钙质砂地基沉降研究.pdf

第4 1卷 第4期 佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)V o l.4 1N o.4 2 0 2 3 年0 7月 J o u r n a l o f J i a m u s iU n i v e r s i t y(N a t u r a lS c i e n c eE d i t i o n)J u l y 2 0 2 3文章编号:1 0 0 8-1 4 0 2(2 0 2 3)0 4-0 1 2 1-0 4钙质砂地基沉降研究韩 意,叶 焕(安徽科技学院建筑学院,安徽 蚌埠2 3 3 0 3 0)摘 要:总结钙质砂的基本特点,得出钙质砂地基沉降计算过程中修正参数的来源。通过工程实例对比得出,有无修正参数对计算得到的基础沉降数值影响大小,进而总结钙质砂基础沉降计算过程中的注意事项,为工程实践提供一定借鉴。关键词:钙质砂;地基沉降;静力触探试验(C P T)中图分类号:P 7 5 文献标识码:A0 引 言地基是建筑工程的重要载体,地基承载力不足或者不均匀沉降都会对工程安全和稳定产生一定的威胁。钙质砂具有孔隙率大、压缩性大、内摩擦角大等特殊性质。钙质砂因其物理力学性能,不同于普通的石英砂,所以实际工程中必须通过实验确定钙质砂的力学性能,才可根据石英砂地基计算沉降的公式,计算钙质砂地基的沉降数值。工程中测定钙质砂地基特性的主要方法是静力触探试验(C P T)。静力触探试验(C P T)作为一种成熟的原位测试手段,通过将内部装有传感器的静力促探头,获取土层的贯入阻力,判定土的物理力学性质。此法便捷、高效、扰动小、可重复性高,在工程领域被广泛接受和认可。但是静力触探试验(C P T)技术也具有不能直接观察、鉴别土体的缺点,再加上地层的组成差异显著、空间变异性大、应力水平复杂等问题,如何准确的建立原位测试指标和钙质砂地基力学参数之间的关系成为目前岩土领域研究和关注的热点。刘学森等将填土按照粉、黏粒含量不同进行分类,使用静力触探试验(C P T)技术,研究不同粉、黏粒含量对土的物理力学特性的影响程度,并应用于黄河三角洲海床工程1。杨锦健等认为钙质砂地基呈现区域间粒级差异大、部分粒组成层聚集等现象,使吹填钙质砂地基具有非均质分布的特征2。1 钙质砂的物理性质及特点钙质砂主要是指由海洋生物残骸,如贝壳、珊瑚、有孔虫等海洋生物碎屑组成,内部孔隙结构发达、颗粒粒径范围广、形状较不规则,导致其力学特性较陆源砂(如石英砂)存在着较大差异3。尹黎阳等以中国南海岛礁工程建设为例,得出含钙质砂具有如下不良特性:高孔隙、易破碎和强度低,提出利用微生物诱导碳酸钙沉积(M I C P)协同纤维加筋改性钙质砂,提高其力学性能及工程可靠性4。汪成贵等发现钙质砂破碎可以使土体强度及减涨性降低,进而影响构筑物的安全性和稳定性,为此提出了考虑钙质砂颗粒破碎的分数阶边界面本构模型,研究了不同初始密实度和围压条件下钙质砂三轴排水试验结果和颗粒破碎影响下的状态相关行为,为工程实际提供一定参考5。肖鹏等认为钙质砂具有高压缩性,内摩擦角大,刚度衰减快等特点,同时在动力持续作用下,钙质砂地基可能产生液化失稳现象,并使用微生物加固技术,对钙质砂 地基的动力特 性开展了系 统、全面的 研究6。戴国亮等采用反复一维冲击荷载作用钙质砂和石英砂,得到钙质砂的吸能效率高于石英砂,不同含水率和不同相对密实度钙质砂样吸能效率在多次冲击后趋于接近。如何在实际工程中直观体现钙质砂与石英砂之间的力学指标差异一直是工程界研究的热点。1.1 可压缩性砂在各向同性载荷作用下导致的体积应变通常与颗粒破碎有关。C o o p在1 9 9 0年发现,钙质砂的各向同性压缩试验结果是一条正常压缩线,其压缩线与石英砂的压缩线类似,两线主要区别是斜率(即有效应力和空隙率之比)更陡,这也显示钙质砂具有较高的可压缩性,主要由于在加载过程中出收稿日期:2 0 2 3-0 3-2 9基金项目:横向课题:安徽省蚌埠市胜利东路片区工业用地勘测及数据建库(8 8 0 6 3 5);国内访学项目(g x g n f x 2 0 2 2 0 4 2);校级优秀中青年骨干教师项目(2 1 0 0 3 6);校级一般科研项目(2 0 2 1 z r y b 1 2)。作者简介:韩意(1 9 8 5-),女,安徽蚌埠人,讲师,硕士,研究方向:混凝土耐久性、施工技术、可靠度。佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年现的高初始空隙比和后期的钙质砂颗粒断裂。2 0 0 3年,C o o p和A i r e y在 前 人 研 究 的 基 础上,得出钙质砂的可压缩性不能用一个独立的体积模量或者压缩曲线来描述,同时还与钙质砂的加载历史有很大关系,具体如图1所示。图1 钙质砂压缩情况对比图图1显示了一个已经加载了远远超过其屈服应力的样品的各向同性压缩数据。在达到最大负荷后,停止试验,回收砂,重新制作样品并重新测试,所得到的压缩线比初始加载曲线的梯度更小。这是由于初始加载阶段和颗粒的重新排列,形成了较小的初始空隙比。这个例子清楚地说明了需要以初始空隙比和等于在回填区内压实后的钙质砂的初始排列情况进行压缩试验。这一结论对钙质砂相关实验的取样和测试具有重要意义。由于钙质砂在动荷载的作用下会重新排列,力学性能会发生显著改变,因此基于钙质砂地基的静力触探试验(C P T)必须和工程实际的初始孔隙比、排列方 式等条件一 致,才能通过 静力触探 试验(C P T)得到较符合工程实际的数据。即对于钙质砂地基需要着重关注样本和实际工程的符合程度,才能通过静力触探试验(C P T)实验得到较符合工程实际的数据。1.2 蠕变性砂中的蠕变通常被认为是在恒定应力下发生的变形过程,与持续的颗粒断裂和相关的应力再分配密切相关。关于钙质砂的蠕变性质,研究的比较少。2 0 0 3年C o o p和A i r e y认为,二次压缩率与其正常压缩曲线上钙质砂的压缩指数的比值约为0.0 1 3,这与其他矿物组成的砂粒类似。然而,在同等应力水平下,钙质砂的状态通常比石英砂更接近正常压缩曲线,因此钙质砂预计会比石英砂表现出更多的蠕变。这意味着,可以通过压实或者预压,降低由于钙质砂的蠕变性质导致的回填材料的前期质量不符合要求的情况。C o o p和A i r e y(2 0 0 3)进行的试验表明,具有一定孔隙比的的钙质砂试样比已经压实的试验蠕变性能更强,但是,通过增加外部压力,减小钙质砂的蠕变并不总是可行的,因为较低的孔隙比对应的正常压缩曲线往往需要的压力极大。1.3 胶结性钙质砂颗粒通常是由于碳酸盐(如文石、方解石和/或白云石)或其他盐(如盐石)沉淀而固结的。F o o k e s(1 9 8 8)认为钙质砂的这种胶结不仅可能在钙质砂形成过程中发生,也可能在回填或放置后不久发生。但是由于孔隙水中碳酸盐的沉淀量对孔隙度、渗透率、钙质砂质地和组成、水深、温度和化学性质以及埋深等变量非常敏感,所以胶结过程在强度上逐渐增加,在空间上逐渐发展。同时,即使颗粒之间的初始胶结较弱,也会增加回填后的抗切强度和刚度。图2 静力触探试验(C P T)结果对比图图2显 示 了 同 一 位 置 连 续 静 力 触 探 试 验(C P T)尖端阻力(qc)的变化对比图,从图中可以发现,对于同一位置的同一地层,沉积和压实后3个月测得的静力触探试验(C P T)尖端阻力qc高于回填初期测得的尖端阻力qc,这是由于钙质砂的缓慢胶结导致的锥体尖端阻力不断增加。2 钙质砂地基沉降的计算2.1 计算公式S=sni=1p0Es i(ziai-zi-1ai-1)(1)式中:s表示地基最终变形量(mm);n地基变形计算深度范围内所划分的土层数,p0相应于作 用 的 准 永 久 组 合 时 基 础 底 面 处 的 附 加 压 力(k P a);Es i基 础 地 面 下 第i层 土 的 压 缩 模 量(MP a);zi和zi-1表示基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离(m)。根据工 程 实 际 情 况,本 文 中 地 基 沉 降 采 用S c h m e r t m a n n公式,具体为公式(2)。Se=C1C2qz=z0z=0IzEsZ(2)式中:q表示净有效压力;C1为基础修正系221第4期韩 意,等:钙质砂地基沉降研究数,C1=1-0.5q0/q;C2为土体蠕变及固化的修正系数,C2=1+0.2 l o g(t/0.1),t表示时间,单位:a。Se表示基础沉降,单位:mm。Iz为垂直应变影响因子,Z表示垂直高程;L和B分别表示基础长度和宽度;对于正方形或者圆形基础,Z=0时,Iz=0.1;Z=0.5B时,Iz=Iz(p e a k);z=2B时,Iz=0;对于基础的长宽比L/B1 0时,Z=0时,Iz=0.2;Z=B时,Iz=Iz(p e a k);Z=4B时Iz=0;基础长宽比L/B为1到1 0范围内,采用插值法进行计算,Iz(p e a k)=0.5+0.1(q/0)0.5。0表示一定深度下对应的有效土压力;Z表示基础底部到砂层的深度。ES为弹性模量,在使用静力触探试验(C P T)进行原位测试时,可以采用公式Es=qc进行估算,对于正方形和圆形基础,Es=2.5qc,对于条形基础,Es=3.5qc;建筑地基基础设计规范 中地基变形的计算公式和S c h m e r t m a n n公式形式类似,但是参数的处理方式并不完全一致,在砂性土沉降计算中,尤其是海外工程中,S c h m e r t m a n n公式应用更为广泛。2.2 钙质砂地基沉降计算中的参数修正钙质砂具有易碎的性质,与石英砂相比,相同相对密度的钙质砂,其所产生的尖端阻力(静力触探试验)更小。因此,原位测试的指标并不能真实反应 钙 质 砂 的 物 理 力 学 指 标。使 用 静 力 触 探(C P T)测得的钙质砂的尖端阻力需要使用校正系数进行修正,此修正系数的取值对钙质砂地基沉降的计算影响较大。根据H o m o u da n dW e h r(2 0 0 6)的研究,修正系数可以采用如下公式(3)计算。S C F=0.0 0 4 6Dr+1.3 6 2 9(3)式中:Dr表示相对密度。基于J a m i o l k o w s k i的研究,修正系数取值范围为1.3,2。根据以往工程经验,修正系数随碳酸盐含量的不同而不同。碳酸钙含量在2 0%4 0%时,其修正系数为1.3;碳酸钙含量在4 0%6 0%时,其修正系数为1.4 5或者更大;碳酸钙含量在6 0%9 0%时,其修正系数为1.6或者更大。图3 现场C P T测得的尖端阻力qc及侧阻Fs3 工程实例本工程基础长L=1 1 m的条形基础,基础高度D=0.1 m,现场回填 砂 的C a C O3含 量 高 达6 0%,属于钙质砂基础,相对密度为6 0%,现场静力触探(C P T)测量深度达地下1 2 m左右,共计1 2 0组数,测得的尖端阻力qc、侧阻Fs以及计算所得的摩阻比fR部分数值如表1所示。表1 现场静力触探(C P T)部分测量数据深度高程尖端阻力qc(MP a)侧阻fs(K P a)摩阻比fR(fs/qc)0.14.6 01.7 22.80.1 60.24.5 03.9 65.70.1 40.34.4 05.4 67.90.1 40.44.3 07.8 91 0.30.1 30.54.2 08.8 61 3.40.1 50.64.1 09.4 41 4.50.1 50.74.0 01 1.0 91 7.10.1 50.83.9 01 1.8 21 8.90.1 60.93.8 01 1.4 71 80.1 61.03.7 01 0.9 31 90.1 71.13.6 01 0.1 61 9.70.1 91.23.5 09.9 11 8.40.1 91.33.4 01 1.0 91 8.20.1 61.43.3 01 0.6 71 6.30.1 51.53.2 01 0.7 81 8.30.1 7 现场静力触探(C P T)测得的所有尖端阻力qc及侧阻Fs如图3所示。根据H o m o u da n dW e h r的研究,代入修正系数计算公式(3),计算求得C P T的修正系数为1.6,此值符合J a m i o l k o w s k i的研究结果,修正系数为1.3到2的范围以内。根据C P T测量结果。计算基础沉降,见表2。表2 基础沉降计算表时间(年)011 02 55 0沉降量Se(S C F=1.6)(mm)3 5.0 13 6.4 64 0.0 44 1.8 44 3.2 5沉降量Se(无修正系数)(mm)4 3.7 84 5.3 04 9.0 45 0.9 35 2.4 2沉降变化率(%)2 5.0 52 4.2 52 2.4 82 1.7 32 1.2 0 从计算结果可以得到:对于钙质砂基础,考虑其特殊性质对基础沉降的影响,与不考虑其特殊性质对基础沉降的影响,计算结果相差2 3%左右,计算结果相差极大。对于考虑钙质砂特殊性质计算的基础沉降,时间跨度从0年到5 0年,计算的沉降数值结果相差不大。321佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2 0 2 3年4 结 论根据钙质砂以上的固结性质,静力触探试验(C P T)试验建议在振动压实(振冲处理)后约1-2周进行。深度压实的一个重要方面是压实后锥体阻力qc随时间的增加而增加。在不同的地面条件下和不同的压实方法下,可以观察到这种时间效应。因此,建 议 在 一 个 月 后 重 复 静 力 触 探 试 验(C P T),以检查强度是否有足够的增加,钙质砂地基是否完成初始沉降。从工程实例计算也可以看出,由于钙质砂的长期固结及蠕变性质,5 0年以后和回填初期的地基沉降量有一定差异,需要后期进行实际观测以验证计算的准确性。和石英砂相比,钙质砂具有易碎、可压缩性大的特点,导致相同相对密度的钙质砂比石英砂产生的尖端阻力(qc)小,从而影响钙质砂地基沉降计算公式中的参数计算,是否考虑钙质砂的特殊特点对钙质砂地基沉降计算数值的影响较大。进行计算,考虑修正参数和不考虑修正参数计算过结果相差2 3%左右。根据以上的计算结果,可以看出:采用原位测试方法得到的相关原位试验数值(C P T值)不能直接用于计算地基沉降,应根据实际工程经验对上述实测值进行修正,计算结果才更贴合实际实况,并能在一定程度上提高工程的经济性。参考文献:1 刘学森.基于C P T细粒含量对海床土特性影响的精细化解译研究D.青岛:青岛理工大学,2 0 2 2.2 杨锦健.非均质钙质砂地基的承载力及变形特性研究D.南宁:广西大学,2 0 2 2.3 尹黎阳,唐朝生,张龙.M I C P联合纤维加筋改性钙质砂力学特性研究J.高校地质学报,2 0 2 1,2 7(0 6):6 7 9-6 8 6.4 汪成贵,束善治,肖杨,等.考虑钙质砂颗粒破碎的分数阶边界面本构模型J.岩土工程学报,2 0 2 3,4 5(6):1 1 6 2-1 1 7 0.5 肖鹏,刘汉龙,史金权,等.微生物加固钙质砂地基动力响应特性研究J.岩土工程学报,2 0 2 3,4 5(6):1 3 0 3-1 3 1 3.6 戴国亮,欧阳浩然,秦伟,等.反复一维冲击下钙质砂动力特性S H P B试验研究J.振动与冲击,2 0 2 2,4 1(1 4):2 6 4-2 7 0+2 7 9.S t u d yo nS e t t l e m e n t o fC a l c a r e o u sS a n dF o u n d a t i o nHANY i,Y E H u a n(S c h o o l o fA r c h i t e c t u r e,A n h u i S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yU n i v e r s i t y,B e n g b uA n h u i 2 3 3 0 3 0,C h i n a)A b s t r a c t:B ys u mm a r i z i n g t h eb a s i c c h a r a c t e r i s t i c s o f c a l c a r e o u s s a n d,t h e s o u r c eo f t h e c o r r e c t i o nf a c t o r i nt h e f o u n d a t i o ns e t t l e m e n t c a l c u l a t i o n i se l a b o r a t e d.T h ep r e d i c t e ds e t t l e m e n to f t h e f o u n d a t i o ni sa f f e c t e dm u c hb yt h ec o r r e c t i o nf a c t o rw h i c hi sv e r i f i e db yas p e c i f i cp r o j e c t.T h em a i np r i n c i p l e so ft h ec a l c a r e o u ss a n df o u n d a t i o ns e t t l e m e n t a r es u mm a r i z e dw h i c hc a nb er e f e r e n c e s f o rs i m i l a rp r o j e c t s.K e yw o r d s:c a l c a r e o u ss a n d;f o u n d a t i o ns e t t l e m e n t;C o n eP e n e t r a t i o nT e s t(C P T)(上接1 0 8页)参考文献:1 M K a r k l i n s k y,M N a v e a u,A M u k o v s k i ye ta l.R o b u s th u-m a n-i n s p i r e dp o w e r l a wt r a j e c t o r i e sf o rh u m a n o i dHR P-2r o b o tC.I E E EI n t e r n a t i o n a lC o n f e r e n c eo nB i o m e d i c a lR o-b o t i c sa n dB i o m e c h a t r o n i c s.2 0 1 6:1 0 6-1 1 3.2 Y eW,C a iC,W a n gB,e t a l.D e c o d i n go fB I S S-CP r o t o-c o lB a s e do nF P GAC/2 0 1 9C h i n e s eA u t o m a t i o nC o n g r e s s(C A C).2 0 1 9.3 孔祥然.机械臂模块化关节设计及其输出特性的研究D.北京:北京邮电大学,2 0 1 5.4 招绍坤.轻型机械臂模块化设计与运动控制的研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2 0 1 0.5 王阳.轻型机械臂结构分析及优化设计D.北京:北京交通大学,2 0 1 7.6 闫继宏,郭鑫,刘玉斌,等.一种模块化机械臂的设计与运动学分析J.哈尔滨工业大学学报,2 0 1 5,4 7(0 1):2 0-2 5.7 谭建成.永磁无刷直流电机技术M.北京:机械工业出版社,2 0 1 1.8 夏严峰.轻型机械臂柔性关节设计与实验研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2 0 1 4.9 李德伦.模块化关节结构设计及其位置控制的研究D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2 0 0 8.1 0 任志斌,王中科,于仲安,等.机器人关节用高精度交流伺服系统研究与实现J.计算机测量与控制,2 0 1 2,2 0(0 0 1):7 0-7 3.1 1 李鹏.轻量化机械臂模块化关节的集成设计与优化D.北京:中国科学院大学,2 0 1 7.1 2 高京哲.永磁同步电机快速响应高精度伺服控制D.哈尔滨:哈尔滨工业大学,2 0 1 9.O p t i m i z a t i o nA n a l y s i so fS e r v oP e r f o r m a n c eo fM o d u l a rJ o i n to fL i g h tD u t yM a n i p u l a t o rG EY o n g,SHENY e c h a o(A n h u iM e c h a n i c a l a n dE l e c t r i c a lV o c a t i o n a l a n dT e c h n i c a lC o l l e g e,W u h uA n h u i 2 4 1 0 0 2,C h i n a)A b s t r a c t:T h em o d u l a r j o i n t i sah i g h l yi n t e g r a t e dm e c h a t r o n i cs e r v od e v i c e,w h i c hc a nn o to n l yr e a l i z es e r v oc o n t r o l o fp o s i t i o n,b u t a l s op e r f o r mt o r q u e c o n t r o l,a n dh a s as e r i e so f a d v a n t a g e s s u c ha sa l a r g e l o a d-t o-w e i g h tr a t i o,a n di sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d ss u c ha sm a n u f a c t u r i n g,m e d i c a la n dh e a l t hc a r e.H o w e v e r,d u et ot h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o d u l a r j o i n ts t r u c t u r ec a u s e db yt h ep o o r s e r v op e r f o r m a n c eo f t h er o b o ta r m,l i m i t i n gt h ea p p l i c a t i o no fm o d u l a r j o i n t s.T h i sp a p e rn e w l yd e s i g n e dm o d u l a r j o i n t sa n de s t a b l i s h e dam a t h e m a t i c a lm o d e l,t h r o u g hS i m u l i n ks i m u l a t i o na n a l y s i s t oi m p r o v e t h eo p t i m i z a t i o no f t h em o d u l a r j o i n t s e r v op e r f o r m a n c ew a y.K e yw o r d s:m o d u l a r j o i n t;s e r v op e r f o r m a n c e;S i m u l i n ks i m u l a t i o n;o p t i m i z a t i o n421