浦口高新區(qū)粉質(zhì)粘土地基承載力試驗分析

袁 峰 宗 靜

(1.江蘇科泰巖土工程有限公司，江蘇 泰州 225309； 2.南京市測繪勘察研究院股份有限公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟社會的快速發(fā)展，城市建筑不斷向高層和超高層建設(shè)。高層建筑對地基承載力要求較高，對地基的形變控制嚴(yán)格。因此，較準(zhǔn)確的確定地基承載力非常重要。關(guān)于地基承載力確定的方法，已有學(xué)者做了卓有成效的研究，其中，吳剛[1]通過在相同地質(zhì)條件下的實際工程，分別選用載荷試驗和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗兩種方法進行地基承載力的判別，并分析了測試數(shù)據(jù)；楊光華等[2]結(jié)合工程實例，比較了室內(nèi)巖土實驗和原位試驗結(jié)果對巖石地基承載力設(shè)計取值的影響，提出在復(fù)雜地質(zhì)條件下以原位試驗的結(jié)果確定地基承載力更為合理；盧玉南[3]利用數(shù)理統(tǒng)計理論，分析了紅粘土標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗資料，研究了紅粘土地基承載力特征值、壓縮模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗錘擊數(shù)的數(shù)值關(guān)系，擬合出其經(jīng)驗公式；肖澤忠等[4]通過試驗原理、不同深度下的土壓力差異鉆桿因素3個方面，將標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗結(jié)果與平板載荷試驗地基承載力結(jié)果進行比較，分析了產(chǎn)生承載力差異的原因，討論了造成標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗差異的因素。王學(xué)武等[5]根據(jù)回歸分析理論，通過對伊拉克哈法亞油田的地基土進行載荷試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗及室內(nèi)土工試驗，得到了基于標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擊數(shù)、土工試驗參數(shù)的地基承載力回歸方程。張羽等[6]通過對規(guī)范的演化過程分析，指出了錘擊數(shù)的數(shù)據(jù)分析方法及地基承載力推定表格中存在的問題，并推薦出較為合理的數(shù)據(jù)分析方法和相關(guān)的承載力推定表格。張溧安等[7]指出載荷試驗費時、耗資而不宜多做。對于一般的工程可采用回歸分析法建立靜力觸探試驗參數(shù)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗參數(shù)、室內(nèi)土工試驗參數(shù)與地基承載力的相關(guān)關(guān)系。宗靜等[8]以工程為例，對比了南京江寧地區(qū)極軟巖地基承載力的取值，確定軟質(zhì)巖承載力特征值的合理有效的方法。

南京市浦口高新技術(shù)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)廣泛地分布有可～硬塑的粉質(zhì)粘土。該層土作為建筑物基礎(chǔ)持力層較為合適，但確定其承載力較困難。本文以該地區(qū)某工程為背景，從現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和室內(nèi)試驗，獲得土體物理力學(xué)性能參數(shù)，并結(jié)合現(xiàn)場載荷試驗，提出了該層土體的地基承載力取值建議。

1 工程背景

1.1 工程概況

擬建工程位于南京市區(qū)浦口高新技術(shù)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，星火路和規(guī)劃中心路交叉口東北角，地鐵3號線星火路站北側(cè)場地內(nèi)。項目占地面積約63 398 m2。規(guī)劃建設(shè)高層辦公樓及公寓，地上高度約100 m～150 m，整體地下車庫深約10 m～15 m。總建筑面積約384 166 m2，其中地上約253 583 m2，地下約130 583 m2。主要包括1幢31層辦公樓，高度約149 m，6層商業(yè)裙房、4幢20層辦公樓、公寓樓(約96.3 m)及輔助2層商業(yè)和3層整體地下車庫。地下車庫范圍為超高層辦公塔樓、高層辦公樓、公寓樓、商業(yè)樓。純地下車庫部分地上無建筑荷載作用，結(jié)構(gòu)自身荷載較小，地基土體工程性質(zhì)良好，考慮采用天然地基。

1.2 場地工程地質(zhì)特征

場地原為住宅及廠房，已整平，地勢較高，地形相對平坦，整體呈西高東低之勢。現(xiàn)地面標(biāo)高在27.39 m～33.13 m，最大相差約5.74 m。場地地貌單元為階地，發(fā)育有坳溝。野外勘探鑒別、現(xiàn)場原位測試，結(jié)合室內(nèi)巖土實驗成果綜合分析，場地巖土層分布自上而下詳細描述如下：

①1雜填土。松散，混凝土地面、碎磚、碎石混少量粉質(zhì)粘土填積，碎磚和碎石等填齡在5年以上，密實度、均勻性差，層厚4.8 m～8.5 m。

①2素填土。軟～可塑，粉質(zhì)粘土混少量碎磚、碎石填積，填齡在10年以上，均勻性較差，層厚0.4 m～7.6 m。

②粉質(zhì)粘土。可塑，局部軟塑，韌性、干強度中等，層厚0.6 m～10.3 m。

③粉質(zhì)粘土。可～硬塑，韌性中等、干強度高，局部底部混少量卵礫石，層厚0.5 m～12.8 m。

⑤1強風(fēng)化砂質(zhì)泥巖。風(fēng)化強烈，結(jié)構(gòu)大部分已遭破壞，巖芯手易折斷，碎后呈砂土狀，局部夾硬巖塊，巖體極破碎，屬極軟巖，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅴ級，遇水易軟化，層厚0.6 m～6.5 m。

⑤2中風(fēng)化砂巖。巖芯呈柱狀—長柱狀，RQD約為75%～80%，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造。有少量裂隙發(fā)育，主要為軟巖～較軟巖，巖體較完整，巖體基本質(zhì)量等級為Ⅳ級，該層未鉆穿。

2 現(xiàn)場原位試驗

2.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

為了較準(zhǔn)確的確定場地內(nèi)③層粉質(zhì)粘土的地基承載力，對該層土體進行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗過程采用63.5 kg的穿心錘，并以760 mm的自由落距，將C099土壤標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗器UX-20標(biāo)準(zhǔn)貫入器在孔底預(yù)打入土中150 mm，測記再打入300 mm，記錄的錘擊數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗孔154個，試驗樣本數(shù)量為434個，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗深度分布詳見圖1。從圖1可看出，試驗深度主要集中在4 m～12 m之間，這是因為③層粉質(zhì)粘土的埋深主要分布在地下4 m～12 m的深度內(nèi)。

現(xiàn)場標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗數(shù)據(jù)較多，故根據(jù)GB 50021—2001巖土工程勘察規(guī)范[9]規(guī)定的巖土參數(shù)統(tǒng)計與分析方法，按下列公式計算了標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差和變異系數(shù)：

(1)

(2)

(3)

其中，φm為巖土參數(shù)的平均值；σf為巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差；δ為巖土參數(shù)的變異系數(shù)。

圖2為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)的深度分布圖，從圖2可看出，不同深度標(biāo)準(zhǔn)貫入的擊數(shù)雖有不同，且試驗結(jié)果有少部分離散數(shù)據(jù)，但從整個試驗結(jié)果看，對于③層粉質(zhì)粘土測試的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)主要集中在12擊～14擊之間，且13擊最多，而10擊和16擊較少。經(jīng)過式(1)～式(3)計算，同樣得出③層粉質(zhì)粘土實測的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)平均值為12.9擊，標(biāo)準(zhǔn)差為1.3，變異系數(shù)為0.1，標(biāo)準(zhǔn)值為12.8擊。這表明該場地③層粉質(zhì)粘土的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)可確定為13擊。

2.2 現(xiàn)場載荷試驗

工程現(xiàn)場于2017年7月7日～7月13日，對該場地的③層粉質(zhì)粘土進行了3個點的淺層平板載荷試驗。平板載荷試驗是通過測定試驗板在慢速加載受荷狀態(tài)下的變形參數(shù)和特征，即地基受荷情況下的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，采用一定的方法分析和評價地基的承載性能，目前是最可靠且應(yīng)用最廣泛的方法。試驗時，利用壓重平臺反力裝置，采用油壓千斤頂加載，用與千斤頂連接的油壓表測讀油壓，根據(jù)千斤頂率定曲線換算荷載，沉降采用百分表量測。通過對荷載—沉降曲線的分析，確定地基承載力特征值。現(xiàn)場載荷試驗情況詳見圖3。

試驗采用慢速維持荷載法，采用方形剛性承壓板，邊長為500 mm。試驗按GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[10]關(guān)于淺層平板載荷試驗要點的要求進行。試驗過程每級荷載達到相對穩(wěn)定后加下一級荷載，直到試驗加載至設(shè)計要求的地基承載力特征值的2倍。加荷分級不少于8級，最大加載值為設(shè)計要求的地基承載力特征值的2倍。每加一級荷載，按間隔10 min，10 min，10 min，15 min，15 min，以后為每隔30 min測讀一次沉降量。每次測讀值記入試驗記錄表。當(dāng)在連續(xù)2 h內(nèi)，每小時的沉降量小于0.1 mm時，則認(rèn)為沉降已趨穩(wěn)定，加下一級荷載。淺層平板載荷試驗所采用的儀器設(shè)備詳見表1。

表1 儀器設(shè)備表

地基的基本承載力fak可按下列方法確定：當(dāng)p—s曲線上有比例界限時，取該比例界限所對應(yīng)的荷載值；當(dāng)極限荷載小于對應(yīng)比例界限的荷載值的2倍時，取極限荷載值的一半；當(dāng)不能按上述兩款要求確定時，壓板面積為0.25 m2～0.5 m2，可取s/b=0.01～0.015所對應(yīng)的荷載，但其值不應(yīng)大于最大加載量的一半。其中載荷試驗的結(jié)果統(tǒng)計詳見表2。

表2 平板載荷試驗結(jié)果

從表2可看出，③層粉質(zhì)黏土參加統(tǒng)計的試驗點不少于3點。試驗根據(jù)GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范關(guān)于淺層平板載荷試驗要點分析各試驗點的地基承載力特征值。其中S1～S3從p—s曲線得知比例界限都不明顯，因此按相對變形確定承載力。S1穩(wěn)定時試驗最大加載值為180 kN，累計沉降量為19.36 mm則取s/b=0.01所對應(yīng)的荷載，即s=500×0.01=5.0 mm對應(yīng)的荷載55.5 kN，確定此試驗點測得的地基承載力為55.5 kN，即222 kPa；S2穩(wěn)定時試驗最大加載值為180 kN，累計沉降量19.10 mm。取s/b=0.01對應(yīng)的荷載為55.25 kN，確定此試驗點測得的地基承載力為55.25 kN，即221 kPa；S3穩(wěn)定時試驗最大加載值為160 kN，累計沉降量為17.52 mm。取s/b=0.01對應(yīng)的荷載為54.25 kN，確定此試驗點測得的地基承載力為54.25 kN，即217 kPa。

通過上述計算分析得出，各試驗點實測的承載力值的極差不超過其平均值的30%，因此可取此平均值作為③層粉質(zhì)粘土的地基承載力特征值fak的數(shù)值，即220 kPa。

2.3 室內(nèi)試驗

為了進一步研究③層粉質(zhì)粘土的物理力學(xué)性質(zhì)，進行了大量的室內(nèi)實驗，其中物理與力學(xué)性質(zhì)參數(shù)詳見表3。

表3 物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表

從表3可看出，③層粉質(zhì)黏土含水量較小，液性指數(shù)較小，土體的物理狀態(tài)較好；剪切試驗和三軸試驗均表明土體的力學(xué)參數(shù)較大，因此作為建筑物地基是較好的選擇。

3 承載力特性對比分析

該場地內(nèi)③層硬塑粉質(zhì)粘土的物理力學(xué)參數(shù)分別是重度ρ=2.02 g/cm3；含水量ω=23.0%；孔隙比e=0.673；塑性指數(shù)IP=16.1。根據(jù)王學(xué)武研究的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗擬合地基承載力的公式(4)：

fak=5.726N+5.904ω+775.091ρ-1 503.573

(4)

將上述物理力學(xué)參數(shù)代入式(4)，計算得出地基承載力特征值為271.2 kPa，而現(xiàn)場載荷試驗確定的地基承載力為220 kPa，為按式(4)擬合計算的81.1%，表明室內(nèi)土工試驗參數(shù)偏大，這是因為在土體試驗取樣、封存、開樣和制樣整個過程，容易導(dǎo)致土體水分損失，造成室內(nèi)試驗參數(shù)偏大，因此擬合計算的地基承載力偏高。

4 結(jié)語

1)南京浦口高新技術(shù)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)，分布的可～硬塑的③層粉質(zhì)粘土，其標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)可確定為13擊。

2)通過現(xiàn)場平板載荷試驗確定的③層粉質(zhì)粘土的地基承載力特征值fak的數(shù)值可取值為220 kPa。

3)通過室內(nèi)試驗獲得的土體物理力學(xué)參數(shù)擬合計算的地基承載力，略高于現(xiàn)場載荷試驗確定的地基承載力。

4)純地下車庫部分地上無建筑荷載作用，因其結(jié)構(gòu)自身荷載小，且該場地的地基承載力較高，滿足采用天然地基的要求。