩土体的静止侧压力系数、基床系数、地基土承载力、变形模量等岩土力学参数，结合室内试验成果及规范和经验值，综合确定岩土参数建议值。

原位测试地铁工程勘察岩土参数

1 主要岩土力学参数的原位测试求取方法

1.1 静止侧压力系数

(1)扁铲侧胀试验

静止侧压力系数K0，可通过扁铲侧胀试验成果中土的水平应力指数KD与K0的关系式求取，依据《铁路工程地质原位测试规程》(TB10041-2003)[1]公式12.4.7计算

(适用于KD为1.5～4.0的一般饱和黏性土)

(2)室内试验及经验公式

静止侧压力系数K0也可采用室内试验、经验公式法求取。室内试验测定方法有侧压力仪法与三轴仪法。经验公式法采用：砂性土K0=1-sinφ′；黏性土K0=0.95-sinφ′，式中,φ′为有效内摩擦角。

1.2 基床系数

(1)旁压试验

预钻式旁压计算水平基床系数Kh通常采用公式[5]Kh=(Pf-P0)/(Rf-R0)确定。其中Pf为临塑压力，Rf为临塑压力时旁压器对应的径向位移，P0为初始压力，R0为初始压力时旁压器对应的径向位移。但上式所算的基床系数主要是旁压试验弹性阶段的值，实际工程当中多为弹-塑性阶段或塑性阶段，计算值与规范和实际值偏差较大。实际应用时应结合土类、工况环境、应力条件乘以相应的修正系数[6]，黏性土修正系数为0.25～0.34，饱和砂土层修正系数为0.20～0.30。

(2)扁铲侧胀试验

饱和黏性土、饱和砂土及粉土的水平基床系数Kh可采用《铁路工程地质原位测试规程》(TB10041—2003)公式12.4.9计算

Kh=0.2kh；kh=1 817(1-A)(p1-p0)

式中，kh为侧胀仪抗力系数，p1-p0为土体膨胀1.10 mm与膨胀前的压力增量，A为孔隙压力系数，可参考表1选取。

表1 饱和土的A值

(3)标准贯入试验

基床系数可采用《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307—2012)[2]给出的基床系数与标准贯入试验锤击数的经验关系计算，即K=(1.5～3..0)N。通过标贯击数求取垂直、水平基床系数可按以下公式[7]计算：垂直基床系数KV=2N；水平基床系数Kh=4N。

(4)室内试验及规范经验值

基床系数可采用通过室内固结试验中压缩模量计算[8]求取。对于砂土、粉土，计算公式为KV≈1.85ES1-2、对于黏性土，计算公式为KV≈3.30ES1-2。也可根据岩土类别、状态、密实度，参考《城市轨道交通岩土工程勘察规范》(GB50307—2012)附录H中经验值选取。

1.3 地基承载力

(1)旁压试验

根据旁压试验特征值计算一般土的地基土承载力，可采用临塑荷载法公式计算：fak=pf-p0，

式中fak为地基土承载力特征值；pf为临塑压力；p0为初始压力。

式中fak为地基土承载力特征值；pL为极限压力；p0为初始压力；FS为安全系数，一般取2～3，也可根据地区经验确定[4]。

(2)标准贯入试验

国内外关于标准贯入试验锤击数确定地基承载力的经验关系式较多，可参考《工程地质手册》(第四版)[4]相关内容选取。

黏性土、粉土通过标贯击数确定地基承载力选用Terzaghi回归式fk=12N，砂类土承载力参考表2选取。

表2 砂土承载力特征值fak kPa

(3)静力触探试验

静力触探确定地基基本承载力σ0，可根据土层类别、比贯入阻力PS，参考《铁路工程地质原位测试规程》(TB10041—2003)中表10.5.16-1中相应公式求取。

(4)规范经验值

地基基本承载力可根据岩土类别、状态，参考《铁路工程地质勘察规范》(TB10012—2007)[3]附录D中经验值选取。

1.4 变形模量

(1)旁压试验

旁压试验确定土的变形模量E0，可通过旁压剪切模量Gm与变形模量E0的经验关系求取。

黏性土可参考《铁路工程地质原位测试规程》(TB10041—2003)中表7.4.8-1确定。砂类土可根据公式E0=KGm求取，式中K为变形模量转换系数，可按表3取值。

表3 变形模量转换系数K

(2)静力触探试验

静力触探试验确定土的变形模量E0参考《铁路工程地质原位测试规程》(TB10041—2003)中表10.5.18-2中相应公式求取。

(3)标准贯入试验

国内外关于标准贯入试验锤击数确定土的变形参数的经验关系式较多，可参考《工程地质手册》(第四版)相关内容选取。标贯击数确定土的变形模量E0选用Webbe关系式[9]E0=2.0+0.6N求取。

(4)理论公式计算

1.5 无侧限抗压强度

(1)标准贯入试验

通过标准贯入锤击数N确定无侧限抗压强度qu，可采用Terzaghi和Peck建立了N与qu的经验关系进行，见表4。

表4 N与稠度状态和无侧限抗压强度的关系

(2)室内试验及经验查表

室内采用应变控制式无侧限压缩仪试验求取无侧限抗压强度，同时也可参考《工程地质手册》(第四版)表3-1-33选取。

1.6 土灵敏度

(1)十字板剪切试验

通过十字板剪切试验求取饱和软黏性土的灵敏度St，可采用《铁路工程地质原位测试规程》(TB10041—2003)公式6.4.3计算

(2)室内试验及经验查表

室内可根据原状土的无侧限抗压强度与重塑土的无侧限抗压强度之比取得

同时也可参考《工程地质手册》(第四版)表3-1-34选取。

2 工程应用

2.1 工程地质条件

太原轨道交通2号线一期工程人民南路—化章街站段共2站1区间，1条出入线，全长2.815 km。车站与出入线采用明挖法施工，区间采用盾构法施工，结构底板最大埋深为23.029 m。该段地貌单元为太原盆地汾河漫滩，地形开阔平坦，主要地层如下。

(1)第四系全新统冲、洪积地层(Q4al+pl)

粉质黏土(2-2)：黄褐色，软塑-可塑；

黏质粉土(2-3-1)：灰褐色，稍密，潮湿—饱和；

粉细砂(2-4-1)：灰褐色，稍密，饱和；

粉细砂(2-4-2)：褐黄色，中密，饱和；

中砂(2-5)：褐黄色，中密，饱和。

(2)第四系上更新统冲、洪积层(Q3al+pl)

粉质黏土(3-3)：黄褐色，可塑；

黏质粉土(3-4-1)：灰黄色，中密，饱和；

粉细砂(3-5)：褐黄色，密实，饱和。

地下水类型为第四系松散层孔隙潜水，地下水埋深较高，勘察期间地下水埋深约0.4～4.7 m。

2.2 应用成果

在该段线路的岩土工程勘察中，运用了多种原位测试手段，包括标准贯入试验、静力触探试验、旁压试验、扁铲侧胀试验、十字板剪切试验。完成工作量：静力触探完成707.6 m/37孔，旁压试验完成119点/12孔，扁铲侧胀试验完成515点/13孔，标准贯入试验完成2614次/168孔，十字板剪切试验完成38点/10孔。多种原位测试手段在求取静止侧压力系数、基床系数、地基承载力、变形模量等参数上进行了广泛的应用。同时，结合室内试验成果以及规范经验，综合给出了各土层物理力学参数的建议值。

各地层静止侧压力系数综合选取见表5。