平板载荷试验在路基承载力检测中的应用*

魏永梁 王小军 屈耀辉

郑州—西安铁路客运专线正线全长484.518 km，设计时速350 km/h，是我国乃至世界上在湿陷性黄土地区修建的第一条高速铁路。全线约有65%的线路位于湿陷性黄土区，湿陷程度从轻微(Ⅰ级)到很严重(Ⅳ级)在全线均有分布，涵盖了我国湿陷性黄土的全部类型[1]。湿陷性黄土工程性质复杂，为满足郑西全线铺设无碴轨道后路堤工后沉降量不超过15 mm的技术要求，必须对地基进行处理，以消除地基土的湿陷性，提高地基承载力，并最终控制路基总沉降。目前，适用于处理湿陷性黄土的地基处理方法很多[2]，为检验不同地基处理方法的效果，并为正线建设中的地基承载力检测总结经验，课题组选择代表性地段，对柱锤冲扩桩、水泥土挤密桩复合地基和强夯地基进行试验研究。

1 试验概况

试验场地位于郑西铁路客运专线DK355+200左侧200 m处，属渭河Ⅱ级阶地地貌单元，为自重湿陷性Ⅳ级黄土场地，湿陷性土层下限深度平均达22 m，地下水埋深约40.5 m。勘察深度范围内地层自上而下分为9层:①素填土，层厚 0.50 m;②砂质黄土，层厚4.00 m～6.10 m，平均湿陷系数0.045，具中等湿陷性;③黑垆土，层厚0.60 m～1.20 m，平均湿陷系数0.060，具中等湿陷性;④砂质黄土，层厚5.00 m～6.10 m，平均湿陷系数0.045，具中等湿陷性;⑤砂质黄土，层厚 8.10 m～10.00 m，平均湿陷系数0.033，具中等湿陷性;⑥古土壤，层厚1.10 m～2.20 m，局部具弱湿陷性，属低压缩性土;⑦细砂，密实，层厚 7.60 m～9.40 m;⑧粉质黏土，层厚 1.40 m～2.80 m，属中偏低压缩性土;⑨细中砂，密实，最大揭露厚度7.50 m，未揭穿[2]。试验段地基处理范围长 140.0 m，宽 38.1 m，地基处理自东向西分柱锤冲扩桩、水泥土挤密桩和强夯3个试验分区，分区各长40 m，两两分区间设10 m长地基不处理的过渡段。柱锤冲扩桩和水泥土挤密桩地基处理区:桩径、桩间距、桩长分别为0.6 m和0.5 m，1.05 m和1.0 m，22 m和15m，均为正三角形布置且桩身材料为8%的水泥改良黄土;强夯地基处理区又分15 m，10 m和15 m宽的三个子区，夯击能分别为3 000 kN◦m，3 500 kN◦m和4 000 kN◦m，处理深度6 m。天然地基承载力约为90 kPa，柱锤冲扩桩、水泥土挤密桩复合地基和强夯地基承载力设计值分别为260 kPa，190 kPa和180 kPa，利用平板载荷试验检测各区的承载力[3]。

2 试验装置及方法

2.1 试验装置

试验设备由承压板、加荷系统、反力系统、观测系统四部分组成。强夯地基、水泥土挤密桩和柱锤冲扩桩复合地基分别采用1 000 mm，1 050 mm，1 100 mm三种直径规格的圆形钢承压板。加荷系统是通过承压板对地基施加荷载的装置，根据试验要求而采用不同规格的手动液压千斤顶，并配备不同量程的压力表控制加荷值;反力系统由工字钢梁搭建的承载平台和其上堆砌的砂袋组成，通过调节反力系统与加荷系统之间的力系平衡，使荷载始终保持垂直传力状态;观测系统是由基准梁和测量仪表两部分组成。

2.2 试验方法

首先，在选定的测试点，按大于2倍承压板直径的宽度开挖试验基坑，其中承压板底面高程位于桩顶或强夯地基面下0.5 m处;接着，用不超过20 mm厚的中粗砂将开挖找平，并用水平尺进行校正;然后，遵循先下后上、先中心后两侧的原则依次安放承压板、千斤顶、反力系统及观测系统;最后，进行加载试验。正式加荷前，将试验面打扫干净，将承压板上的两个百分表调至最大值。先对试验面进行预压(加两级荷载)，稳压1 h，使平板与砂垫层紧密接触，百分表工作正常后放松千斤顶油门卸载，稳定1 min后，记录初始读数。

加载时，柱锤冲扩桩复合地基的极限荷载按承载力设计值的3倍考虑，预计其极限荷载为800 kPa，第一级加荷140 kPa，后每级按70 kPa加荷，加至840 kPa;同样，预计水泥土挤密桩复合地基极限荷载为 600 kPa，第一级加荷30 kPa，后每级按60 kPa加荷，加至630 kPa;强夯地基根据夯击能不同，第一级加荷50 kPa～80 kPa，后每级按 50 kPa～ 80 kPa加荷，加至 550 kPa～ 720 kPa。

试验中针对现场实际情况对荷级量进行调整，每个试验点的加荷级数不小于8级。观测频次、时间及其稳定标准和试验终止条件按照参考文献[4]中3.3.5的规定执行。

2.3 数据分析方法

2.3.1 基本承载力

根据不同情况，可按下述方法[4]确定地基基本承载力:

1)p—S曲线法。若p—S曲线存在拐点，则第一拐点对应的压力为比例界限压力pa，第二拐点对应压力为极限承载力 pu。当 pu≤1.5pa时，取 σ0=pu/2;当 pu＞1.5pa时，取 σ0=pa。2)p—S/P曲线法。若p—S曲线呈圆弧形，无明显拐点，可依据p—S/P曲线法判断基本承载力。3)双曲线拟合法。若p—S曲线呈圆弧形，无明显拐点，由双曲线拟合法确定 pu值，取σ0=pu/F(F为安全系数)，可视地基工程性质取 F=2～3(高压缩性土取低值，低压缩性土取高值)。4)相对沉降值法。若 p—S曲线呈圆弧形，无明显拐点，也可取相对沉降值S/b值所对应的荷载强度为s0，各类土的S/b值可依参考文献[4]中表3.4.2取用。

2.3.2 极限承载力

地基极限承载力按下述方法[4]确定:

1)p—S曲线法。若 p—S曲线存在拐点，则第二拐点对应压力为极限承载力pu。

2)双曲线拟合法。桩顶荷载p与沉降S关系可近似地用双曲线关系式表示:

其中，A，B均为试验常数。改写上式得:

令K=p/S桩割线模量，将其代入上式得:

1/K—S关系为直线(如图1所示)，该线斜率为B，与纵轴的截距为A。斜率的倒数为桩顶沉降趋于无限大时的破坏荷载pult，即:

令 Fr=pu/pult为破坏比，则极限承载力 pu=Fr◦pult，式中Fr可按参考文献[4]中表3.4.3取值。

3)S—lg t曲线法。S—lgt曲线法是根据S—lgt曲线的线性形态变化来判断复合地基的破坏荷载，一般做法是若某级荷载的S—lg t曲线尾部出现明显转折时，将前一级荷载定为破坏荷载。

表1 平板载荷试验结果汇总表

2.3.3 变形模量E0和基床系数Ksa

土的变形模量E0反映了土体受压后的变形情况，它的值越大说明土体在受压时抵抗变形的能力越强。基床系数Ksa反映了地基基本承载力范围内产生单位沉降量所需要的压力，Ksa值越大说明土体在受压时抵抗变形的能力越强。土体变形模量E0和基床系数Ksa可按参考文献[4]中式 3.4.5和式3.4.6-1确定。

3 试验结果分析

本试验在各区分别选择了若干测点对柱锤冲扩桩(5个)、水泥土挤密桩(6个)复合地基和强夯(3个)地基做平板载荷试验，按2.3所述方法对试验数据进行分析，试验场地地基的 σ0，pu，E0和Ksa值见表1。

对由满28 d龄期单桩确定的复合地基承载力作为该场地的地基承载力，而用满90 d龄期的单桩复合地基承载力来对该场地确定的地基承载力进行验证，柱锤冲扩桩、水泥土挤密桩复合地基承载力统计分析结果见表2。

表2 复合地基承载力统计分析表 kPa

由表1可以看出，柱锤冲扩桩、水泥土挤密桩和强夯的单桩复合地基基本承载力比天然地基承载力均有很大提高，且都大于其承载力设计值，满足设计要求。单桩复合地基满90 d龄期的地基承载力比满28 d的地基承载力要高，这表明随着桩龄期的不同，其地基承载力也不同，龄期越大，其地基承载力也越大。

由表2可知，基本承载力和极限承载力的变异系数都很小，且s0值的极差与承载力平均值的比值也远小于30%。这说明本试验地基基本承载力和极限承载力设计使用值的确定符合TB 10041-2003铁路工程地质原位测试规程中3.4.4条的规定，所得结果准确可靠。

平板载荷试验结果表明，各场地地基承载力强度大小顺序为:柱锤冲扩桩区＞强夯区＞水泥土挤密桩区。但考虑到强夯的有效处理深度通常不足6 m，不像桩体能处理到地下十几米甚至20多米。再从变形模量和平板载荷试验基床系数来看:柱锤冲扩桩区＞水泥土挤密桩区＞强夯区，从变形控制角度考虑，土体在受压时水泥土挤密桩复合地基抵抗变形的能力要优于强夯地基。

4 结论及建议

1)试验场地柱锤冲扩桩、水泥土挤密桩单桩复合地基基本承载力分别为310 kPa，226 kPa，强夯场地地基的基本承载力范围值为239 kPa～314 kPa，大于200 kPa，均大于承载力设计值，满足设计要求。柱锤冲扩桩、水泥土挤密桩单桩复合地基极限承载力分别为745 kPa，461 kPa，强夯地基的极限承载力范围值为473 kPa～523 kPa，均已达到很高的承载力水平。2)柱锤冲扩桩(DDC桩)和水泥土挤密桩场地中，满90 d龄期桩的地基承载力比满28 d的地基承载力要高，而且随着变形模量的增大其平板载荷试验基床系数也增大。3)平板载荷试验结果表明，各区地基承载力通常是柱锤冲扩桩区＞强夯区＞水泥土挤密桩区。4)在对试验数据进行分析时，建议采用不同的方法来确定地基的承载力，对所得结果分析后，取合理、相近的承载力均值作为最终结果。本次平板载荷试验结果的确定符合相关规范之规定，所得结果准确可靠。

[1] 王小军.黄土地区高速铁路建设中的重大工程地质问题研究[D].兰州:兰州大学，2008.

[2] 魏永梁，王小军，屈耀徽，等.湿陷性黄土区客运专线路基工程试验效果与沉降评估分析[J].发展，2008(6):107-109.

[3] 魏永梁.湿陷性黄土区客运专线复合地基和改良黄土路基沉降分析与预测[D].北京:中国铁道科学研究院，2008.

[4] TB 10041-2003，铁路工程地质原位测试规程[S].