（岩土工程专业论文）宜宾砂卵石地基的超重型动力触探试验指标及承载力研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 宣宾砂卵石土层具有透水性强 抗剪强度高 压实性能好 地震荷载作 用下不易产生液化等优良工程特性 随着宜宾市国民经济的高速发展 高楼 大厦 桥梁 公路等建筑物 构筑物 迅速增多 对地基基础的变形与沉降 要求越来越严格 如何更科学 更合理 更经济地评价宜宾砂卵石土的物理 力学性质和宜宾砂卵石地基的承载性能己成为一个日益重要的课题 本文以超重型动力触探试验技术为主要研究对象 紧密结合超重型动力 触探试验在宜宾砂卵石土的应用实际 深入研究了超重型动力触探试验的三 个指标 锤击数 贯入阻力和贯入深度 并研究了宜宾砂卵石地基的承载 力和变形模量与这些指标之间的相关关系 本文主要进行了以下几方面的研 究工作 1 通过收集大量的工程实测数据和进行一定的室内试验 现场试验 研 究宜宾砂卵石土的物理力学特性和相关参数 2 本文在研究超重型动力触探试验的一般机理 技术要求和工程应用的 基础上 着重分析超重型动力触探试验在宜宾地区砂卵石土层的应用特点和 参数修正 3 研究了超重型动力触探试验贯入阻力的计算理论 本文借鉴桩基动力 测试的理论 将动力打桩公式法和波动方程法加以改进用于分析超重型动力 触探的贯入过程 以求解贯入阻力 4 采用有限元分析方法 f e m 模拟超重型动力触探试验的贯入过程 结 合工程实例研究宜宾砂卵石土的内摩擦角 密度 变形模量等土性参数及地 下水位与超重型动力触探贯入深度的相关关系 5 研究宜宾砂卵石地基的承载力及变形模量与宜宾砂卵石土的超重型动 力触探锤击数 贯入阻力 贯入深度三指标的相关关系 建立宜宾砂卵石地 基承载力和变形模量标准值的经验计算公式 并通过工程实例验证所得计算 公式的适用性和可靠性 关键词 砂卵石地基 动力触探 锤击数 贯入阻力 贯入深度 有限 元方法 承载力 变形模量 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t m a n ye n g i n e e r i n gp r o p e r t i e so f y i b i ns a n d p e b b l eg r o u n da r ee x c e l l e n t s u c h a sh i g hp e r m e a b i l i t ya n ds h e a rs t r e n g t h g o o dc o m p a c t i b i l i t y e t c a l o n gw i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m yi ny i b i n al o to fe n g i n e e r i n g ss u c ha s t o w e r s b r i d g e sa n dh i g h r o a d sa r ec o n s t r u c t e ds p e e d i l y s ot h ed i s t o r t i o na n d s e d i m e n t a t i o nm u s tb ec o n t r o l l e ds t r i c t l y i ti sav e r yi m p o r t a n tt a s kt oe v a l u a t e t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n db e a r i n gc a p a c i t yo fs a n d p e b b l e g r o u n ds c i e n t i f i c a l l y r e a s o n a b l ya n de c o n o m i c a l l y t h es u p e r h e a v yd y n a m i cp e n e t r a t i o nt e s t s d 啊t e c h n o l o g yi st a k e n 弱t h e m a i nr e s e a r c ho b j e c ti nt h i sp a p e r a s s o c i a t i n gt h ea p p l i c a t i o no fs d p ti ny i b i n s a n d p e b b l eg r o u n d t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h et h r e ep a r a m e t e r so fs d p r 一 h a m m e r i n gn u m b e r s p e n e t r a t i n g r e s i s t a n c ea n d p e n e t r a t i n gd e p t h t h e r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nm o d u l u so fy i b i n s a n d p e b b l eg r o u n da n dt h e s ep a r a m e t e r sa r ea l s or e s e a r c h e d t h em a i nr e s e a r c h w o r ki sa sf o l l o w s 1 t h ep h y s i c a la n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fy i b i ns a n d p e b b l eg r o u n da r e r e s e a r c h e db ym e a n so fg a t h e r i n ge n g i n e e r i n gd a t u ma n dc o n d u c t i n gi n d o o ra n d f i e l dt e s t 2 o nt h eb a s eo fr e s e a r c h i n gt h eg e n e r a lm e c h a n i s m t e c h n i c a ld e m a n da n d e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fs d p tt e c h n o l o g y t h ea p p l i c a t i o n f e a t u r e sa n d p a r a m e t e r sa m e n d m e n to fs d p tt e c h n o l o g yi ny i b i ns a n d p e b b l eg r o u n da r e e m p h a s i z e do n 3 t h ec a l c u l a t i o nt h e o r yo fp e n e t r a t i n gr e s i s t a n c ei ns d p th a sb e e n r e s e a r c h e d b yb o r r o w i n gi d e a sf r o md y n a m i c a lt e s tt h e o r yo ff o u n d a t i o np i l e t h ed y n a m i c a ld r i v i n gp i l em e t h o da n dw a v ee q u a t i o nm e t h o da r em o d i f i e dt o a n a l y z et h ep e n e t r a t i n gp r o c e s so fs d p ta n ds o l v et h ep e n e t r a t i n gr e s i s t a n c e 4 t h ep e n e t r a t i n gp r o g r e s so fs d p th a sb e e ns i m u l a t e db ym e a n so ff i n i t e e l e m e n tm e t h o d f e 啪a n dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep e n e t r a t i n gd e p t ha n d t h ep a r a m e t e r so fy i b i ns a n d p c b b l eg r o u n dh a sb e e nr e s e a r c h e ds u c ha si n t e r n a l f r i c t i o na n g l e d e n s i t ya n dd e f o r m a t i o nm o d u l u s a sw e l l 嬲t h eg r o u n d w a t e r l e v e l s a s s o c i a t i n ga ne n g i n e e r i n ge x a m p l e 西南交通大学硕士研究生学位论文第j il 页 5 t h er e l a t i o n s h i p sb e t w e e nt h eb e a r i n gc a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nm o d u l u s o f y i b i n s a n d p e b b l eg r o u n da n dt h et h r e es d p tp a r a m e t e r sh a v e b e e n r e s e a r c h e d t h e nt h e e m p i r i c a lc a l c u l a t i o ne q u a t i o n sb e t w e e nt h eb e a r i n g c a p a c i t ya n dd e f o r m a t i o nm o d u l u so fy i b i ns a n d p e b b l eg r o u n dh a v eb e e n e s t a b l i s h e d f i n a l l y t h ea p p l i c a b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h ec o n c l u d e dc a l c u l a t i o n e q u a t i o n sb ye n g l n e e r i n ge x a m p l ea r ev e r i f i e d k e y w o r d s a n d p e b b l eg r o u n d d y n a m i cp e n e t r a t i o nt e s t d 田 h a m m e r i n g n u m b e r s p e n e t r a t i n gr e s i s t a n c e p e n e t r a t i n gd e p t h f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 呷m b e a r i n gc a p a c i t y d e f o r m a t i o nm o d u l u s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景及问题的提出 我国是一个多山 多河流发育的国家 在山区和河流边缘 岸坡 阶地 上冲积 堆积或沉积有大片厚层或巨厚层的砂卵石层 这些砂卵石层一般具 有埋深不大 变形较小 承载力较高 厚度较大的特点 在我国 有不少城 市位于河流阶地或山前地带 随着经济的发展 越来越多的建筑选择以砂卵 石层为持力层的基础形式 查明砂卵石层的物理力学指标是城市工程地质勘 察的一个重要环节 合理的评价砂卵石的工程地质条件 挖掘砂卵石层容许 承载能力潜力 以达到安全 合理 经济地利用地基土 科学的工程地质勘 察必不可少 宜宾地区位于四川盆地南端丘陵地区 西连川西南山地 南接云贵高原 地处金沙江 岷江 长江汇流地带 山丘广布 平坝狭小 水系发育 沟谷 纵横 在地层分布上 第四系冲积层 q f 砂卵石土分布甚为广泛 宜宾 砂卵石土层具有透水性强 抗剪强度高 压实性能好 地震荷载作用下不易产 生液化等优良工程特性 且分布厚度较大 大量工程建设选择砂卵石层作为 天然地基或基础持力层 基本能够满足工程建设的要求 同时产生了显著的 经济效益 以往 对宜宾地区砂卵石层地基的勘察方法主要是钻探 根据钻进速度 的快慢 孔壁坍塌程度 钻探取样的分析试验结果以及钻探过程中司钻的感 觉 综合确定卵石层的密实性 按其密实程度提供砂卵石层承载力和变形模 量 这种方法提供的砂卵石层承载力和变形模量值相当低 砂卵石地基的承 载能力得不到充分利用 导致很大的浪费 近十几年 除钻探外 超重型动 力触探试验已经在宜宾地区砂卵石层的勘察中取得广泛应用 超重型动力触 探方法的优点很明显 能准确判断软弱夹层 工期短 成本低 最重要的是 能够定量评价砂卵石层的力学性能 当前 超重型动力触探试验在宜宾地区砂卵石土层中的应用已经相当普 遍 设计单位在评估和计算砂卵石地基的承载力时多以触探试验的成果为基 准 参考相关规范的要求进行取值 建筑地基基础设计规范 g b j 7 8 9 附录 五中附表5 2 根据卵石层的密实度 给出了卵石层承载力标准值的范围值 蘸赢交迸太 擘硕士研究生攀缘论文簿2 贞 嘲 规范确定卵石罴密赛废的方法 悬根攥卵石展的骨絮颗敉食纛襄排列 可挖性 可钻性三今方面结合起来综合判别 凭经验 凭感觉 而且绘出的 卵嚣层承载力标准值是范圈值 耀对较粗糙 精度较差 丙新的规范 建筑 地基基础设计撬范 g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 中 卵露屡承载力标准傻的穗隧僮 这部 分邑删除 并来绘融磷定舜翁层承载力盼方法 2 在宣宾姥基砂卵石跑基豹区域性经验参数尚未建立 又没有形成一套数 学上经过严密推导的定量计算方法 宜宾砂卵石地基的工程特性评价较大地 偏离7 实鼯 这裘现为 有些王程孛逶过超錾型动力触探试验确定煦砂卵糟 地基承畿力被严熬低供以致造成巨大浪费 同时个别z 耩的砂舜莠越慕承载 力被高估从丽弓l 发了地基承载力不足导致房屋倾斜的工程事敲 掰戮 有必要深入硪究宜宾砂卵夏土层超重型动力触探试验的技术特点 研究各触探攒搽的计算方法 修疆方法冬应用特点 分辑触探攒标每宣粪移 卵嚣士层锈薅力学参数媳关系 慧结威臻触探攒标来怠慧评价熹裳砂郛蠢她 基承载性能的计算公式 建立宣宾地区砂卵石地基承载力评价的区域往经验 公式 以指导当缝具体工程的设计 2 动力触探技术的研究现状及发展趋势 1 2 1 凝述 圆锥动力粒搽试验是利罪一定的锤击动能 将一定规格的疆锥探头封入 中 搬撵抒入土中的难易释度来判剜土瑟的工程性蘼孵一秘方法 爨入深 度驰大小能反浚士朦办学特豫豹蓑舅 鬃挖数德j l 雩港蒸士作拣z 程熄潢谬馀 l 1 动力触探试验在岩土工程勘察中与索规豹工程媲质钻探襄取群试验相 比 罴肖孵显的特点 动力徽探试验是快速豹现场勘测方法 它溉誊勘探相 浏试豹擞熏簸黥 x 鬃霄设备藕革 绦作方便 速发糗 蔗教荔 费用省 适用范围较广等优点 因此当翦在岩土工程劫测中愈来愈为人们所重视 根据铁道第二勘测设计研究院和成罄铁路是在多项工程勘测中 对动力 融撵和锚搽避行貔较 在地层及勘探深度褶阉条停下 箕工效j 阳材料消糍的 缆诤分析嫡累罴 动力黻攘z 效魄铺搽掇寒3 4 诺 备种材料消耗费用 动 力触探仗占钻探的3 5 4 5 焉且动力融探可直接取褥数擐 减少了取样 运输及室内试验工作量 大大缩短了勘测周期 龙其遇到碎石类 及土夹石 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 地层 其钻探取样和室内试验都存在困难 静力触探也难奏效 此时动力触 探方法就显示出其特有的优越性 1 2 2 动力触探技术的发展史 触探是土工测试中经历了较长历史发展阶段的原位测试方法 用钢钎贯 入土中的难易程度来检验路基 堤坝的填土质量 可是说是最早的触探雏形 动力触探是在标准贯入试验发展到一定阶段后才得到迅速发展的 由于 标准贯入试验必须在钻孔中进行 因而不能取得连续的数据 并且只能适用 于砂类土和粘性土 对碎石类土不能适用 因而从上世纪五十年代开始 动 力触探得到了迅速的发展 显示了很大的优点 英国帕尔曼 p a l m a r 和司 度特 s t u a r t 在1 9 5 7 年提出 用一个锥尖为6 0 的圆锥头接在标准贯入 器的底部 以代替原来的管靴 这种设想在1 9 7 7 年欧洲的标准贯入试验标准 中得到肯定嗍 动力触探在欧洲国家得到广泛应用 因为在这些国家分布着较多的粗颗 粒土层及冰积层 适合用动力触探方法 前苏联最常用的动力触探设备是杜兰捷 a y p a a t e 研制的 重锤质量为 6 0 k g 落距8 0 c m 探头为圆锥形 直径7 4 c m 锥尖3 0 用 击 l o c m 作 为触探指标 1 9 7 4 年和1 9 8 2 年 曾在欧洲开过两次国际性的触探学术会议 1 9 8 8 年 在美国召开了第一届国际触探会议 会议对动力触探测试方法的统一起到了 推动作用 会议建议按所用穿心锤重量将动力触探分为轻型 sl o k g 中型 1 0 4 0 k g 重型 4 0 6 0 k g 及超重型 6 0 k g 我国 岩士工程勘察规 范 g b 5 0 0 2 卜2 0 0 1 将圆锥动力触探试验分为轻型 锤重l o k g 重型 锤 重6 3 5 k g 和超重型 锤重1 2 0 k g 轻型适用于一般粘性土及素填土 特别 适用于软 重型适用于砂土及砾砂土 超重型适用于卵石 砾石类土 2 l 在我国 5 0 年代初由南京水利实验处引进推广 至5 0 年代后期得到普及 很多单位作了很有价值的试验研究 积累了大量的使用经验 7 0 年代制定了 相应的规范 在试验设备类型上趋于统一和标准化 加快了发展进程 目前 已成为我国粗粒土的地基勘察测试的主要手段 2 用 1 2 3 超重型动力触探技术研究现状 近二十年来 超重型动力触探作为一种当前还属于粗糙的 经验性的 然而又是十分有效的勘探测试方法已被推广应用于砂卵石层工程地质勘察的 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 实践中 取得了良好的效益 电测动力触探也已研制和初步应用并正在改进 1 超重型动力触探技术经过多年的应用和发展 其试验设备 操作步骤 已经有一套严格的标准 触探数据的整理 触探指标的修正和应用于工程实 践的评价方法也逐渐成熟 煤炭部规划设计总院的卞昭庆 1 9 8 6 1 在 卵石层勘探的超重型动力触 探 中介绍了超重型动力触探试验的设备 操作步骤 触探数据的整理以及 用 l 进行地层判定和砂卵石地基评价的方法 较系统地总结了动力触探在 卵石地层的应用 中国建筑西南勘察研究院的王顺富 1 9 8 4 朔在 用动力触 探 1 确定地基土的容许承载力 中分析了如何建立锤击数 l 与承载力最 关系的回归方程以确定地基承载力 探讨了探杆长度和探杆侧壁摩擦对锤击 数影响的校正方法 同时还根据对比实验得出了 1 值与心 值的关系式 该文工作提供了用触探指标来定量评价砂卵石地基承载力的思路 中国建筑 西南勘察研究院的朱锦云 1 9 9 4 p 1 在 1 动力触探应用的若干问题探讨 中就 1 动力触探试验的适用范围 与心 指标的相互关系 m 指标的修 正以及 指标在地基评价中的应用等问题作了详细而深入的分析总结 2 随着超重型动力触探试验在工程实践中的广泛应用 针对各地区特定 砂卵石土的动力触探技术研究也越来越多 各区域总结和积累了大量的经验 和规律 有些地区已经初步形成了区域性砂卵石地基定量评价标准 在实践 中可用来指导工程设计 凉山州建筑设计研究院的黄文治 1 9 9 4 i 在 西昌地区卵石层应用 超重型动力触探的评价 中通过对西昌地区6 0 多项工程超重型动力触探试验 的应用分析 总结了超重型动力触探在测试深度 地基承载力评价上的优势 并对西昌地区卵石的承载力提出了更准确的设计值 成都理工大学的蒋鹏 蓝敏 1 9 9 5 1 1 0 在 成都市区卵石土地基变形特征定量分析 中 通过对成都 市区内卵石土地基变形观测资料与勘察资料的对比研究 提出了符合成都市 卵石土地基的e 一 相关关系式 并针对前人研究成果从实际应用出发进 行了深入完善的研究 为最终实现卵石土地基变形预估提供了思路和工具 成都市勘察测绘研究院的王煜 2 0 0 0 1 1 1 l 在 成都地区卵石层超重型动力触探 击数规律 中总结了成都地区卵石层与超重型动力触探击数曲线的关系及分 层规律 中南勘察设计院的刘珠光 李受祉 1 9 9 8 眦 在 超重型动力触探 在宜昌地区卵石层地基中的应用 中根据2 3 个静载试验与超重型动 力触探的对比资料 并结合以卵石层作天然地基已建成的高层建筑变形观测 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 资料与理论公式计算变形量的对比 提出用锤击数 l 评估宜昌地区砂卵石 层地基承载力和变形模量的方法 对宜昌地区砂卵石层地基的勘察与评价提 供了可供参考的实践经验 广东省地质物探工程勘察院的蓝鲸 2 0 0 2 1 在 重型动力触探试验在广东花岗岩地区的应用 中分析广东花岗岩地区花岗 岩残积土的特征 论述重型动力触探试验在广东花岗岩地区的适用性 得出重 型动力触探试验与标准贯入试验的回归方程 据此来确定花岗岩残积土的地 基土承载力标准值及变形模量 并将其应用于实际工程中 桂林市勘察设计研 究院的苏阳 2 0 0 5 1 4 1 在 桂林市混合土层重型动力触探试验数据分布特征 中运用概率分布和假设检验的统计分析方法 通过对混合土层中重型动力触 探试验数据的研究 得出了在自然地貌条件完好性不同的情形下 其不同的数 据分布特征 3 影响动力触探试验的因素较多 造成其试验指标离散性较大 所以动 力触探试验被认为是一种较为粗糙的原位测试方法 佳木斯市水利勘测设计 研究院的张国梁 1 9 9 9 1 在 浅谈重型动力触探试验 中根据当地的触探试 验成果 阐述了重型动力触探试验数据大小的影响因素 后果及解决办法 沈 阳大学的张平 1 9 9 9 嗍在 有关动力触探影响因素修正问题的探讨 中详细 探讨了动力触探各影响因素的修正方法 以上研究系统总结了触探指标的修 正方法 使得采用动力触探指标确定土性参数更符合实际 4 华中理工大学的徐国希 2 0 0 0 m 1 在 一种新型的动力触探方法 中将 动力验桩的波动分析法应用于动力触探试验 计算土性参数和土的承载力 广西工学院的孙成访 2 0 0 1 n 川在 动力触探方法的改进与研究 一文中也探 讨了用波动方程法分析杆一土体系的动力响应 进而确定土性参数的改进动力 触探方法 这些研究为通过动力触探试验确定土的承载力提供了新的思路 1 3 本文研究思路和主要研究内容 1 3 1 研究思路 本文通过一定量的室内试验 原位试验和收集大量的工程实测数据 研 究宜宾砂卵石土的物理力学特性和相关参数 然后分别以试验方法 理论推 导方法和有限元法对超重型动力触探的三个指标 锤击数 贯入阻力和贯 入深度与宜宾砂卵石土性参数的相关关系进行研究 最后建立宣宾砂卵石地 基的承载力和变形模量标准值与超重型动力触探试验三个指标的经验计算公 式 如以下框图所示 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 2 主要研究内容 本文以宣宾砂卵石土的超重型动力触探试验为主要研究对象 主要研究 内容有 1 通过收集大量的工程实测数据和进行一定的室内试验 现场试验 研 究宜宾砂卵石土的物理力学特性和相关参数 2 本文在研究超重型动力触探试验的一般机理 技术要求和工程应用的 基础上 着重分析超重型动力触探试验在宜宾地区砂卵石土层的应用特点和 参数修正 3 研究了超重型动力触探试验贯入阻力的计算理论 本文借鉴桩基动力 测试的理论 将动力打桩公式法 波动方程法和应力波能量法加以改进用于 分析超重型动力触探的贯入过程 以求解贯入阻力 4 采用有限元分析方法 f e m 模拟超重型动力触探试验的贯入过程 结 合工程实例研究宜宾砂卵石土的内摩擦角 密度 变形模量等土性参数及地 下水位与超重型动力触探贯入深度的相关关系 5 研究宜宾砂卵石地基的承载力及变形模量与宜宾砂卵石土的超重型动 力触探锤击数 贯入阻力 赁入深度三指标的相关关系 建立宜宾砂卵石地 基承载力和变形模量标准值的经验计算公式 并通过工程实例验证所得计算 公式的适用性和可靠性 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章宜宾砂卵石土层的物理力学特性 2 1 宜宾地区的工程地质概况 2 1 1 宜宾地区的区域地质环境 宜宾位于四川盆地南缘 西接川西南山地 南接云贵高原 根据 四川省 地貌区划 地貌分区 本区跨越一个一级区 三个二级区和三个三级区 即 四川东部盆地山地 一级 区 四川盆地 巫山和大娄山中山与川西南山地 二级 区 盆中丘陵 盆地山地与丘陵和蛾眉山中山 三级 区 本区地 形复杂 地貌多样 独具特色 1 9 1 图2 1 宜宾市在四川省的地理位置示意图 f i g 2 1t h el o c a t i o no f y i b i n i ns i c h u a np r o v i n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 一 地貌特征 图2 2 宜宾地区地势图0 9 1 f i g 2 2s u r f a c ec o n f i g u r a t i o no f y i b i n 一 西南高 东北低 区域差异明显 本区西部为大小凉山的延伸部分 南部为云贵高原向四川盆地的过渡地 带 东北部与盆中丘陵区紧密相连 最高点为西部屏山县境内的五指山脉老 君山主峰 海拔高程2 0 0 8 7 米 最低点在东部江安县井口乡金山寺附近的长 江河谷段 海拔高程2 3 6 3 米 1 9 1 二 山丘广布 平坝狭小 构造抬升与流水侵蚀的结果 使本区山地 丘陵占有很大的面积 平坝 狭小且分布零散 三 水系发育 沟谷纵横 本区气候温暖湿润 年降雨量在1 0 0 0 毫米以上 水系发育 河流众多 除岷江 金沙江和长江迂回陷折流经本区外 尚有流域面积大于1 0 0 平方公 里的大中小河流2 3 条 河溪遍布全区 流水的侵蚀使得本区河谷纵横交错 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 地形起伏变化明显 东北部和中部流水侵蚀切割较浅 形成丘陵和方山地貌 南部和西部 受构造抬升的影响 河流切割强烈 其切割深度达2 0 0 1 0 0 0 米 形成浅切割到中切割低山 中低山地貌 四 喀斯特地貌发育典型 本区可溶性碳酸盐岩和碳酸盐岩夹碎屑岩分布区 岩性较纯 构造裂隙 发育 气候温和多雨 加之新构造运动影响 喀斯特作用十分强烈 二 主要地貌类型及分布 一 山地 山地主要由 筠连一赤水东西向构造带 新华夏构造带和 马边沐川弧 形构造带 的地层剥蚀形成 山地类型多为浅一中切割的长垣状低山 中切 割尖顶状低 中山 带状溶蚀谷地和石芽 溶蚀残丘 风丛 峰林等组成的 低 中山 丘陵 本区低丘 中丘 高丘均有 连绵起伏于东北部条形低山之中 主要由 侏罗系 白垩系砂岩泥岩组成 受岩层产状和岩性的影响 丘陵形态多样 主要有圆丘 馒头丘 块状丘 斜面丘 单面山 台状丘 方山 平顶丘 脊状丘 塔状丘和串珠丘等 三 平坝 平坝有河谷平坝和山间溶蚀槽坝 槽谷 两种 河谷平坝主要有一级至 四级阶地组成 多里不规则的带状或半月状 分布在区内各大 中河流两旁 面积一般较小 1 9 1 本文研究的宜宾砂卵石土层主要分布在这一区域 表2 1 宣宾地区主要地貌类型 l t a b l e2 im a i ng e o m o r p h yt y p e so f y i b i n 海拔高度相对高程 占总土地面 她貌类型 面积0 m 2 m 曲积百分比 河谷平坝 o o 3 06 4 2 74 8 平坝 溶蚀坝槽 1 0 0 0 3 04 3 2 73 3 丘陵低丘 1 0土层 高出现代河水面9 1 5 米 上 o 1 2 下部为砂卵石层 上部为黄色及红 二级阶地冲积层 色亚粘土层 高出现代河水面3 3 米 新第 更 生四 新 三级阶地冲积层 掣 0 2 2 下部为黄色砂卵石层 上部为黄色 亚粘土层 高出现代河水面6 5 米 界 系 统 中 四级阶地冲积层 酽 o 1 0 下部为黄色砂卵石层 上部为黄色 亚粘土层 高出现代河水面9 6 米 更 下部为黄色砂卵石层 上部为黄色 新 五级阶地冲积层 o 1 1 及红色亚粘土层 高出现代河水面 统1 1 3 米 2 2 2 宜宾砂卵石土层的物理和工程地质特性 宜宾砂卵石土一般呈浅褐色 褐色 稍密 密实 局部松散 厚度一般 为2 o 1 5 7 m 局部达2 0 余米 宜宾市政务中心大楼钻孔揭露厚度达2 5 m 埋深一般在3 0 6 o m 左右 局部达8 o m 以上 卵石颗粒含量5 0 7 0 直径一般为2 0 6 0 m m 颗粒成分为砂岩 石英岩 玄武岩等 充填物以砂 土 粉粘土为主 胶结性较差 具体的物理和工程地质特征描述见表2 4 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 表2 4 宣宾砂卵石土物理和工程地质特性 3 土层 名称 m 岩土物理和工程地质特征描述 棕黄色 卵石含量5 0 6 0 直径以2 0 4 0 m m 为主 颗粒 松散呈次棱角状 次圆状 强 中等风化 局部舍漂石 充填物可 砂卵 3塑状粘土或稍密状粉土 湿 很湿 无胶结或胶结甚微 钻进 石中常出现掉块 垮孔现象 含水率为1 2 0 1 5 0 天然容重为 1 9 2 1k n m 3 黄褐色 褐色 卵石含量5 0 7 0 直径以2 0 8 0 r a m 为主 最 稍密 大1 2 0 1 4 0 m m 颗粒成分以砂岩 玄武岩为主 卵石呈圆形及 砂卵 3 6亚圆形 中等风化 微风化 稍密状态 充填物以砂土及粉土 石为主 胶结性较差 钻进易坍塌 含水率为1 2 0 1 4 o 天然 容重为1 8 2 0l d m 3 浅黄色 浅褐色 褐色 卵石含量6 0 8 0 直径以2 0 8 0 m m 中密为主 最大2 旧o m m 颗粒成分以砂岩 玄武岩为主 卵石呈圆 砂卵 6 1 0形及亚圆形 中等风化 微风化 中密状态 充填物为粉质粘 石土 粉土 砂 稍湿 钻进困难 含水率为1 2 0 1 5 0 天然 容重为2 0 2 2 必 m 黄褐色 褐色 卵石含量5 0 7 0 直径一般4 0 l o o m m 最 密实大可达4 0 0 r a m 卵石呈圆形及亚圆形 中等风化 微风化 密 砂卵 1 0 1 4实状态 卵石成分主要是砂岩 石英岩 玄武岩 充填物为粉 石砂 粘土或圆砾 稍湿 坚硬 钻进困难 含水率为1 2 0 1 5 o 天然容重为2 1 2 3l m m 综上所述 宜宾砂卵石土的主要物理及工程地质特性有 1 其密实度主要是稍密至密实 卵石含量高 充填物多为砂土和粉土 胶结性差 2 含水率较低 为1 2 1 5 天然容重从1 8 2 3k n m 3 不等 3 土质坚硬 可钻性差 钻进困难 2 2 2 宜宾砂卵石土层的力学特性 为确定宜宾砂卵石土的抗剪强度和承载力等力学指标 对不同场地的砂 卵石土进行了大量水平推剪试验和平板载荷试验 另外收集了几十份工程勘 察资料 基本涵盖了宣宾地区分布有砂卵石土层的场地 统计结果如表2 5 和表2 6 西南交通大学硕士研究生学位论文第 页 表2 5 根据试验确定的宜宾地区砂卵石土层力学指标l u 冽 t a b l e2 5m e c h a n i c a lp a r a m e t e r so f y i b i np e b b l eg r o u n db yt e s t 天然容重 粘聚力c 内摩擦角 承载力特征值 土层名称 y k n m 泊松比 k p a 厶 k p a 松散砂卵石 1 8 2 00 3 0 3 5 2 4 2 61 3 1 5 0 稍密砂卵石 1 9 2 10 3 o 3 5 2 9 3 1 2 8 0 一3 2 0 中密砂卵石 2 0 2 20 3 o 3 5 3 4 4 3 6 4 9 0 5 3 0 密实砂卵石 2 1 2 30 3 0 3 5 3 8 4 3 98 0 8 5 0 表2 6 根据钻孔波速测试确定的宜宾某工程场地卵石土层的动力参数 趔 t a b l e2 6d y n a m i cp a r a m e t e r so fo n e p r o j e c tp e b b l eg r o u n di ny i b i nb yb o r i n ga n d w a v e s p e e dd e t e r m i n a t i o n 纵波波速 横波波速 动弹性模动剪切模 土层名称 量日量q 动泊松比 匕 曲 k 叫 m p a m p a 松散砂卵石6 0 02 4 05 8 02 2 00 3 9 0 稍密砂卵石8 5 03 2 09 5 03 6 00 3 8 0 综上所述 宜宾砂卵石土的主要力学特性有 1 粘聚力很小 一般在2 k p a 以下 完全可以忽略不计 2 内摩擦角随着密实度变化差异较大 最小在2 4 左右 最大可达 3 9 3 除松散砂卵石外承载力值较高 密实砂卵石的承载力特征值可达8 5 0 k p a 以上 所以宜宾砂卵石土层可以作为大多数工程的基础持力层 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 3 本章小结 本章广泛收集了宜宾地区的地理地质资料及宜宾市砂卵石层地基的工程 勘察资料 结合室内外士工试验 总结研究了宜宾砂卵石土层的成因 分布 情况及其特殊的物理力学特征 为后文研究宣宾砂卵石土层的动力触探试验 指标和砂卵石地基承载力提供了基础和依据 通过本章的研究 可以得到以 下几个结论 宜宾砂卵石土的主要物理及工程地质特性有 1 其密实度主要是稍密至密实 卵石含量高 充填物多为砂土和粉土 胶结性差 2 含水率较低 为1 2 1 5 天然容重从1 8 2 3k n m 3 不等 3 土质坚硬 可钻性差 钻进困难 宜宾砂卵石土的主要力学特性有 1 粘聚力很小 一般在2 k p a 以下 完全可以忽略不计 2 内摩擦角随着密实度变化差异较大 最小在2 4 左右 最大可达 3 9 3 除松散砂卵石外承载力值较高 密实砂卵石的承载力特征值可达8 5 0 k p a 以上 所以宣宾砂卵石土层可以作为大多数工程的基础持力层 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 第3 章超重型动力触探试验在宜宾砂卵石土层的 适用分析 3 1 超重型动力触探的一般方法及在宜宾砂卵石土层的应用 3 1 1 概述 动力触探试验 d p t d y n a m i cp e n e t r a t i o nt e s t 是利用一定的锤击动能 将一定规格的圆锥形探头打入土中 根据每打入土中一定深度的锤击数 或 贯入能量 来判定土的物理力学特性和相关参数的一种原位测试方法p 1 动力触探技术在国内外应用极为广泛 是一种主要的土的原位测试方法 这是和它所具有的独特优点分不开的 其优点可简述如下 1 设备简单 且坚固耐用 2 操作及测试方法容易 简单易学 3 适应性广 砂土 粉土 砾石土 软岩 强风化岩石及粘性土均可 如c p t s t a t i cc o n ep e n e t r a t i o nt e s t 静力触探试验 不适用的卵石土等 可 选用d p t 4 快速 经济 能连续测试土层 5 应用历史悠久 积累的经验丰富 目前 世界上大多数国家都采用动力触探试验进行土工勘测 其中 美 洲 亚洲和欧洲国家应用最广 日本几乎把动力触探试验当作一种万能土工 勘测手段 虽然动力触探试验方法很多 但可以归为两大类 即标准贯入试验和动 力触探试验 后者根据所用穿心锤的重量分为轻型 锤重l o k g 重型 锤 重6 3 5 k g 和超重型 锤重1 2 0 k g 动力触探试验 轻型适用于一般粘性土 及素填土 特别适用于软土 重型适用于砂土及砾砂土 超重型适用于砂卵 石 砾石类土 见表3 1 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 表3 1 圆锥动力触探的类型及规格 l t a b l e3 1t y p e sa n ds p e c i f i c a t i o n so fd l r r 类型轻型重型超重型 探头规 直径c r a m 4 07 47 4 截面积 c m 2 1 2 64 3 4 3 格 锥角 6 06 06 0 锤质量 k g 1 0 6 3 5 1 2 0 落锤 落距 c m 5 0 7 6 i 0 0 能量指数 3 9 7 1 1 5 2 2 7 9 1 探杆直径 姗 2 54 25 0 6 0 贯入3 0 c m 击数贯入l o o m 击数贯入l o c m 击 试验指标 n b 5数 浅部填土 砂土 砂土 中密以下密实和很密的 主要适用岩 的碎石土和极碎石土 极软 粉土和粘性土 软岩岩 软岩 3 1 2 超重型动力触探试验的基本原理 动力触探基本原理可以用能量平衡法来分析l 动力触探能量平衡 模型如图3 1 所示 在一次锤击作用下的功能转换 按能量守恒原理 其关系可写成 e e i e t e ep e 3 1 式中 e 重锤下落能量 臣 重锤与触探器碰撞时损失的能量 e 触探器弹性变形所消耗的能量 易 贯入时用于克服杆侧壁摩阻力所耗能量 e 由于土的塑性变形而消耗的能量 e 由于土的弹性变形而消耗的能量 各项能量的计算式如下 1 落锤能量 置 m g h 叩 3 2 式中 m 重锤质量 对超重型动力触探为1 2 0 k g h 重锤落距 对超重型动力触探为i m g 重力加速度 取9 8 1 m s 2 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 落锤效率 受绳索 卷筒等摩擦的影响 当采用自动脱钩装置 时 珂 1 2 碰撞时能耗 根据牛顿碰撞理论得 丘 m m g h o k 2 3 3 j l f4 小 式中 肘 譬 意义同 3 2 式 研 触探器质量 七 与碰撞体材料性质有关的碰撞作用恢复系数 3 触探器弹性变形的能耗 e 盟 3 4 乜 丽 3 4 式中 卜一触探器长度 e 探杆材料弹性模量 口 探杆截面积 r 土对探头的贯入总阻力 4 土的塑性变形能 r s 3 5 式中 足 意义同 3 4 式 s 每锤击后土的永久变形量 可按每 锤击时实测贯入度e 计 5 土的弹性变形能 e 0 5 r 3 6 式中 r 意义同上式 每锤击时土的弹性变形量 墨值在试验时未测出 可利用无限 半空间上点荷载明德林 m i n d l i n 的解 关系确定 0 6 6 墨 里 3 7 a 烈 r p e j l e 1 e f1 1 f e e 1 导杆2 重锤3 锤座 4 探杆5 探头 图3 1d p t 能量平衡示意图 f i g 3 1e n e r g yb a l a n c eo id p t 并通过击数与土的刚度建立的如下 式中 r 意义同 3 4 式 d 探头直径 对超重型动力触探为7 4 r a m a 探头截面积 对超重型动力触探为4 3 c m 2 永久贯入量 贯入度 为一定值时的锤击数 对超重型动力触 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 探为n m 晶 基准压力 昂 1 k p a 土的刚度系数 经验值 粘性土 声 8 0 0 砂土 4 0 0 0 将式 3 1 至式 3 6 合并整理得 尺 黑 m i n k 2 旦一 3 8 s 0 5 5 m 小 2 e 4 式中 f 为土对探杆侧壁摩擦力 k n 其他符号意义同 3 1 至 3 7 式 如果将探杆假定为刚性体 即杆无变形 以及不考虑杆侧壁摩擦力影响 则 3 8 式变成海利 h i l e y a 动力公式 r 燮 m m k 2 3 9 s 0 5 s m m 考虑在动力触探试验中 只能量测到土的永久变形 故将和弹性有关的 变形略去 因此 土的动贯入阻力目也可表示为 3 1 0 式 称荷兰动力公 式 毛 而m 2 9 h k p a 3 1 0 式中 e 贯入度 m m 即每击的贯入深度 e i a s 丛为每一阵击贯入深度 衄 将其带入上式支有 冠 竺丛 旦 3 1 1 m ma s 从 3 1 1 式可以看出 当规定一定的贯入深度厶s 采用一定规格 规 定的探头截面 圆锥角和质量 的重锤和规定的落距 那么动力触探的锤击 数 就直接反映了土的动贯入阻力兄的大小 即直接反映了被贯入土层的密 实程度和力学性质 因此 实践中常采用贯入土层一定深度的锤击数作为动 力触探试验的试验指标 对超重型动力触探 即采用贯入土层1 0 c m 的锤击数 值作为其试验指标 3 1 3 超重型动力触探的试验方法和主要技术要求 一 试验方法f l 将穿心锤穿入带钢砧与锤垫的触探杆上 将探头及探杆垂直地面放于测 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 试地点 然后提升穿心锤到预定高度 使其自由下落撞击锤垫 将探头打入 t 土中 记录每贯入l o c a l 的锤击数 重复上述步骤 直至预定试验深度 二 主要技术要求 划 对于超重型动力触探试验 主要技术要求有 1 为确保恒定的锤击能量 应采用固定的自动落锤装置 2 锤击时应保持探杆的垂直 锤击过程应防止锤击偏心 探杆歪斜和探 杆侧向晃动 为此 要求触探杆连接后的最初5 m 最大偏斜度不应超过1 大于5 m 后的偏斜度不应大于2 每贯入l m 应将探杆转一圈半 使触探 杆能保持垂直贯入 并减少探杆的侧阻力 贯入深度超过l o r e 后 每贯入 0 2 m 即旋转一次 3 每一触探孔应连续贯入 只是在连接探杆时才允许停顿 4 m 的正常范围是3 4 0 击 当击数超过正常范围 如遇硬土层 可 记录一定击数下的贯入度 5 贯入深度的一般限制 对超重型一般应小于2 0 m 超过此深度应考虑 侧壁摩阻的影响 6 一般采用贯入锤击速率为1 5 3 0 击 m i n 3 1 4 超重型动力触探的影响因素 影响超重型动力触探的因素很多 可归纳为以下三个方面 筇j 口j 删l 人为因素 包括重锤的高度控制和锤击方法 读数量测方法和精度 触探孔的垂直高度 钻孔的钻进方法和护壁清孔情况 设备因素 包括重锤的形状和质量 探头的形状和大小 触探杆的截 面尺寸 长度和质量 导向锤座的构造及