地質(zhì)核心論文巖體壓力擴散特性

　　本篇地質(zhì)核心論文主要針對機場航站樓地層中巖土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析巖體壓力擴散特性數(shù)據(jù)�！吨袊�地質(zhì)》(雙月刊)1953年創(chuàng)刊，是綜合性地質(zhì)學(xué)術(shù)刊物�！�中國地質(zhì)》以基礎(chǔ)性、公益性、學(xué)術(shù)性為特色，傾力展示國家層次、高水平的學(xué)術(shù)科研成果，著重反映地質(zhì)大調(diào)查和科研中具有創(chuàng)新性、前沿性的研究成果。

　　摘　要：擬建某機場地層具有“軟—硬—軟”三元結(jié)構(gòu)特點，即巖體(硬層)下面分布巨厚的粘土(軟層)。在其航站樓基礎(chǔ)設(shè)計過程中，為論證上覆巖體作持力層的可行性，需了解上覆巖體的壓力擴散特征。本文針對矩形均布荷載作用下，對巖體的壓力擴散特性進(jìn)行分析與討論，取得了初步的認(rèn)識，具一定的參考價值。

　　關(guān)鍵詞：壓力擴散， 附加壓力， 壓力衰減系數(shù)， 擬合方程

　　1.前言

　　巖體壓力擴散特性的研究是個異常復(fù)雜的課題，目前尚未形成成熟的理論。本小組利用假期實習(xí)的機會，參與本課題的研究，據(jù)實驗資料分析、整理形成本文。

　　機場航站樓的設(shè)計過程中(基礎(chǔ)采用獨立柱基，尺寸為2.5×2.5m荷載4500kN)，由于地層具“軟—硬—軟”三元結(jié)構(gòu)特點，上部為全、強玄武巖風(fēng)化土，中部為玄武巖，下部下臥巨厚粘土。玄武巖厚度0.2～10m，與下臥土層間的物理力學(xué)指標(biāo)相差甚大。詳見表1。

　　表1 主 要 巖 土 層 物 理 力 學(xué) 指 標(biāo) 表

　　注：括弧內(nèi)數(shù)據(jù)為變形模量

　　表1表明：玄武巖與下臥土層的性質(zhì)呈突變接觸，二者變形模量相差數(shù)百倍;承載力標(biāo)準(zhǔn)值相差十多倍。地層結(jié)構(gòu)特殊，玄武巖能否利用來作持力層，無現(xiàn)成的規(guī)范和經(jīng)驗可循。只有準(zhǔn)確測定玄武巖體的壓力擴散角后，驗算下臥土層的地基承載力與變形，反推玄武巖作持力層的有效厚度。

　　為論證該問題，本次共作了3點大型巖基載荷試驗。論證代表性厚度(2.0m左右)玄武巖與其下臥土層共同工作時的地基承載力、沉降變形及玄武巖層的壓力擴散角。

　　2.試驗概況

　　2.1 試驗原理

　　通過測定離試驗點不同水平距離的玄武巖與下臥土層界面上的附加壓力，繪制壓力分布曲線，找出擴散邊緣點，從而確定壓力擴散范圍�；蛲ㄟ^測定試驗點處玄武巖與下臥土層界面上的附加壓力值，由理論公式計算壓力擴散角。

　　2.2 試驗觀測系統(tǒng)設(shè)計

　　承臺沉降觀測系統(tǒng)：在試驗承臺的四個角各安裝1個百分表，量測其沉降變形。

　　下臥土層頂界面附加壓力觀測系統(tǒng)：采用界面壓力計，將其埋設(shè)在下臥土層的頂板位置，觀測下臥土層的附加壓力。平面觀測點的布置，以通過試驗點中心，沿互為垂直的二個方向展布，用以測定不同方向附加壓力分布情況。觀測點距控制在1.0m左右。

　　3.壓力擴散角的計算方法

　　在理論上，壓力擴散角是指試驗承臺外側(cè)點至下臥土層頂界面處的壓力擴散邊緣點的連線與鉛直方向之間的夾角，見圖1。其計算方法有兩種：

　　方法之一：根據(jù)下臥土層頂界面處的壓力，確定試驗承臺邊緣處下臥土層頂界面的壓力值Pz，依土體擴散公式計算壓力擴散角。

　　圖1 巖體壓力擴散角示意圖

　　tgθ=0.5(-1)

　　P0：承臺底面初始壓力，MPa; b：承臺寬度，2.5m;

　　Pz：土層頂界面壓力(x=b/2時)，MPa; z：試驗點處玄武巖厚度，m;

　　θ：玄武巖體壓力擴散角。

　　方法之二：根據(jù)下臥土層頂界面不同觀測點的壓力值，繪制其壓力展布圖。然后進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，找出壓力展布曲線的擬合方程。用可靠度方式，一般取置信概率(ρ)為0.95，用以確定離試驗承臺中心點的水平距離x1的位置。再用下列公式計算壓力擴散角：

　　tgθ=

　　x1：當(dāng)ρ=0.95時的水平距離，m; z： 試驗點處玄武巖厚度，m;

　　b： 承臺寬度，2.5m; θ：玄武巖體壓力擴散角。

　　4.試驗的基本過程與主要成果

　　試驗共作了A、B、C三點，其巖層厚度分別為1.8m、1.4m、1.9m。試驗承臺直接澆作在中等風(fēng)化的巖體上，承臺基底面積為2.5m×2.5m，(模擬獨立柱基基礎(chǔ)尺寸)。

　　試驗采用在承臺上分級堆載的方式進(jìn)行，所堆放的最大荷載為9000kN。

　　試驗的主要成果有：荷載(P)—沉降(S)、荷載(P)—壓力擴散角(θ)關(guān)系曲線圖，壓力展布圖，代表性點(A#試驗點)的成果分別見圖2、圖3。

　　圖3 A#試驗點玄武巖下臥土層頂面壓力展布圖

　　5.巖體壓力擴散角變化特征分析

　　5.1 兩種計算壓力擴散角方法的比較

　　本次試驗，用方法①、方法②均對壓力擴散角進(jìn)行了計算，其中方法①得到三個點的壓力擴散角為46.01°～68.83°。方法②為58.1°～71.2°，較方法①偏大2°～12°。從理論上說，方法②能比較客觀地反映巖體擴散特征，但受到置信概率的取值，壓力展布曲線擬合方程的相關(guān)系數(shù)大小等因素的影響。方法①是引用土體壓力擴散角的計算式，成果偏安全。

　　5.2 壓力擴散角(θ)與荷載(P)之間的關(guān)系

　　三個試驗點的P～θ曲線圖(見圖2)均表明，在前幾級荷載作用下，即荷載在3600kN以內(nèi)時，巖體變形與荷載呈線性關(guān)系，巖體壓力擴散角隨荷載的增加而增大。隨著荷載的更進(jìn)一步增加，巖體的變形加劇，壓力擴散角則逐漸減小，當(dāng)荷載增至極限荷載后壓力擴散角變小的趨勢也較加劇。壓力擴散的展布曲線，亦由初時鞍型轉(zhuǎn)變成正態(tài)分布，見圖3。

　　5.3 下臥土層頂界處的附加壓力(Pz)與荷載(P0)的關(guān)系

　　在前幾級荷載作用下，Pz與P0呈線性關(guān)系。壓力衰減系數(shù)(α=Pz/P0)為0.042～0.073，隨著荷載的增加，曲線變陡，壓力衰減系數(shù)加速上揚。在最大荷載為9000kN(相當(dāng)于1.44MPa)時α=0.117～0.251。可見，荷載通過一定厚度的巖體擴散傳遞以后附加壓力衰減得比較快。即使9000kN的荷載作用在1.4m厚的巖體上，到下臥土層頂界面上的附加壓力已經(jīng)衰減了近75%。 圖4 PZ- P0曲線圖

　　5.4 附加應(yīng)力(Pz)與承載巖體厚度(z)的關(guān)系

　　圖5為荷載為9000kN時，試驗承臺中心點Pz-Z關(guān)系曲線圖。

　　當(dāng)Z=0時，Pz=P0

　　當(dāng)Z→∞時，從理論上講，Pz無限向Z軸靠擾，其擬合方程表達(dá)式：Pz=P0/(1+az3)或Pz=P0ea′z兩種形式。

　　經(jīng)數(shù)學(xué)模擬，Pz與Z的數(shù)學(xué)關(guān)系表達(dá)式為：

　　圖5 PZ-Z曲線圖

　　Pz=1.44/(1+1.1431Z3)(z≥0，r=0.96)

　　6.結(jié)論

　　綜上所述，本試驗成果較明顯地反應(yīng)了厚度為1.4～1.9m玄武巖體的壓力擴散與荷載、巖體厚度、巖體變形等因素之間的關(guān)系。對研究巖體壓力擴散理論，作了初步的償識，有如下初步認(rèn)識：

　　a. 巖體的壓力擴散是一個復(fù)雜的課題，其擴散角不僅與巖體的完整性、承載能力有關(guān)外，還與上部荷載大小，巖體的厚度有關(guān)，具體表現(xiàn)為，巖體在彈性變形階段，擴散角隨著荷載的增加而增大，出現(xiàn)縮性變形以后擴散角隨著荷載的增加而變小。擴散角隨厚度的增大而增大。

　　b. 本次試驗，各種情況下，巖體壓力擴散角均大于45°,較土體擴散角大。

　　c. 作用在一定厚度(2m左右)巖體上的荷載，通過壓力傳遞擴散以后，在鉛直方向上，巖體的附加壓力衰減得比較快。當(dāng)荷載為9000kN時，壓力衰減系數(shù)為0.117～0.251。

　　d. 基礎(chǔ)中心點處不同深度的附加應(yīng)力與巖體厚度之間的關(guān)系。經(jīng)數(shù)學(xué)模擬，可表達(dá)為：Pz=P0/(1+az3)，當(dāng)荷載為9000kN時，擬合方程為：

　　Pz=1.44/(1+1.143lz3) (r=0.96,r:相關(guān)系數(shù)) (1)

　　由(1)式可以推算出，不同深度處的附加壓力值。

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