张家口大清河流域砂卵石抗剪强度研究

马 函 姜广州

(1.张家口市鼎力岩土治理有限公司,河北 张家口 075000；
2.张家口市金石岩土工程技术有限公司,河北 张家口 075000)

砂卵石层是工程中常见的一种地基土层类型，此种类型地基土层多由河流冲击作用将颗粒物带到河两岸或河床，流域两岸的建筑物多以砂卵石层作为持力层，每个地区的砂卵石层的分布厚度不均匀及颗粒级配不同，地区的不同地基处理方案存在较大差异.当卵石层厚度较小，地基处理多采用清除卵石层的工程措施；
但卵石层较厚，需要对卵石层的力学性能进行测定，确定是否能否符合建筑领域地基承载力的要求.砂卵石具有内摩擦角大的特点，因此在地铁工程中容易产生不利影响，董金玉等[1]以泡沫改良砂卵石的和易性，工程实用性得到提高.干密度和细砂含量同样会对卵石的抗剪强度产生影响李振等[2]通过研究得出：随着细砂增加，内摩擦角减少.王启国[3]以金沙江上游某段河床卵石层进行研究，卵石层具有良好的抗剪强度，水利工程的修筑可以利用其物理力学性能.李明宇等[4]通过砂卵石现场试验探究支护体系的稳定性.赵兵等[5]通过工程试验，分析砂卵石的抗剪强度影响因素.卵石层的应用具有差异性，而且砂卵石层应用于建筑工程的研究较少.

张家口地区大清河纵向流淌，贯穿城市南北，自大境门东侧进入市中心，将市区分为桥东区、桥西区两部分，最后由腰站堡流出市区，砂卵石层分布较为典型的地区.本文为张家口天人大厦项目为对象采用现场原位试验结合土体抗剪强度原理得出本项目砂卵石层的抗剪强度参数指标.该项目经实际工程勘探，土体岩性上部为杂填土和粉土，下部为河流冲积之卵石层，其间分布有细砂亚层.自上而下总体可分为三层，分别为：杂填土层、粉土层、卵石层.本地区气候属暖温与寒温过渡带的东亚半干旱大陆性季风气候，特点为气温低，温差大.加上流水侵蚀及风化作用明显，所以对本地区卵石层的抗剪强度研究迫在眉睫，通过理论推导和现场原位试验研究得出抗剪强度参数指标并对其指标进行对比分析，得出理论推导公式能否满足实际工程需要，为该地区卵石层的利用提供技术指导.

大清河张家口境内流域广泛，河床沉积卵石，卵石层的母岩成分主要为花岗岩、大理岩、石英岩，本项目位于大清河下游流域，地基中卵石分布广泛.经现场采集最大粒径60mm，试验室筛分试验后得出卵石层的颗粒组成，见表1.

表1 砂卵石层颗粒组成

砂卵石层的物理性质直接影响地基承载力，采用现场取样的方式，实验室试验确定物理指标的方法确定砂卵石物理参数，见表2

表2 砂卵石基本物理参数

土体的抗剪强度指标主要是粘聚力c、内摩擦角φ，本工程采用原位试验测得.本次试验共设置4个原位试验，测试前将所用设备运至现场，金属罩外壁尺寸：740mm×740mm×430mm，金属罩内壁尺寸：700mm×700mm×400mm，4个相邻中心点的距离为1.5m，金属罩安装完成后检查外侧余土并清理完成，以免影响水平力值.4个剪切件的垂直加压数值分别为50kPa、100kPa、150kPa、200kPa，垂直力分别为50KN、100KN、150KN、200KN，当剪切变形超过试件尺寸的10%，可卸载压力，结果如图1所示.

表3 试件抗剪强度汇总表

图1 剪切位移与剪应力曲线

由于不用取样，施工现场就可以进行原位试验，故试验周期较短.根据现场原位剪切试验能够很直接的得出粘聚力，根据图2斜线可以得出该项目砂卵石层粘聚力c为40°，原位试验的优点是试验结果能够得出土体抗剪强度，粘聚力c、内摩擦角φ.

图2 现场原位试验抗剪强度与垂直压力关系曲线

本文所研究的内容根据原位测试原理推导出理论公式，原位测试原理假设土体是可压缩的塑形固体，根据摩尔-库伦理论确定抗剪强度指标粘聚力c、内摩擦角φ.基于土体塑形极限理论和土体弹性理论，在魏西克圆孔扩张理论的基础上建立内摩擦角φ和粘聚力c的计算公式，首先建立球形物理模型，根据装置的实测值等来反推土体抗剪强度指标，达到原位测试与理论推导之间转换.球形物理模型的特点，同一球面上的点拥有相同的应力状态，球上每一点应力均为主应力[6].由公式推导出孔内压力与抗剪强度参数粘聚力c和内摩擦角φ的关系式如下所示：

(1)

上式表明塑性区的应力和半径的距离存在密切关系，半径距离越大而塑性区的应力越小，其减小的程度同时与摩尔包络曲线存在关系主要取决于摩尔包络线的斜率.

式中：σp—物理模型弹性区受到的应力；
PU—实测值；
Rp—塑性区最大半径；
Ru—圆孔的最终半径.

(2)

物理模型受到外部应力的作用，孔内的体积变化等于弹性区的体积变化和塑性区体积变化的总和，确定孔内最终压力和塑性区半径，通常采用微分方程进行求解.

式中：PU—实测值；
Ru—孔的最终半径；
Rp—塑性区最大半径；
K0—均质土的竖向自重应力；
γ—土体的重度.

(3)

(4)

荷载作用前，整个土体内部的都具有相同的有效应力当孔内的半径等于塑性区的最大半径时，应力分量处于平衡状态.

式中：PU—实测值；
Rp—塑性区最大半径；
Ru—孔的最终半径；
Ir—刚度指标.联立上式即可解出抗剪强度参数c、φ值.

表4 刚度指标参考值

由土力学相关知识可知，常用的土体参数粘聚力c、内摩擦角φ、泊松比μ、土体平均应力q、土体重度γ、弹性模量E，与圆孔的半径的可以解出圆孔内压值Pu及塑性区半径RP及各变量间的相关关系.通过数值分析结果，得出内摩擦角c、粘聚力φ的经验公式.

按照土体抗剪强度原位测试原理推导的公式将各参量带入公式即可得到测试场地卵石层的理论中的粘聚力和内摩擦角将数值进行分析，对于土体初始力学参数，本文以卵石为研究对象，经过实验室测定卵石层重度γ=20KN/m3，原位测试位置距地表高度h=6m.计算过程如下：

首先计算卵石层侧压力系数公式为：K0=μ(1-μ)，μ取值范围在0.25-0.3之间，其次土体具有各向同性的压力，由卵石层的侧压力系数计算土体初始压力q=(σ1+σ2+σ3)=(1+2K0)γh/3，将各参量准确带入式中得到粘聚力和内摩擦角的经验值.

表5 理论计算结果汇总

经实际测试值与理论值之间的比较，与实际值之间最大误差为5%，理论值有较高的使用价值，理论推导公式在实际应用中有较高的可信度，在未来的工程中可以采用理论推导得出卵石层的内摩擦角的经验值，在实际工程应用具有较高的应用前景.