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《武汉工程大学学报》 2011年01期 35-38 出版日期：2011-01-30 ISSN:1674-2869 CN:42-1779/TQ

京沪高铁软土地基物理力学参数的选取方法

0引言地基沉降估算的准确性和可靠性取决于计算模式和计算参数两个重要因素,在某种程度上,计算参数比计算模式更重要.这就对路基地基的工程地质勘察精度和地基设计计算参数选取等,提出了更高的要求.京沪高速铁路沿线分布有大量软土地基,软土路基占全线总长26.55%；而软土因具有天然含水量高、压缩性大、渗透性小、强度低、易发生流变、结构灵敏度高等特点［13］,路基沉降更为显著.本文以京沪高速铁路昆山试验点软土为研究对象,对试验工点进行钻探取样、土工试验及多种原位测试手段的综合勘探,在综合分析不同手段获得的地基土参数基础上,提出相对合适的地基土物理力学设计参数选取方法.1研究区软土工程性质1.1工程地质性质研究区地层为湖沼积成因,由流入湖中的水流挟带来的细粒物质和可溶性盐类及湖岸边受波浪冲击而坍塌的岸边物质堆积而成.湖积土的产状特点具有比较规则而明显水平层理,成层一般较薄.分布的宽度范围变化很大,从数十米到数千米不等,软土层厚度、埋深变化亦很大,其厚度一般在3~20 m之间,埋深一般在1~5 m,部分地段埋深较大,最大达12 m左右,在空间上的变化更加复杂.其岩性为淤泥质黏土、粉质黏土,并多夹薄层粉砂或与薄层粉砂互层,呈千层饼状.按其物理力学性质的差异,可划分为三个主要层次,同时根据土性的不同,将第3层可分为5个亚层,各层地层岩性自上而下分述如下:a. 黏土,灰黄色,软~硬塑,夹有少量铁锰结核,表层0.2~0.5 m为种植土,含有植物根系,该层厚0.76~3.60 m,属中等压缩性土,工点范围广泛分布.b. 淤泥质粉质黏土,深灰色,流塑,含少量腐植物,局部夹有薄层粉砂,具高压缩性、低强度的特点,且大多数灵敏度超过16,为流动黏土,具高触变性,工点范围广泛分布,厚3.2~16.5 m.c. 黏土,粉质黏土,局部夹薄层粉砂,呈交错断续沉积,层理清晰,分布如下:①粉质黏土夹薄层粉砂,绿灰色,软塑,厚0~4.1 m,分布于0+000~0+475.具中等压缩性.②黏土,深灰色~浅灰色,硬塑,厚0~8.1 m,呈透镜体分布于0+090~+315,呈透镜体分布.属中等偏低压缩性土.③黏土,灰绿色,黑灰色,软塑~硬塑,厚0~7.4 m,分布于0+405~0+845,层位较为稳定.属中等偏低压缩性土.④粉质黏土局部夹薄层粉砂或黏土,灰黄色,软~硬塑,厚0~5.4 m,分布于0+405~0+845,层位较为稳定.属中等偏低压缩性土.⑤粉质黏土,浅灰色,灰黄色,软塑,厚0~9.8 m,分布于0+405~0+845,层位较为稳定.属中等压缩性土.1.2地基土物性参数本文对京沪线昆山试验点地基土进行了研究,试验点软土物性指标统计结果见表1,表2.表1昆山试验点物性指标统计结果
Table 1Statistical results of physical index, Kunshan experimental sites
指标名称单位指标值地层123-13-23-33-43-5天然含水率w%均值31.944.035.026.024.535.536.4变异系数0.0880.140.200.180.0680.210.12颗粒密度ρSg/cm3均值2.752.732.732.732.752.722.72变异系数0.0070.0050.0060.0040.0040.0050.006天然孔隙比e均值0.891.220.970.730.690.980.99变异系数0.0810.150.190.170.0830210.11液限WL%均值40.935.833.233.536.234.8变异系数0.120.100.190.0540.0990.099塑限WP%均值19.719.919.816.417.120.4变异系数0.120.0780.160.170.130.11塑性指数IP均值21.116.015.517.019.114.4变异系数0.290.210.300.130.160.27液性指数IP均值0.621.530.950.580.391.09变异系数0.420.240.330.330.410.34表2相关力学参数统计结果
Table 2Statistical results of related mechanical parameters
统计组数最大值最小值平均值标准差变异系数压缩系数/MPa-1662.980.170.870.480.55不排水抗剪强度/kPa4451224.3第1期马正文,等：京沪高铁软土地基物理力学参数的选取方法
武汉工程大学学报第33卷
由表1、2可以看出,地基土天然含水率、天然孔隙比、液限、液性指数随深度变化较大,颗粒密度、天然孔隙比、塑限、塑性指数随深度变化较小；各物性指标统计值的变异系数较小,随深度的变化不大.该软土天然孔隙比大于1,天然含水量均值大于液限,压缩系数大于0.5 MPa-1,不排水抗剪强度小于30 kPa,符合《岩土工程勘察规范》中软土判定的条件.第2层软土的含水率及孔隙比较高,其算术平均值分别达到了44.0%和1.22,属典型软土.研究区软土物理性质具有高含水率、高孔隙比、高压缩性、低强度的特征.2物理力学参数选取方法2.1物理力学参数选取的几种方法
2.1.1常规的统计土力学方法岩土参数按工程地质单元、层位,采用概率统计方法计算出统计量,并按t函数分布,估算规定保证限下总体平均值的单侧置信限.采用的失效概率一般为0.05.
2.1.2综合分析法综合分析得到的资料,包括地质背景的、室内试验的、原位测试的及地区性经验的,分析这些资料差异的原因,并对可能偏高偏低的参数作出判断,提出合理的设计参数.
2.1.3反演分析法根据实际工程的监测资料,用反演分析法对岩土参数在工程实体宏观水平上进行反算,检验室内土工与原位试验所提供参数的可靠性与准确性.本文对监测资料进行反演分析,并认为反演得到的结果最接近于实际；利用反演得到的结果对土工试验、原位测试结果进行验证,以选取确定合理的参数选择.2.2试验工点原位测试在昆山试验点,选取0+160、0+574、0+725三个综合勘探横断面,采用静力触探（单桥、双桥）、孔压静力触探、十字板剪切、应力铲、螺旋板载荷试验等原位测试手段,结合机动钻探及土工试验进行综合勘察对比.勘探点平面布置见图1.2.3参数反演参数反演,是相对于正分析而言,通过已知的应力应变等物理量及相应的分析理论,反求物理力学参数［45］.土的沉降计算中,所需的已知参数有压缩系数、压缩模量、孔隙比、上覆荷载、侧膨胀系数、侧压力系数、超固结比、固结系数等［6］.本文根据现场试验得到的结果对相关参数进行反演分析,现以软土沉降计算的关键参数:压缩模量、水平向固结系数的反演为例.对于压缩模量Es和水平向固结系数Cvx,可以通过公式(1)~(4)［7］推导得出.Cv=k(1+e1)aγw（1）图1昆山试验点代表性断面勘探点平面布置图
Fig.1Plane layout of representaive section exploration sites, Kunshan experimental sitesCv2=1+K02Cv（2）Cv2=1+2K03Cv（3）K=σxσz（4）
式（3）（4）中:渗流固结前土的孔隙比e1、土的压缩系数a、土的渗透系数k和土的侧向压力σx、竖向压力σz可直接通过室内和现场试验得到求得.压缩模量Es和水平向固结系数Cvx反演分析的结果如表3、表4所示.2.4土工试验与原位测试结果比较本文对昆山试验点软土的压缩模量和水平向固结系数的反演分析结果与几种试验方法的结果进行比较,结果如表3.表3各种方法得到的软土压缩模量结果对比表
Table 3Comparision to the soft clay compression moldulus obtained by several methods
断面
里程软土
厚/m路堤填
高/m填筑荷载/
kPa地基处理方法实测分层
沉降/m压缩模量/MPa土工试验①静力触探②反演③①/③②/③0+34216.56.09122.80+44811.86.25127.4真空预压,塑料排水板,间距1.2 m,梅花型布置169.31.42.722.30.611.1874.92.782.234.00.700.560+5357.27.6148.80+57357.6149.4塑料排水板,间距1.8 m,梅花型布置,超载1.8 m4.822.782.852.281.221.2537.74.321.93.131.380.610+6284.56.88135.40+6814.06.88135.4塑料排水板,间距1.2 m,梅花型布置,超载1.2 m18.33.452.93.171.090.9112.03.082.64.650.660.56室内土工试验得到的压缩模量为反演结果的0.61~1.38 倍,平均1.00倍,静力触探得到的压缩模量为反演结果的0.56~1.57倍,平均0.92倍.总的来看,室内土工试验得到的压缩模量与实测沉降反演得到的压缩模量平均值基本相等,静力触探得到的压缩模量比实测沉降反演得到的压缩模量小.因而压缩模量可采用室内实验得到的平均值作为沉降计算的依据.各种方法得到的软土水平向固结系数对比见表4.表4各种方法得到的软土水平向固结系数对比
Table 4Comparision to horizontal consolidation coefficient obtained by the methods above mentioned(10-3 cm2/s)
断面里程地基类型室内土工
试验①原位测试实测反演孔压静力触探②应力铲③孔隙水压力法④沉降三点法⑤①/④①/⑤0＋535
0＋573超载预压,塑料排水板间距1.2 m,超载1.2 m0.7430.7391.3851.010.540.53543.50.4782.1601.120.250＋628
0＋681超载预压,塑料排水板间距1.8 m,超载1.8 m0.5350.4221.1421.270.470.5350.2730.7461.960.720＋735
0＋785砂桩等载预压0.48345.225..30.5241.1950.920.400.4830.1171.3634.130.350＋825砂桩超载预压0.4830.3440.8901.400.54由表4可知,孔隙水压力法与沉降三点法反演得到的水平向固结系数悬殊较大,而沉降三点法具有较高的推算精度［8］,因而可以沉降三点法反演的数据为参考标准.土工试验得到的软土水平向固结系数普遍比用实测沉降反演的固结系数小,为其0.25～0.72倍,平均0.47倍,其结果用于设计偏于安全.若采用室内土工实验平均值的2倍作为设计值,即0.94倍,仍然偏于安全.孔压静力触探和应力铲得到的结果比室内土工试验和实测反演结果均大很多,故不予采用.可见土工试验所得大部分参数具有较高的可靠性,但由于取样及室内试验的局限性,完全依靠土工试验参数也是不合理的.软土地基设计参数的选取可在土工参数统计分析的基础上、结合地质背景、原位测试、地区经验综合分析后进行.3结论及建议a. 室内土工试验得到的压缩模量与实测沉降反演得到的压缩模量平均值基本相等,静力触探得到的压缩模量比实测沉降反演得到的压缩模量略小.可采用室内试验得到的压缩模量统计平均值作设计依据.b. 室内土工试验得到的软土水平向固结系数普遍比用实测沉降反演的固结系数小,为其0.25～0.72倍(平均0.47倍),其结果用于设计偏于安全,但过于保守；若采用平均值的2倍,即0.94倍,则更为可靠且仍偏于安全.孔压静力触探和应力铲得到的结果比室内土工试验和实测反演结果均大很多,故不予采用.c. 土工试验所得的大部分参数具有较高的可靠性,但由于取样及室内试验的局限性,完全依靠土工试验参数也是不合理的.软土地基设计参数的选取可在土工参数统计分析的基础上、结合地质背景、原位测试、地区经验综合分析后进行,提出合理的设计参数.d. 研究区软土产状具有成层的特点,不同土层物理力学性质差异较大,因而对室内土工试验成果在进行指标统计前,应根据地层的成因、时代、物理力学特征等进行分析,划分工程地质单元体（分层）,然后按照各单元体分别进行资料的汇总统计.