某客运专线工程粉土地基承载力的确定

陈 占

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

1 概述

粉土是界于砂类土与黏性土之间,塑性指数Ip≤10且粒径>0.075 mm，颗粒含量不超过全重50％的土[1][2]。河南郑州至许昌铁路粉土地基受黄淮河水系多次洪涝灾害改道和迁移的影响,成因和相变较为复杂,主要为第四系全新统近代黄河泛滥堆积物,成分以粉粒为主,砂粒和黏粒较少,结构较松散,常含有3％左右、外形不规则、粒径5～25 mm的钙质结核。粉土的物理力学指标差异性较大,工程性质比较复杂,长期以来,对粉土地基承载力的确定存在一些矛盾和争议。粉土工程性质界于砂类土与黏性土之间,一般情况下,当砂粒含量较多时,其地基承载力更接近于粉砂,当黏粒含量较多时,其地基承载力更接近于黏性土。为取得郑州至许昌铁路粉土地基较为合理的承载力,选取6处代表性试验点,采用载荷试验、静力触探、标准贯入试验、钻探取样等多种勘察方法(表1给出了各代表性试验点粉土相关物理力学指标)的综合对比，分析了粉土地基承载力,提出了该段粉土地基承载力确定的方法。

表1 代表性试验点粉土地基相关物理力学指标

2 粉土地基承载力的确定

目前,确定粉土地基承载力的方法主要有：查表内插法、标准贯入试验法、静力触探法、理论计算法、载荷试验直接测定法等。各种方法确定的代表性试验点粉土地基承载力见表2,其他各种方法得取得的粉土地基承载力与载荷试验直接测定法均存在一定或较大的差异。

表2 不同方法确定的代表性试验点粉土地基承载力

2.1 查表内插法

查表内插法[3]确定粉土地基承载力,所需参数仅为天然孔隙比(e)与天然含水量(W),通过他们之间的相关关系,在表中可方便、快捷的求得粉土地基承载力。根据多年来铁路部门在粉土地区工程地质勘察工作实践,认为粉土(特别是饱和粉土)在钻探取样及搬运过程中较易失水,室内土工试验测得的天然含水量失真,其值常偏低而且数据分散,计算的孔隙比也随之产生较大误差,导致采用查表内插法确定粉土地基承载力值常偏高,趋于不安全。从表2可以得出,本次6个代表性试验点中,1号试验点位于地下水位之上,为稍湿状态,其试验室取得含水量、孔隙比与实际值较为接近,查表法取得的地基承载力与载荷试验直接测定法较为接近,其余试验点均位于地下水位以下,为饱和状态,其试验室取得含水量、孔隙比与实际值相关接近,查表法的结果为载荷试验直接测定法的161.1％～204.0％,存在较大的差异。因此，对于饱和粉土,地基承载力采用查表内插法进行粉土地基承载力取值,其值往往偏高,对工程结构安全不利,饱和粉土承载力取值一般不宜采用该法进行。

2.2 标准贯入试验法[4]

粉土易扰动失水,其中又含有较坚硬的、分布杂乱、粒径大小不一的钙质结核,造成标准贯入试验数据分散,可靠性较差,时有偏高、不合理的击数出现,造成承载力数值较高的假象,有可能给铁路工程建设带来隐患。从表2可以得出,本次6个代表性试验点中,4号试验点标准贯入试验法的地基承载力与载荷试验直接测定法较为接近,其余试验点标准贯入试验法取值为载荷试验直接测定法的109.4％～155.6％,存在相当的差异,大多数偏高,对工程结构安全不利。粉土承载力取值一般不宜采用该法进行,但标贯成果可作为参考,同时应注意积累资料,不断总结经验,建立该地区由标贯击数确定地基承载力的经验公式。

2.3 静力触探法

根据实测的比贯入阻力(锥尖阻力、侧壁摩阻力)值,贯入曲线的分布特征,结合铁路工程经验,采用《铁路工程地质原位测试规程》[5]中根据粉土载荷试验和静力触探成果对比建立的地基承载力经验公式

σ0=0.89Ps0.63+14.4(Ps≥0.9 MPa)

或

σ0=0.112Ps+5(Ps<0.9 MPa)

式中：σ0为地基承载力/kPa；Ps为单桥静力触探比贯入阻力/MPa。

从表2可以得出,本次6个代表性试验点静力触探法所取得的粉土地基承载力为载荷试验直接测定法的95.2％～106.4％,两者取值较为接近,对工程结构安全设计基本无影响,粉土地基承载力取值在没有载荷试验直接测定的情况下,可以采用静力触探法确定该地区粉土地基承载力,并可参考标准贯入试验成果进行确定。

2.4 理论计算法[6]

20世纪40年代K.太沙基、50年代G.G.梅耶霍夫、60年代J.B.汉森、70年代A.S.魏锡克、90年代沈珠江等各国学者都提出了计算地基极限承载力的公式。但上述公式的推导都有特定的边界条件及适用范围,使用时应十分重视参数的测定和选取,仍不能排除个人专业水平和工作经验的影响。在铁路工程实践中,一般采用现行建筑地基基础设计规范[6]中推荐的根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值fa的计算公式

fa=Mb·r·b+Md·rm·d+Mc·ck

式中fa——由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值/kPa；

Mb、Md、Mc——承载力系数；

r——基础底面以下土的重度/kN·m-3；

rm——基础底面以上土的加权平均重度/kN·m-3；

b——基础底面宽度/m；

d——基础埋置深度/m；

ck——基底下一倍短边宽深度内土的黏聚力标准值/kPa。

在计算中发现,采用该理论计算法所取得的结果与载荷试验直接测定法的结果相差太大,建议不采用理论计算法确定该地区粉土地基承力。

2.5 载荷试验直接测定法[5]

通常采用载荷试验可直接确定地基的承载力,并以此作为其他原位测试的对比依据；载荷试验一般可采用强度和变形双重安全度控制,按荷载-沉降(P-S)曲线的线形可分别采用拐点法(比例界限点)、极限荷载法和相对沉降法确定地基承载力特征值。为确定郑武客运专线郑州至许昌段粉土地基承载力,在该地区粉土层中分别进行了3组平板静力载荷试验和3组螺旋板静力载荷试验(承载板面积0.25～1.0 m2),试验结果见表2。由于载荷试验一般反映承载板下大约1.5～3倍承载板直径深度范围内土的性状,且承载板影响范围内的土质较为均一时,其测试成果才是最可靠的,当土层为非均质土或土质不同的多层土时,载荷试验得出的测试数据与实际基础下地基土的性状将存在一定的差异,在确定地基承载力时应予以关注,尽量消除可能存在的一些误差。

3 结论与建议

通过以上各种方法的对比分析,得出确定粉土地基承载力的主要结论与建议：

载荷试验是目前确定地基承载力最可靠、最直观的方法,但技术要求高、耗资大、费时费力,条件许可时,可分段进行代表性试验,并与其他方法进行对比分析,选用较简便、经济而快速的1～2种方法,确定该地区铁路工程地基承载力。

根据天然孔隙比(e)与天然含水量(W)的关系,采用查表内插法确定粉土地基承载力,受粉土室内试验测试值与实际值差异较大的影响,承载力取值常偏高,对工程结构设计不利,一般不宜采用其进行饱和粉土承载力取值,对地下水位以上的粉土层,可在地区经验的基础上,参考采用。

受该地区粉土层中含有较多分布杂乱、粒径大小不一的钙质结核,标贯击数往往受到的影响,且一般结果偏大,建议标贯试验成果作为确定该地区粉土地基承载力一般不宜单独应用,当粉土层埋深较深时,可参考利用。

静力触探法所取得的粉土地基承载力为载荷试验直接测定法的取值基本接近,建议该在没有载荷试验直接测定的情况下,以静力触探法为主确定该地区粉土地基承载力,并可参考标准贯入试验成果进行综合确定。

粉土地基承载力的确定受多种因素的影响,其承载力的确定是一个较为复杂的难题,在工作中不断积累经验,以完善修正相关成果。

[1]GB50021—2001 岩土工程勘察规范[S]

[2]TB10077—2001 铁路工程岩土分类标准[S]

[3]TB10012—2007 铁路工程地质勘察规范[S]

[4]黑龙江省寒地建筑科学研究院.黑龙江省建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2005

[5]TB10041—2003 铁路工程地质原位测试规程[S]

[6]GB50007—2002 建筑地基基础设计规范[S]