标准贯入试验和静力触探试验在秭归新县城回填风化砂地基检测中的应用

蒋晓娟, 龚福洪

(1.水利部 长江勘测技术研究所,湖北 武汉 430011; 2. 广西万华建设工程咨询公司,广西 南宁 530021)

标准贯入试验和静力触探试验在秭归新县城回填风化砂地基检测中的应用

蒋晓娟1, 龚福洪2

(1.水利部 长江勘测技术研究所,湖北 武汉 430011; 2. 广西万华建设工程咨询公司,广西 南宁 530021)

为了准确、快速、经济地检测厚度较大、未碾压密实的回填风化砂地基的工程性状,必须采用能对较深砂土层进行检测的原位测试方法。标准贯入试验、静力触探试验是最有希望被采用的方法,但是在此之前本地区尚无这二种方法确定回填风化砂性状的经验公式。通过标准贯入试验、静力触探试验与回填风化砂的室内物理力学试验、载荷试验的对比研究,发现标准贯入击数、静力触探比贯入阻力与回填风化砂的相对密度、内摩擦角、压缩模量、地基承载力和变形模量均有较好的相关性,并建立了上述指标之间的经验关系,然后将经验关系应用于回填风化砂地基的检测。实践证明,应用标准贯入试验、静力触探试验检测回填风化砂地基的效果良好。

标准贯入试验;静力触探试验;回填风化砂;地基检测

秭归新县城为三峡库区移民迁建新城。新城区场地平整形成约5万m2的回填花岗岩风化砂地基,由于回填期间未严格按规范要求分层碾压和质量检测,回填“完工”后,出现了一些地基变形破坏现象,种种迹象表明回填砂的密实度不够。为了制定回填风化砂地基的处理方案,需要准确、快速、经济的方法来检测回填风化砂地基的工程性状。正常情况下,回填土地基质量检测是随施工进程分层进行的,采用的方法是在地面进行的,但是当时地基已经回填到了场地整平标高,回填厚度达5～35 m,地面的检测方法已不能对深部回填风化砂进行检测,必须采用能对深部砂土层进行检测的测试方法。目前能对深部土层进行检测的方法有:钻探配合原状取砂器采取原状砂样进行室内物理力学试验、竖井配合容重试验和平板载荷试验、旁压试验、标准贯入试验、静力触探试验等。上述方法在秭归新县城回填砂工程性状研究中都有应用,但是由于回填风化砂中含角砾较多,原状取砂器取样并不理想;竖井配合容重试验和平板载荷试验,其费用昂贵、试验周期长,只在回填砂性状对比研究阶段实施了1个竖井3个测点;旁压试验能直接测试土的承载力和旁压模量,但因设备较贵,许多勘察单位尚无此设备,也只在回填砂工程性状研究阶段实施了4个孔12个测点的旁压试验。标准贯入试验(以下简称标贯试验)、静力触探试验(以下简称静探试验)因设备简单、操作方便,为工程勘察单位最常用的设备,在回填砂工程性状专题研究阶段以及后续各建筑物地基详细勘察和强夯效果检测中应用得最多,而且效果好、快速、经济,因此本文专门针对这两种方法在秭归新县城回填风化砂地基检测中的应用作一简介。

1 标贯和静探试验在回填砂地基检测中的应用

应用标贯试验和静探试验,可以检测回填砂的密实度和均匀性,估算回填砂的相对密度、内摩擦角、压缩模量、地基承载力和变形模量。以标贯试验、静探试验在秭归新县城回填风化砂工程性状专题研究中的应用为例,将测试原理和方法说明如下。

1.1 检测回填砂的密实度和均匀性

秭归新县城回填风化砂地基分布在高家屋场、剪刀峪、周家湾、柳树坝四条冲沟,取料为沟两侧山梁挖方区的花岗岩风化砂,砂粒呈棱角形,酥松、半酥松状。回填风化砂的颗粒组成以粗砂粒为主,其次为砾粒,粘粒含量1%～6%,土的分类主要为砾砂,局部为角砾[1]。

根据《建筑地基基础设计规范》[2],采用标贯击数判定砂土密实度的标准是:N≤10击,松散;1030,密实。据此可采用标贯试验对回填风化砂的密实度进行检测。

在回填砂工程性状研究阶段,在回填风化砂层中做了89次标准贯入试验,回填砂的标贯击数频率分布如图1,其中处于松散状态的18次,占总数的22.5%;稍密状态的24次,占总数的30%;中密状态的38次,占总数的47.5%。

图1 回填砂标贯击数频率分布图Fig.1 Backfilled sand standard penetration test blow count frequency distribution

根据《工程地质手册》[3],比贯入阻力ps划分砂土密实度的标准为:ps≤4 MPa,Dr≤0.33,松散;414,Dr>0.67,密实。

根据上述密实度的划分标准,在计算静力触探参数加权平均时剔除个别异常峰值,并考虑分层的最小厚度,即<0.5 m不分层。在回填砂工程性状研究阶段,在回填风化砂地基中做了41个静力触探孔,41个静力触探孔可分为155段,其中松散回填砂36段,占总段数的23.2%;稍密的42段,占总段数的27.1%;中密的64段,占总段数的41.3%;密实的13段,占总段数的8.4%(图2)。

在静探总进尺426 m中,松散回填砂的进尺合计88.5m ,占20.0%,25个静探孔存在松散回填砂,约占孔数的61%,有些孔揭露的松散回填砂的厚度较大。

由于回填砂的工程性状受控于密实度,因此研究回填砂的均匀性实际上也就是研究回填砂的密实度在平面上和深度上的差异性。根据41个孔的ps-z曲线,回填砂的密实度在平面上和空间上变化相当复杂,很不均匀。采用静探检验压实填土地基均匀程度的标准是:K=psmax/psmin,当ps≤6 MPa、K≤1.55,属均匀回填砂;当ps>6、K≤1.80,为均匀回填砂。41个孔中只有4个孔的K=1.39～1.79,而37个孔的K>1.8,K的范围值为2.02～4.32,由此可见,回填砂很不均匀。

图2 回填砂比贯入阻力频率分布图Fig.2 Backfilled sand specific penetration resistance frequency distribution

由图1、图2可以直观地看出,回填风化砂的密实度,其松散的、稍密的、中密的皆有分布,局部还有密实的,密实度一般都跨过了三种类型,松散状态的回填砂在平面上和深度上随机分布,都反应出回填砂很不均匀,而且密实度不够。

1.2 估算回填砂的相对密度

在此之前,本地区还没有采用标贯试验、静探试验确定回填花岗岩风化砂工程性质指标的经验表格。在回填砂工程性状研究阶段,本场地做了大量的标贯试验、静探试验与回填风化砂的室内相对密度试验的对比研究,发现标贯击数N与相对密度Dr的相关性较好,经验关系如下:

Dr=0.016 5N+0.175

(1)

应用上述经验关系估算出了本场地所有钻孔每一段标贯试点回填风化砂的相对密度,供评价回填砂的密实度应用。

1.3 估算回填砂的内摩擦角与压缩模量

在回填砂工程性状研究阶段,做了大量的回填砂原状样室内直接剪切试验、压缩试验与标贯试验、静探试验的对比研究,将回填砂的标贯击数N、静力触探比贯入阻力ps与砂土的抗剪强度指标φ、压缩模量Es进行相关分析,并参考铁道部《静力触探技术规则》TBJ38—93[4]提出本场地的φ-N、φ-ps、Es-ps的经验关系如下:

φ=0.267N+30.3

(2)

φ=3.47ps+28.4

(3)

Es=(1.1～1.3)ps

(4)

应用上述三式估算得本场地松散回填砂的φ=31°(均值,下同),Es=3.84 MPa;稍密的φ=34°,Es=6.05 MPa;中密的φ=36°,Es=11.5 MPa;密实的φ=38°,Es=19.94 MPa。

1.4 估算回填砂的地基承载力和变形模量

目前为了利用标准贯入试验、静力触探试验确定地基土的承载力,国内外都是通过对比试验结果提出经验公式,以解决生产上的应用问题。建立经验公式的途径主要是将标贯或静探试验结果与载荷试验得到的比例界限值(及地基承载力特征值)进行对比,并通过对比数据的相关分析得到用于特定地区特定性的经验公式。

平板载荷试验是确定回填砂承载能力和变形特性参数的有效方法,也是标贯试验、静探试验进行对比的基本方法。在回填砂工程性状研究阶段,在高家屋场、剪刀峪、周家湾、柳树坝四条冲沟回填区分别做了一个载荷试验,每个试点做了天然状态和浸水两种试验,同时在剪刀峪竖井内5.0 m、10 m、15 m深处各做了一个载荷试验,取得有效数据10组。

1.4.1 复核现有的承载力公式

用载荷试验资料复核现有的自然沉积砂的经验公式是否适用于回填风化砂,如果表明现有的经验公式具有足够的安全度,则可以采用现有经验公式来估计回填砂的地基承载力,否则不宜采用,而应进行相关分析,提出新的经验公式。

武汉联合小组提出采用静力触探试验结果估计自然沉积砂的地基承载力公式为:

f=5.25ps0.5-103

(5)

式中:f为地基承载力标准值,kPa。

在回填砂工程性状研究阶段,采用所取得的静力触探ps值代入上式计算回填砂的地基承载力,所得结果都比对照组的载荷试验值高,而且离差普遍较大,安全度得不到保证,不宜采用。

有标准贯入试验对比资料的载荷试验共7台,其中竖井5 m处数据无代表性,另3个松散砂土的N值<10,规范对松散砂不提供地基承载力,因此能复核的仅3组数据。复核结果,两者相差仅为10%～15%,因此可以用湖北省《岩土工程勘察工作规程》DB42/169—2003所列自然沉积砂的地基承载力表来确定回填砂的承载力。

复核规范承载力公式。《建筑地基基础设计规范》推荐的地基承载力公式为:

fa=Mbγb+Mdγmd+Mcck

(6)

式中:fa为地基承载力设计值,kPa;Mb、Md、Mc为承载力系数;b为基础宽度,m;d为基础埋深,m;γ为基础底面以下土的重度,kN/m3;γm为基础底面以上土的重度,kN/m3;ck为基底下土的内聚力标准值,kPa。

采用上式计算回填砂的地基承载力与载荷试验结果比较,发现公式计算的结果比载荷试验值偏大很多,特别是松散回填砂,因此公式计算值不宜采用。

1.4.2 用原位测试结果估计回填砂地基承载力的建议公式

ps>4 MPa,f=3.5ps0.5-120

(7)

ps≤4 MPa,f=0.81ps0.5+50

(8)

N>10击,f=103N0.5-225

(9)

N≤10击,f=5.1N+50

(10)

根据回填砂的标准贯入试验和静力触探试验成果分析,应用上述换算公式换算出了每个孔每个测点的地基承载力标准值,按密实度归纳如下:松散回填砂fak=79～100 kPa,稍密fak=105～169 kPa,中密fak=185～285 kPa,密实fak=305～394 kPa。计算结果表明处理前不同部位回填风化砂的承载力相差非常悬殊,地基很不均匀。

1.4.3 估算变形模量的经验公式

变形模量E0与比贯入阻力ps有较好的相关性,回归方程为:

E0=8.44+0.968ps

(11)

应用该式估计稍密—中密回填砂的变形模量为16～18 MPa。

2 结语

(1) 经本次复核,采用静探确定自然沉积砂承载力的经验公式和规范推荐的采用抗剪强度指标计算地基承载力公式都不适用于本处回填风化砂,因此,应用标准贯入试验和静力触探试验检测回填风化砂地基,必须先开展标准贯入试验、静力触探试验与室内物理力学试验、平板载荷试验对比研究,建立标准贯入击数、静力触探比贯入阻力与回填砂的物理力学性质指标之间的经验关系,然后推广应用。

(2) 本文列出的采用标准贯入试验、静力触探试验指标换算回填风化砂物理力学性质指标的经验公式可以应用于、而且已经成功应用于秭归新县城回填风化砂地基的详细勘察和强夯效果检测,这方面的实例参见参考文献[5]。

(3) 秭归新县城已经建成近20年,未出现回填风化砂地基变形超过规范允许值的现象,证明了应用标准贯入试验和静力触探试验检测回填风化砂地基的效果好,而且快速、经济。

(4) 标准贯入试验、静力触探试验测试土的物理力学性质指标是间接性的,根据《岩土工程勘察规范》GB50021—2001,对一级工程的详细勘察和强夯效果检测,除必须进行勘探、标贯试验、静探试验或者动力触探测试外,尚宜进行载荷试验。

致谢:本文编写过程中得到高大钊、刘特洪二位教授悉心指导,在此表示诚挚的感谢！

[1] 高大钊,刘特洪.长江三峡水利枢纽库区秭归县城新址回填砂工程性状研究报告[R].武汉:长江水利委员会综合勘测局,1995.

[2] 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑地基基础设计规范:GB50007—2011[S].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[3] 《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册[M].第三版.北京:中国建筑工业出版社,1992:261-265.

[4] 铁道部第四勘测设计院.静力触探技术规则:TBJ38—93[S].北京:中国铁道出版社,1993.

[5] 王周萼,李从华,彭静.静力触探测试在秭归回填砂地基检测中的应用[J].人民长江,2005,36(3):42-57.

(责任编辑：于继红)

Application of Standard Penetration Test and Static ConePenetration Test in Foundation Detection of BackfillWeathered Sand in Zigui New County

JIANG Xiaojuan1, GONG Fuhong2

(1.ChangjiangInstituteofSurveyTechnicalResearch.MWR,Wuhan,Hubei430011; 2.GuangxiWanhuaConstructionEngineeringConsultingCompany,Nanning,Guangxi530021)

In order to accurately,quickly and economically detect the engineering traits with large thickness and non-compacted backfill weathered sand foundation,it is necessary to adopt an in situ test method which can detect the deeper sand layer. Standard penetration test,and static cone penetration test are the most promising methods,but before this area there are no empirical formula of the two methods to determine the backfill weathered sand traits. Through the comparative study of standard penetration test,static cone penetration test,indoor physical mechanics test and load test of backfill weathered sand,it is found that the good correlation of standard penetration test blow count,specific penetration resistance,and relative density,internal friction angle,compression modulus,foundation bearing capacity,and deformation modulus of the backfill weathered sand. The empirical relationship between the above indexes is established,and then applied to the backfill weathered sand foundation detection. Practice has proved that the application of standard penetration test and static cone penetration test in foundation detection of backfill weathered sand with good results.

standard penetration test; static cone penetration test; backfill weathered sand; foundation detection

2017-05-31;改回日期:2017-06-14

蒋晓娟(1969-),女,工程师,岩土工程专业,从事土的工程性质试验研究工作。E-mail:840189258@qq.com

TU413.5

A

1671-1211(2017)04-0497-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.031

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170620.1435.036.html 数字出版日期:2017-06-20 14:35