经夯压实碎石类土力学指标确定方法探讨

宫浩亮 甄振 万燕龙

摘要：对大量平板载荷试验和现场大面积剪切试验成果进行对比研究与分析，结合超重型动力触探N120试验成果的有效验证，发现相比于大量平板载荷試验和超重型动力触探N120试验，采用大面积剪切试验得到的土体的承载力特征值更可靠。

关键词：平板载荷试验；大面积剪切试验；承载力特征值；抗剪强度；变形模量

0   引言

长江中下游地区的原料场大多使用长宽分别为360m和50m的A型料条，原料场的地基土采用强夯或排水固结处理。为了响应国家环保发展要求，需将A型原料场进行智能化升级改造为堆填高度在23m以上的B型料条，这对地基的承载变形提出了更大挑战性。而对地基土的密度、孔隙比、含水量、压缩性和抗剪强度等力学性质指标进行准确评价，有助于选择合适的地基加固方案，提高地基土的承载力和抗变形能力。

超重型动力触探试验在现场勘查中，通常采用锤击数修正值来确定地基土体的基本力学特性[1]。但是锤击数修正值法是一种经验性方法，需要大量的试验数据来建立修正系数。在现场勘查中，直接利用锤击数修正值来确定地基土的力学参数误差较大。平板载荷试验[2]通常用于评估土壤的压缩特性和地基的承载能力。现场剪切试验[3]是一种用于测量土壤抗剪强度的测试方法。由于3种方法各有优缺点，因此采用何种方法去测量夯压实碎石类土的力学参数，仍有待进一步研究[4]。

本文针对马钢原料场的地基土的力学性质进行测量，对比采用平板载荷、现场剪切和超重型动力触探N120等3种勘探方法得到的数据，并通过有限元和工程试验桩的检测进行验证，发现相比于大量平板载荷试验和超重型动力触探N120试验采用大面积剪切试验得到的土体承载力特征值更可靠。

1   碎石类土详细分类

根据碎石的大小、形状和含量，碎石类土可以进一步分类如下：

碎石质沙土是含有大量的碎石颗粒，其粒径在2mm以上，且沙子含量较高，该类型土壤的透水性好；碎石质壤土是含有适量的碎石颗粒，其粒径在0.2～2mm之间，透水性良好；碎石质粘土是含有适量的碎石颗粒，其粒径小于0.2mm，同时粘土颗粒含量较高，水分保存能力强，透水性较差；碎石质砂壤土是含有大量的碎石颗粒，其粒径在0.2～2mm之间，且沙子含量较高。碎石质砾壤土是含有大量的碎石颗粒，其粒径在2mm以上，其土壤透水性良好，但容易流失。

2   锤击数标准值确定

超重型动力触探锤击数标准值如表1所示。由表1可知，块石填土的锤击数标准值最大，碎石填土和砾石填土的锤击数标准值次之，黏粒混砾石填土的锤击数标准值最小。块石填土的承载力特征值最大为580kPa，黏粒混砾石填土的承载力特征值最最小为240kPa。

块石填土中含有大块的石头或岩石，这些大块的石头或岩石会形成土体中的骨架结构，增加土体的刚度和强度，因此需要更大的锤击数来振实土体，以达到预期的固结效果。碎石填土和砾石填土由于颗粒间隙较大，存在较多的空隙，相对来说土体的刚度和强度相对较低，需要较少的锤击数来达到固结效果。黏粒混砾石填土中含有较多的黏土和有机质等胶结物质，这些物质会填充颗粒间隙，增加土体的粘聚力和内聚力，使土体的刚度和强度提高，因此需要较少的锤击数来达到相应的固结效果。

总之，不同类型的填土具有不同的力学特性，需要根据实际情况进行相应的锤击数标准值确定，以确保填土的固结效果和稳定性。

3   试验方法

3.1   平板载荷试验

平板载荷试验是一种原位试验方法，用于确定地基土的承载能力。通过对试验数据进行处理和分析。得到地基土的弹性模量和极限承载力。

采用边长为2m的正方形钢板作为试验板，并在上方施加800t的重力，平板载荷试验结果见表2。由表2可知，不同填土的承载力特征值和变形模量平均值不同。

3.2   大面积剪切试验

大面积剪切试验是一种测定土壤抗剪强度的试验方法之一。在这种试验中，土壤样品被压缩成一个圆柱形，然后在圆柱形的两端施加剪切力，以测定土壤的抗剪强度。

现场采用的圆柱形剪力盒面积为1m2，并采用平堆法在试验板上施加6t的重力，每一类土分别选择3个试验点，设置6组试验，整个试验共设置36组实验，大面积剪试验见结果表3。块石填土、碎石填土、砾石填土、黏粒混砾石填土的内聚力呈递增，而内摩擦角呈递减。

3.3   承载力特征值拟合效果

相关试验结果显示，所有填土的承载力特征值经验公式的拟合度均在95%以上，所有填土的变形模量经验公式系数的拟合度均在92%以上，由此说明承载力特征值和变形模量的拟合方程的拟合效果比较好。

4   力学参数确定

4.1   试验参数分析

对比超重型动力触探锤击、平板载荷试验和按照规范得到的抗剪强度计算承载力特征值，可得到4类土的承载力特征值。

超重型动力触探锤击试验方法是一种简单和快速的方法，能够提供土层厚度和地基类型的信息，但它仅仅提供地基的动态性质，难以获得地基的静态性质和一些其他参数，如地基的形状、深度等。

平板载荷试验方法提供了地基的静态性质，并且能够更精确地计算承载力特征值；但它需要更多的时间和成本，且需要更多的仪器和设备。规范计算得到的抗剪强度方法简单易用，成本低廉，但它需要依赖于土壤或岩石的性质和类型，且可能会导致一定的误差。

这3种方法各有优势，选择哪种方法应该取决于具体应用场景和需要。使用超重型动力触探试验在判定填土在垂直的均匀性时，易受到夯实方法、夯实频率、夯实时间和夯实压力等因素影响，且试验数据容易受到颗粒之间隙缝和不均匀分布影响，从而导致测量数据误差较大。

平板载荷试验的测试结果，会受到堆料位置、土壤类型、试验面积、测试深度和堆料场中的土壤可能存在变形和沉降的影响，导致测试结果存在较大差异性，因此不可靠。而大面积剪试验的测试结果与超重型动力触探试验具有一致性。

4.2   按矿料堆工况反演分析

在矿料堆工况反演分析模型中，将梯形的高设为13m，下底部宽设为45m，上顶部宽设为14m，铁矿粉的重度为3.30t/m3，静堆积角为40°。模型参数如图1所示。根据反演分析，计算堆料中的最大堆高段承载力特征值和堆料肩部的特征值如下：

（1）

计算结果显示，料堆中心的承截力特征值不低于429kPa，肩部不低于214.5kPa。

5   岩土勘察工程应用

5.1   工程概况

马钢股份港务原料总厂有A至E共5个料条，C型料条有2个。老料条地基采用“排水板+强夯”处理。强夯土由开山块石、石渣和黏性土等混合组成。处理区域的长宽分别为600m和330m，堆料区的历史最高高度为13m。

5.2   填土主要成分

马钢股份港务原料总厂的夯压实土主要颗粒含量与成份如表4所示。

5.3   勘察手段与方法

现场重度测试和原位测试是两种常见的现场勘察方法。现场重度试验是指测量单位容积原状土壤干土的重量的试验，目的是了解土壤固体颗粒和土壤孔隙的状况。原位测试主要采用載荷试验、静力触探试验和波速测试。其中，载荷试验是对土体施加一定的荷载，测定土体的变形和应力等参数，以确定土体的力学性质。

静力触探试验是指在钻孔过程中，利用静力作用测定土体的抗压强度和变形模量等参数。波速测试是指利用机械设备或工具，在岩层中钻孔，并采用剪切波波速测试等方法，了解地质情况的手段。

通过对原位测试、变形观测以及反演计算的数据，分析得到各夯压碎石类土的各种力学参数信息见表5。对该原料厂的现场原位试验得到的多组数据，采用有限元软件进行验算，并对工程试验桩的承载力进行检测，发现现场原位试验得到的土体力学参数是可靠的。

6   结束语

本文针对马钢原料场的地基土的力学性质进行研究，对比采用平板载荷、现场剪切和超重型动力触探N120等3种勘探方法得到的数据，并通过有限元和工程试验桩的检测进行验证。

块石填土的锤击数标准值最大，碎石填土和砾石填土的锤击数标准值次之，黏粒混砾石填土的锤击数标准值最小，块石填土的承载力特征值最大为580kPa，黏粒混砾石填土的承载力特征值最最小为240kPa，主要是因为这些土壤的力学特性不同。不同类型的填土具有不同的力学特性，为此需要根据实际情况进行相应的锤击数标准值的制定，以确保填土的固结效果和稳定性。

大面积剪试验发现，块石填土、碎石填土、砾石填土、黏粒混砾石填土的内聚力呈递增，而内摩擦角呈递减，大面积剪试验的测试结果与与超重型动力触探试验具有一致性，其测试数据的可靠度高。

在超重型动力触探试验分析中，承载力特征值和变形模量的估算公式的拟合度分别在95%和92%以上，因此承载力特征值和变形模量的拟合方程的拟合效果比较好。

通过对原位测试、变形观测以及反演计算的数据，分析得到各夯压碎石类土的承载力和变形模量建议值。采用有限元的稳定性验算，对复合地基工程试桩现场测试得到的土的物理力学指标的可靠性较高。

参考文献

[1] 王婷灏.动力触探试验有关问题商榷[J].西部探矿工程，2007，19（1）：4（z1）：431-439.

[2] 翟洪飞，高云.载荷试验沉降与承压板尺寸关系的分析[J].西部探矿工程，2008，（10）：219-221.

[3] 岩土体现场直剪试验规程 HG/T 20693-2006.

[4] 建筑地基基础设计规范GB50007—2011.中国建筑工业出版社.