長期荷載壓實地基土物理力學性質變化特征探討

靳文博， 呂軍利

河南省有色工程勘察有限公司（450016）

某氧化鋁廠用于分解、提取氧化鋁的種子分解槽是該廠的核心設施。種子分解槽的槽體直徑Ф9m，高32m，采用天然地基筏板獨立基礎。筏板直徑Ф12m，厚1.6m，基底埋深3.5m，設計荷載250kPa。為了提高氧化鋁的分解能力、產(chǎn)能和產(chǎn)品質量,廠方在技術改造中將采用機械攪拌取代鼓風攪拌,進入分解槽的漿液容重由原來的12.0kN/m3,增加到16.5 kN/m3，有效荷載增加37.5%。基礎筏板上漿液容重和機械設備的增加,對原有基礎的承載能力和沉降變形提出了新的要求。

長期荷載壓實作用下地基土的物理力學性質會發(fā)生變化，承載能力將有所提高，但壓實地基在荷載增加后，能否滿足設計荷載和變形要求，是技術改造中首要關注的問題。受廠方的委托，作者主持完成了三組40個種子分解槽基礎下的巖土工程補充勘察工作,為地基托換加固設計部門提供地基土物理力學參數(shù)。

1 長期壓實狀態(tài)下和天然狀態(tài)下地基土物理力學性質指標

氧化鋁廠位于鄭州市上街區(qū),地貌單元屬黃河中游沖積平原。經(jīng)過幾十年的工程建設，原始地貌發(fā)生了很大變化，在廠區(qū)勘察深度范圍內(nèi)地層為雜填土,第四系上更新統(tǒng)（Q3al）黃土狀粉土和粉質粘土，中更新統(tǒng)（Q2al）粉質粘土等。本次補充勘察采用鉆探取樣、標準貫入試驗、土工試驗，取得了大量的第一手資料。長期荷載壓實作用下地基土的物理性質指標見表1。

表1 長期荷載壓實作用下地基土的物理性質指標統(tǒng)計表

為進行分析對比,收集了某勘察設計研究院在距離補充勘察場地西部100～200m范圍內(nèi),與補充勘察同期進行的天然狀態(tài)下地基土的勘察資料。地基土的物理性質指標見表2。

同一場地、同一成因兩種荷載狀態(tài)下地基土主要受力層壓縮模量對比結果見表3。

不同受力狀態(tài)、不同深度區(qū)段黃土狀粉土孔隙比統(tǒng)計值見表4。

2 地基土物理力學性質變化特征分析

廠區(qū)內(nèi)天然地基土的物理力學特征與區(qū)域內(nèi)其它場地地基土的性質相差不大,而長期荷載作用下地基土的性質則發(fā)生很大變化，主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

2.1 地基土孔隙比的變化

根據(jù)鄭州地區(qū)勘察資料，在第四系沖洪積成因下形成的同類土，基本是呈層狀韻律沉積，受自重應力的作用，在密實度方面遵循上部土疏松、下部土密實的規(guī)律。某勘察院是在空曠場地上進行勘察，場地土未受到長期壓縮，地基土孔隙比變化符合上部大下部小的規(guī)律，隨著勘察深度的增加孔隙比逐漸減小，變化規(guī)律見表4。

表2 天然狀態(tài)下地基土的物理性質指標統(tǒng)計表

表3 主要受力層壓縮模量對比結果表

表4 不同受力狀態(tài)、不同深度區(qū)段黃土狀粉土孔隙比統(tǒng)計值

由圖表對比分析,經(jīng)過后期長期穩(wěn)定荷載的壓實作用,在基礎底面下12m深的范圍內(nèi)，地基土的孔隙比均有變小的趨勢,為天然狀態(tài)下所得82%～96.5%。在深度變化范圍上，接近基礎底面范圍內(nèi)的孔隙比變化大,遠離基礎底面地基土孔隙比變化小，深度增加到16m之后，孔隙比接近于天然土。

再由單孔勘察資料顯示,分布在分解槽中間鉆孔的孔隙比要比邊緣鉆孔的孔隙比小，說明荷載疊加效應愈大，對地基土的壓實作用愈強。

2.2 地基土重度與干重度變化規(guī)律

根據(jù)表1和表2可以看出，壓實作用下地基土重度、干重度比天然狀態(tài)下分別提高。在20m深度范圍內(nèi)，壓實土的天然重度提高幅度在1%～8%，干重度提高幅度在2%～7%之間，靠近基礎底面地基土重度增幅較大,與地基土埋深呈負相關關系,而土的重度與孔隙比的變化呈正相關漸變關系。

2.3 黃土狀粉土濕陷性得到消除

場地內(nèi)黃土狀粉土為沖洪積成因，按勘察資料基底下6 m范圍內(nèi)，濕陷系數(shù)平均為 0.16，孔隙比在 0.766～1.105，孔隙比較大且具有大孔結構，屬于非自重濕陷性黃土。黃土狀粉土在受到30余年長期荷載的作用后，其孔隙內(nèi)的空氣和孔隙水在壓力的作用下，逐漸消失或運移，土原生結構遭到破壞而趨于密實，土的濕陷性基本消除。

2.4 影響壓縮深度的因素

土的性質是影響壓縮深度的主要因素。由于場地地基土的原始狀態(tài)屬于沖洪積成因，主要承力層為黃土狀粉土，孔隙比較大且具有大孔結構,在受到后期長期荷載的作用后，其孔隙內(nèi)的空氣和孔隙水在壓力的作用下,逐漸消失或運移，土原生結構遭到破壞而趨于密實。其埋藏厚度愈大，壓力影響的深度隨之加大。后期荷載的大小也是影響壓縮深度的主要因素，荷載愈大，對地基土影響的深度也愈大,其原理與土工試驗中高壓固結試驗的原理相同。

地下水對壓縮深度的影響主要與地下水穩(wěn)定水位有直接關系，水位下降幅度加大，壓縮深度加大。

3 長期荷載壓實地基土承載力特征值

由于在長期壓縮條件下黃土狀粉土濕陷性的基本消除，在利用規(guī)范結合地區(qū)經(jīng)驗在評價地基承載力特征值是在緩慢提高。

4 結論

1）地基土在長期荷載作用下，孔隙比有降低趨勢，上部幅度大，下部幅度小，影響深度在基礎底面下16m范圍內(nèi)。

2）在長期荷載作用下，地基土的重度和干重度均有提高，土的壓縮模量值提高幅度最大，在35%～110%之間。

3）在長期荷載作用下,非自重濕陷性黃土狀粉土的濕陷性得到消除，土的物理狀態(tài)與非濕陷性黃土基本相同。

4）在長期荷載作用下，地基土承載力特征值大幅度提高，增值幅度在50%左右，后期荷載愈大愈穩(wěn)定，壓實土承載力特征值就愈高。

5）在相同長期荷載的作用下，壓實時間愈長，地基土承載力特征值在緩慢提高。