湘西南高液限紅粘土地區地基承載力原位試驗研究

賀春寧,任 毅,王宏祥

(湖南省交通科學研究院,湖南長沙 410015)

紅粘土是一類典型的特殊土,其工程性質特殊,一方面其具有高含水量、高塑性、高孔隙比、密度低、壓實性差等不良物理性質;另一方面卻具有高強度、中低壓縮性的力學特性。而且紅粘土廣泛存在于我國貴州、廣西、云南、湖南等省(自治區)[1,2],這與一般粘性土的性質有很大差異,故對紅粘土地區地基承載力的正確評估對施工過程將產生較大的影響。雖說原位試驗還處于經驗法階段[3],不過與室內土工試驗相比,還是有許多優點,工程勘測實踐證明,原位測試技術的應用效果良好,經濟效益明顯,應用范圍越來越廣。本文結合某高速公路建設過程,對依托工程沿線不同樁號和深度選取多個典型試驗點進行了原位測試。

1 工程概況

根據地面綜合工程地質測繪結果,工程沿線大量分布有硬塑-可塑狀粘土,該地質巖組屬于第四系更新統殘坡積層;主要位于溶蝕谷地、丘坡等部位,巖性為紅粘土及含碎石粘土。

2 試驗點分布及基本物理力學性質

2.1 試驗點分布

本次原位試驗所選取的試驗點的平面布置如圖1所示,所處的深度位置如圖2所示。

2.2 試驗點基本物理力學性質

圖1 試驗點平面布置圖

圖2 試驗點沿垂向布置圖

根據相關規范和手冊[4～6],試驗點紅粘土的各種基本物理力學指標通過室內試驗獲得,天然含水率采用烘干法(溫度105℃～110℃),土的密度試驗采用環刀法,液限和塑限采用液塑限聯合測定法。各點土體的物理性質數據如表1所示。

3 淺層平板載荷試驗

3.1 試驗原理

淺層平板載荷試驗是在現場用一定面積的剛性承壓板逐級加荷,測定天然埋藏條件下淺層地基沉降隨荷載而變化的現場試驗,用以評價承壓板下應力影響范圍內巖土的強度和變形特性。

表1 各試驗點對應土體的物理力學性質表

典型的平板載荷試驗P—S曲線可以劃分為3個階段,見圖3。

圖3 平板載荷試驗P—S曲線

3.2 試驗結果分析

最小二乘法,其計算式如下:

則有:

式中:N為直線段的加荷次數。

對比例界限以前各點,根據C,P按式(3)校正。

對于比例界限以后各點,按式(4)校正:

式中,S′為沉降量校正量;其他符號意義同前。

根據校正后的S′值繪制P—S′沉降量關系曲線,即為一般的P—S曲線。各試驗點修正后的P—S曲線如圖4所示。

圖4 修正后的P—S曲線

3.2.2 地基承載力特征值的確定

各平板載荷試驗點的紅粘土地基的承載力特征值如表2所示。

3.2.3 變形模量的計算

變形模量可由平板載荷成果P—S曲線的直線變形段,按彈性理論公式求得,如式(5)所示:

變形模量的計算結果如表2所示。

表2 各平板載荷試驗點的紅粘土地基的承載力特征值

3.2.4 平板載荷試驗成果分析

本節采用平板載荷試驗,選取紅粘土地區橫向和垂向上的較典型的地層作為試驗點,通過分析發現紅粘土的地基承載力在橫向的變化程度較大,如圖5～圖8。

圖5 承載力特征值橫向變化圖

圖6 變形模量橫向變化圖

從地基承載力和變形模量的橫向變化圖來看,可以看出,高程+323m,坡谷處的試驗點的承載力特征值只有97.1 kPa,承載力較差,隨著高程的增加,紅粘土厚度逐漸變厚,承載力有增大的趨勢,在清表之后的坡中的承載力比坡腳和坡谷的承載力要大45%和204%。

圖7 承載力特征值垂向變化圖

圖8 變形模量垂向變化圖

從地基承載力和變形模量垂向變化來看,k166+460附近的承載力變化趨勢為先增加后減小,其主要原因是由于上覆土的荷載,較深范圍內的土體應力較大,固結較好,從而導致地基承載力的提高,而接近下臥弱風化白云質灰巖的紅粘土地層時,土體含水量增加,地基承載力有所下降。

綜合以上結果,可以發現,由于紅粘土地層具有垂直分帶性和水平不均勻性等特征,地基承載力有較大程度的變化,因此紅粘土地區應特別注意紅粘土賦存的這種空間特征。

4 動力觸探試驗

本次試驗采用的是輕型圓錐動力觸探儀,落錘質量10 kg,落距為50 cm,探頭直徑40mm,錐角為60°,各探桿直徑均為25 mm,記錄每貫入30 cm的錘擊數N10。以淺層平板載荷試驗所得到的承載力為參照,可以得到此紅粘土地區輕型動力觸探的經驗公式,如圖9所示,平板載荷試驗所得承載力特征值與輕型動力觸探擊數之間體現出較好的相關性,在實踐工程中采用了式(1)所示的簡便公式,取得了良好的效果。

圖9 動力觸探平均擊數與平板載荷承載力特征值相關關系

值得說明的是當遇致密硬土層時輕型動力觸探擊數有可能貫入15 cm錘擊數大于50,此時不宜采用上述經驗公式計算承載力,需結合平板載荷等試驗來綜合確定。

5 地基處理和基礎型式的選擇

由原位試驗成果可知,紅粘土的地基承載力和變形參數在橫縱向的變化程度都較大,因此紅粘土地基處理和基礎型式選擇建議遵循以下原則或方法。

1)對于石芽密布并有出露的地基,當石芽間距小于2m,其間為硬塑或堅硬狀態的紅粘土時,對于基地壓力小于200 kPa的建筑物或構筑物,在對石芽出露部位用爐渣、中砂、粗砂、土夾石等材料作300～500mm褥墊之后,可以作為基礎的地基。

2)當建筑物或構筑物要求較高或地質條件比較復雜,不滿足上述條件時,可采用樁基或梁、拱跨越等處理措施。

3)在地基壓縮性相差較大的部位,宜結合建筑物平面形狀、荷載條件設置沉降縫。

4)在石芽密布地段,當溶槽較寬大時,可將基底做成臺階狀,使相鄰段上的可壓縮層厚度呈漸變過渡,也可在槽中設置若干短樁。

6 結語

1)本文采用了淺層平板載荷試驗,確定了各試驗點的地基承載力和變形模量,分析了紅粘土地基承載力和模量的空間分布特征,發現紅粘土的地基承載力沿線路方向變化幅度較大,即呈“上硬下軟”的特點。

2)采用輕型圓錐動力觸探儀進行了現場原位試驗,并以淺層平板載荷試驗所得到的承載力為參照,得到了此紅粘土地區輕型動力觸探的經驗公式。

3)根據上述紅粘土的地基承載力和變形參數在水平和深度方向的變化程度都較大的空間特征,對紅粘土的地基處理和基礎型式的選擇提出了建議,可用于指導施工。

[1]譚羅榮,孔令偉.特殊巖土工程土質學[M].北京:科學出版社,2006.

[2]趙穎文,等.廣西原狀紅粘土力學性狀與水敏性特征[J].巖土力學,2003,24(4):568-572.

[3]孟高頭.土體原位測試機理、方法及其工程應用[M].北京:地質出版社,1997.

[4]GB 50021-2001巖土工程勘察規范[S].

[5]常士驃,張蘇民.工程地質手冊[M].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[6]JTG E 40-2007,公路土工試驗規程[S].

[7]謝俊文.湖南紅粘土的工程地質特性[J].電力勘測,1995(1):23-27.

[8]李曉全,馬石城,屈暢姿,等.水泥紅粘土的強度試驗研究[J].公路工程,2007,32(6):49-52.

[9]朱天璋,黃向京.湖南高速公路紅粘土工程特性及問題與對策探討[J].公路工程,2008,33(5):24-28.

[10]羅 斌,趙 雄.碎石改良高液限紅粘土的試驗研究[J].公路工程,2009,34(2):131-134.

[11]袁騰方,殷 穎,劉小平.桂武高速碳酸鹽高液限紅粘土壓實特性研究[J].公路工程,2009,34(6):104-106.

[12]滕 珂,肖宏彬,許 豪,等.非飽和膨脹土與紅粘土的對比試驗研究及微觀結構分析[J].公路工程,2010,35(5):4-9.

[13]陳 蘭.粘土的各向異性研究[J].森林工程,2007,23(4):77-79.