砂礫石墊層地基的強(qiáng)度與變形特征試驗(yàn)研究

劉志偉，高志芳

(西北電力設(shè)計院， 陜西 西安 710032)

砂礫石墊層地基的強(qiáng)度與變形特征試驗(yàn)研究

劉志偉，高志芳

(西北電力設(shè)計院， 陜西 西安 710032)

砂礫石墊層換填地基可以提供較高的地基承載力，有效的控制建筑物變形。試驗(yàn)研究表明, 砂礫石墊層的荷載與沉降關(guān)系呈線性變化，剪切破壞僅表現(xiàn)為沉降明顯較前一階段增大，與其他相對軟弱的地基土整體快速剪切破壞有差別。砂礫石墊層的比例界限在1000 kPa～2000 kPa，要使墊層達(dá)到更大的變形破壞特征，還需要更大的荷載。砂礫石墊層的變形模量一般在49.2 MPa～154.8MPa，在浸水條件下主要表現(xiàn)為沉降量、變形增大，比例界限、極限承載力降低，變形模量減小的工程性能特征，變形模量折減系數(shù)可取0.7～0.8。

砂礫石墊層; 地基承載力; 變形模量; 載荷試驗(yàn); 浸水。

砂礫石具有壓實(shí)性能好、透水性強(qiáng)、填筑密度大、抗剪強(qiáng)度高、沉陷變形小、承載力高等工程特性，是一種性能良好的天然建筑材料，在工程建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。砂礫石墊層屬于換填法地基處理方法中的一種，主要作用有：①提高地基承載力；②減少沉降量；③加速軟弱土層的排水固結(jié)；④防止凍脹；⑤消除膨脹土的脹縮作用；⑥消能減震作用。在一般的工業(yè)民用建筑中，建筑物要求和使用的地基承載力一般在200 kPa～300 kPa。近幾年我國的電力事業(yè)發(fā)展迅速，總體向大機(jī)組、大容量、高參數(shù)發(fā)展，建(構(gòu))筑物具有“高、大、重、深”的特點(diǎn)，對地基的承載力要求越來越高。砂礫石墊層換填地基可以提供較高的地基承載力、控制建筑物變形，工程實(shí)踐證明其地基變形均勻，有利于煙囪、冷卻塔等高聳建(構(gòu))筑物的傾斜控制在允許范圍內(nèi)，在大型發(fā)電廠地基處理中得到廣泛的應(yīng)用，地基承載力達(dá)到500 kPa～700 kPa。為了進(jìn)一步提高砂礫石墊層的工程應(yīng)用和技術(shù)水平，開展砂礫石墊層地基的強(qiáng)度與變形特征試驗(yàn)研究具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

大量的地基載荷試驗(yàn)結(jié)果表明，典型的土質(zhì)地基載荷試驗(yàn)p-s曲線具有三段性，在第一變形階段中地基的p-s關(guān)系呈現(xiàn)線性化特征，該變形階段稱為彈性變形階段或地基土的壓密階段。在第二變形階段中地基的p-s關(guān)系呈現(xiàn)非線性化特征，此時土體中出現(xiàn)了局部破壞，所以該變形階段稱為局部剪切破壞階段。地基變形的第三階段稱為整體剪切破壞階段，此時地基土已發(fā)生整體剪切破壞，進(jìn)入該階段后即使荷載不再增加地基的變形也不會停止。第一變形階段和第二變形階段的分界點(diǎn)荷載值(壓力)被稱為比例界限或地基的臨塑荷載。第二變形階段和第三變形階段的分界點(diǎn)荷載值(壓力)被稱為地基的極限承載力。

在建筑物的施工中，隨著上部結(jié)構(gòu)的不斷修建，建筑物基礎(chǔ)的底面壓力會隨之增大。建筑物地基的受力狀態(tài)為：當(dāng)基礎(chǔ)荷載較小時，基底壓力p與沉降s基本上成直線關(guān)系，屬于線性變形階段；當(dāng)荷載增加到某一數(shù)值時，在基礎(chǔ)邊緣處的土開始發(fā)生剪切破壞，隨著荷載的增加，剪切破壞區(qū)(或稱塑性變形區(qū))逐漸擴(kuò)大，這時壓力與沉降之間成曲線關(guān)系，屬彈塑性變形階段；如果基礎(chǔ)上的荷載繼續(xù)增加，剪切破壞區(qū)不斷擴(kuò)大，最終在地基中形成一連續(xù)的滑動面，基礎(chǔ)急劇下沉或向一側(cè)傾倒，同時基礎(chǔ)四周的地面隆起，地基發(fā)生整體剪切破壞。

1 砂礫石墊層的破壞特征

采用靜載荷試驗(yàn)對砂礫石墊層的破壞特征進(jìn)行研究。現(xiàn)場試驗(yàn)采用相對穩(wěn)定法加荷，沉降觀測、穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB50007-2002附錄C的試驗(yàn)要點(diǎn)進(jìn)行。

圖1(a)、(b)為河南沁北砂礫石墊層載荷試驗(yàn)曲線，試驗(yàn)承壓板面積為0.5 m2，最大加載壓力分別為3200 kPa和4800 kPa。從圖1中可以看出，兩條曲線的第一變形階段彈性變形和第二變形階段彈塑性變形均比較明顯，但第三階段整體剪切破壞僅表現(xiàn)為沉降明顯較前一階段增大，每級荷載下均能達(dá)到沉降穩(wěn)定，與其他相對軟弱的地基土整體快速剪切破壞有差別。兩組試驗(yàn)的比例界限分別為1000 kPa和1600 kPa，極限承載力分別為2600 kPa和3200 kPa。

圖2(a)、(b)為山東鄒縣砂礫石墊層試驗(yàn)曲線，試驗(yàn)承壓板面積為0.25 m2，最大加載壓力均為2800 kPa。與河南沁北情況類似，兩條曲線的第一變形階段彈性變形和第二變形階段彈塑性變形均比較明顯，但第三階段整體剪切破壞僅表現(xiàn)為沉降明顯較前一階段增大，每級荷載下均能達(dá)到沉降穩(wěn)定。兩組試驗(yàn)的比例界限均為1600 kPa，極限承載力均為2400 kPa。

圖3(a)、(b)為陜西府谷砂礫石墊層試驗(yàn)曲線，試驗(yàn)承壓板面積為0.25 m2，最大加載壓力均為4400 kPa。試驗(yàn)與前兩個工程不同，兩條曲線的第一變形階段彈性變形和第二變形階段彈塑性變形不明顯，且第三階段整體剪切破壞僅表現(xiàn)為沉降明顯較前一階段略增大，每級荷載下均能達(dá)到沉降穩(wěn)定，說明要使墊層達(dá)到更大的變形破壞特征，還需要更大的荷載。兩組試驗(yàn)的比例界限均為2000 kPa，極限承載力均為3200 kPa。

由以上試驗(yàn)分析可以看出，砂礫石墊層的荷載與沉降關(guān)系開始呈線性變化，當(dāng)瀕臨破壞時出現(xiàn)了明顯的拐點(diǎn)，顯示出整體剪切破壞的特征。根據(jù)魏錫克(Vesic,A.s.)，主要考慮土的壓縮性，當(dāng)土是相對不可壓縮時，此時地基將發(fā)生整體剪切破壞，由此看出砂礫石墊層抗壓縮的特征。

2 砂礫石墊層的變形與承載力

土體變形是彈塑性的，由載荷試驗(yàn)求得的變形模量E0包含彈性和塑性這兩部分變形在內(nèi)，可由作用于承壓板上的單位壓力p與相應(yīng)沉降量s關(guān)系曲線上的直線段求取。表1為工程中砂礫石墊層載荷試驗(yàn)成果。試驗(yàn)結(jié)果表明，根據(jù)最大加載一半的取值原則確定的砂礫石墊層承載力特征值一般大于400 kPa或更高，若按相對變形值s=0.01 d則更大，說明砂礫石墊層的承載力高。砂礫石墊層的變形模量一般在49.2 MPa～154.8 MPa，平均96.6 MPa。粗粒換填材料地基由剪切和壓縮所引起的沉降都在加荷后很快發(fā)生，砂礫石墊層在施工期間墊層自身的壓縮變形已基本完成，且量值很小。因而對于碎石、卵石、砂夾石墊層，在地基變形計算中，可以忽略墊層自身的變形值。

3 浸水條件下砂礫石墊層的工程性能

為了研究砂礫石墊層在浸水條件下的工程性能，在內(nèi)蒙準(zhǔn)格爾、河南沁北試驗(yàn)中進(jìn)行了浸水條件和未浸水的對比試驗(yàn)。

圖4、圖5分別為內(nèi)蒙準(zhǔn)格爾天然級配和人工級配砂礫石墊層在浸水條件與未浸水的試驗(yàn)對比曲線。天然級配砂礫石墊層的最大加載為700 kPa，未浸水狀態(tài)下的最大沉降為5.91 mm，浸水狀態(tài)下的最大沉降為7.17 mm，兩種狀態(tài)均未達(dá)到極限荷載。從承載力取值方面兩者雖然無大的差別，但在浸水狀態(tài)下變形模量明顯降低(未浸水狀態(tài)和浸水狀態(tài)的變形模量E0分別為68.7 MPa和56.8 MPa)，降低了17.3%。人工級配砂礫石墊層的最大加載為700 kPa，未浸水狀態(tài)下的最大沉降為4.82 mm，浸水狀態(tài)下的最大沉降為7.08 mm，兩種狀態(tài)均未達(dá)到極限荷載。同樣在承載力取值方面兩者無大的差別，在浸水狀態(tài)下變形模量明顯降低(未浸水狀態(tài)和浸水狀態(tài)的變形模量E0分別為84.3 MPa和57.5 MPa)，降低了31.8%。

圖6為河南沁北在浸水條件與未浸水的試驗(yàn)對比曲線，最大加載分別為3200 kPa和4800 kPa。浸水狀態(tài)試驗(yàn)在荷載加至600 kPa下浸水，浸水36 h，其沉降增量僅0.3 mm，即在600 kPa浸水條件下，墊層基本未沉降。但在浸水條件下的總沉降量和未浸水試驗(yàn)狀態(tài)相比，其沉降量明顯偏大，比例界限、變形模量和極限承載力值也偏低。浸水條件下比例界限為1000 kPa，變形模量E0為113.9 MPa，極限承載力為2600 kPa；未浸水條件下比例界限為1600 kPa，變形模量E0為138.3 MPa，極限承載力為3200 kPa。浸水狀態(tài)與未浸水相比變形模量降低了17.6%。

以上兩地的試驗(yàn)研究表明，砂礫石墊層在浸水條件下的工程性能特征，主要表現(xiàn)為沉降量、變形增大，比例界限、極限承載力降低，變形模量減小。在工程實(shí)際應(yīng)用中，一般要求的地基承載力取值雖然能控制在比例界限范圍內(nèi)，但應(yīng)考慮地基在長期浸水條件下對變形的影響。在天然狀態(tài)取得的變形模量用于浸水條件下時，變形模量值應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，建議折減系數(shù)取0.7～0.8，取值高低取決于砂礫石墊層的顆粒級配組成、含泥量、密實(shí)度等多種因素。

表1 砂礫石墊層承載力與變形模量

圖4 準(zhǔn)格爾天然級配砂礫石天然狀態(tài)與浸水狀態(tài)載荷試驗(yàn)對比

圖5 準(zhǔn)格爾人工級配砂礫石天然狀態(tài)與浸水狀態(tài)載荷試驗(yàn)對比

圖6 河南沁北天然狀態(tài)與浸水狀態(tài)載荷試驗(yàn)對比

4 結(jié)論

⑴砂礫石墊層的荷載與沉降關(guān)系呈線性變化，剪切破壞僅表現(xiàn)為沉降明顯較前一階段增大，與其他相對軟弱的地基土整體快速剪切破壞有差別。砂礫石墊層的承載力特征值一般大于400 kPa或更高，砂礫石墊層的比例界限在1000～2000 kPa之間。

⑵砂礫石墊層的變形模量一般在49.2～154.8 MPa，平均96.6 MPa。砂礫石墊層在施工期間墊層自身的壓縮變形已基本完成，且量值很小，在地基變形計算中可以忽略墊層自身的變形值。

⑶砂礫石墊層在浸水條件下的工程性能特征，主要表現(xiàn)為沉降量、變形增大，比例界限、極限承載力降低，變形模量減小。在未浸水試驗(yàn)狀態(tài)取得的變形模量用于浸水條件下時，變形模量值應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼蹨p，建議折減系數(shù)取0.7～0.8。

[1] 郭慶國.粗粒土的工程特性及應(yīng)用[M].鄭州：黃河水利出版社，1998.

[2] JGJ79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 閻明禮.地基處理技術(shù)[M].北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，1996.

[4] 西北電力設(shè)計院.砂礫石碾壓墊層的工程性能與應(yīng)用研究[R].西安：西北電力設(shè)計院，2009.

[5] 鄒穎嫻. 砂礫石墊層的隔震性能研究[碩士學(xué)位論文[D].西安：西安建筑科技大學(xué)，2006.

[6] 葉書麟，韓杰，葉觀寶.地基處理與托換技術(shù)(第二版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1995.

[7] 韓曉雷.地基與基礎(chǔ)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2003.

Experimental Research on Strength and Deformation Characteristics of Sand-gravel Cushion

LIU Zhi-wei, GAO Zhi-fang
(Northwest Electric Power Design Institute, xi’ an 710032, China)

Sand-gravel cushion may provide high bearing capacity; control the settlement and deformation of structure effectively. Experimental research indicate that the relationship between load and settlement of sand-gravel cushion present linear characteristic, shear failure present settlement increase compare with former stage obviously, have some difference compare with other relative weak subsoil that have whole quickly shear failure characteristic. The proportional limit of sandgravel cushion varies between 1000kPa and 2000kPa, if sand-gravel cushion reach more deformation failure characteristic require more load. The modulus of deformation changes between 49.2MPa and 154.8MPa, under soaked, engineering characteristics including of settlement and deformation increase, proportional limit and ultimate bearing capacity decrease, and modulus of deformation reduce, discount of modulus of deformation varies between 0.7 and 0.8.

sand-gravel cushion; subgrade bearing capacity; modulus of deformation; plate loading test; soaked.

TU4

B

1671-9913(2010)06-0011-05

2010-07-20

劉志偉(1971-)，男，山西人，國家注冊土木工程師(巖土)，高級工程師。