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地質(zhì)核心論文巖體壓力擴(kuò)散特性

所屬分類:建筑論文 閱讀次 時(shí)間:2016-11-04 15:30

本文摘要:本篇地質(zhì)核心論文主要針對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓地層中巖土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,分析巖體壓力擴(kuò)散特性數(shù)據(jù)!吨袊(guó)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(guó)地質(zhì) 》以基礎(chǔ)性、公益性、學(xué)術(shù)性為特色,傾力展示國(guó)家層次、高水平的學(xué)術(shù)科研成果,著重反映地質(zhì)大

  本篇地質(zhì)核心論文主要針對(duì)機(jī)場(chǎng)航站樓地層中巖土結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究,分析巖體壓力擴(kuò)散特性數(shù)據(jù)!吨袊(guó)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(guó)地質(zhì)》以基礎(chǔ)性、公益性、學(xué)術(shù)性為特色,傾力展示國(guó)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。

中國(guó)地質(zhì)

  摘 要:擬建某機(jī)場(chǎng)地層具有“軟—硬—軟”三元結(jié)構(gòu)特點(diǎn),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(jì)過(guò)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(kuò)散特征。本文針對(duì)矩形均布荷載作用下,對(duì)巖體的壓力擴(kuò)散特性進(jìn)行分析與討論,取得了初步的認(rèn)識(shí),具一定的參考價(jià)值。

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

  1.前言

  巖體壓力擴(kuò)散特性的研究是個(gè)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(shí)習(xí)的機(jī)會(huì),參與本課題的研究,據(jù)實(shí)驗(yàn)資料分析、整理形成本文。

  機(jī)場(chǎng)航站樓的設(shè)計(jì)過(guò)程中(基礎(chǔ)采用獨(dú)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(diǎn),上部為全、強(qiáng)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(jiàn)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(lái)作持力層,無(wú)現(xiàn)成的規(guī)范和經(jīng)驗(yàn)可循。只有準(zhǔn)確測(cè)定玄武巖體的壓力擴(kuò)散角后,驗(yàn)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(wèn)題,本次共作了3點(diǎn)大型巖基載荷試驗(yàn)。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(shí)的地基承載力、沉降變形及玄武巖層的壓力擴(kuò)散角。

  2.試驗(yàn)概況

  2.1 試驗(yàn)原理

  通過(guò)測(cè)定離試驗(yàn)點(diǎn)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(kuò)散邊緣點(diǎn),從而確定壓力擴(kuò)散范圍;蛲ㄟ^(guò)測(cè)定試驗(yàn)點(diǎn)處玄武巖與下臥土層界面上的附加壓力值,由理論公式計(jì)算壓力擴(kuò)散角。

  2.2 試驗(yàn)觀測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

  承臺(tái)沉降觀測(cè)系統(tǒng):在試驗(yàn)承臺(tái)的四個(gè)角各安裝1個(gè)百分表,量測(cè)其沉降變形。

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

  3.壓力擴(kuò)散角的計(jì)算方法

  在理論上,壓力擴(kuò)散角是指試驗(yàn)承臺(tái)外側(cè)點(diǎn)至下臥土層頂界面處的壓力擴(kuò)散邊緣點(diǎn)的連線與鉛直方向之間的夾角,見(jiàn)圖1。其計(jì)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(yàn)承臺(tái)邊緣處下臥土層頂界面的壓力值Pz,依土體擴(kuò)散公式計(jì)算壓力擴(kuò)散角。

  圖1 巖體壓力擴(kuò)散角示意圖

  tgθ=0.5(-1)

  P0:承臺(tái)底面初始?jí)毫,MPa; b:承臺(tái)寬度,2.5m;

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

  θ:玄武巖體壓力擴(kuò)散角。

  方法之二:根據(jù)下臥土層頂界面不同觀測(cè)點(diǎn)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(yàn)承臺(tái)中心點(diǎn)的水平距離x1的位置。再用下列公式計(jì)算壓力擴(kuò)散角:

  tgθ=

  x1:當(dāng)ρ=0.95時(shí)的水平距離,m; z: 試驗(yàn)點(diǎn)處玄武巖厚度,m;

  b: 承臺(tái)寬度,2.5m; θ:玄武巖體壓力擴(kuò)散角。

  4.試驗(yàn)的基本過(guò)程與主要成果

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

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

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

  圖3 A#試驗(yàn)點(diǎn)玄武巖下臥土層頂面壓力展布圖

  5.巖體壓力擴(kuò)散角變化特征分析

  5.1 兩種計(jì)算壓力擴(kuò)散角方法的比較

  本次試驗(yàn),用方法①、方法②均對(duì)壓力擴(kuò)散角進(jìn)行了計(jì)算,其中方法①得到三個(gè)點(diǎn)的壓力擴(kuò)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(shuō),方法②能比較客觀地反映巖體擴(kuò)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(kuò)散角的計(jì)算式,成果偏安全。

  5.2 壓力擴(kuò)散角(θ)與荷載(P)之間的關(guān)系

  三個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)的P~θ曲線圖(見(jiàn)圖2)均表明,在前幾級(jí)荷載作用下,即荷載在3600kN以內(nèi)時(shí),巖體變形與荷載呈線性關(guān)系,巖體壓力擴(kuò)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(kuò)散角則逐漸減小,當(dāng)荷載增至極限荷載后壓力擴(kuò)散角變小的趨勢(shì)也較加劇。壓力擴(kuò)散的展布曲線,亦由初時(shí)鞍型轉(zhuǎn)變成正態(tài)分布,見(jiàn)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(jí)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(yáng)。在最大荷載為9000kN(相當(dāng)于1.44MPa)時(shí)α=0.117~0.251?梢(jiàn),荷載通過(guò)一定厚度的巖體擴(kuò)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(shí),試驗(yàn)承臺(tái)中心點(diǎn)Pz-Z關(guān)系曲線圖。

  當(dāng)Z=0時(shí),Pz=P0

  當(dāng)Z→∞時(shí),從理論上講,Pz無(wú)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(yàn)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(kuò)散與荷載、巖體厚度、巖體變形等因素之間的關(guān)系。對(duì)研究巖體壓力擴(kuò)散理論,作了初步的償識(shí),有如下初步認(rèn)識(shí):

  a. 巖體的壓力擴(kuò)散是一個(gè)復(fù)雜的課題,其擴(kuò)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(kuò)散角隨著荷載的增加而增大,出現(xiàn)縮性變形以后擴(kuò)散角隨著荷載的增加而變小。擴(kuò)散角隨厚度的增大而增大。

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

  c. 作用在一定厚度(2m左右)巖體上的荷載,通過(guò)壓力傳遞擴(kuò)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(shí),壓力衰減系數(shù)為0.117~0.251。

  d. 基礎(chǔ)中心點(diǎn)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(shí),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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