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广州轨道交通工程岩土工程勘察的岩土参数取值方法

来源:九壹网
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程东海等:广州轨道交通工程岩上工程助察的岩J-.参数取值方法 广':『1’I轨道交通工程岩土工程勘察的岩土参数取值方法 程东海(广州市地下铁道总公司建设事业总部广州510380) 蒋军军(广州市地下铁道设计研究院广州510010) 摘要:本文分析了岩土层物理力学参数取值的有关规范及理论,总结了广州轨道交通工程岩土工程勘 察岩土参数取值的经验教训,提出了岩土参数取值的方法,对统一广州市轨道交通工程岩土工程勘察中 的岩土参数取值的方法与标准有指导意义。 关键词:广州市轨道交通工程;物理力学指标;取值 The Value ofRock&Soil Physical Mechanical Index in Guangzhou Track Transportion Projcets CHENG DongHai(Construcnon Division of Guangzhou Metro Corporation,Guangzhou 510380) JIANG JunJun(Design Institute of Guangzhou Metro Corporation,Guangzhou 5 1 00 1 0) Abstract:The paper analyzed the standards and theories of physical mechanics parameter value selection in the ground level,summarized experiences and lessons on parameter value selection in course of geotechnical engineering investigation of Guangzhou track traffic engineering,and presented the method of parameter value selection.An important significance was presented to unify the methods and standards of parameter value selection in course of geotechnical engineering investigation of Guangzhou track traffic engineering. Key words:Guangzhou track trafifc engineering;physical mechanics index;value selection 1前言 地质参数。 广州市正在进行多条线路的轨道交通建设, 岩土的物理特性指标有:岩、土的重力密度 配合工程建设展开了紧张有序的岩土工程勘察。 P、土粒的相对密度G。、天然含水量 、岩土天然 广州轨道交通施工工法多种多样,且大部分为地 重度r、天然孔隙比e、饱和度S 孔隙率n、干 下工程,地质条件以及勘察成果质量对工程设计 重度rd、浮重度r 、干密度Pd、对粘性土和粉土尚 和施工的影响比一般土建工程要大得多。参加广 应测定土的液限 、塑限 ,液性指数 、塑性 州市轨道交通工程的勘察单位较多,要求提供的 指数 ,土的颗粒级配组成、有机质含量 ,岩 岩土物理力学参数多而全,轨道交通工程又分阶 石的吸水率 ,岩土层热物理指标,土的渗透系 段、分不同的施工工法进行勘察,部分岩土参数 数 等等。 又不能直接测量,只能提供经验值或经验推导值, 岩土的力学指标可分为:岩土的强度指标及 造成不同勘察单位、同一勘察单位不同勘察阶段 岩土的变形指标。岩、土的强度指标有:粘聚力 对同一参数取值差别较大,许多参数取值的依据 C、内摩擦角‘p、砂土的自然坡角(水上、水下)、 也不足。因此,统一广州市轨道交通工程岩土层 无侧限抗压强度q 、载荷试验的界限压力(P。、 物理力学参数的取值标准具有非常重要的意义。 P ),岩土层承载力特征值^、桩侧阻力特征值 q蛆、桩端阻力特征值g ,岩石抗压强度 、 、 2广州地铁勘察需提供的岩土物理力学指标 )等。岩土的变形指标有:压缩系数a、压缩模 . 2.1岩土物理力学指标 量E、变形模量 、剪切模量G、固结系数(C 、 地铁勘察报告中要求提供岩土物理特性指标、 C )、前期固结压力P 、压缩指数G、回弹指数e、 力学指标,还应提供岩土的抗震特性指标及水文 泊松比 、弹性模量E、岩、土层静止侧压力系数 1 维普资讯 http://www.cqvip.com

广州建筑GUANGZHOU ARCH ̄ECTURE 2006年第5期 0等。 岩土抗震特性指标有:场地岩土层波速(压 缩波速V。、剪切波速 。)、砂土地震液化指数、软 土震陷、建筑场地类别。 水文地质参数有:岩土层渗透系数 、含水 层单位涌水量、含水层富水性等。 由试验室可直接测定的指标:土样常规5项 (7项) (试验室叫法,规范中未规定):p、G。、 、 。、W (。、丘),通过常规试验指标可计算 得出的指标有: 、e、S 、n、rd、pd、 、,口、 , 据J=f、e可进一步推得粘性土层的. 。 特殊试验项目有:岩石的吸水率 ,岩土层 热物理指标,直接快剪、固结快剪、三轴剪(UU、 CU、CD、CU)指标c、‘P值,砂土的自然坡角 (水上、水下),无侧限抗压强度指标q 、围结试 验指标c 、c 、P 、Gc、C ,岩石抗压强度指标 、 ,岩石泊松比 、弹性模量E,地基系数,渗 透系数 、地基土静止侧压力系数等等。 据土层的c、‘P值可推算土层的厶,据岩石 的抗压强度 、 可推算岩层的 。 按《土工试验方法标准》 (GB/T50123— 1999),土的物理力学指标又可分为:土的一般特 性指标、主要计算指标。 2.2岩土层物理力学指标统计 对于一份具体工程项目的勘察报告,一般要 求指标统计个数不得少于6个;如要作区域性的 数据统计 统计范围应大得多,否则统计结果不 可靠。 按《岩土工程勘察规范》(GB50021—2001) 规定(规定不是很明确):应按场地的工程地质单 元和层位分别进行统计;应计算平均值、标准差 和变异系数;分析数据的分布情况并说明数据的 取舍标准;承载力极限状态计算所需要的岩土参 数标准值,按推荐公式计算。 按《地下铁道、轻轨道交通岩土工程勘察规 范》 (GB50307—1999) (以下简称“地铁规范”) 规定:表示岩土性状的物理指标及按正常使用极 限状态计算的变形指标,可采用平均值;当按承 载力极限状态计算强度或稳定时,可采用标准值 及设计值,公式同上。 《建筑地基基础设计规范》 国标及省标明确规定:抗剪强度指标c、‘p及抗压 强度指标 、 、 用标准值,压缩性指标(口、丘、 2 )取平均值,地基承载力取特征值。 《岩土工程勘察94规范》划分了数据离散性 很低、低、中等、高、很高五个标准(0.1—0.2— 0.3 ̄0.4),但不能作为判别指标是否合格的标准, 《岩土工程勘察2001规范》取消了这条,但某些 指标本身可能离散性较大,并非不合格,而应具 体问题具体分析,当离散性很高时,可以考虑用 小值平均值。 3物理力学指标与勘察阶段的关系 按有关规范规定:工可勘察主要以收集、分 析已有资料为主,辅以必要的野外勘探手段;初 步勘察是要初步查明场地的岩土工程特性,勘探 点按地质单元、地貌单元布置;强制性条款要求 详细勘察要提供详细的岩土工程资料和设计、施 工所需的岩土参数。 在详勘报告中应提供岩土参数的确定值,工 可勘察、初步勘察报告中提供何种参数建议值规 范无明确规定。结合地铁勘察特点,由于工可勘 察钻孔较少,工可勘察报告中,可给出建议值的 范围;在初步勘察阶段,勘探点较密,每一地质 单元钻孔数较多,岩土试验样品数也绝大部分满 足统计要求,所以绝大部分岩土参数应给出建议 值的确定值,个别项目试验数据不多时也可仅提 供指标的范围值。 4物理力学指标与地铁施工工法的关系 地铁勘察报告中物理力学指标采用统一的表 格,基本提供了地铁勘察设计、施工所需的所有 参数,但由于地铁施工工法不同,岩土勘察的重 点及物理力学指标的重点应各有侧重。 (1)明挖法:基坑开挖范围和基底持力层的 所有岩土层均应提供物理力学指标,指标的重点 应为基坑支护所需要的岩土参数,按省标《建筑 基坑支护工程技术规程》(DBJT15—20—97)规定: ①试验的重点项目包括:重度、直接快剪指 标、固结快剪指标、渗透性指标、砂土的天然坡 角等;对软土尚应有含水量、液限、塑限等参数。 ②有关土层土压力及土层稳定性计算的各项参 数(静止侧压力系数 、地基系数的比例系数、 地基系数等)。 ⑧含水层的稳定水位、渗透系数、基坑涌水量。 维普资讯 http://www.cqvip.com

程东海等:广州轨道交通工程岩I:J二程助察的岩I:参数取值方法 由于涉及到支护桩的问题,所以还应提供支 标、液化特性(计算液化指数)、其它土层的强度 指标、岩石抗压强度(软质岩主要为天然抗压强 度、硬质岩主要为饱和抗压强度)。 护桩的垂直承载力指标。另外,持力层的承载力 指标也不可缺少,以决定是否须进行地基加固。 (2)暗挖法:暗挖法一般针对地下隧道,又 ②软土震陷(砂土、粉土液化也会产生震 馅):震动下孔隙水压力上升及软土的触变性使软 可分为:矿山法和盾构法。暗挖法主要考虑隧道 支护及掘进问题。 ①掘进应重点考虑:岩石抗压强度(用于评 价岩土的可掘性,主要进行抗压强度试验)、岩土 土的抗剪强度下降,导致静力下即已存在于地基 中的塑性变形区扩大,土塑性变形增加,即为震 陷。所以设计使用的荷载越大,地震时产生的震 陷量越大。广卅l属7度区,7度区是否有震陷及如 的直接快剪指标,对盾构法尚应进行隧道范围岩 土体的颗分试验,岩石可参考采用残积土的试验 结果。 ②支护应重点考虑:隧道围岩分类,除上述 试验外尚应进行岩土压缩试验(土体的压缩模量、 变形模量、岩体的变形模量),围岩纵、横波速测 井试验(确定岩体完整性),另外还应提供岩土的 静止侧压力系数、泊松比、基床系数等指标。按 《地铁规范》,对暗挖法尚应提供动弹模、动剪模。 另外,尚应勘察地下水的渗透系数及涌水量。 进行隧道综合围岩分类时应重点考虑隧道的 安全性,隧道顶板应有一定的安全厚度,隧道顶 板高类别的围岩厚度不够时,应降低综合类别, 对隧道综合围岩分类高、低的分界线应偏向围岩 分类差的一侧,对膨胀土及地下水位较高的花岗 岩风化残积土、全强风化等特殊岩土应降低类别, (5H)、 (6H)、 (5Z)、 (6Z)层应划归I类围 岩, (7H)、 (7Z)层应划为II类围岩。对岩体 划分围岩分类时应考虑岩体的完整性,应严格按 《工程岩体分级标准》(GB50218—94)进行勘察 工作,并与《地铁规范》结合进行隧道围岩分类。 (3)地面建筑:地铁工程的车辆段、停车场为 地面建筑,与一般民用建筑勘察类似,但又有其 特殊性: ①车辆段面积较大,建筑荷载不大,大部分地 段将采用天然地基,如轨道基础;部分将采用桩 基,如检修车间、综合办公楼等;另外还有大量设 施需要接地。车辆段、停车场可能涉及地基处理问 题。所以勘察报告中应着重提供下列指标:岩土层 的地基承载力,软土的分布范围(垂直、水平)、 厚度(等厚度线)、固结状态(前期固结压力、超 固结比OCR)、强度指标(直快、固快、三轴剪)、 压缩指标(压缩系数、模量、水平、垂直固结系 数)、渗透性(水平、垂直)、震陷、砂土的强度指 何定义,现尚不明确。 《建筑抗震设计规范》 (GB50011—2001)P228页“暂时规定”:7、8、9 度区 大于70kPa、90kPa、100kPa的软土(抗震 工程中对软土的定义)均可不考虑震陷的影响。 车辆段、停车场可能以软土作为天然地基, 即存在软土震陷的可能性,应进行震陷评价,可 根据《软土地区工程地质勘察规范》 (JGJ83—91) 查表估算(以软土承载力特征值作为荷载,估算 震陷的最大值)。 5岩土层物理力学指标取值方法 岩土的一般特性指标及变形指标取平均值, 强度指标(岩土抗剪切指标、岩石抗压强度指标) 取标准值,可采用试验结果直接统计得出,主要 应注意指标的可靠性(指标有效统计数是否大于6 个、岩土分层是否正确、是否剔除了不正确的指 标),某土样的试验结果若有一项指标不正确,则 其余指标也不能参与统计。若有指标统计个数不 够,则应对照其余岩土层的指标情况结合有关规 范、手册给出经验值,给出的结果应符合一般的 规律,并应注明为“经验值”。 部分指标不能直接从试验得出,应参考有关规 范、规程、手册结合试验值给出经验值。 5.1岩土承载力特征值、桩承载力特征值 (1)土的承载力: 《建筑地基基础设计规范》 (GB50007—2002)取消了据岩土特性指标确定地 基承载力的有关经验表格,规定土的承载力应按 原位测试结果确定。 《岩土工程勘察规范》 (GB50021—2001)也有相似规定。强调了原位测 试的重要性。省标《建筑地基基础设计规范》保 留了地基承载力经验值的表格,我们可以使用, 按土的一般特性指标及标准贯入试验指标查出地 基承载力特征值,从新老规范的经验值对比来看, 3 维普资讯 http://www.cqvip.com

广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE 2006年第5期 按粘性土一般特性指标查出的承载力特征值比老 规范的基本值低5 ̄25kPa,老规范规定应对承载 力基本值进行修正得出标准值,估计新规范的承 载力特征值与老规范的承载力标准值相差不大。 从以往经验来看,以土特性指标查出的承载力往 往小于标贯试验得出的承载力,从安全出发,勘 察报告中的承载力指标应主要参考土工试验的结果。 (2)岩石地基承载力: 《建筑地基基础设计 规范》省标及国标均规定: 岩石地基承载力 = . 为岩石单轴抗压强度(国标规定为饱和单 轴抗压强度;省标规定硬质岩为饱和单轴抗压强 度,软质岩为天然单轴抗压强度)。 按国家标准桩端承载力计算公式与岩石地基 承载力相同,广东省标准的桩端承载力计算公式 亦相似,但前面的修正系数考虑到钻、冲孔桩的 桩底沉渣情况可取不同的系数。 (3)桩承载力特征值:高架线在广州轨道交 通中愈来愈多,高架桥桩的承载力指标也愈显重 要,地铁勘察总体技术要求中规定按《铁路桥涵 设计规范》勘察,该规范中的桩基承载力计算公 式与省标《建筑地基基础设计规范》类似,在实 际工作中,由于省标更新、与国标一致,在非高 架线中采用省标更合适。 ④桩侧土侧摩阻力:据有关规范查经验值。 ②桩端土阻力:据有关规范查经验值。 ⑧桩侧、端阻力:用岩石单轴抗压强度进行 计算,各种规范可能给出的经验系数不同,应根 据岩体完整性合理取值,同一报告中给出的经验 系数应协调(用不同规范计算得出的结果应相差 不大)。 5.2岩土层抗剪强度指标 抗剪强度指标反映了岩土层地基承载力,这 一点从土力学中据c、‘p值计算地基承载力的公式 (临塑状态计算公式、1/4塑性区状态计算公式、 太沙基极限承载力计算公式、普朗得尔公式、斯 肯普顿公式)中可以看到,所以岩土层地基承载 力愈大则抗剪强度指标愈高,反之亦然,根据这 点也可用来校核两种指标的协调性。按国标《建 筑地基基础设计规范》规定:载荷试验确定的地 4 基承载力特征值为P ̄S曲线比例界限对应的压力, 所以. 相当于临塑荷载对应的承载力。该规范规 定. 按如下公式计算: =Mb'yb+Mgy ̄d+M£k 我们给定基础宽度3m、不考虑基础埋深的影 响(d取0.5m)(即承载力未进行深度、宽度修 正),即可推导出. 与c、‘p的关系。再假设c值 为0,即可推导出砂土的承载力与‘p角的关系, 当然,也可给定c、‘p中的一个指标来推导承载力 与另一指标的关系。 当然,由于砂土的承载力与标贯击数Ⅳ有关, 所以Ⅳ值与‘p角有关: 按广东省省标:‘p=(20N) +15 砂土的‘p值应首先据以上公式计算,由于砂 土的天然坡角反映了土的级配情况,从而也反映 土的密实度情况,所以反映了砂土的强度,因此 砂土的‘p值还应同时考虑砂土的天然坡角。 岩石抗剪强度指标应根据室内岩石抗剪断强 度试验统计结果(标准值)来确定,考虑到岩体 的完整性,应将试验结果作相应折减,‘p值应减 小1—3度、c值据岩体完整性乘以0.5—0.8的折减 系数。 5.3变形指标 岩土的n、E 可以直接试验测出,岩土的变形 模量从概念上来说应从原位载荷板试验来确定 (省标有规定, “宜”),但由于勘察手段有限,地 铁勘察过程中基本不进行载荷板试验,所以只能 用经验公式计算,省标规定:对花岗岩、泥质软 岩的残积土、全风化岩、强风化岩按下式计算: Eo=aN , 对花岗岩、泥质软岩取不同的经验系数。 混合岩可参考花岗岩使用(笔者认为)。 其余土层的变形模量只能参考有关的经验数 据,中、微风化岩可只提供弹性模量。 与E的关系:从概念上来讲,E 为有侧限 情况下的模量, 为无侧限情况下的模量, 应 小于E,但土样的扰动及室内试验条件的限制, 结果往往相反(E误差较大),利用 估算的地 基沉降量偏大,偏于安全,由于设计部门使用E 已习惯,无必要修正E 。 维普资讯 http://www.cqvip.com

程东海等:广州轨道交通工程岩。 』=程勘察的岩土参数取值方法 5,4静止侧压力系数与泊松比 (DBJ/T15—2O一97);对预制桩、钢桩可参照《建 土的静止侧压力系数与泊松比是可以卡H瓦换 算的,土的静止侧压力系数实验室可以测定,但 试验结果不理想,与经验值相差较大,勘察单位 不敢采用,往往采用经验数据及公式。 上海对软土的研究较多,认为K。=卜Sinq ̄ , 筑桩基技术规范》 (J 94—94)。对岩石则 必提 供m值。 5.6其他指标 渗透系数:规范中未规定同一含水层多次降 深、恢复水位计算结果如何整理,一般认为恢复 水位计算结果可能偏小,当进行J,多次降深抽水 试验时可取渗透系数的平均值作为最终结果。 ‘p 为软土的有效内摩擦角,然后再来计算泊松比。 对其余岩土层尤相关公式进行计算,只能查阅有 关规范得出土的泊松比经验值,冉来反算土的静 止侧压力系数,风化岩的泊松比可按波速测井成 果及有关经验数据给出,再反算静止侧压力系数。 5.5地基系数与地基系数的比例系数 基床系数是地基土在外力作用下产生单位变 位时所需的外力,也称弹性抗力系数或地基反力 系数,义可分为水平地基系数K 与垂直地基系数 K ,地基系数可按室内土的固结试验或三轴试验 测定或换算。 地基系数随地基形状、尺寸改变,与地基土 的变形模量成正比关系。《地铁规范》附录F中 给出了基床系数K 的经验值,但应结合土变形模 量 复核是否符合一般规律。 原位试验方法:通过载荷试验(太沙基测试 法K。+,)或旁压试验可得到地基土的地基系数。 《地铁规范》条文说明中对地基系数进行了详 细说明,几个经验公式列举如下: 谢旭升公式:K =(1.5-3)N(注意:系数为 1.5 ̄3,E。大取大值,E。小则取小值); K =E/[A (1一W2)】,E为弹性模量。 岩石地基系数: 北京地铁经验:第三系红层强~全风化:120- 150MPa/m; 青岛地铁经验:花岗岩中~未风化K =E/[100 (1+ )】。 一般认为水平地基系数稍大于垂直地基系数。 现地铁勘察中地基系数一般按Ⅳ与K 的经验 公式或经验数据取值,中.一未风化可按青岛经验取 值,从上述理论及地基系数取值过程可看出:地 基系数的取值是不准确的。 地基土水平反力系数的比例系数,用于基坑 支护,可查省标《建筑基坑支护工程技术规程》 各岩土层的热物理指标据试验指标或规范中 的经验数据提供即可。 6结语 经过多条地铁线路勘察经验的积累,在广州 地铁建设总部,广州地铁设计院及参与广州地铁 勘察各单位的共同努力下,广州地区的岩土层的 物理力学指标取值方法已经有了较为统一的认识, 广州地铁没计院勘察总体在总结众多地铁勘察成 果的基础上,编制了』 州市地铁勘察所需的各土 层物理力学参数及参考值(见表1),提供了设计 所需要的各参数的合理取值范围,从 指导了各 勘察单位勘察报告的编制,规范了广州地铁勘察 工作。 参考文献 l 1】GB 50307—1999地下铁道、轻轨道交通岩_』 T程勘察规 范【s】. 【2】GB 50021—2001岩土工程勘察规范【S】, 【3】GB/T 50123—1999土工试验方法标准『S.SJ 【4】GBJ 145—90土的分类标准【S】. 【51 GB 50007—2002建筑地基基础设计规范【s1. 【6】DBJ 15—31—2003建筑地基基础设计规范【s】. 【7】GB 50011 2001建筑抗震没计规范【S】. 【8】JGJ 94—94建筑桩基技术规范【s】. [9】JGJ 120 99建筑基坑支护技术规程[s】. 【10】GBJ 83—91软土地区工程地质勘察规范IS J. [11】GJB 02—98广州地区建筑基坑支护技术规定[s】. 『121 TB 10001—99铁路路基设计规范【s】. 【13】CECS 99:98岩土工程勘察报告编制标准【S】. I141建设部.建筑工程勘察文件编制深度规定(试行) (建质【2003】114号). 5 维普资讯 http://www.cqvip.com

广州建筑GUANGZHOU ARCHITECTURE 2o06年第5期 说明:l_本表各参数仅供参考,应以实测试验值为准; 2.土体抗剪强度指标参考《广州地区建设基坑支护技术规定》; 3. 参考高大钊等编著的《土质学与土力学》 (交通出版社); 4.土承载力特征值按土的特性指标,参考广东省标《建筑地基基础设计规范》,并对照部分地铁工点详勘报告; 5.地基系数比例系数参考广东省标《建筑地基基础设计规范》及《铁路桥涵地基和基础设计规范》; 6土层基床系数参考《地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范》; 7.土岩层渗透系数参考《水文地质手册》及部分工点详勘报告。 6 

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