本發(fā)明涉及巖土工程勘察技術(shù)領(lǐng)域，具體地指一種利用靜力觸探比貫入阻力確定旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)的方法。
背景技術(shù)：
近年來，隨著我國高速鐵路、軌道交通、綜合管廊、高層建筑等基礎(chǔ)建設(shè)的飛速發(fā)展，地下空間工程成為一個重點的研究領(lǐng)域。目前在地下空間工程的支護設(shè)計中，通常采用“土抗力法”(又稱“豎向彈性地基粱法”)，該方法引用橫向抗力的概念，將坑內(nèi)側(cè)被動土壓力對支護結(jié)構(gòu)的作用用彈性抗力系數(shù)模擬，根據(jù)彈性地基梁法計算支護結(jié)構(gòu)的變形和內(nèi)力。支護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)被動區(qū)土體彈性抗力系數(shù)稱為水平基床系數(shù)kh，是“土抗力法”的關(guān)鍵參數(shù)，其取值的大小、分布形式直接決定被動區(qū)土對支護結(jié)構(gòu)提供抗力的大小，也直接決定支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形，對工程造價、安全性、可靠性均有重要影響。
由于支護結(jié)構(gòu)尺寸對水平基床系數(shù)kh影響很大，特定義結(jié)構(gòu)尺寸寬度為30cm對應(yīng)的水平基床系數(shù)為旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1?，F(xiàn)場試驗測定計算出旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1，工程設(shè)計時根據(jù)支護結(jié)構(gòu)的實際尺寸再換算成對應(yīng)水平基床系數(shù)。
目前在涉及地下空間工程與隧道工程巖土工程勘察中，可通過旁壓試驗測試土層的旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)，但是預(yù)鉆式旁壓試驗對于成孔質(zhì)量要求極高，尤其對于流塑～軟塑的黏性土、粉土、砂類土等需采取特殊措施成孔才能基本達(dá)到試驗要求；自鉆式旁壓試驗對于各類土層均可保證成孔質(zhì)量，試驗成果能較好地滿足工程要求，但自鉆式旁壓試驗設(shè)備昂貴，均需從國外進口，目前國內(nèi)總共只有幾臺，試驗操作復(fù)雜，成本高。目前國內(nèi)旁壓試驗尤其自鉆式旁壓試驗普及程度相對較低，因此有些工程可能無法進行旁壓試驗。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是針對自鉆式旁壓試驗設(shè)備昂貴，操作復(fù)雜、費用高，普及程度相對較低的技術(shù)問題，而提出一種利用靜力觸探比貫入阻力確定旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)的方法。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所設(shè)計的利用靜力觸探比貫入阻力確定旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)的方法，其特殊之處在于，包括如下步驟：
1)對測量地區(qū)土層進行靜力觸探試驗，采集測量地區(qū)的靜力觸探比貫入阻力ps；
2)通過計算獲得旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1，計算公式為：
對于黏性土：
對于砂類土：kh1＝6.57ps(2)
其中，式(1)適用于流塑至硬塑的黏性土，式(2)適用于松散至密實的砂類土。
優(yōu)選地，所述步驟1)的具體步驟包括：
11)布置靜探孔的測試孔位；
12)安裝反力裝置和貫入設(shè)備；
13)啟動貫入設(shè)備，采集貫入阻力值；
14)提取所采集的貫入阻力值，并按照力學(xué)指標(biāo)進行分層，獲得每一層的貫入阻力ps。
優(yōu)選地，所述步驟13)中貫入設(shè)備以20mm/s的速度勻速貫入試驗地層中，每貫入100mm采集一次貫入阻力。
優(yōu)選地，所述測試孔位布置在地下結(jié)構(gòu)物所受應(yīng)力集中節(jié)點位置，或距離應(yīng)力集中節(jié)點水平間距2～3m處，所述測試孔位的深度進入結(jié)構(gòu)底板以下不小于30m或基坑開挖深度的3倍，以使測試基準(zhǔn)水平基床系數(shù)參數(shù)滿足設(shè)計要求。
優(yōu)選地，所述步驟14)中每一層的貫入阻力ps為選取的采集的每一層中所有靜探孔的貫入阻力的平均值，降低異常值對測量結(jié)果的干擾。
本發(fā)明根據(jù)靜力觸探具有操作簡單、試驗快速、精度高、費用低、國內(nèi)巖土工程勘察中有著豐富的應(yīng)用經(jīng)驗等特點，提供利用靜力觸探比貫入阻力ps確定旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)的方法，其優(yōu)點是無需進行旁壓試驗即通過靜力觸探比貫入阻力ps快速、準(zhǔn)確、經(jīng)濟地獲取地層的旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)，為工程設(shè)計提供參考。本發(fā)明在不增加測試技術(shù)手段的前提下，解決了利用靜力觸探測試技術(shù)直接快速測試原本需要旁壓試驗才能得到旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)的問題，拓展了靜力觸探的應(yīng)用功能，節(jié)約了勘察成本，提高了效率，效果明顯。
附圖說明
圖1為本發(fā)明利用靜力觸探比貫入阻力確定旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)的方法的研究過程流程圖。
圖2為靜力觸探與旁壓對比試驗孔位布置示意圖；圖中：靜力觸探孔1，旁壓試驗孔2。
圖3為靜力觸探試驗曲線與土層劃分圖；
圖4為預(yù)鉆式旁壓試驗p-v曲線圖。
圖5為預(yù)鉆式旁壓試驗p-δr曲線圖。
圖6為黏土類靜力觸探比貫入阻力ps與旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1擬合關(guān)系圖。
圖7為砂土類靜力觸探比貫入阻力ps與旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1擬合關(guān)系圖。
圖8為靜探測試孔位布置示意圖。其中jc-1～jc-11為靜力觸探孔。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細(xì)描述。
本發(fā)明利用靜力觸探比貫入阻力確定旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)的方法，根據(jù)測量現(xiàn)場貫入阻力ps數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過計算，即可獲得旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1。
本發(fā)明需試驗總結(jié)歸納貫入阻力ps與基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1的相關(guān)關(guān)系。為了獲得準(zhǔn)確可靠的試驗數(shù)據(jù)，結(jié)合高速鐵路、軌道交通勘察工程，對全國十多個地區(qū)的土層進行了靜力觸探與扁鏟側(cè)脹對比試驗的現(xiàn)場對比研究。對比試驗地區(qū)涵蓋上海、武漢、廣州、太原、溫州、廈門、丹陽、鳳陽、宿州等地區(qū)，涉及流塑～硬塑的黏性土，松散～中密的砂類土，具有廣泛的地區(qū)代表性。
如圖1所示，試驗階段包括如下步驟：
1)確定旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1計算方法。
基準(zhǔn)水平基床系數(shù)可按下式計算：
δp＝p0-pf(4)
特定義基礎(chǔ)尺寸b寬度為0.3m對應(yīng)的水平基床系數(shù)為旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1，把b＝0.3m，帶入公式(6)可得到：
式中，kh表示旁壓試驗水平向基床系數(shù)的試驗值(kn/m3)；
p0表示p－δr曲線上直線段起點對應(yīng)的壓力，稱為初始壓力(kpa)；
pf表示p－δr曲線上直線段終點對應(yīng)的壓力，稱為臨塑壓力(kpa)；
r0表示初始壓力p0對應(yīng)的旁壓器的半徑(m)；
δrf表示旁壓膜徑向位移(m)。
rm表示對應(yīng)于p—δr曲線直線段中點的旁壓器半徑(m)。
b表示基礎(chǔ)直徑或?qū)挾?m)；
kh表示對于任意直徑或?qū)挾鹊幕A(chǔ)旁壓試驗水平基床系數(shù)(kn/m3)(kn/m3)；
kh1表示旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)(kn/m3)；
α表示梅納結(jié)構(gòu)系數(shù)其值隨土類變化，可按表1取值。
表1梅納結(jié)構(gòu)系數(shù)α值
2)對試驗地區(qū)土層進行靜力觸探與旁壓對比試驗。
21)選擇好具有代表性地層的試驗場地后，根據(jù)現(xiàn)場條件布置對比試驗孔，靜力觸探與旁壓試驗孔間距應(yīng)為1.5～2m，在保證靜力觸探與旁壓試驗不互相擾動影響的情況下，盡量確保二者在相同深度的地質(zhì)條件相同，對比試驗孔布置如圖2所示
22)平整試驗場地，安裝反力裝置和貫入設(shè)備，用水平尺調(diào)整機具水平后，緊固貫入設(shè)備與反力裝置，安裝靜力觸探試驗儀器，儀器調(diào)零完成或標(biāo)定后即可貫入。
23)靜力觸探與扁鏟側(cè)脹試驗均以20mm/s的速度勻速貫入地層中。靜力觸探每貫入0.1m采集一次貫入阻力ps數(shù)據(jù)。此間注意深度計量的準(zhǔn)確性。達(dá)到設(shè)計深度后，停止試驗。
24)進行旁壓試驗。根據(jù)靜力觸探試驗結(jié)果，沿地層深度選擇合適的旁壓試驗點。安裝旁壓試驗成孔鉆機，嚴(yán)格按照成孔質(zhì)量控制要求，鉆孔至需要做旁壓試驗的各試驗深度，把旁壓器安放至試驗深度，逐級加壓，測出不同膨脹壓力p下旁壓器的體積膨脹量δv，并繪制p～δv試驗曲線(見圖4)
3)提取靜力觸探孔的測試數(shù)據(jù)，繪制比貫入阻力ps隨深度的貫入曲線(如圖3所示)，按照力學(xué)指標(biāo)進行土層劃分，并剔除各層比貫入阻力ps的異常值；提取扁鏟側(cè)脹試驗孔的測試數(shù)據(jù)，并剔除異常值。
4)旁壓試驗數(shù)據(jù)處理。根據(jù)試驗曲線確定初始壓力p0及其對應(yīng)的體積膨脹量δv0。并按下列公式計算旁壓器在不同壓力p下的徑向位移δr，并繪制p～δr曲線(見圖5)：
δr＝r-r0(10)
式中，vc表示旁壓器測量腔固有體積(cm3)；
δv表示不同測試壓力p下旁壓器體積膨脹量(cm3)；
δv0表示p－δv曲線上初始壓力p0對應(yīng)的旁壓器體積膨脹量(見圖4)(cm3)；
r0表示初始壓力p0對應(yīng)的旁壓器的半徑(m)；
r表示不同測試壓力p對應(yīng)的旁壓器的半徑(m)；
δr表示不同測試壓力p對應(yīng)的旁壓器的徑向位移(m)。
在p～δr曲線(見圖5)上作圖找出近似直線段，直線段可認(rèn)為近似線彈性階段，其起點對應(yīng)初始壓力p0，其對應(yīng)的徑向位移為0，終點即為臨塑壓力pf，其對應(yīng)的徑向位移即為δrf。
根據(jù)旁壓試驗p～δr曲線得出相關(guān)參數(shù)，并按式(3)～(7)計算出不同試驗深度的旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1。
5)選擇與旁壓試驗每一組數(shù)據(jù)深度相同及上、下5個靜力觸探比貫入阻力ps數(shù)據(jù)的平均值，作為與旁壓試驗數(shù)據(jù)對比分析的比貫入阻力ps數(shù)據(jù)。
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)回歸分析計算得到相關(guān)關(guān)系如下：
對于黏性土：
對于砂類土：
kh1＝6.57ps(2)
對于黏性土，統(tǒng)計數(shù)據(jù)組n＝80，相關(guān)系數(shù)r2＝0.92，相關(guān)性良好，滿足工程設(shè)計要求(見圖6)；對于砂類土，統(tǒng)計數(shù)據(jù)組n＝34，相關(guān)系數(shù)r2＝0.56，相關(guān)性良好，滿足工程設(shè)計要求(見圖7)。
6)確定適用條件：式(1)適用于流塑～硬塑的黏性土；式(2)適用于松散至密實的砂類土。
應(yīng)用本發(fā)明利用靜力觸探比貫入阻力確定旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)的方法進行測量，包括如下步驟：
1)對測量地區(qū)土層進行靜力觸探試驗，采集測量地區(qū)的靜力觸探比貫入阻力ps。具體步驟包括：
11)測試孔位布置。在滿足靜力觸探常規(guī)試驗要求，分析查明地層界面、土層定名、提供各地層物理力學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，重點關(guān)注設(shè)計、建設(shè)的地下結(jié)構(gòu)物所涉及土層的試驗環(huán)境與條件，靜探孔的測試孔位盡可能布置在地下結(jié)構(gòu)物所受應(yīng)力集中節(jié)點位置，或距離應(yīng)力集中節(jié)點水平間距2～3m布置，深度應(yīng)滿足變形計算、穩(wěn)定性分析以及地下水控制的要求。孔深應(yīng)進入結(jié)構(gòu)底板以下不小于30m或基坑開挖深度的3倍，在滿足各地層物理力學(xué)指標(biāo)的基礎(chǔ)上，孔深可以進入結(jié)構(gòu)底板以下不小于20m或基坑開挖深度的2倍。使測試水平應(yīng)力及靜止土壓力系數(shù)參數(shù)，滿足設(shè)計要求。靜探測試孔位布置示意圖如圖8所示。
12)反力裝置和貫入設(shè)備安裝調(diào)試。首先平整試驗場地，其次安裝反力裝置和貫入設(shè)備，用水平尺調(diào)整機具水平后，緊固貫入設(shè)備與反力裝置，再就是傳感器與靜探專用儀器連接，儀器調(diào)零完成后即可貫入。
13)數(shù)據(jù)采集。貫入設(shè)備以20mm/s的速度勻速貫入試驗地層中，每貫入100mm采集一次貫入阻力，此間注意深度計量的準(zhǔn)確性。達(dá)到設(shè)計深度后，儀器完成測試參數(shù)隨深度變化的存儲和顯示。
14)提取所采集的貫入阻力，并按照力學(xué)指標(biāo)進行分層，獲得每一層的貫入阻力值。
提取設(shè)計、建設(shè)地下結(jié)構(gòu)物所涉及土層的貫入阻力值，按照力學(xué)指標(biāo)進行分層，剔除各層異常值，平均各分層的貫入阻力值或取設(shè)計重點深度上下的3個貫入阻力值的平均值，作為該層的貫入阻力ps。
2)通過計算獲得旁壓試驗基準(zhǔn)水平基床系數(shù)kh1，計算公式為：
對于黏性土：
對于砂類土：kh1＝6.57ps(2)
其中，式(1)適用于流塑至硬塑的黏性土，式(2)適用于松散至密實的砂類土。
上述參數(shù)計算可在計算機上完成。
盡管上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行了描述，但是本發(fā)明并不局限于上述的具體實方式，上述的具體實施方式僅僅是示意性的，并不是限制性的，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員在本發(fā)明的啟示下，在不脫離本發(fā)明宗旨和權(quán)利要求所保護的范圍情況下，還可以作出很多形式的具體變換，這些均屬于本發(fā)明的保護范圍內(nèi)。