武广客运专线灰岩残积层红黏土力学特性现场试验研究

黄晓晖

(中铁第四勘察设计院集团有限公司, 湖北武汉 430063)

平板载荷试验是在岩土体原位条件下,对一定尺寸的承压板施加竖向荷载,通过承压板向地基土逐级加荷,同时观测承压板沉降,测定地基土承载力和变形特性的原位测试方法[1]。一般认为,平板载荷试验在各种原位测试中最为可靠,具有直接、直观、准确的突出优点,作为一种主要的原位测试手段,在岩土工程勘察中得到了广泛应用。

武广客运专线武汉至韶关段分布近100 km的灰岩残积层红黏土地基。红黏土力学特性的复杂已为业内所公认,其强度及变形特性可能对路基变形产生不良影响,因此正确认识红黏土力学特性非常必要并具有十分重要的研究价值。目前,已有多位学者通过室内动单轴、三轴、压缩试验及静力触探等，对红黏土的动、静强度、变形特性进行了研究[2-5],但尚缺乏系统的现场原位试验资料。本文通过平板载荷试验,研究了武广客运专线灰岩残积层红黏土的承载力特性和沉降变形特点,分析了粒径组成、气候条件的影响,提出了不同条件下红黏土地基承载力标准值及变形模量参考值,并对红黏土地基段路基工程的设计与施工提出了建议,为武广客运专线红黏土地基力学参数合理取值提供了依据。

1 变形试验

1.1 工程概况

武广客运专线为全程无砟轨道设计的高速铁路,设计速度达350 km/h。无砟轨道系统以其少维修、耐久性强、生命周期长的优点,在现代高速铁路中得到迅速推广和运用,是现代高速铁路建设与发展的必然趋势[6]。它对地基变形的要求比有砟轨道严格得多,在特殊土地段对沉降量的要求也很严格,要求控制在15 mm以内。

设计中,该线路中的武汉—韶关段大约100 km为残积红黏土地基。红黏土的大孔隙、高含水量、高液限、高塑性、非饱和等特殊性质,对地基沉降变形要求非常严格的客运专线路基工程带来的影响不容忽视。因此，在红黏土地区选择了有代表性的路段,进行了平板载荷试验。

1.2 试验点

根据武广客运专线工程地质勘察资料,共选择19个代表性地基路段进行载荷试验,其中灰岩残积层红黏土地基段布设有6个试验点,各试验点桩号及地层概况见表1。

表1 试验工点及地层概况

1.3 试验准备[7]

平板载荷试验通常在试坑中进行。试坑底的宽度应不小于承压板宽度(或直径)的3倍,以消除侧向土自重引起的超载影响。为了保持测试时地基土的天然湿度与原状结构,应注意做到以下几点：

①在坑底顶留20～30 cm厚的原土层,试验前再挖去,并立即放入载荷板。对软黏土或饱和的松散砂,在承压板周围预留20～30 cm厚的原土做为保护层。

②试坑底板高程低于地下水位时,应先将水位降至坑底高程以下,并在坑底铺设2 cm厚的砂垫层,再放下承压板,等水位恢复后进行试验。

1.4 试验设备

试验设备包括1 m×1 m刚性承压板、直径0.7 m刚性圆承压板、压重平台、传力柱、100 t千斤顶、百分表、压力表、手动加压泵等。压重平台主要由三根6×40工字钢主梁、七根6×30工字钢副梁及竹跳板、沙包组成。100 t千斤顶、压力表、百分表分别由中科院武汉岩土力学研究所、湖北省计量测试技术研究院进行检定(如图1所示)。

图1 平板载荷试验示意

2 试验成果分析

2.1 试验原理

载荷试验是目前公认的确定地基承载力或预估地基变形的有效方法。它是在原位条件下,在一定面积的刚性承压板上加荷,通过承压板向地基土逐级加荷,来测定地基土变形、强度特性的方法。土体变形模量E0可按下式计算[8]

E0=ω(1-μ2)bpa/Sa

(1)

式中：b为承压板直径或宽度；ω为承压板系数,圆形取0.79,方形取0.89；μ为泊松比,碎石类土取0.25,砂类土和粉土取0.3,粉质黏土取0.35,黏土取0.42；pa为比例界限压力；即P-S曲线上第一拐点压力,当P-S曲线无直线段时,按0.5pu取值,pu为极限承载力；Sa为与pa对应的沉降。

平板载荷试验还可用于计算地基竖向基床系数,计算公式如下

Ksa=pa/Sa

(2)

为了载荷试验的承压板尺度进行修正,计算时多采用基准基床系数,基准基床系数的计算公式为

Kv2=3.28·b·Ksa

(3)

2.2 加载原则

本次试验分为常规载荷试验和非常规载荷试验两种类型。

常规载荷试验参照相关规范,采用方法是慢速维持荷载法,自加荷开始按1、2、2、5、5、15、15、15 min间隔,以后每隔30 min观测沉降一次,直至当连续2 h内,每小时的沉降量小于0.1 mm时,则认为已达稳定,可施加下级荷载。

非常规载荷试验是荷载按8 m土柱高计算,土柱自重应力为160 kPa,模拟土柱荷载,观测地基沉降,此级荷载试验时间相对较长,定为15 d(具体时间示地基实际沉降变形定),每1 h记录一次地基沉降。

2.3 试验分析

对获取的试验P-S曲线,按照文献[4]中的方法进行修正。得到2种类型的曲线,各有3个试验点P-S曲线为直线形、曲线形,图2列出了各个试验点的P-S曲线,图中标出了各个试验点P-S曲线直线段的拟合关系式。

由图2(a)～(c)可知,这3个试验点P-S曲线相关系数都接近于1,线性关系很好,加载过程主要以压密变形或弹性变形为主,总体变形量较小,地基土处于稳定状态。

由《铁道工程地质原位测试规程》知：在P-S曲线关系中,直线段端点所对应的压力即为比例界限,可作为地基土的承载力特征值。当曲线没有明显的直线段，沉降量为板宽的0.01倍时，对应的荷载值作为地基土的承载力特征值。由试验采集数据可知,该工点地基载荷试验并未做到让地基产生破坏的阶段,只是做到了沉降变形趋于稳定的阶段,所以无法通过试验曲线得出其比例极限值。因此要通过该工点的P-S情况得出承载力特征值基本上不太可能,故只能通过经验方法初步估计承载力特征值：即对于图2(a)只能初步估计地基承载力特征值P≥800 kPa,采用沉降量为板宽的0.01倍(板宽B=1 m)即10 mm时，对应的荷载为该试验点承载力特征值,可得沉降量为10 mm时的荷载值为810 kPa。

同样可得：PLTS1、PLTS3试验点承载力特征值的估测值分别为1 100、890 kPa。

图2(d)为PLTS9-1试验点的P-S曲线,由图中知试验加载到80 kPa前,P-S曲线为直线弹性阶段,曲线特征为近似线性,基本上反映了地基土的弹性性质,P=80 kPa点为比例界限。当P-S曲线上有明确的比例界限时,取该比例界限所对应的荷载值作为地基承载力特征值,因此取P=80 kPa为承载力特征值。当加载超过80 kPa时,P-S曲线呈圆弧形,地基压缩变形为塑性变形阶段,在塑性发展阶段,曲线特征为曲率加大,表明地基土由弹性过渡到弹塑性,并逐步进入破坏,但是就该工点的试验情况,看不出有破坏的痕迹,因此加载只是到了塑性阶段,得出极限承载力。

同样可得：PLTS9-2、PLTS9-3试验点承载力特征值的估测值分别为100、100 kPa。

图2 各试验点P-S试验曲线

2.4 试验成果汇总分析

按照式(1)和式(3)计算各个试验点地基土变形模量、基准基床系数,依据2.3节所估测的承载力特征值,荷载试验结果如表2。

通过分析可知：

(1)结合试验点红黏土含水状态可知，PLT0、PLT1、PLT3三个试验点地下水位较深,红黏土处于硬塑状态,且含有较多碎石,导致其承载力和变形模量均很高,承载力高达800～1 100 kPa,强度满足客运专线设计标准；PLT9-1、PLT9-2、PLT9-3三个试验点进行试验时,逢连续降雨,基坑有渗水,导致红黏土力学状态急剧恶化,其承载力一般为100 kPa左右,其承载力达不到客运专线强度要求。

表2 载荷试验结果统计

(2)通过地基载荷试验进行分析,确定其承载力为80～1 100 kPa,变化幅度大。

(3)武广客运专线红黏土变形模量为4～70.58 MPa,变化幅度很大。

3 结 论

通过上述分析得到以下结论：

(1)红黏土作为区域性特殊土,气候条件及地质成因对其影响较大,导致其内部结构复杂,裂隙发育,力学特性受含水状态的影响极其明显,地基承载力标准值、变形模量变化幅度均较大。

(2)建议坚硬及硬塑层地基承载力特征值取800 kPa左右,饱和状态的红黏土取100 kPa左右；建议坚硬及硬塑层红黏土变形模量取为60 MPa左右,饱和状态的红黏土变形模量取4 MPa左右；设计时应结合勘察所得红黏土状态进行合理取值。

(3)红黏土地基上硬下软,应详细勘察确定其坚硬及硬塑层深度,确定是否要对其进行地基加固处理,如硬塑层较浅,建议进行地基加固处理。

(4)由于红黏土力学特性受含水状态的影响极其显著,路基设计、施工过程中应注意做好防排水措施。

[1]张争强.平板载荷试验确定承载力方法的研究[J].水利与建筑工程学报,2005,3(2):41-43

[2]廖化荣,汤连生,刘增贤,等.循环荷载下路基红黏土临界应力水平分析[J].岩土力学，2009,30(3)：587-594

[3]方微,杨果林,余敦猛.武广客运专线红黏土变形特性的研究[J].铁道工程学报，2008(9):13-14

[4]李小和.武广客运专线红黏土地基压缩模量确定方法研究[J].铁道工程学报，2008(12):37-40,44

[5]徐海涛.黔桂铁路应用红黏土作填料的路堤工程设计[J].路基工程,2008(3):100-101

[6]杨广庆,刘树山,刘田明.高速铁路路基设计与施工[M].北京:中国铁道出版社,1999

[7]陈大为,张明启.平板载荷试验的方法及成果应用[J].铁道勘察,2007,33(3):38-40

[8]铁道第四勘察设计院.铁道工程地质原位测试规程(TB10018—2003)[S].北京:中国铁道出版社,2003