深层螺旋板载荷试验在地铁工程中的应用

深层螺旋板载荷试验在地铁工程中的应用

陈军1黄群浩1庄兴岳1范大军1周文华1

1.浙江省地矿勘察院浙江杭州310016

摘要：螺旋板载荷试验广泛应用于深层地基土及地下水位以下地基土的承载力测试，可测求不同深度处的地基土承载力、变形模量、固结系数和不排水抗剪强度等。随着城市轨道交通迅速发展，深基坑岩土工程问题已对工程提出更加深层的要求，尤其是对于粉砂性土的力学性能，笔者以杭州地铁9号线为工程依托，在粉砂性土中进行深层螺旋板载荷试验，通过螺旋板载荷试验，对地基承载力特征值及变形参数的研究。对试验数据分析，确定地基承载力特征值和变形模量。并对同一层土进行不同深度及相同深度的试验，以考虑埋深对地基承载力的影响。并结合室内土工成果变形模量与螺旋板载荷试验的不同经验公式的变形模量进行对比，为地铁项目提供必须的地基承载力特征值以及变形模量等设计参数，为合理的进行地基基础设计、优化地基处理方法及基础工程方案提供依据。

关键词：地铁，粉砂土，螺旋板载荷试验（SPLT），变形模量

0引言

螺旋板载荷试验（SPLT）是由挪威人N.JanBu于1973年提出的，是由常规的平板载荷试验演变而来的，他是将一螺旋形的承压板用人力或机械旋入地面以下的预定深度，通过传力杆向螺旋形承压板施加压力，测定承压板的下沉量，以获得荷载-沉降-时间关系，然后根据理论公式或经验公式获得不同深度处的地基土承载力、变形模量和不排水抗剪强度等设计参数的一种现场测试技术。适应于地下水以下一定深度处的软土、粉土和砂性土等。

笔者以杭州地铁9号线为工程依托，在粉砂性土中进行深层螺旋板载荷试验，通过螺旋板载荷试验，对地基承载力特征值及变形参数的研究。对试验数据分析，确定地基承载力特征值和变形模量。并对同一层土进行不同深度及相同深度的试验，以考虑埋深对地基承载力的影响。并结合室内土工成果变形模量与螺旋板载荷试验的不同经验公式的变形模量进行对比，为地铁项目提供必须的地基承载力特征值以及变形模量等设计参数，为合理的进行地基基础设计、优化地基处理方法及基础工程方案提供依据。

1工程概况

杭州地铁某号线一期工程起自解放东路与秋涛路交口东侧出发，出站后线路由解放东路转向钱江路向东北敷设，穿既有2号线、4号线、京杭运河新建公路桥、杭甬客专、浙赣铁路、钱江二桥后，终点为与既有的1号线并行进入1号线客运中心站。共8站10区间，均为地下线。拟建沿线场地属钱塘江冲海积沉积平原。根据详勘勘探孔揭露的地层结构、岩性特征、埋藏条件及物理力学性质，沿线岩土层按其成因分类如下表1：

表1地基土层位划分表

2螺旋板载荷试验方法

地铁基坑底板约在16m处，根据地质剖面，该深度范围内为3-6层粉砂土，本次螺旋板载荷试验采用南光地质仪器公司生产的WDL型号的螺旋板载荷试验仪，螺旋板直径d=113mm，螺旋板承压板载面100cm2，根据《浙江省城市轨道交通岩土工程勘察规范》（DB33/T1126-2016）按沉降相对稳定法进行加荷，粉砂土的荷载增量按50kPa进行，并绘制p-s曲线，试验过程如下：

图1螺旋板载荷试验图

①螺旋板载荷试验在钻孔中进行，钻机钻进时在离试验深度20-30cm处停钻，并清除孔底受压或受扰动土层。同时下好钢套管。

②螺旋板入土时，应按没转一圈下入一个螺距进行操作，减少对土的扰动，螺旋板与土接触面加工光滑（润滑油），并在转杆上加工了个类似导向板圆环，目的在于避免对土体的扰动以及测试深度。

③采用沉降相对稳定法进行加荷，用油压千斤顶进行分级加荷，每级荷载按50kPa、100kPa、200kPa、300kPa、400kPa、500kPa等，每级加荷后，按时间间隔10、10、10、15、15、30min，后每半个小时读一次承压板沉降量，当连续两小时，每小时的沉降量小于0.1mm时，则达到相对稳定标准，可以施加再一级荷载。

④终止加载条件：沉降s急速增大，p-s曲线陡降，且下沉量超过0.04d。

3螺旋板载荷试验的成果分析

资料分析整理，根据每个试点各级荷载下的变形稳定数值，绘制P-S曲线：

①当P-S曲线上有比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值；

②满足前面终止加载条件时，其对应的前一级荷载定为极限荷载，当该值小于对应比例界限的荷载值的2倍时，取极限荷载值的一半；

③不能按上述两条要求确定时，可取s/d=0.008所对应的荷载值，但其值不应大于最大加载量的一半；

④在S-lgP曲线上前后两段近似直线交点的相应荷载为极限承载力；

⑤取通过远点作平行于卸荷回弹的直线与P-S曲线的交点为比例界限承载力。

3.1深度对地基土承载力的影响分析

下面为螺旋板承压板载面100cm2在不同深度下的P-S曲线的承载力成果分析。

表2不同深度下的地基土承载力值

图2不同深度下的P-S曲线

表3同一深度下的地基土承载力值

图3同一深度下的P-S曲线

由图2、图3及表2、表3可知，同一土层，不同深度下，对应的地基土承载力最大值236kPa，最小值198kPa，变化不大，故在有限的深度变化范围内，对地基土承载力影响不大。

3.2地基土变形模量与室内土工对比分析

根据测得的试验P-S曲线线性，可按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论，即Mindlin解来计算变形模量：

其中：—土的变形模量；

—圆形承压板取0.785

—p-s曲线线性段的压力（kPa）；

—与p对应的沉降（mm）；

—与试验深度和土类有关系数，取0.429；

表4Mindlin解下的变形模量计算值

在土的压密实变形阶段，我们假定土为弹性材料，则根据材料力学理论，变形模量与压缩模量之间的关系为：

其中：—土的变形模量；

—土的压缩模量；

—土的泊松比；

—土的静止侧压力系数；

—土的有效内摩擦角；

式中：

上式得出：

表5室内土工试验的变形模量

由表4及表5对比可知，现场螺旋载荷试验的成果值与室内土工成果值虽有一定的误差，但基本吻合。表明的本次螺旋板载荷试验成果具有一定的可用性。

4结论

本文主要以杭州地铁9号线为依托，对地铁深基坑底板处的粉砂性土进行了螺旋板载荷试验，根据测得数据对不同深度、同一深度得出的地基土承载力以及根据Mindlin解计算的地基变形模量与室内土工成果值进行综合分析，得出的承载力特征值、变形模量与经验值相吻合，具有一定的使用性，同时也为合理的进行地基基础设计、优化地基处理方法及基础工程方案提供参考依据。

目前，螺旋板载荷试验的理论分析和试验模量的研究还不够完善，尤其下锚过程中不可避免的扰动土体等问题还待完善，这都有待于在今后的工程实践及科研中进一步的探索、研究。

5参考文献：

[1]常士骠，张苏民.工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2007：218-234.

[2]林宗元.岩土工程试验监测手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2005：195-208.

[3]陈洪圣.螺旋板载荷试验的工程应用[C].江苏省土木建筑学会，江苏省岩土力学与工程学会，2011：311-312

[4]王岩松，张宏斌.地基承载力计算理论发展与应用[J].长春工业大学学报（自然科学版），2005，（2）.doi：10.3969/j.issn.1674-1374-B.2005.02.025.

[5]DB33/T1126-2016，《浙江省城市轨道交通岩土工程勘察规范》[S].