碎石土地基的巖土工程評(píng)價(jià)

1、第17章 碎石土地基的巖土工程評(píng)價(jià)17.1 碎石土的基本特征及巖土工程問題1碎石土的分類粒徑大于2mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50的土定名為碎石土。碎石土可按顆粒級(jí)配和顆粒形狀再分為三組共6個(gè)亞類。碎石土分類土的名稱顆粒形狀顆 粒 級(jí) 配漂石圓形及亞圓形為主粒徑大于200mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%塊石棱角形為主卵石圓形及亞圓形為主粒徑大于20mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%碎石棱角形為主圓礫圓形及亞圓形為主粒徑大于2mm的顆粒質(zhì)量超過總質(zhì)量50%角礫棱角形為主注: 定名時(shí)應(yīng)根據(jù)顆粒級(jí)配由大到小以最先符合者確定。2碎石土的基本特征1）顆粒組成碎石土的顆粒組成特點(diǎn)是粒徑大小往往相差懸殊，缺乏中間粒徑

2、。以角礫、碎石或塊石作為骨架，以黏性土或砂土為充填物。顆粒級(jí)配曲線有一段近似水平線，在該直線區(qū)段的顆粒是極少的。2）密實(shí)度碎石土的密實(shí)狀態(tài)對其力學(xué)性質(zhì)影響很大。但由于取樣困難，不能用一般土工試驗(yàn)的方法進(jìn)行測定。所以在工程實(shí)踐中，常不根據(jù)定量指標(biāo)(孔隙比、相對密度)來進(jìn)行密實(shí)狀態(tài)的分類。根據(jù)其骨架顆粒含量和排列，結(jié)合野外鉆探、掘進(jìn)的困難程度及坑壁情況進(jìn)行分類，參見表17-2。定性描述的方法巖土工程勘察規(guī)范（GB500212001）碎石土密實(shí)度的劃分定量指標(biāo)的方法碎石土的密實(shí)度可根據(jù)圓錐動(dòng)力觸探錘擊數(shù)確定，重型圓錐動(dòng)力觸探按N63.5和超重型圓錐動(dòng)力觸探按N120查下列表，表中的N63.5和N12

3、0應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)巖土工程勘察規(guī)范（GB500212001）附錄B進(jìn)行桿長修正。碎石土密實(shí)度(按N63.5分類)重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)N63.5密實(shí)度重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)N63.5密實(shí)度N63.55松散10N63.520中密5N63.510稍密N63.520密實(shí)注: 1 本表適用于平均粒徑等于或小于50mm, 且最大粒徑小于100mm 的碎石土。2 對于平均粒徑大于50mm, 或最大粒徑大于100mm的碎石土,可用超重型動(dòng)力觸探或用野外觀察鑒別。碎石土密實(shí)度(按N120分類)超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)N120密實(shí)度超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)N120密實(shí)度N1203松散11N12014密實(shí)3<N1206稍密N1

4、2014很密6N12011中密3）土的結(jié)構(gòu)碎石土骨架顆粒為連續(xù)接觸時(shí)，其強(qiáng)度由組成骨架的碎石起控制作用。一般說來，碎石由結(jié)晶巖組成的，其強(qiáng)度比由沉積巖組成的高些。碎石土骨架顆粒為不連續(xù)接觸，而為充填物所包裹時(shí)，碎石土的強(qiáng)度由充填物起控制作用。當(dāng)作為充填物的細(xì)粒含量接近或超過其土體全重的40時(shí)，整個(gè)土體則表現(xiàn)出相應(yīng)細(xì)粒土的性狀。充填物為砂土的，其強(qiáng)度較充填物為黏性土的為高。充填物為砂土?xí)r，含水量對其強(qiáng)度的影響不大，而密實(shí)度對強(qiáng)度的影響則甚大。一般碎石土粒徑愈大，含量愈多，承載力愈高；骨架顆粒呈圓形并充填砂土的較呈棱角狀井充填黏性土的要高，同類土中密實(shí)的較松散的承載力為高。4）分布特點(diǎn)常見碎石土，

5、特別是碎石、卵石、塊石、漂石類，一般不呈大面積分布，而只在其他土層中呈透鏡體或尖滅夾層存在，厚度變化劇烈。故對這類地基土尤其要注意查明其構(gòu)造在各方向上的變化所造成的工程性質(zhì)的不均勻性和各相異性特點(diǎn)。5）濕陷性部分松散及稍密的碎石土，尤其是西北地區(qū)的洪積、坡積角礫，常具有濕陷性，是值得注意的。由于碎石土包含有不同數(shù)量的粗大顆粒，不能在室內(nèi)用般土工試驗(yàn)方法測定其物理力學(xué)性質(zhì)，而必須采用現(xiàn)場試驗(yàn)方法（大體積法）進(jìn)行測定。17.2 碎石土物理性質(zhì)指標(biāo)的測定碎石土的物理性質(zhì)指標(biāo)主要是：天然孔隙比e（測定天然重度后換算而得），天然含水量w及相對密度D。1、碎石土的天然重度和天然孔隙比e的測定與計(jì)算：碎石土

6、中由于含有大量粗顆粒，故不能用取土器采取原狀土樣，也不能用環(huán)刀法切取試樣測定天然重度及天然含水量，對于地下水位以上的碎石土，可以挖坑用注水法、或增砂法測定天然重度，其具體方法見第16章。但為保證試驗(yàn)質(zhì)量，一般試坑體積不宜小于3000cm3。一般地基土，在測定天然重度后，可以用式(17-1)或式(17-2)計(jì)算天然孔隙比e： （17-1）或： （17-2）式中：G顆粒比重；含水量。但對于碎石土，由于碎石、卵石等粗顆粒本身密度很大，必然使其偏大，偏小因此使用式(17-1)或(17-2)計(jì)算而得的e值偏小。實(shí)際上，當(dāng)碎石、卵石并不能形成承力骨架(當(dāng)碎石骨架顆粒不連續(xù)接觸時(shí)解石土在外力作用下的變形主要

7、由較細(xì)顆粒的充填物的孔隙比所決定，因此細(xì)顆粒的孔隙比比包含粗顆粒在內(nèi)的孔隙比要大，如不考慮這一點(diǎn)，就會(huì)在工程上作出不符合實(shí)際情況的判斷，把原來強(qiáng)度低的當(dāng)成強(qiáng)度高的，這是在工作中常遇到的實(shí)際問題。在工程實(shí)踐中，可按下列步驟來處理解決這一問題： (1)將已測過天然重度的土選取足夠的均勻試料，烘干后求出其天然含水量。 (2)將烘干的土全部磨細(xì)過篩，求土中大于2mm顆粒的土重百分比P。(3)將已知干重g(g)的一堆粗顆粒試樣，置水中充分飽和，然后取出立即投人圖17-2所示的虹吸筒，觀測其從簡中排出的水量V(cm3)。則粗顆粒比重(4)用下式(17-3)計(jì)算土中細(xì)顆粒部分的干重度d。（17-3）(5)用

8、式(17-4)計(jì)算土中細(xì)顆粒部分的孔隙比e。（17-4）式中：細(xì)顆粒部分的顆粒比重。今以一實(shí)例來說明e與e的關(guān)系。如=22.0kN/m3，=25%，P=20%，粗顆粒比重Gc=2.64，細(xì)顆粒比重GX=2.73，用式（17-2）：如用式（17-3）再用式（17-4）計(jì)算e， e=27.3/16.25-1=0.68e和e相比相差幾乎達(dá)20。如粗顆粒含量P>20，誤差還要大些。故這一問題是不容忽視的，否則會(huì)造成錯(cuò)誤的判斷。2、碎石土的天然含水量碎石土的天然含水量于野外可以用下述比重筒方法比較快地測定。(1)以容積為34L金周圓筒，先裝滿水便與筒之頂緣相平，稱其重量g1(g)，精確度為1g。(

9、2)取重約12kg具有天然含水量的試樣稱重為g2(g)。(3)將圓筒中的水倒出一部分，然后將已稱重之樣品放入筒中，為使其中空氣排出，可小心的用棒輕輕攪動(dòng)。待空氣排完后，再注水于筒中，仍使水面與回筒頂緣相平，稱其重量為g3(g)則碎石土的天然含水量可按式(17-5)計(jì)算：（17-5）式中G為顆粒比重。3、碎石土的相對密度碎石土的相對密度Dr與砂土相同?？梢杂?0000cm3體積的捅，將碎石土混合均勻較緩地注入桶內(nèi)，表面抹平計(jì)算而得。可以用木棍將碎石土搗至最密實(shí)后測得。*土粒比重粗粒 5mm虹吸管法細(xì)粒 5mm比重瓶法17.3 碎石土強(qiáng)度指標(biāo)的測定碎石土的力學(xué)強(qiáng)度指標(biāo)的測定與其物理性質(zhì)指標(biāo)的測定一

10、樣，也必須采用大尺寸的試樣，在現(xiàn)場直接測定。其測定方法有：水平推剪試驗(yàn)、大型直剪試驗(yàn)（現(xiàn)場直接剪切試驗(yàn)）及大型三軸試驗(yàn)。1、水平推剪試驗(yàn)水平推剪試驗(yàn)不加垂直荷載，用千斤頂加水平報(bào)力推擠土體，根據(jù)一次試驗(yàn)結(jié)果，用極限平衡理論計(jì)算土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c，。水平報(bào)剪試驗(yàn)裝置示意見圖17-3(a)。h偽高度應(yīng)超過土中最粗顆粒直徑的5倍以上。在推擠土體的兩側(cè)，要開一寬為1012cm的邊槽，開槽后仍回填土，并用平滑的白鐵皮將推擠土體與回填土間隔開，使盡量減少填土對試驗(yàn)土體的摩擦影響。千斤頂施力于活動(dòng)擋板上，施力點(diǎn)距坑底高約1/3h；活動(dòng)擋板可以用普通厚鋼板制成，以施力后鋼板本身不撓曲為原則。為克服活動(dòng)擋板本

11、身重量的影響，可通過三角架上滑車，用重物平衡?；顒?dòng)擋板位移的測量設(shè)置在活動(dòng)擋板兩端各為L10。位移量測到0.4mm就基本達(dá)到要求。推擠土體移動(dòng)時(shí)剪切面的力由千斤頂上的測力計(jì)測定。施加的水平推力是分級(jí)加上的，先大致估計(jì)土體的極限抗剪強(qiáng)度，開始加荷等級(jí)可適當(dāng)大一些，一般用250500kg。到接近極限值時(shí)，加荷等級(jí)可小些，一般用100150kg。每級(jí)荷載加上后，觀測時(shí)間間隔為0，2min，3min，5min，5min。相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)可取i0.21（1為加荷后第一個(gè)5min的變形值；i為第一個(gè)5min以后某一個(gè)5min內(nèi)的變形增量）。最大推力Pmax，可用出現(xiàn)下列條件之一來確定： (1)土體表面出現(xiàn)明顯

12、的剪切裂縫； (2)當(dāng)加荷后，在該荷重下變形隨時(shí)間等速增大，即認(rèn)為土體已經(jīng)被破壞； (3)土體位移總值達(dá)0.1L時(shí)。剪切面的位置往往不易確定?？稍谕馏w的兩側(cè)與頂面用墨線畫上方格網(wǎng)的方法來繪方格網(wǎng)的大小可用10cm ×locm。如剪切面的輪廓不好確定時(shí)，可近似地當(dāng)作圓筒形。試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)為Pmax (極限推力)；Pmin(土體發(fā)生剪損后的推力)；和剪切面的輪廓位置。根據(jù)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)可用半圖解法確定c，值。在推擠的土體上，分出一個(gè)單位寬度的棱體，假如棱體上水平壓力為，或?yàn)榫鶆蚍植迹ㄟ@種假定是近似的）。在厘米紙上按比例尺繪出推擠土體的輪廓，然后分成若干條塊(見圖173(b)，計(jì)算每個(gè)條塊的

13、重量gi（i=1，2，3，4）滑動(dòng)線的長度Li和與水平線所成的傾角i。則每個(gè)條塊上的剪切力Pi與其重量gi成正比，即： （17-8）式中：G為各條塊的重量和。整個(gè)推擠棱體的極限平衡條件為： （17-9）式中：Pi在剪切面上的投影； gi在剪切面上的投影； gi在剪切面法線上的投影；式（17-9）可寫成： （17-10）而c值可以根據(jù)（P-P）的差值來確定。 （17-11）將式（17-11）代入式（17-10），即得： （17-12）利用式(17-11)式(17-12)即可確定c，值。2、現(xiàn)場直接剪切試驗(yàn)（大型直剪試驗(yàn)）1）現(xiàn)場直接剪切試驗(yàn)的原理和適用范圍現(xiàn)場直剪試驗(yàn)可用于巖土體本身、巖土體沿軟

14、弱結(jié)構(gòu)面和巖體與其他材料（如混凝土等）接觸面的剪切試驗(yàn)?，F(xiàn)場直剪試驗(yàn)按剪切條件和破壞方式分為:抗剪斷試驗(yàn) 巖土體試體在法向應(yīng)力作用下沿剪切面剪切破壞的抗剪斷試驗(yàn)，抗剪試驗(yàn) 巖土體剪斷后沿剪切面繼續(xù)剪切的抗剪試驗(yàn)(摩擦試驗(yàn))，抗切試驗(yàn) 法向應(yīng)力為零時(shí)巖體剪切的抗切試驗(yàn)?，F(xiàn)場直剪試驗(yàn)的原理與室內(nèi)直剪試驗(yàn)類似，即通過施加水平推力使試體的剪切面上產(chǎn)生剪應(yīng)力，將試體剪壞。通過一組不同法向應(yīng)力的直剪試驗(yàn)，最終可確定試體的各種強(qiáng)度特性和強(qiáng)度指標(biāo)?，F(xiàn)場直剪試驗(yàn)一般用于較重要的工程，當(dāng)室內(nèi)試驗(yàn)難以取得有關(guān)參數(shù)或缺少把握時(shí)可采用現(xiàn)場試驗(yàn)方法。與室內(nèi)試驗(yàn)相比，現(xiàn)場直剪試驗(yàn)成本高且費(fèi)時(shí)。2）現(xiàn)場直接剪切試驗(yàn)的方法和技

15、術(shù)要求現(xiàn)場直接剪切試驗(yàn)的方法和基本規(guī)定現(xiàn)場直剪試驗(yàn)可在試洞、試坑、探槽或大口徑鉆孔內(nèi)進(jìn)行。當(dāng)剪切面水平或近于水平時(shí)，可采用平推法或斜推法；當(dāng)剪切面較陡時(shí)，可采用楔形體法。同一組試驗(yàn)體的巖性應(yīng)基本相同，受力狀態(tài)應(yīng)與巖土體在工程中的實(shí)際受力狀態(tài)相近?，F(xiàn)場直剪試驗(yàn)每組巖體不宜少于5個(gè)。剪切面積不得小于0.25m2。試體最小邊長不宜小于50cm，高度不宜小于最小邊長的0.5倍。試體之間的距離應(yīng)大于最小邊長的1.5倍。每組土體試驗(yàn)不宜少于3個(gè)。剪切面積不宜小于0.3m2，高度不宜小于20cm或?yàn)樽畲罅降?8倍，剪切面開縫應(yīng)為最小粒徑的1/31/4。現(xiàn)場直接剪切試驗(yàn)的技術(shù)要求開挖試坑時(shí)應(yīng)避免對試體的擾動(dòng)

16、和含水量的顯著變化；在地下水位以下試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)避免水壓力和滲流對試驗(yàn)的影響。施加的法向荷載、剪切荷載應(yīng)位于剪切面、剪切縫的中心；或使法向荷載與剪切荷載的合力通過剪切面的中心，并保持法向荷載不變。最大法向荷載應(yīng)大于設(shè)計(jì)荷載，并按等量分級(jí)；荷載精度應(yīng)為試驗(yàn)最大荷載的±2%。每一試體的法向荷載可分4、5級(jí)施加；當(dāng)法向變形達(dá)到相對穩(wěn)定時(shí)，即可施加剪切荷載。每級(jí)剪切荷載按預(yù)估最大荷載的8%10%分級(jí)等量施加，或按法向荷載的5%10%分級(jí)等量施加；巖體按每5lOmin，土體按每30s施加一級(jí)剪切荷載。當(dāng)剪切變形急劇增長或剪切變形達(dá)到試體尺寸的1/10時(shí)，可終止試驗(yàn)。根據(jù)剪切位移大于lOmm時(shí)的試驗(yàn)

17、成果確定殘余抗剪強(qiáng)度，需要時(shí)可沿剪切面繼續(xù)進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。保持巖土樣的原狀結(jié)構(gòu)不受擾動(dòng)是非常重要的，故在爆破、開挖和切樣過程中，均應(yīng)避免巖土樣或軟弱結(jié)構(gòu)面破壞和含水量的顯著變化。對軟弱巖土體，可在頂面和周邊加護(hù)層(鋼或混凝土)，護(hù)套底邊應(yīng)在剪切面以上。在地下水位以下試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)先降低水位，安裝試驗(yàn)裝置恢復(fù)水位后，再進(jìn)行試驗(yàn)。對于高含水量的塑性軟弱層，法向荷載應(yīng)分級(jí)施加，以免軟弱層擠出。3）現(xiàn)場直接剪切試驗(yàn)的資料整理和成果分析資料整理的內(nèi)容繪制剪切應(yīng)力與剪切位移曲線、剪應(yīng)力與垂直位移曲線，確定比例強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、剪脹點(diǎn)和剪脹強(qiáng)度。繪制法向應(yīng)力與比例強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、峰值強(qiáng)度、殘余強(qiáng)度的曲線，

18、確定相應(yīng)的強(qiáng)度參數(shù)。資料整理的方法由剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線、剪應(yīng)力與垂直位移曲線確定強(qiáng)度參數(shù)時(shí)應(yīng)依據(jù)曲線特征。1）比例界限壓力定義為剪應(yīng)力與剪切位移曲線直線段的末端相應(yīng)的剪應(yīng)力，如直線段不明顯，可采用一些輔助手段確定：用循環(huán)荷載方法：在比例強(qiáng)度前卸荷后的剪切位移基本恢復(fù)，過比例界限后則不然；利用試體以下基底巖土體的水平位移與試樣的水平位移的關(guān)系判斷在比例界限之前，兩者相近；過比例界限后，試樣的水平位移大于基底巖土的水平位移；繪制u/曲線(剪應(yīng)力，u剪切位移)：在比例界限之前，u/變化極??；過比例界限后，u/值增大加快。2）屈服強(qiáng)度可通過繪制試樣的絕對剪切位移uA與試樣和基底間的相對位移uR以

19、及與剪應(yīng)力的關(guān)系曲線來確定。在屈服強(qiáng)度之前，uR的增率小于uA；過屈服強(qiáng)度后，基底變形趨于零，則uA與uR的增率相等，其起始點(diǎn)為A，剪應(yīng)力與uA曲線上A點(diǎn)相應(yīng)的剪應(yīng)力即屈服強(qiáng)度。3）峰值強(qiáng)度和殘余強(qiáng)度是容易確定的。4）剪脹強(qiáng)度相當(dāng)于整個(gè)試樣由于剪切帶發(fā)生體積變大而發(fā)生相對的剪應(yīng)力，可根據(jù)剪應(yīng)力與垂直位移曲線判定。5）巖體結(jié)構(gòu)面的抗剪強(qiáng)度，與結(jié)構(gòu)面的形狀、閉合、充填情況和荷載大小及方向等有關(guān)。對于脆性破壞巖體，可以采取比例強(qiáng)度確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)；而對于塑性破壞巖體，可以利用屈服強(qiáng)度確定抗剪強(qiáng)度參數(shù)。驗(yàn)算巖土體滑動(dòng)穩(wěn)定性，可以采取殘余強(qiáng)度確定的抗剪強(qiáng)度參數(shù)。因?yàn)樵诨瑒?dòng)面上破壞的發(fā)展是累進(jìn)的，發(fā)生峰值

20、強(qiáng)度破壞后，破壞部分的強(qiáng)度降為殘余強(qiáng)度。3、大型三軸試驗(yàn)大型三軸試驗(yàn)有真空式與液壓式：真空式通過從試件內(nèi)抽氣施加側(cè)向壓力，軸壓利用千斤頂，軸向變形用千分表。裝置示意圖見圖17-6。液壓式通過液壓對試件施加側(cè)向壓力，軸壓仍利用千斤頂。其裝置與室內(nèi)三軸儀基本相同。17.4 碎石土地基承載力的評(píng)定根據(jù)我國勘察、設(shè)計(jì)單位的生產(chǎn)和科學(xué)研究工作，地基規(guī)范TJ7-74編制組及原國家建委巖土的工程分類及承載力研究課題組(19791985)搜集、分析碎石土的載荷試驗(yàn)資料共183價(jià)，取p-S曲線上的比例界限壓力p0作為容許承載力值，最后經(jīng)近年修訂，地基規(guī)范GB7-89確定了表17-4所示的我國碎石土容許承載力表。

21、對于一般建筑物(地基規(guī)范GBJ7-89劃定的二級(jí)建筑物)，基礎(chǔ)埋深小于或等于0.5m，基寬小于或等于3m，可根據(jù)土密實(shí)度的野外鑒別特征，直接應(yīng)用表17-4確定其承載力。該表中數(shù)值適用于骨架顆?？障度坑芍猩?、粗砂或硬塑、堅(jiān)硬狀態(tài)的黏性土或稍濕的粉土所充填。對于中密、稍密的碎石土，當(dāng)充填物以黏性土為主時(shí)，承載力取用表值的下限，以砂土為主時(shí)則取用表值的上限。當(dāng)骨架顆粒為中等風(fēng)化或強(qiáng)風(fēng)化時(shí)，可按其風(fēng)化程度適當(dāng)降低承載力。當(dāng)顆粒間呈半膠結(jié)狀態(tài)時(shí)，可適當(dāng)提高承載力冶金工業(yè)建設(shè)工程地質(zhì)勘察技術(shù)規(guī)范(試行)早于1972年已編制有碎石土的承載力表，見表17-5。該表適用于第四紀(jì)沖積、洪積及坡積洪積等土層。在同一密實(shí)狀態(tài)下，可根據(jù)骨架顆粒含量、風(fēng)化程度、充填物組成及其含量和密實(shí)度，在表中的高值與低值間取