洪積礫砂層靜載試驗研究

杜 磊

（甘肅省水利水電勘測設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 前言

甘肅中部生態(tài)移民扶貧開發(fā)供水工程北干渠武家沙河2 號渡槽位于白銀市平川區(qū)北灘鎮(zhèn)境內(nèi)，渡槽為新建渡槽，包含進(jìn)口6 m 漸變段總長552 m。

渡槽整體走向正北略偏西與武家沙河該段河床正交，進(jìn)、出口為武家砂河Ⅰ級階地前緣，地形較平坦，中段跨武家沙河河溝，河溝寬約500 m，溝深10 m～12 m，溝道呈寬淺的“U”形，溝道兩岸邊坡為土質(zhì)邊坡，自然邊坡穩(wěn)定。

渡槽左岸（進(jìn)口段）布置于武家沙左岸Ⅰ級階地，該段地層巖性上部為全新統(tǒng)洪積（Q42pL）砂壤土[1]，土層厚1 m～4.5 m，具中壓縮性、輕微～強(qiáng)烈濕陷性；下部為青灰色洪積（Q42pL）砂礫石，厚11 m～13 m。河溝內(nèi)地層巖性表層為全新統(tǒng)洪積（Q43pL）砂壤土，土黃色，厚1 m～2 m，結(jié)構(gòu)松散；下部為洪積（Q43pL）砂礫石，厚9 m～12 m。出口段布置于武家沙左岸Ⅰ級階地，地層巖性從上至下依次為：第一層為洪積（Q42pL）砂壤土，土黃色，厚2 m～3 m，結(jié)構(gòu)松散；第二層為松散的洪積（Q42pL）粉細(xì)砂，褐黃色，厚1m～1.6 m；第三層為洪積（Q42pL）砂礫石，厚2 m～3 m。武家沙河屬季節(jié)性洪水河道，地下水埋深約15 m，對工程的影響較小。

北干渠2# 渡槽斷面型式為U 形斷面，斷面尺寸寬×高=1.8 m×1.6 m；主要建筑物有：基礎(chǔ)工程含墊層、基礎(chǔ)；支撐工程含支墩、墩帽、支座；槽身工程含槽頂欄桿等附件。基礎(chǔ)共設(shè)計47 個重力墩，基礎(chǔ)形式主要有樁基礎(chǔ)和鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)。武家沙河右岸濕陷性土層段主要采用樁基礎(chǔ)，河床及漫灘礫砂段和左岸砂礫石段主要采用鋼筋混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)，重力墩高度4.3 m～11 m。

渡槽樁號0＋514～0＋693.8 段位于河流Ⅰ級階地與山前沖洪積裙的接合部位，地層巖性層位不穩(wěn)定不均一，上部砂壤土施工時基本挖除，對工程無影響，下部洪積（Q4PL）砂礫石，厚11 m～13 m，青灰色，顆粒級配：粒徑200 mm～60mm 占4.9%，60 mm～2 mm 占56.2%，2 mm～0.075 mm 占37%，＜0.075 mm 占1.9%，d50＝6.65 mm，不均勻系數(shù)Cu＝38.5，曲率系數(shù)Cc＝0.3，級配不良，相對密度0.41，屬中密，渡槽鋼筋混凝土基礎(chǔ)坐落于其上。根據(jù)鉆孔及施工開挖揭示，其下局部夾礫砂和粉質(zhì)壤土夾層或者透鏡體，所夾粉質(zhì)壤土厚度0.2～0.8 m，結(jié)構(gòu)松散，所夾礫砂厚度一般1 m～3.5 m，顆粒級配：60 mm～2 mm 占40.5%～45.6%，2 mm～0.075 mm 占50.2%～53.9%，＜0.075 mm占4.2%～5.6%，d50＝1.16 mm～1.59 mm，該土層不均勻系數(shù)Cu＝8.9～12.7，曲率系數(shù)Cc＝0.4～0.5，屬于級配不良，相對密度0.17～0.35，表層屬松散～中密。其下依次為洪積（Q42nL）粉質(zhì)壤土、洪積（Q4PL）砂礫石以及新近系含礫砂巖夾砂質(zhì)泥巖。因此有必要對該承力層下部透鏡體對地基承載力和地基沉降的影響進(jìn)行試驗研究論證，以保證安全。

2 試驗方法

淺層平板載荷試驗測定的是承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)淺部地基土層的承載力和變形參數(shù)[2]。該地質(zhì)單元內(nèi)地基土最大顆粒不超過200 mm，選擇采用承壓板面積0.25 m2進(jìn)行試驗以確定地質(zhì)和設(shè)計要求的地基土相關(guān)參數(shù)。地基淺層平板主要試驗參數(shù)見表1。

表1 武家沙河淺層平板載荷試驗主要參數(shù)

3 試驗點布置

在武家沙河左岸已開挖的渡槽建基面上，依據(jù)現(xiàn)場開挖后建基面地層情況，試驗點布置于具有代表性的2 號渡槽軸線上41、42、43號重力墩基礎(chǔ)部位，樁號0+627.85、0+639.85、0+651.84，地層巖性為沖洪積礫砂，局部夾細(xì)砂層透鏡體，試驗點高程與基礎(chǔ)底面高程一致。試驗點布置圖及點位信息見圖1。

圖1 試驗點布置示意圖

4 平板載荷試驗成果

按照制定的試驗檢測方案，對布置的3 個試驗檢測點，采用慢速維持荷載法，進(jìn)行不同荷載下的變形數(shù)據(jù)采集。

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)分別繪制靜載1#、2#、3#試驗點的p-s、slgt 曲線。見圖2～圖4。

圖2 1#試點p-s、s-lgt 曲線

圖3 2#試點p-s、s-lgt 曲線

圖4 3#試點p-s、s-lgt 曲線

靜載3# 試驗點試驗時預(yù)估最大荷載1200 kPa，分8 級施荷，加載至900 kPa 時，根據(jù)載荷試驗的破壞判定標(biāo)準(zhǔn)，地基土體已破壞，遂終止試驗，因此該點p-s 曲線采集的數(shù)據(jù)點較少，為驗證特征點取值的合理性，對p-s 曲線用外插作圖法進(jìn)行了擬合延伸。外插擬合的原則為：①擬合曲線不改變原曲線的整體狀態(tài)和具體趨勢；②因位置相近，地層特性基本一致，擬合曲線的變化與1#、2# 點具備類似性；③擬合的插值函數(shù)作為被插值函數(shù)的近似值應(yīng)符合該類土體靜載試驗p-s 曲線的一般規(guī)律；④插值函數(shù)應(yīng)盡可能考慮前后級的繼承和傳遞，建立插值函數(shù)所需之鄰近表列個數(shù)應(yīng)反復(fù)驗算推理以確定合理的函數(shù)階；⑤擬合函數(shù)的相關(guān)系數(shù)應(yīng)盡可能高，以考察模型假設(shè)的合理性和擬合數(shù)據(jù)的可靠性。經(jīng)反復(fù)推演后滿足要求的3# 點多項式擬合曲線見圖5。

圖5 多項式擬合3#試點后段p-s 曲線

4.1 平板載荷試驗結(jié)果分析

（1）1#試驗點試驗結(jié)果分析

43 號重力墩基礎(chǔ)靜載荷試驗點，位于基槽X=2688044.221，Y=279166.558，H=1742.75 處，其實測p-s 關(guān)系曲線見圖2。該點p-s 關(guān)系曲線呈緩變漸降型，曲線前端呈線性，比例界限拐點為400 kPa，后段變形加大但無明顯陡降。s-lgt 曲線整體呈大致平行排列，各級壓力下的曲線體現(xiàn)等差遞進(jìn)式規(guī)律，其曲線類型與p-s 的緩變漸降相互映證呼應(yīng)。該試驗點加荷至800 kPa 維荷穩(wěn)定期間，周邊土體出現(xiàn)裂紋并逐漸擴(kuò)展，判定為土體出現(xiàn)剪切破壞，此時相應(yīng)沉降量6.79 mm，遂終止試驗。該點破壞荷載為800 kPa，按規(guī)范規(guī)定取值要求，該試驗點的承載力特征值為360 kPa。在比例界限和極限荷載的0.5 倍折減值中取小值，綜合分析確定1#試驗點承載力特征值取360 kPa。

（2）2#試驗點試驗結(jié)果分析

42 號重力墩壩基基礎(chǔ)靜載荷試驗點，位于基槽X=2688033.359，Y=279170.72，H=1742.946 位置，其實測p-s 關(guān)系曲線見圖2。p-s 關(guān)系曲線前段呈直線型，比例界限拐點為700 kPa，后段變形加大，直至破壞，但無明顯陡降段。s-lgt 曲線呈平行規(guī)律排列，破壞荷載前各級曲線隨時間延續(xù)呈線性且各級間間距基本相等，加載至960 kPa 時與上一級曲線間距陡然加大，周邊土體亦出現(xiàn)鼓出隆起，因此判斷試驗點已出現(xiàn)破壞的特征，遂終止試驗。該試驗點最大加荷量960 kPa，相應(yīng)沉降量3.98 mm。該點破壞荷載為960 kPa，按規(guī)范規(guī)定取其極限荷載為前一級壓力800 kPa，該試驗點的承載力特征值為400 kPa。在比例界限和極限荷載的0.5 倍折減值中取舍，綜合分析確定2#試驗點承載力特征值取400 kPa。

（3）3#試驗點試驗結(jié)果分析

41 號重力墩基礎(chǔ)靜載荷試驗點，位于基槽X=2688022.496，Y=279166.558，H=1743.326 位置，其實測p-s關(guān)系曲線見圖3。該點p-s 關(guān)系曲線整體呈曲線狀，近似圓弧，無明顯直線段（比例界限拐點），后段變形量加大。s-lgt曲線呈扇骨狀排列，各級壓力下線段的水平夾角較上一級順時針逐步加大；該試驗點加荷至900 kPa 時，相應(yīng)沉降量16.96 mm，沉降速率明顯增大，承壓板周邊土層有鼓起和裂縫出現(xiàn)，且該級荷載下s-lgt 曲線尾段陡降掉尾，出現(xiàn)明顯向下彎曲；諸多現(xiàn)象表明該點已經(jīng)破壞，遂終止試驗。

該試驗點的承載力特征值取極限荷載的一半，該點極限荷載為破壞壓力的前一級750 kPa，所以綜合分析確定3#試驗點承載力特征值為375 kPa。

綜上，武家沙河2 號渡槽靜載荷試驗成果見表2。

表2 武家沙河2 號渡槽靜載荷試驗成果表

4.2 承載力特征值的統(tǒng)計分析

對比表2 中載荷試驗確定的承載力特征值，結(jié)合試驗采集的p-s 曲線，對試驗結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，以便為重力墩基礎(chǔ)承載力標(biāo)準(zhǔn)值的確定提供依據(jù)。在3 個試驗點中，1#試驗點在800 kPa 的壓力下已明顯破壞，3#試驗點在900 kPa的壓力下也出現(xiàn)破壞，而2#試驗點的p-s 曲線直線段較長，說明2#試驗點的地基土在700 kPa～800 kPa 的壓力范圍內(nèi)仍基本處于彈塑性階段，這與試驗前被測土體的干密度為三者中較大及試驗后開挖探坑了解的地層實際情況相符。

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》計算承載力特征值的統(tǒng)計指標(biāo)及標(biāo)準(zhǔn)值[3]。

式中：Φk為巖土參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)值；Φm為巖土參數(shù)的平均值；γs為統(tǒng)計修正系數(shù)；n 為試驗組數(shù)；δ 為巖土參數(shù)的變異系數(shù)。

3 個試驗點承載力特征值平均值為X=378 kPa，三點其他統(tǒng)計參數(shù)見表3。

表3 武家沙河2 號渡槽靜載荷試驗成果統(tǒng)計分析表

5 結(jié)語

（1）2 號渡槽重力墩基礎(chǔ)建基面地基承載力特征值范圍為360 kPa～400 kPa，平均值為378 kPa；變形模量范圍為44.8 MPa～103.4 MPa,平均值為70.1 MPa；最終確定的地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值為348 kPa，變形模量標(biāo)準(zhǔn)值為24.9 MPa。

（2）本次平板載荷試驗針對的是以砂土為主的地層；試驗得出的結(jié)論較為科學(xué)，同類地層具有一定的代表性，可在同類地層的地基基礎(chǔ)設(shè)計中參考使用。