基础设计中的岩土参数初解

发表时间:2021-07-23 14:58

摘要

原位测试和实验室测试的结果与设计参数相关,本文对岩土参数的现场及实验室确定方法、土壤参数、岩石参数进行了初步介绍。

3分钟了解岩土参数


根据质地情况的不同,有些条件比较恶劣的土壤或者区域可能需要更多考量。黏性土,非黏性土,软岩以及硬岩等的参数都会影响工程的设计及施工。

在地质勘查的过程中,我们会进行原位测试,取样,并在土工实验室对土样进行测试分析。原位测试和实验室测试的结果往往都与设计参数相关,这些参数可能不能直接测得。初步设计涉及的参数有抗剪强度和变形。表1总结了现场和实验室确定地质参数的方法。

表1 现场及实验室确定岩土参数的方法

表格中的关键词

CD—固结排水三轴试验

CIU—含孔隙水压力测试的固结不排水三轴试验

CPT—静力触探测试

CPTu—含孔隙水压力测试的静力触探测试

CU—固结不排水三轴试验

DMT—扁铲侧胀测试

GSI—岩土强度参数

PMT—旁压测试

RQD—岩石质量指标测试

SPT—标准贯入测试

UU—不固结,不排水三轴试验

UC—无侧限抗压测试

USS—未扰动土样

USCS—统一的土壤分类系统

VST—十字板剪切实验


Part 1

原位土工测试

当我们无法进行标准钻孔,取样,或者没法取到高质量未扰动的土样的时候,我们可以进行原位测试以获取土壤参数,供结构基础的设计使用。在上述这些特殊情况下很难在实验室中获取土壤的强度参数,因此可以采用原位测试的方法来获取一些土参数,尤其是强度与压缩性参数。

原位测试作为传统勘查方法的补充非常有效。此外,原位测试还可以帮助我们找到一些关键的土层,以便用传统方法进行取样和进行实验室测试。如果测试手段不足,无法获取足够的设计参数,那么工程在设计过程中就会存在更多的不确定性和风险。

为基础设计提供参数的原位测试方法主要有:标准贯入试验(SPT)静力触探测试(CPT)含孔隙水压力测试的静力触探测试(CPTu)含孔隙水压力测试的地震波静力触探测试(SCPTu),以及十字板剪切实验(VST)。其他用的较少的原位测试方法有:旁压测试(PMT)以及扁铲侧胀试验(DMT)

标准贯入分析仪(SPT)

静力触探设备

每一种方法的应用都应荷载情况不同而异(应变的方向和速度),通过这些测试,我们可以得到强度和/或硬度等信息,比如,通过十字板剪切试验我们可以得到扭矩,通过标准贯入试验,我们可以得到轴向荷载。原位测试的最终数据需要结合当地的经验公式,或者依据实验室测试来进行转换。

旁压仪

十字板剪切试验仪&标准扁铲式侧胀仪

关于每种原位测试方法的适用性,优缺点及方法介绍,我们已经在往期文章《全面!10种地基承载力检测方法一次讲透》中进行了介绍,在此不在过多赘述。


Part 2

土壤参数

岩土材料的指标参数和工程参数等一般是通过现场测试和实验室测试来获取的。通过这些指标的测试,我们可以将岩石和土壤加以区分,这可以帮助我们在设计过程中对土层参数加以区分。这些参数通过常规的取样和测试就可以得到,而这些参数对施工可行性限制或者以岩土类型为基础的选桩工作可以起到辅助作用。岩土材料的工程参数包括抗剪强度压缩系数渗透系数

抗剪强度值可以用来确定打桩过程中可能遇到的阻力,而压缩系数可以用来对耐久性极限状态进行复核。在设计工作中,渗透性参数一般都不进行量化处理,不过渗透性较低的土壤可能会影响到桩的可打性,所以,对这些区域有一定的了解,可以帮助我们进行施工可行性分析。


土壤分类及指标参数

交通工程中常用的土壤分类系统有两个。人行道工程一般采用AASHTO的土壤分类系统,而其他几乎所有项目都使用统一土壤分类系统(USCS),本文主要介绍USCS这个体系。

土壤分类需要的常规指标包括:土颗粒尺寸分布,界限含水量,以及含水量。此外还包括比重计土单元重量。表2中总结了这些常用指标。

表2 用于打入桩设计的土壤指标测试

通过实验室测试确定无粘性土的细颗粒含量以及级配,确定粘性土的修正后抗剪强度,这些对于可打性分析,以及土壤恢复效应的分析都很有帮助。

无粘性土的相对密实度,级配以及细颗粒含量这些参数对于评估桩的可打性非常有用。在密实度接近的情况下,细颗粒含量高的土,其内摩擦角比细颗粒含量低的土要小。细颗粒含量高还会影响土壤在剪切时的排水性以及孔隙水压力,进而就会影响在打桩过程中作用于桩身上的有效应力。当无粘性土中的细颗粒含量比较高时,出现土壤恢复的可能性相比细颗粒含量较低的土壤也更大,当然这还跟土壤密度有关。土颗粒的级配和棱角也会对内摩擦角产生影响。另外,级配信息对于评价无粘性土的密实度和液化趋势也很有用。

常规的实验室土颗粒尺寸分析可以帮助量化级配和细颗粒含量。有了这个信息,我们可以对无粘性土中的可打性和土壤恢复趋势进行进一步分析。粘性土在受到扰动或者重塑后,会损失很大一部分的抗剪强度,这跟打桩过程很相似。粘性土中的桩基础设计,在考虑其经济性时,评估打桩时的土阻力,土阻力随时间的恢复是非常重要的因素。土壤的灵敏度参数可以为土壤恢复评价提供一个定性的,而非定量的指标。原位的十字板剪切测试得到的灵敏度参数是黏性土评价灵敏最好的参数。当然,还可以通过实验室测试,分别获取未扰动的或者重塑土样的抗剪强度值。

黏性土的灵敏度计算公式如下:

下表中包含了Sowers(1979)提供的典型的灵敏度值,我们可以用这些值来初步估算重塑抗剪强度。对于灵敏度低于16的黏性土,会随着时间重新获得其最初的部分,乃至全部抗剪强度(Terzaghi和Peck(1967))。根据Terzaghi等人(1996)以及Sowers(1979)提供的典型值,我们一般认为,打桩过程中的多数黏性土的重塑抗剪强度值为其为扰动抗剪强度的1/3到1/2

表3 灵敏度的典型值(Sowers提供 1979)

土壤类型

灵敏度

中等塑性,常规压实度的粘土

2-8

絮状海相粘土

10-80

低到中等塑性,超固结的粘土

1-4

开裂粘土,或者夹砂的粘土

0.5-2


Part 3

岩石参数

为了确定桩底承载力以及桩底长期变形,我们有必要对桩底的岩石参数进行评估。如果岩层较浅,那么可能就需要进行预钻孔,这样才能保证施工时桩能够达到要求的最小深度。因此,设计人员能够正确理解岩石分类以及相关的岩石参数就很重要。为了对给定的岩体进行正确分类及分级,我们有必要对完整岩石和岩体进行区分(Brown等人 2010)。

完整岩体是利用水泥浆等材料将固结的岩体进行加固,形成一个完整的岩体,我们会对岩土进行取芯,来确定指标以及强度参数。接头,损坏以及其他一些因素都是导致完整岩土破坏的原因,所以要通过加固来形成一个完整岩体。


岩石指标参数和分类

如果所设计的桩基础位于岩层上,那么对岩石进行分类就非常重要。在进行地质勘查的时候,应该特别注意岩石的物理及化学参数,因为岩体质量对设计和施工都有很大影响。岩石分类应该包括:颜色,纹理,成岩方式(如火成岩,固结岩或者沉积岩),现场硬度,风化,以及地质间断

抗崩解耐久性测试(ASTM D4644)对于评估岩石是否会风化或者退化很有用,该实验常用来测试页岩,泥岩和粉砂岩。这些岩层在打桩的过程中特别容易出现风化或者破坏。耐久性指标低的岩层,打入其中的桩可能会出现应力松弛现象。

进行抗崩解耐久性测试时,要求将具有代表性的岩块放到铁丝网中烘干至恒重。将装有岩块的铁丝网放入到水中并旋转10分钟,然后再次将其烘干至恒重。重复该过程两次,最终的干重与最初的干重的比值就是抗崩裂耐久性指标,ID。如果ID指标低于60%,则说明该岩体容易出现破坏。


由于篇幅有限本文仅对基础设计中的岩土参数进行简要介绍,对于岩土参数中涉及的抗剪强度、变形、电化学参数等内容未全面介绍。

本文内容主要来自于美国联邦高速公路管理局编制的《打入桩基础的设计与施工》手册,翻译中可能存在错漏,敬请谅解!

来源:欧美大地仪器

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