道路复合地基静载荷试验预判工后沉降的方法技术领域
本发明涉及一种道路复合地基静载荷试验预判工后沉降的装置和方法,属于岩土
工程技术领域。
背景技术
现行路基复合地基平板载荷试验主要是参考《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-
2012)、《建筑地基检测技术规范》(JGJ340-2015)完成复合地基的静载测试任务,用于评价
复合地基的承载能力,而试验所蕴藏的沉降、载荷、变形曲线特征等直接测试数据综合信息
并没有充分发挥应用价值,沉降变形信息仅用于辅助承载力的判别,严重制约了平板载荷
试验的功效发挥和技术发展,造成经济的浪费。
历年来,多次发生复合地基承载力达到设计要求判为合格的工程,竣工若干年后
的工后沉降却不满足设计要求的事故工程,尤其是深厚软土层复合地基,其中忽视次固结
沉降,是造成工程事故的主要原因,平板静载荷试验若能反映土体的次固结变形特征将改
善此状况。
可见,现有平板载荷试验缺失工后沉降信息的评判是片面的和不完善的。一方面
平板静载测试的方法程序和规程亟待修订,另一方面改进复合地基测试装置、充分发掘试
验信息的研究必将提上日程,势在必行。
复合地基现场静载荷平板试验p~s曲线在一定程度上比室内e~p曲线更具有直
接的现实意义,更能揭示工后沉降的趋势特点,其所蕴含的工程意义不能仅局限于复合地
基承载力合格与否的判别,应更能反映出复合地基优、劣的品质和工后沉降特性以及其它
更深层次的工程含义。复合地基工程竣工后所面临的主要问题是承载力和工后沉降问题,
若通过现场平板载荷试验能够同时揭示承载力和工后沉降的评判则是对平板载荷试验的
新突破和拓展,必将对土木工程建设产生积极的意义。
故在现有复合地基静载测试技术的基础上进一步改进,发明一种道路复合地基静
载荷试验预判工后沉降的方法,以拓展平板载荷试验的功能和效益。
采用复合地基静载测试的载荷平板下铺设合适的弹性橡胶垫层的方法可以解决
测试桩土应力比与实际工况相符合的问题,在此基础上,改进测试程序,发掘沉降测试的蕴
含信息,并考虑土体分担荷载及次固结计算理论,研究载荷试验沉降测试值与土体蠕变计
算理论相结合的工后沉降预判方法,使平板载荷试验能反映深厚软土层的次固结沉降,将
是平板载荷试验所需解决的主要问题。
该发明主要有三个方面内容,一是以沉降测试值作为瞬时沉降再按土体物理、力
学性质指标转化为实际工况的瞬时沉降;二是改进平板载荷试验方法,采用最大试验荷载
延时48h的方法,建立延时曲线与室内次固结曲线的关联特参数k,获取次固结系数Cα;三是
结合土体瞬时沉降、主固结、次固结计算理论建立完善的工后沉降预判公式,解决复合地基
平板载荷试验测试信息预判工后沉降的问题,最终达到测试目的。
发明内容
本发明目的是针对现有复合地基平板载荷试验不能预判工后沉降的不足,提供一
种道路复合地基静载荷试验预判工后沉降的装置和方法。
为解决上述技术问题,本发明提供道路复合地基静载荷试验预判工后沉降的方
法,其特征是,包括以下步骤:
(1)在现有路基复合地基平板载荷静载试验基础上,以弹性橡胶垫层取代传统砂
垫层进行测试,以获得接近实际工况的桩土应力比;
(2)橡胶垫层尺寸与承压板相匹配,铺设于承压板下方,橡胶垫层以下采用中粗砂
找平,找平层不大于20mm;按照表1选取橡胶垫层;
(3)中粗砂找平层下的同一平面内,桩间土埋设土压力计四只,桩头中心埋设土压
力计一只,获取桩土应力比的值n;
(4)参照现有规范、规程和设计要求进行分级加载测试至最大试验荷载后进行判
稳,若能够判稳则继续进行持载延时测试,否则按规程要求结束试验,判稳后持载延时测试
满足48h,记录该时段的沉降变形值,每1小时记录1次;
(5)利用室内试验和工程经验确定关联参数ki;
(6)依据试验数据桩土应力比n、沉降参数S、sΔt以及关联参数ki计算软土次固结系
数Cα,预判工后次固结沉降ss;
(7)将平板载荷试验实测沉降值转化为复合地基实际工况的瞬时沉降值sd;
(8)将复合地基桩体按排水和不排水两种情况,采用固结系数折减法获取复合地
基的固结系数,采用差分法计算土体孔隙水压力与时间的关系,预判工后主固结沉降;
(9)由实际工况的瞬时沉降值、主固结沉降、次固结沉降综合预判复合地基工后总
沉降。
进一步地,上述步骤(4)中,持载延时测试的判稳标准是以最终24h内沉降小于2mm
为标准,否则继续持载延时测试直至稳定,此后终止加载标准仍参照规范、规程的要求进行
判别。
进一步地,上述步骤(6)中,计算软土次固结系数Cα的公式为:
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As——复合地基土体面积,单位:m2,
Ap——复合地基桩体面积,单位:m2,
Cvα——复合地基土体的固结系数,单位:m2/d,
Cα——考虑复合地基桩体排水情况折算后的固结系数,单位:m2/d,
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式中,S——复合地基平板载荷试验总沉降实测值,单位mm,
sΔt——复合地基平板载荷试验持载延时段沉降实测值,单位mm,
P——为复合地基载荷试验的最大加载值,单位:kPa,
——为软土层的加权平均压缩系数,单位:kPa-1,
n——为复合地基桩土应力比,
ki——载荷试验p~s曲线与e~p曲线的关联参数,
Δt——最大试验荷载稳定后持载延时的时间,单位:h,
t1——试验自开始加载至最大试验荷载稳定时所经历的时间,单位:h。
进一步地,上述步骤(6)中,预判工后次固结沉降ss的公式为:
![]()
式中,ss——复合地基次固结沉降,单位:mm,
e1——复合地基土体初始孔隙比,
hi——复合地基土体沉降计算分层厚度,单位:mm,
Cα——软土次固结系数,单位:m2/d;
t——复合地基沉降计算的时间,单位:y(年)。
进一步地,上述步骤(7)中,平板载荷试验实测沉降值转化为复合地基实际工况的
瞬时沉降值sd的公式为:
复合地基瞬时沉降:sd=sd1+sd2 (4)
sd1——平板载荷试验实测沉降值,单位:mm,
sd2——相邻荷载引起的土体瞬时沉降,单位:mm,
相邻荷载引起的土体瞬时沉降:
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式中,
——分别为承载板荷载和相邻荷载在土体中的平均附加应力系数,
η——由对称性确定的相邻荷载的数量。
进一步地,上述步骤(8)中,将桩体分为排水桩和不排水桩两种类型分别计算,对
于胶结材料桩,视为不排水桩,将主、次固结系数按桩体置换率进行折减计算,见公式(1),
(6);而对于排水桩,土体主、次固结系数不折减,但因桩间土体排水路径是以径向为主的双
面排水,排水距离取0.5倍桩间距,即H=0.5sl,
![]()
式中,Cvs——复合地基土体固结系数,单位:m2/d,
Cv——复合地基土体按置换率进行折减后的固结系数,单位:m2/d,
As——复合地基土体面积,单位:m2,
Ap——复合地基桩体面积,单位:m2。
进一步地,上述步骤(8)中,采用差分法计算土体孔隙水压力与时间的关系的公式
为:
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式中,
——复合地基土体第i土层中k时的孔隙水压力,单位:kPa,
Δz——复合地基土体孔隙水压力计算的分层厚度,单位:m,
Cv——复合地基土体的固结系数,单位:m2/d,
Δt——复合地基土体孔隙水压力计算的时间间隔,单位:d(天)。
进一步地,上述步骤(8)中,预判工后主固结沉降sc的公式为:
![]()
式中:
sc——复合地基土体主固结沉降,单位:mm,
av——复合地基分层厚度土体压缩系数,单位:kPa-1,
hi——复合地基土体沉降计算分层厚度,单位:mm,
e1——复合地基土体初始孔隙比,
p——复合地基土体外荷载,单位:kPa;
工程竣工5年后,主固结基本完成,则主固结沉降可表达为
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式中各参数的含义同公式(10)。
进一步地,上述步骤(9)中,由实际工况的瞬时沉降值sd、主固结沉降sc、次固结沉
降ss预判复合地基工后总沉降s(t)的公式为:
s(t)=sd+sc(t)+ss(t) (12)
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本发明所达到的有益效果:
(1)发明一种道路复合地基静载荷试验预判工后沉降的装置和方法,研制能够预
判复合地基工后沉降的静载测试新技术;
(2)采用最大试验荷载判稳后,继续延时持载48h的方法,获取能够反映复合地基
土体次固结变形的预判公式;
(3)采用“弹性橡胶垫层”法取代传统的砂垫层,使复合地基平板载荷试验桩土分
配更符合实际工况;
(4)分析持载延时沉降特点,通过现场p~s与室内e~p沉降对比分析,确定关联参
数ki值,计算次固结系数Cα,预判次固结沉降;
(5)平板载荷试验实测沉降值转化为复合地基实际工况的瞬时沉降;
(6)采用固结系数折减法获取用于复合地基计算的固结系数,采用差分法计算土
体孔隙水压力与时间的关系,预判工后主固结沉降;
(7)道路复合地基静载荷试验预判工后沉降的装置和方法为复合地基静载测试技
术的进一步发展和效益发挥提供新思路。
附图说明
图1是复合地基橡胶垫层平板载荷试验示意图;
图2是本发明测试和计算方法流程图。
图中各主要附图标记的含义为:
1——反力试块;2——支柱;3——测力计;4——反力梁;5——位移计;6——千斤
顶;7——基准梁;8——承压板;9——橡胶垫层;10——土压力计;11——测试桩。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明
的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示,一种道路复合地基静载荷试验预判工后沉降的装置,包括埋设于土体
中的测试桩11,所述测试桩11上方设有承压板8,所述测试桩11与承压板8之间铺设有橡胶
垫层9,所述橡胶垫层9下方设有中粗砂找平层,所述中粗砂找平层的厚度不大于20mm。在
桩、土同一平面上,土体埋设四只土压力计10,桩头中心埋设一只土压力计10;所述承压板8
上方依次设有千斤顶6、测力计3、反力梁4和反力试块1。所述反力试块1下方设有支柱2支
撑,所述承压板8上方还设有位移计5,所述位移计5分布在千斤顶6两侧,所述承压板8两侧
设有基准梁7。
如图2所示,一种道路复合地基静载荷试验预判工后沉降的方法,包括以下步骤:
(1)进行平板载荷试验准备,埋设土压力计10,铺设弹性橡胶垫层9,橡胶垫层9选
取见表1。
表1橡胶垫层选取依据
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(2)参照现有规范、规程的规定和要求进行分级加载测试至最大试验荷载后进行
判稳,判稳后继续进行持载延时测试并满足持载48h,记录该时段的沉降变形值,每1小时记
录1次;持载延时测试的判稳标准是以最终24h内沉降小于2mm为标准,否则继续持载延时测
试直至稳定;终止加载标准仍参照规范、规程的要求进行判别,如变形突变、承压板累计沉
降、150mm限定等要求。平板载荷试验实测沉降值在一定程度上蕴含了土体孔隙比的变化信
息,伴随长时间的加载测试,视现场平板载荷试验土体为一大试样,研究平板载荷试验p~s
曲线与其e~p曲线的关联参数ki,通过室内试验和工程经验对比分析,确定ki值,进而预判
工后次固结沉降。
(3)利用室内试验和工程经验确定参数ki,见表2。
表2参数ki
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(4)依据试验数据桩土应力比n、沉降参数S、sΔt以及关联参数为ki计算软土次固结
系数Cα,
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As——复合地基土体面积,单位:m2,
Ap——复合地基桩体面积,单位:m2,
Cvα——复合地基土体的固结系数,单位:m2/d,
Cα——考虑复合地基桩体排水情况折算后的固结系数,单位:m2/d,
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式中,S——复合地基平板载荷试验总沉降实测值,单位mm;
sΔt——复合地基平板载荷试验持载延时段沉降实测值,单位mm;
P——为复合地基载荷试验的最大加载值,单位:kPa;
——为软土层的加权平均压缩系数,单位:kPa-1;
n——为复合地基桩土应力比;
ki——载荷试验p~s曲线与e~p曲线的关联参数;
Δt——最大试验荷载稳定后持载延时的时间,单位:h;
t1——试验自开始加载至最大试验荷载稳定时所经历的时间,单位:h。
(5)预判工后次固结沉降ss,
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式中,ss——复合地基次固结沉降,单位:mm,
e1——复合地基土体初始孔隙比,
hi——复合地基土体沉降计算分层厚度,单位:mm,
Cα——软土次固结系数,单位:m2/d;
t——复合地基沉降计算的时间,单位:y(年)。
(6)平板载荷试验实测沉降值转化为复合地基实际工况的瞬时沉降值sd,复合地
基瞬时沉降:sd=sd1+sd2 (4)
sd1——平板载荷试验实测沉降值,单位:mm,
sd2——相邻荷载引起的土体瞬时沉降,单位:mm,
相邻荷载引起的土体瞬时沉降:
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式中,
——分别为承载板荷载和相邻荷载在土体中的平均附加应力系数,
η——由对称性确定的相邻荷载的数量。
(7)针对复合地基的土体固结问题,将桩体分为排水桩和不排水桩两种类型分别
计算,对于管桩、CFG桩、水泥土桩等胶结材料桩,视为不排水桩,将主、次固结系数按桩体置
换率进行折减计算,见公式(1)、(6);而对于砂桩、碎石桩等排水桩,土体主、次固结系数不
折减,但因桩间土体排水路径是以径向为主的双面排水,排水距离取0.5倍桩间距,即H=
0.5sl,
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式中,Cvs——复合地基土体固结系数,单位:m2/d,
Cv——复合地基土体按置换率进行折减后的固结系数,单位:m2/d,
As——复合地基土体面积,单位:m2,
Ap——复合地基桩体面积,单位:m2。
(8)采用差分法计算土体孔隙水压力与时间的关系,
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式中,
——复合地基土体第i土层中k时的孔隙水压力,单位:kPa,
Δz——复合地基土体孔隙水压力计算的分层厚度,单位:m,
Cv——复合地基土体的固结系数,单位:m2/d,
Δt——复合地基土体孔隙水压力计算的时间间隔,单位:d(天)。
(9)预判工后主固结沉降sc,
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式中:
sc——复合地基土体主固结沉降,单位:mm,
av——复合地基分层厚度土体压缩系数,单位:kPa-1,
hi——复合地基土体沉降计算分层厚度,单位:mm,
e1——复合地基土体初始孔隙比,
p——复合地基土体外荷载,单位:kPa;
工程竣工5年后,主固结基本完成,则主固结沉降可表达为
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式中各参数的含义同公式(10)。
(10)由实际工况的瞬时沉降值sd、主固结沉降sc、次固结沉降ss预判复合地基工后
总沉降s(t)。
s(t)=sd+sc(t)+ss(t) (12)
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实施案例:
现有水泥土桩复合地基,桩体直径0.5m,桩间距1.5m,正方形布桩,桩长12m,桩端
进入岩层2m,桩间土体容重γ=18kN/m3,土体变形模量,比重Gs=2.7,软土含水率为40%,
初始孔隙比e1=0.9,渗透系数k=8.6×10-8cm/s,压缩系数αv=2.5×10-4kpa-1,路堤荷载
120kpa,软土层厚10m,平板载荷试验信息预测复合地基运营20年后的沉降。
表3水泥土搅拌桩平板载荷试验测试数据
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解:
由公式(1)和现场平板载荷试验实测数据计算次固结系数
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由公式(3),(4)得次固结沉降:
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20年时间视主固结完成,由公式(5)得主固结沉降:
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由公式(4)瞬时压密沉降,计算深度取2倍平板长度:
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由平板载荷试验测试信息预测复合地基20年后的总沉降为:
s(t)=sd+sc(t)+ss(t)=204.1mm
采用其它方法如:Han and Ye、考虑次固结条件的数值模拟结果分别为170mm,
190mm,可见道路复合地基静载荷试验预判工后沉降的装置和方法的可行性。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人
员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形
也应视为本发明的保护范围。