红层软岩水平抗力系数确定方法探讨_刘海军.pdf

2023 年第 3 期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying17 红层软岩水平抗力系数确定方法探讨刘海军,王 新,刘蕴琨(中国建筑西南勘察设计研究院有限公司,成都 610059)摘要:本文分析了现行标准水平抗力系数现场测试方法的异同,考虑室内外试验岩体完整性和尺寸效应,建立采用岩石弹性模量等参数快速确定水平抗力系数的方法,同时依托重庆江北国际机场项目对推导公式进行了验证,并结合 8 个典型项目进一步印证判断新方法的适用性。研究结果表明:江北机场红层软岩水平抗力系数现场测试值为 242.5MPa/m;采用岩石弹性模量等参数确定的水平抗力系数与现场实测值基本一致,为经验值的 2.2 倍;该计算方法在其它 8 个工程实例中同样适用。本文建立的计算方法可靠、合理,对工程设计具有参考价值。关键词:软岩;水平抗力系数;弹性模量;修正系数;计算方法中图分类号:TU45文献标识码:AStudy on determination method of horizontal resistance coefficient of red bed soft rockLiu Haijun,Wang Xin,Liu Yunkun(China Southwest Geotechnical Investigation&Design Institute Corporation,Chengdu 610059,China)Abstract:The similarities and differences of the field test methods to determine the lateral resistance coefficient in current standards was analyzed.Considering the rockmass integrity and size effect on laboratory and field test results,the horizontal resistance coefficient is quickly determined by the parameters such as elastic modulus of rock.At the same time,based on Chongqing Jiangbei International Airport project,the derived formula is verified,and the applicability of the new method is further verified in eight typical projects.The results show that the horizontal resistance coefficient of red bed soft rock in Jiangbei Airport is 242.5MPa/m.The horizontal resistance coefficient determined by rock elastic modulus and other parameters is basically consistent with the field measured value,which is 2.2 times of the empirical value.The calculation method is also applicable to the other 8 projects.The calculation method established in this paper is reliable and reasonable,and could be referred by the similar design.Key words:soft rock;horizontal resistance coefficient;elastic modulus;correction coefficient;computational method收稿日期:2022-05-09;修订日期:2022-07-19作者简介:刘海军(1986-),男(汉族),四川巴中人,硕士,高级工程师.0引言水平抗力系数(又称水平基床系数)是岩土支挡结构设计中一个重要的计算参数,其数值的准确性关系到工程的安全和经济1。Winkler2于 1867 年提出基床系数的概念,并在弹性地基上的梁板计算中得到广泛应用,后又用于承受水平荷载的结构体系内力分析3。目前,国内外大量学者对水平抗力系数进行了一系列理论及试验研究4。董捷等5根据岩石力学理论,结合变形观测数据,分析了抗滑桩锚固段地基侧向抗力系数的取值。张蕾等6运用数值方法,分析引起误差的原因,对基床系数计算方法进行改进完善。张俊杰等7以实际工程为依托,开展了固结试验及三轴试验,得到了相关地层的水平抗力系数。周宏磊等8考虑变形曲线非线性特征条件下不同尺寸载荷板的试验结果化为标准基床系数的方法。工程勘察中取得该参数主要有载荷试验、扁铲侧胀试验、旁压试验、固结试验、三轴试验等9,岩石的水平抗力系数主要采用载荷试验取得,但由于该试验周期长、费用高,工程实际应18 工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying2023 年第 3 期用不多,快速取得合理水平抗力系数是勘察工作中亟待解决的问题之一。在分析现行标准水平抗力系数现场测试方法异同的基础上,基于重庆地区红层软岩,考虑室内外试验岩体的完整性和尺寸效应,推导了采用岩石弹性模量等参数求解水平抗力系数的方法,通过现场试验验证,并与多个工程经验值进行综合对比分析,探索快速确定红层软岩水平抗力系数的新方法,以期为同类工程设计提供参考。1计算方法的推导与分析1.1岩体水平抗力系数定义Winkler2假定地基土表面上任意一点处的变形 si与该点所承受的压力 pi成正比,而与其它点上的压力无关10:pi=ksi(1)式中:k 为抗力系数(kN/m3)。抗力系数 k 并不是岩土的性质指标,与地基土类别、工程荷载、基础形状及尺寸有关。岩石水平抗力系数荷载试验测定方法主要分两种,平板载荷试验和桩的水平载荷试验。我国现行的主要几本技术标准关于载荷试验规定如表 1 所示,不同行业采用了不同的承压板形状、变形取值规定,相同试验点可能获得不同的测试结果。表 1现行规范抗力系数测试方法异同Table 1Similarities and diffences of test methods for resistance coefficient in current specifications 规范名称承压板形状和尺寸变形量取值岩土工程勘察规范(GB 50021-2001)方形,边长 30cm线性段变形量工程岩土试验方法标准(GB/T 50266-2013)方形,直径 30cm未规定城市轨道交通岩土工程勘察规范(GB 50307-2012)圆形,直径 30cm1.25mm重庆市工程地质勘察规范(DBJ/T50-043-2016)圆形,直径 30cm比例界限对应变形量工程设计中按荷载作用方向,抗力系数可分为水平抗力系数和竖向抗力系数(又称基床系数)。从建筑、铁路、公路等现行规范中不难发现,抗力系数在梁板基础设计(柱下条形基础、筏形基础、桩基)、支护结构内力计算(抗滑桩、锚杆挡墙、排桩、地下连续墙)、路基压实度控制和地下工程抗震验算(反应位移计算)中广泛应用。1.2计算方法的推导与分析岩体的变形模量 EO可根据载荷试验 p-s 曲线初始直线段,按均值各向同性半无限弹性介质的弹性理论计算11,即:E0=I0(1-2)pds(2)式中:I0为刚性承压板形状系数,圆形板取 0.785,方形板取 0.886;为岩体泊松比;d 为载荷板直径或边 长(m);p 为 p-s 曲 线 初 始 直 线 段 的 压 力(kPa);s 为与 p 对应的变形量(mm)。对于直径或边长为 d 的载荷试验点,结合式(1),抗力 系数 k 与 变形模 量 EO存 在 如 下 理 论关系:k=E0I0(1-2)d(3)变形模量是在岩体侧向自由变形的条件下应力与应变之比,应力是单向,应变是三向,这与室内单轴压缩变形试验测定的岩石弹性模量应力条件一致2。上述分析基于线弹性假定,但受结构面、岩样尺寸、加载速率、稳定标准等试验条件制约,工程应用中几乎没有将这两个模量作为等效指标替代适用。但比较室内外试验结果一致性具有很大的工程意义,如式(4)为土质地基常见表达关系1。k=E(1-2)A(4)式中:A 为基础面积(m2)。中风化花岗岩基床系数 k 为:k=E(1+)100(5)式中:E 为岩块弹性模量(MPa)。室内试件标准尺寸 D=5cm,对象为岩石。现场载荷试验对象为岩体,压板为刚性板,直径为 d。据圣维南原理,荷载主要作用在刚性板范围,因此载荷试验等效尺寸可取 d。结合抗力系数修正函数12和完整性系数 kv,引入修正系数 e,即:e=kvDd()2(6)变换式(3),通过岩石弹性模量等参数求解水平抗力系数 k 可以表达为:k=eEI0(1-2)d(7)式中:e为尺寸修正系数;kv为岩体完整性系数,kv=VmVr()2,Vm为岩体纵波波速(m/s),Vr为岩块纵波波速(m/s);为岩块泊松比;E 为岩块弹性模量(MPa)。采用直径 30cm 刚性圆板时,可简化为:2023 年第 3 期工程勘察Geotechnical Investigation&Surveying19 k=kvE9(1-2)(8)2试验验证与成果分析2.1现场试验及成果分析重庆江北国际机场改扩建工程是“重庆市和民航局十三五规划重点建设项目”,为典型的山区国际大型枢纽机场。场地地层以沙溪庙组砂质泥岩为主,单轴抗压强度 9.1MPa,按要求采用原位试验确定岩体水平抗力系数。试验过程中,在支护结构关键地段选取 6 个试验点,每个点尺寸为 1m1m1m,设备置于坑中,坑壁对撑提供推力(见图 1)。承压板直径 0.3m,厚度 0.05m,水平推力加载装置采用油压千斤顶,水平位移量测采用百分表。通过采集坑壁承压板所受的压力 p 和位移 绘制 p-关系 曲 线(见 图 2),根 据 工 程 地 质 勘 察 规 范(DBJ50/T-043-2016)相关规定,选取直线段特征点数值计算岩石水平抗力系数,计算公式如下:k=p-p0-0(9)式中:p0为 p-曲线直线段起始压力(kPa);0为p0对应的位移(mm)。图 1现场试验Fig.1Field test图 21#点典型 p-曲线Fig.2Typical p-curve at point 1#从表 2 中 可 知,现 场 试 验 值 范 围 在 478 605MPa/m 之间,均值 526MPa/m,变异系数 0.1,标准值 485MPa/m,按载荷试验有关规定安全系数表 2原位试验测得红层软岩的水平抗力系数Table 2The horizontal resistance coefficient of red bed soft rock measured by in-situ test位置测试值 K(MPa/m)1#4782#5023#4814#6055#5286#566取 2,即 k=242.5MPa/m。试验点附近实测的泥岩单轴抗压强度为 9.1MPa,弹性模量 3152MPa,泊松比 0.33,完整系数 0.62,按式(8)计算结果为243.7MPa/m,与现场实测值基本一致。另外,按单轴抗压强度13经验取值 113MPa/m,为实测值的 0.47 倍,约为式(8)计算值的一半。上述结果表明,依靠经验提出的设计值比现场测试值要小很多,应用于设计偏于保守。结合到江北机场工程,该场地地质条件复杂,支护结构应用较多,急需安全、合理的岩体抗力系数,通过计算和现场实测,