卵石層與強風(fēng)化砂巖層地基承載力研究

祁萬森，楊宇

（1.甘肅省建筑科學(xué)研究院，甘肅 蘭州 730000；2.山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原 030006）

在實際工程中，地基主要發(fā)生剪切破壞，而地基承載力特征值是描述剪切破壞的重要參數(shù)，因此確定地基承載力特征值對工程設(shè)計和施工具有非常重要的意義。

目前工程中常用現(xiàn)場原位試驗測試地基承載力，常用的原位試驗方法有：淺層平板載荷試驗[1]、深層載荷試驗[2]、旁壓試驗[3]。地基承載力的計算方法也有很多，目前應(yīng)用最廣泛的就是按照規(guī)范[4]確定地基承載力，除此之外，還有一些其他的計算方法：按照土的抗剪強度進(jìn)行計算[5]、斯肯普頓公式[6]、太沙基極限荷載公式[7]，還有按照工程所在地的建筑經(jīng)驗確定地基承載力。

黃河河流階地下覆地層多以砂卵礫石層和紅層砂巖層為主，作為高層建筑地基、地鐵隧道圍巖，由于巖性差異，在施工以及建筑投入使用后，非常容易發(fā)生不均勻沉降和收斂變形，通過對比不同地層巖性的地基承載力特征值，可以為設(shè)計施工提供科學(xué)依據(jù)和理論支撐，確保工程的可靠性和施工安全。

1 地層巖性與試驗方法

1.1 地層巖性

本研究依托于某高層建筑的地基檢測，該建筑基礎(chǔ)采用筏板基礎(chǔ)。通過前期勘察，發(fā)現(xiàn)該建筑具有2 種不同巖性的地基：卵石層、新近紀(jì)強風(fēng)化砂巖層。

卵石層呈雜色，成分以石英巖、花崗巖、變質(zhì)巖等為主，磨圓度較好，呈亞圓形，級配一般，粒徑以20～80 mm 為主，最大150 mm，含漂石，卵石顆粒呈中風(fēng)化，交錯排列，充填物以粗粒土為主，骨架顆粒含量約占全重的60%～65%，中密。該層在表層分布有不同厚度的粉土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、圓礫夾層或透鏡體，規(guī)律性差。

新近紀(jì)強風(fēng)化砂巖層為半成巖，呈桔紅色，以礦物成份以石英、長石為主，含少量云母、細(xì)粒結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，成巖作用差，易鉆進(jìn)，易塌孔，巖芯破碎，多呈3～5 cm 左右的短柱狀，局部散體狀，遇水或擾動極易軟化，暴露地表極易風(fēng)化，致密。

1.2 試驗方法

該工程天然卵石及強風(fēng)化砂巖層位于地下水位以下，施工過程中采用輕型井點降水。本次淺層平板載荷試驗，是在降水后與基礎(chǔ)底面同一標(biāo)高的天然地基上進(jìn)行的。具體的試樣方法依據(jù)《建筑地基檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 340—2015）進(jìn)行。

以工字鋼及配重做為反力架，試驗所用承壓板為圓形剛性壓板，壓板底面直徑564 mm，底面積為0.25 m2。用50 t 油壓千斤頂加荷，油壓表測讀加荷量，用百分表測讀沉降。每級加荷為預(yù)估最大加載量的1/8，本次試驗每級加荷150 kPa。每級加荷施加后應(yīng)按第10 min、20 min、30 min、45 min、60 min 測讀承壓板的沉降量，以后應(yīng)每隔半小時測讀一次。在連續(xù)2 h 內(nèi)，每小時的沉降量應(yīng)小于0.1 mm，當(dāng)承壓板沉降速率達(dá)到相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)時，應(yīng)再施加下一級荷載。每級荷載維持1 h，應(yīng)按第10 min、30 min、60 min 測讀承壓板沉降量；卸載至0 后，應(yīng)測讀承壓板殘余沉降量，維持時間3 h，測讀時間應(yīng)為第10 min、30 min、60 min、120 min、180 min。

2 試驗結(jié)果與分析

本次試驗分別在卵石層和強風(fēng)化砂巖層進(jìn)行，各選取了3 個不同位置進(jìn)行試驗。得到了不同地層的地基承載力。

2.1 卵石層地基承載力

卵石層的測試點分別為：Z2、Z3、Z4，埋深1.3～7.0 m，厚度4.0～13.2 m。通過淺層平板載荷試驗，得到了卵石層的淺層平板載荷試驗結(jié)果，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別得到了不同位置的荷載- 沉降曲線（p-s），如圖1所示。

圖1 天然卵石層荷載-沉降曲線

從圖1 中可以看出，p-s曲線可分為4 個階段，第1 階段為線性變形階段（a），在該階段，荷載較小，卵石層主要發(fā)生縱向變形，顆粒間孔隙減小。此時地基處于彈性變形階段，曲線的斜率表示彈性模量。在第1 階段，3 個測試點的曲線變化一致，彈性模量相近，沉降量差異很小。第2 階段為塑性變形階段（b），此時p-s不再是線性關(guān)系，斜率不斷增大，說明此時地基由彈性變形轉(zhuǎn)變?yōu)樗苄宰冃巍５? 階段為完全破壞階段（c），沉降量突然增加，曲線斜率大幅增大，地基發(fā)生剪切破壞。第4 階段為回彈階段，當(dāng)逐漸降低荷載，地基發(fā)生回彈變形，在p-s曲線中出現(xiàn)了回滯環(huán)，一部分沉降恢復(fù)。從圖中可以看出，回彈階段的曲線斜率與彈性變形階段的斜率非常近似，說明卵石層具有非常好的彈性特征，強度較高。回彈后參與沉降，即為卵石層塑性變形引起的位移，該部分不可恢復(fù)，在進(jìn)行工程施工時要重點關(guān)注。

通過計算，得到了卵石層的地基承載力特征值，列于表1。

表1 天然卵石層的地基承載力特征值

2.2 強風(fēng)化砂巖層地基承載力

強風(fēng)化砂巖層的測試點為：Z1、Z5、Z6，埋深8.0～16.6 m，厚度5.5～6.5 m。通過淺層平板載荷試驗，得到了強風(fēng)化砂巖層的淺層平板載荷試驗結(jié)果，通過對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分別得到了不同位置的荷載-沉降曲線（p-s），如圖2所示。

從圖2可以看出，強風(fēng)化砂巖層的彈性變形和塑性變形階段分隔不太明顯，但是破壞階段非常明顯。并且其回滯環(huán)變化比較緩慢，說明強風(fēng)化砂巖層的變形以塑性變形為主。

圖2 強風(fēng)化砂巖層的荷載-沉降曲線

通過計算，得到了強風(fēng)化砂巖層的地基承載力特征值，列于表2。

表2 強風(fēng)化砂巖層的地基承載力特征值

3 對比與討論

通過以上試驗結(jié)果，發(fā)現(xiàn)天然卵石層的地基承載力普遍高于強風(fēng)化砂巖層，并且從p-s曲線中可以直觀地觀察到二者的差異。將二者的p-s曲線進(jìn)行對比，得到圖3。從圖3 中可以看出，強風(fēng)化砂巖層的地基承載力明顯低于天然卵石層，并且天然卵石層的回滯環(huán)更大，彈性模量較大。為了進(jìn)行定量對比，對回彈量進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，得到的結(jié)果列于表3。

圖3 天然卵石層與強風(fēng)化砂巖層的對比曲線

表3 天然卵石層與強風(fēng)化砂巖層回彈對比

由表3 可以看出，天然卵石層的回彈最大沉降量低于強風(fēng)化砂巖層，并且其回彈率高于砂巖層。由此可知，強風(fēng)化砂巖層的彈性性質(zhì)較弱，主要發(fā)生塑性變形。卵石層的性質(zhì)較好。進(jìn)行工程施工時，需要著重考慮強風(fēng)化砂巖層的變形特性，對其進(jìn)行特殊處理。

4 結(jié)論

通過對不同地層巖性的地基進(jìn)行淺層平板載荷試驗，得到了以下認(rèn)識：

a）利用淺層平板載荷試驗可以有效地測得地基承載力，天然卵石層的地基承載力特征值要高于強風(fēng)化砂巖層。并且，兩者載荷- 沉降曲線均呈現(xiàn)出相似的變化規(guī)律。淺層平板載荷試驗前要對地基進(jìn)行排水處理，這可能會導(dǎo)致地基巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得最終測試結(jié)果偏低，對于此，還需要進(jìn)行更深入的研究。

b）強風(fēng)化砂巖層在試驗中主要發(fā)生塑性變形，天然卵石層的性質(zhì)較好，以彈性變形為主。在現(xiàn)場試驗中發(fā)現(xiàn)，強風(fēng)化砂巖遇水極易發(fā)生崩解，因此，在進(jìn)行地基處理過程中需要著重考慮地下水位的影響。施工過程中，需要對強風(fēng)化砂巖層地基進(jìn)行特殊處理，以保證其滿足工程設(shè)計要求。