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旁压试验与标准贯入试验在地基检测中的对比研究

2019-02-27张凤海徐明江

广东土木与建筑 2019年2期
关键词:原位特征值岩土

张凤海,徐明江,宋 兵

(1、广州建设工程质量安全检测中心有限公司 广州510440;2、广州市建筑科学研究院有限公司 广州510440)

0 引言

原位测试是指岩土体在原来所处的位置上或基本上在原位状态和应力条件下对岩土性质进行的测试[1-3]。常用的测试方法有:载荷试验、静力触探试验、旁压试验、十字板剪切试验、标准贯入试验、波速测试及其他现场试验[1]。原位试验对天然地基岩土体的扰动较小,通常能够比室内试验获得更加可靠的岩土体相关参数,从而提高地基检测的准确性。旁压试验和标准贯入试验是原位试验较为常用的试验方法,两者应用都较为广泛。旁压试验适用于粘性土、粉土、砂土、残积土等[3],能够提供较大的试验压力,但是目前在地基检测中的应用较少;标准贯入试验适用于各种土层中,具有价格低廉、操作简单等特点,因此被广泛应用在地基检测和岩土工程勘察等领域。本文以广州某技术研发中心天然地基为研究对象,对该工程场地进行旁压试验和标准贯入试验,以检测地基承载力大小和判别岩土性状,两种试验相互补充,进一步提高地基检测结果的准确性和可靠性。

1 旁压试验简介

旁压试验是利用可侧向膨胀的旁压仪,通过对钻孔中测试段孔壁施加径向压力,量测其变形量,根据孔壁压力与变形之间的关系,计算地基土承载力、压缩模量的一种原位测试方法。旁压仪分为压入式、自钻式和预钻式三种[4-5]。预钻式旁压仪在国内应用较为广泛,本次主要采用GeoSPAD2梅纳型旁压仪。

现场旁压试验获取的数据均需进行修正,用修正后的压力值P和修正后的体积变形值V绘制P-V关系的旁压曲线,如图1所示。从绘制的旁压曲线确定初始水平压力(P0)、临朔压力(Pf)、极限压力(Pl),继而根据相关公式计算出地基承载力和旁压模量。

旁压曲线主要分为初始阶段、似弹性变形阶段和塑性变形阶段(见图1)。初始阶段是指圆柱形探头从初始的自然状态加压膨胀到等于原状土体围压的过程,该阶段曲线终点为对应深度处的原位水平压力;似弹性变形阶段在曲线上对应直线段,该阶段土体处于弹性变形阶段,曲线终点为临朔压力;塑性变形阶段表明土体开始发生破坏,该曲线段可判断极限压力。对于预钻式旁压试验,旁压曲线的初始阶段可反映其成孔质量。对旁压曲线的似弹性阶段(直线段)的起点作与横坐标的垂线,其交点对应的压力值为初始水平压力P0;对旁压曲线的似弹性阶段(直线段)的终点作与横坐标的垂线,其交点对应的压力值为临塑压力Pf,该值可以计算地基岩土体的旁压模量;塑性变形阶段的曲线经过临塑压力后,趋向于与纵轴平行的渐近线时,其对应的压力为极限压力Pl,它是反映土体破坏的一个重要阶段。

图1 旁压曲线三个阶段示意图Fig.1 Schematic Diagram of Three Stages of Side Pressure Curve

由P0、Pf、Pl可确定地基承载力的特征值,常用方法主要有临塑压力法和极限压力法两种。本文主要采用临塑压力法来确定地基承载力特征值f0:

式中:Pf为临塑压力(kPa);P0为原位水平土压力(kPa)。

对于地基土的旁压模量Em,可按式⑵计算:

式中:Em为由旁压试验确定的模量(kPa);μ为泊松比;Vc为旁压器(中腔)初始体积(cm3);Vm为平均体积增量(取旁压试验曲线直线段两点间压力所对应的体积之和的一半)(cm3);△P为旁压曲线上直线变形段的压力增量(kPa);△V为相当于△P的体积变化增量(cm3)。

2 标准贯入试验简介

标准贯入试验(SPT)是用质量为63.5 kg的穿心锤,以76 cm的自由落距,将标准规格的贯入器打入试验土层中,先对钻孔底部预打15 cm,再记录打入30 cm的锤击数,根据锤击数来推定土的力学特性的一种原位试验方法[6-8]。标准贯入试验不仅广泛应用于岩土工程勘察,在地基检测中也有较为广泛的应用[9-13]。本次采用自动脱钩的自由落锤法进行标准贯入试验。

标准贯入试验孔采用回转钻进,并保持孔内水位略高于地下水位,当孔壁不稳定时,用泥浆护壁,钻至试验标高以上15 cm处,清除孔底残土后再进行试验。采用自动脱钩的自由落锤法进行锤击,并减少导向杆与锤间的摩阻力,避免锤击时的偏心和侧向晃动,保持贯入器、探杆、导向杆联结后的垂直度,锤击速率应小于30击/min。贯入器打入土中15 cm后,开始记录每打入10 cm的锤击数,累计打入30 cm的锤击数为标准贯入试验锤击数N′[7-8]。

当锤击数达到50击,而贯入深度未达到30 cm时,记录50击的实际贯入深度,按式⑶换算成相当于30 cm的标准贯入试验击数N′,并终止试验。

式中:N′为标准贯入试验实测锤击数;△S为50击时的贯入度(cm)。

当钻杆长度大于3 m时,锤击数按式⑷进行钻杆长度修正,以确定地基承载力值。

式中:N为标准贯入试验修正锤击数;α为触探杆长度校正系数。

3 旁压试验与标准贯入试验工程实例

3.1 场地工程概况

本次试验场地位于广东省广州市某技术研发中心(A-1)、厂房(B-1、B-2)、门卫(C-1)、消防水泵房(D-1,D-2)。本场地岩土层包括填土(Qml)、全风化花岗岩(γ)、强风化花岗岩(γ)、中风化花岗岩(γ)等,岩土层分布均匀,厚度变化较小。通过对场地内天然地基土(全风化花岗岩)进行旁压试验与标准贯入试验,鉴别试验孔在检测深度范围内的天然地基的岩土性状,检测试验点地基承载力特征值是否符合设计要求[14]。

3.2 旁压试验结果分析

旁压试验在选定的钻孔中进行,在钻孔深度2.00 m处进行试验,以鉴别该深度范围内的地基承载力是否满足设计承载力的要求,确定地基承载力和旁压模量。

采用GeoSPAD2梅纳型旁压仪,通过现场旁压试验得出不同试验荷载条件下对应的体积变化数据,再经过相关计算得出修正后的体积和修正后的压力,如表1所示。

表1 试验荷载与体积变化数据表Tab.1 Test Load and Volume Change Data Sheet

根据修正后的压力与修正后的体积绘制P-V曲线(见图2),从中可以明显看出三个阶段,分别为初始阶段、似弹性变形阶段和塑性变形。测试点位于钻孔深度以下2 m,将旁压曲线直线段延长至纵坐标,其交点V0=184 cm3;由V0作与P轴平行线与曲线的交点为原位水平土压力P0=112.7 kPa;取旁压曲线直线段的终点为临朔压力Pf=823.8 kPa。根据临朔压力法计算出地基承载力特征值为711.1 kPa,由式⑵计算出旁压模量为14.82 MPa。

图2 全风化花岗岩旁压试验曲线Fig.2 Lateral Pressure Test Curve of Completely Decomposed Granite

本次试验效果较好,达到试验目的,图2中的曲线为典型的旁压曲线(三段式),得出的地基承载力远大于设计承载力特征值,满足场地天然土地基承载力的要求。

3.3 标准贯入试验结果分析

该场地内标准贯入试验的试验孔共6孔,每孔2个试验点,共12个试验点,设计承载力特征值为350 kPa,试验孔的数量、位置具有代表性,满足试验的要求。试验的6个孔在标准贯入试验深度范围内都见全风化花岗岩,满足基础持力层为全风化花岗岩的设计要求。标准贯入试验修正锤击数的最小值36击,最大值为41击,标准值为36.4击。根据文献[1],该场地天然地基土(全风化花岗岩)对应的地基承载力特征值为大于660 kPa,满足设计承载力350 kPa的要求。

3.4 旁压试验成果与标准贯入试验成果对比

本次旁压试验计算出的地基承载力特征值是711.1 kPa,标准贯入试验得出的承载力特征值大于660 kPa。两者均大于设计要求的地基承载力(350 kPa),满足天然地基设计承载力的要求。文献[1]表4.4.6-4中对于花岗岩残积土(全风化岩)锤击数超过23击后尚未给出地基承载力特征值,而旁压试验数据可计算出地基承载力特征值的具体数值,两者相互补充,使得结果更加可靠,进一步提高地基检测结果的准确性。

4 结论与展望

原位试验方法对岩土体扰动较小,获取结果准确可靠,故在地基承载力评价方面广泛应用。旁压试验和标准贯入试验均在全风化岩中进行,对其地基承载力进行检测。本工程案例表明,旁压试验计算出的地基承载力特征值是711.1 kPa,标准贯入试验得出的承载力特征值为大于660 kPa,满足设计承载力的要求。

旁压试验技术较为成熟,可获得较为准确的岩土体参数,但是试验成本较高,操作复杂,花费时间长。标准贯入试验在推定天然地基的地基承载力、鉴别岩土性状等方面应用较为广泛,但是其试验原理较为复杂,该试验多以经验公式的形式应用,这些经验公式通常是根据不同的地域和岩土类别等得出,具有一定的局限性。因此,将两者的优势结合起来,相互补充,从而使获取的结果更加准确可靠。广东地区旁压试验应用在地基检测领域还较少,推广其在地基检测中的应用十分重要。

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