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建材与装饰 2 0 0 7年 8月中旬刊 勘察、 测绘与测试技术 关于岩土地基 自重应力问题的几点探讨 陈 东 1 杨伟 明 2 1 ． 深圳市道桥维修中心桥 梁检测站 2 ． 湖南省电力勘测设计院 摘要 工程施工前存在于岩体 中的应力即为初应力 。一般认 为， 在地 壳表 层， 初应力主要 由自重应力和构造应力组成， 它们叠加起 来构成 了天然应力 的主体 。 关键词 岩土地基； 岩土物理 力学性质指标 ； 自重应力 1前 言 岩土的物理性质指标由于 自重应力的关系发生了变化， 而 这种变 化也恰好可 以定性地 反映岩土 中 自重应力 场 的分布规 律。 对岩土地基的自重应力进行准确把握， 充分认识自重应力的 存在对工程建设有利的一面 ， 将是 自重应力 问题研究的关键 。 本 文结合岩土物理力学指标的实测资料对岩土地基 自重应力问题 进行探讨 ， 以求深刻认识这一问题 的实质。 2 岩 土物理 力学性质指标 2 ． 1岩土的容重和孔隙比 岩土的容重为其单位体积的重量。 对于分类相同的岩土， 随 土体深度的增加， 土体单元的自重应力 盯 将线性递增， 而土体 自重应力的递增必然导致土体容重 的增加。 一般而言 ， 在 自重应 力作用下岩土的特征行为近似满足以上规律。 但是， 在很多情况下往往也有例外 。 表 1为某地 区轻粉质壤 土不同深度 的干容重试验值 。 从表 1中可 以看出， 岩土的干容重 随深度呈现无规律变化，有的土样干容重随深度呈跳跃性变化 f 图 1 中 T 5 7 ， 甚至有的土样干容重随深度增加而递减f 图 1中 T 5 8 1 。土样容重的变化实 际上反映 了土层 中 自重应力的变化。 岩土 的孔隙 比指 标是指 孔隙体积 与固体颗 粒实体 体积之 比， 表示岩土中孔隙体积 含量 ， 反映土的松密程度 ， 它随土形成 过程中的压力、 粒径级配和颗粒排列状况变化而变化。 同理，孔隙比同样也能反映岩土的自重应力随深度变化的 情况。按 常规 ， 沿竖直方 向随着土体 自重应力 的增加， 土 的质密 程度将越来越高， 即岩土的孔隙比将越来越小 但实际工程中也 有不同， 表 2为某原状土样 的试验 成果表， 从 中可 以看 出， 土样 的天然干容重与天然孔隙比近似成线性关系，随着天然干容重 的增加 ， 天然孔隙 比线性递减f 图 2 。而 随着 深度 的增加天然孔 隙比却呈无规律性的变化f 图3 ， 土样天然孔隙比的变化实际上 也恰好反映了土层 中自重应力的变化 。 以上岩土的容重和天然孔隙 比随深度变化的情况表 明， 岩 土地基内部存在着复杂的 自重应力场 ， 在很多情况下， 岩土 内部 自重应力场的分布已不再满足经典的金尼克弹性 自重应力计算 表 l某地 区不同深度干容重试验值 土样编 号 试验深度 H ／ m 天然干容重 v ／ k N m 1 ．9 1 2 ． 5 4 T 5 - 6 3 ．O l 1 ． 6 6 3 ． 7 1 2 ． O 5 1 _3 1 2 ． 7 4 4 ． 0 1 2 ． 2 5 T 5 - 7 5 ．7 I 3 _ 3 3 6 ． 3 1 5 ． 1 9 2 _ 3 1 3 ． 1 3 T 5 8 5 _3 1 2 ．7 4 3 ．5 1 3 _3 3 5 ． 1 l l _3 7 T 5 一 l l 6 ．6 l 1 ． 7 6 7 ． 8 I J ． 7 6 1 O _ 3 1 3 ． O 3 3 ． 2 l 1 ． 8 6 6 ． 4 1 2 _ 3 5 T 5 1 3 l 1 ．9 1 2 ． 2 5 1 4 ．2 1 3 ．O 3 2 ． 5 1 2 _ 3 5 3 ． 5 l 1 ．9 6 T 5 1 5 5 ．O 1 2 ．2 5 6 ．8 1 2 ．2 5 8 ．0 1 3 ． 1 3 1 6 一▲ 一 T5． 1 i i -r 5 - 8 1 5 - ． 撒 度 H ／ h i 图 1岩土的天然干容重随深度 的变化关 系 理论 ； 同时 ， 在各种天 然应力 的共 同作用下 ， 岩土 的物 理性质指 标有时也可能不再反映真实的自重应力情况。 2 ． 2 岩体的固结沉降指标 岩土 的固结试验是测定土 的压缩性 的最常用 的室 内试验 方 法。在天然状态下， 正常固结土和超固结土已经达到固结稳定状 的可能性。 通过应用对比， 实践证明开口桩桩端承载力与闭口桩 基本相同 。 5 。 2 施工控制措施 只要桩基配重能达到单桩竖向承载力极限标准值的 1 ．2倍 左右 ，就不会产生压桩接近终 压值 时桩机抬起晃动 引起对桩头 和桩身的冲击所导致的桩体破坏， 桩身完整性也能得到保证。 控制沉桩速度并采取多次逐步加载复压的措施是有效的， 能消除巨厚粘土层中快速沉桩卸压回弹使桩体上浮的作用。 27 9 维普资讯 勘察 、 测绘与测试技术 建材 与装饰 2 0 0 7 年 8月中旬刊 ’ I ‘ ‘ z k m 。 图 2 岩土 的天然孔隙比与天然干容重的关系 I I 4 “ l l l 1 1 4 l hl ， ，m 图 3 岩土的天然孔隙比随深度的变化关 系 态； 对于欠固结土 ， 在上覆土 自重作用 条件下可 以近似认为达到 固结稳定状态 。 表 2列举了某原状土样在各级压力作用下 的固结沉 降试 验 值 。从中可 以看出， 随着压力 的增加 ， 土样 的固结沉降值也在增 加 图 4 。例如 ， 编号 o l 的土样 ， 取样深度 为 l 4 ．5 m， 天然干容重 为 1 4 ． 0 1 k N m ， 当固结试验 应力为 4 9 k P a和 9 8 k P a时 ， 应变 分 别为 0 ． 0 1 4 9 5和 0 ． 0 2 3 3 0 ， 该试 样在 1 4 ． 5 m深度处 自重应 力的计 算值为 2 3 4 ． 5 k P a f 按湿 容重计算1 。 按常规 ， 在固结试验时， 当应力 小于或等于 2 3 4 ． 5 k P a时 ， 该试样应 无变 形 ， 可是在 实际试验 中 却无一例吻合。 表 2 原状土样试验成果表 土样 取样深 天然干容重 天然孔隙 比 原状样固结试验 编号 度 m ， k N m 压力 P ／ k P a 单位沉降量 S 孔隙 比 4 9 ．o o 0 ． 0 1 4 9 5 0 ． 8 8l 0 l 1 4 ．5 l 4 ．0l 0 ．9 0 9 9 8 o o 0 ． 0 2 3 3 0 0 ． 8 6 5 4 9 o o 0 ． o o 8 9 O 0 ． 7 9 2 0 2 9 ． 0 1 4 ． 8 0 0 ． 8 0 8 l 5 2 ．8 8 0 ． 0 l 9 7 0 0 ． 7 7 2 4 9 ．o o 00 l 3 2 0 0 ． 7 l 6 0 3 l 7 ．5 l 5 ． 3 9 l 5 ． 3 9 9 8 ．o o 0 ． 0 2 0 8 5 0 ． 7 0 3 l 3 7 ．o o 0 ． 0 3 3 3 0 0 ． 6 8l 0 3 -l 5 ． 2 1 4 ．4l 0 ． 8 3 7 4 9 ．o o 00 l 3 5 8 0 ． 8 l 2 4 9 ．o o 0 ． 0 l 5 l 0 0 7 8l 0 4 l 1 ．0 l 4 ．8 0 0 ．8 0 8 9 8 ．o o 0 2 0 2 0 7 5 0 ． 7 7 0 1 3 7 o o 0 ． 0 3 0 3 0 0 ． 7 5 3 0l l 4 ．5 l 4 -4 l 0 ．8 3 7 4 9 ．o o 0 ． 0 o 4 2 8 0 ． 8 2 9 0 7 3 ．9 l 2 ．9 4 1 ．0 5 3 4 9 ．o o 0 ． o o 8 9 l 1 ． 0 3 5 4 9 ．o o O ． O l 5 6 0 0 5 l 80 l 5 ．9 7 0 ．6 7 5 9 8 ．o o 0 ．0 2 l 2 5 l 7 6 ． o o 0 ． 0 3 l 6 5 4 9 ．o o 0 ． 0 l 1 7 5 0 ． 6 3 6 9 8 ．o o 0 ． 0 l 7 2 5 0 ． 6 2 6 0 6 l 8 ．0 l 6 l 7 0 ．6 5 5 I 7 6． o0 0． 02 62 0 0． 6I 2 2 9 4 ． o o 0 ．0 3 3 2 l 0 ．6 x 】 0 8 3 ．0 l 4 ． 8 0 0 ．8 0 8 5 0 ．2 7 0 ．0l 3 6 5 0 ． 7 8 2 0 8 -l 5 _2 l 4 ． 1 l 0 ．8 7 5 8 5 ．2 6 0 ．0l 3 2 3 0 ． 8 5 0 0 9 3 ．5 l 5 ． 1 9 0 ．7 6 8 4 9 ． o o 0 ．o o 8 l 3 0 ． 7 5 4 4 9 ， o o 0 ．0l 7 6 l 0 ．7 7 5 0 2-l 53 1 4 ． 7 0 0． 8 20 9 8 ． o o 0 ． 【 2 6 2 2 0 ．7 7 2 那么，为什么在固结试验时曾经承受一定大小的自重应力 的岩土试样在施加小于或等于该 自重 应力的荷载时却表现出 明 显的沉 降量，或者在 固结试验后岩土试样的容重远大于岩土原 2 8 0 3 O 0 2 5 0 2 0 0 耋 1 5 0 一 l 0 O 5 0 图 4 岩土固结试验压力与沉降量的关 系 样 的容重呢实际上 ， 这里存在一个误区 ， 把从地基 中取出的试 样作为原始土样是不准确的， 因为实际上 由于应力释放 ， 取 出地 面后试样的体积 已发生膨胀。 “ 原位压缩 ” 也并非真正的“ 原位” 。 事实上， 真正的原位容重现在很难直接确定。 这也是在固结试验 中为什么 自加载 开始就出现固结沉 降的原因。而只有在外应力 ’超过曾经受到过的自重应力后，岩土试样才表现出真实的压缩 变形性质。因此 ， 在评价地基岩土的压缩性的时候， 必须在恢复 岩土试样的原始受力条件后才开始进行固结试验 。 3 结 论 岩体应力的组成中除 自重应力外， 还有构造应力。 构造应力 是 由构造运 动引起的应力。构造应 力场一般是随构造 形迹 的发 生、 发展而变化的非稳定应力场。 通 过以上对岩土地基的 自重应 力相关问题 的探讨， 得 出如下结论 1 岩土地基 的天 然容重和天然孔 隙比随深度的增加不完 全遵循某一 固有规律，表明岩土 内部 自重应力随深度增加 并非 线性递增。同时 ， 在各种天然应力的共同作用下 ， 岩土的物理性 质指标 有时也可能不再反映真实的 自重应力情况。 2 由于应力释放， 取出地面后的岩土试样体积发生膨胀， 已不再是真正的岩土原样。 评价地基岩土的压缩性， 必须在恢复 岩土试 样的原始应力条件后才可进行固结试验。 参考文献 [ 1 】 陈仲颐 ， 周景星 ， 王洪瑾． 土力学[ M】 ． 北京 清华大学出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 2 】 徐洪安， 张玲． 评价地基压缩性应考虑土的天然受力情况『 J 】 ． 城市勘测 2 o o 1 1 1 2 1 7 ． [ 3 】 何满潮， 景海河 ， 孙晓 明． 软岩工程 力 M】 ．北 京 科学 出版社， 2 0 0 2 ． 入 一 维普资讯