深埋粉質黏土層強度與變形參數試驗研究

曹程明, 時軼磊, 龍照*, 孔維剛

(1.甘肅中建市政工程勘察設計研究院有限公司, 蘭州 730000; 2.中國市政工程西北設計研究院有限公司, 蘭州 730000)

隨著中國城市化進程的不斷加快,各大城市用地日益緊張,高層建筑發展迅速。目前高層建筑基礎大多采用樁基礎,且樁端持力層通常選擇基巖層。目前對于壓縮性小,承載力高的深埋粉質黏土層作為高層建筑持力層的建筑還鮮有報道。因此,如何得到深埋粉質黏土的強度參數,從而客觀、真實地進行深埋粉質黏土層受力性能評價是一個亟待解決的工程問題。

目前,在巖土工程中常用的原位測試方法以及室內試驗方法較多,但對于深部土層的測試均存在某方面的不足,如:現場載荷試驗對于深埋土層幾乎無法實施,物探方法只能用于定性評價,圓錐動力觸探以及標準貫入試驗又存在桿長修正以及能量傳遞不足的問題。旁壓試驗作為原位測試方法的一種,其測試深度大,精度高,適用范圍廣,近年來在工程中被廣泛應用[1-2]。程永輝等[3]以砂土為研究對象,采用自主研制的物理模型試驗系統,進行旁壓試驗,得出了臨塑壓力、旁壓模量與上覆壓力的相關關系。鄧會元等[4]對深厚砂性土層進行了旁壓試驗,研究了砂性土對成樁質量的影響。張玉成等[5]在已有研究的基礎上,采用旁壓試驗對沉降計算參數的非線性沉降計算方法進行了研究分析。蘇輝等[6]建立了旁壓試驗彈塑性階段曲線的橢圓方程,利用土體SMP屈服準則和Rowe流動法則,得出了土體塑性階段應力增量與應變增量間關系矩陣。溫勇等[7]利用原位旁壓試驗獲取切線模量計算參數的方法,對粉細砂地基上不同壓板尺寸載荷試験結果進行了驗證。韓春鵬等[8]以粉質黏土為研究對象,對快速固結實驗代替標準固結實驗的可行性及其適用條件進行了研究分析。舒榮軍等[9]針對典型的湛江黏土地層,進行了不同速率的應力控制自鉆式旁壓試驗,研究分析了加載速率對湛江結構性黏土原位強度與剛度性質的影響。王壹敏等[10]基于鄧肯-張模型對低液限粉質黏土-砂土地層的強度理論進行了研究分析。孟令帥等[11]以太原地區粉質黏土為研究對象,通過室內無側限抗壓強度試驗,進行了不同飽和度土體的靈敏度測試。項龍江等[12]通過旁壓試驗與載荷試驗對比,分析了泥質膠結的新近系紅砂巖地基承載力,對紅砂巖的承載力與變形特性進行了深入研究。在數值模擬方面,旁壓試驗的研究應用也已具有一定的研究成果。黃文雄等[13]對砂土初始應力狀態和相對密度與旁壓試驗之間的關系進行了有限元模擬,得出旁壓試驗隨豎向應力和相對密度增大而增大的規律。張亞飛等[14]利用PFC3D軟件對不同固結荷載下自鉆式旁壓試驗進行計算。盧真輝等[15]通過室內固結試驗,研究了砂土材料在不同應力路徑下的應力-應變、變形特性和強度特性。

由以上研究可知,旁壓試驗在實際工程應用較多,但大多是對于砂土層的試驗研究,對于深埋粉質黏土層強度與變形的研究還鮮有報道。現以深埋粉質黏土層為研究對象,結合工程實例,采用室內高壓固結試驗與現場旁壓試驗相結合的方法,對深埋粉質黏土層的強度參數進行試驗研究,得出深埋粉質黏土層壓縮模量、地基承載力等參數,進而分析深埋粉質黏土層的力學性能,以期為工程應用提供一定的依據。

1 工程概況

烏魯木齊市該項目工程為地上二十四層、地下三層的超高層建筑,結構類型為框架-核心筒形式,基礎擬為樁筏基礎。場地范圍內地層結構較為復雜,自上而下由②層黃土狀粉土、③層角礫、③-1層粉土、④層粉質黏土、④-1層圓礫、⑤層強風化基巖、⑥層中風化基巖構成。

2 旁壓試驗及結果分析

2.1 旁壓試驗基本原理

旁壓試驗是利用可側向膨脹的旁壓儀,通過對鉆孔孔壁周圍土體施加徑向壓力的原位測試方法。根據孔壁壓力的變形量關系,計算地基土承載力、壓縮模量等參數。旁壓試驗典型曲線如圖1所示。

圖1 典型旁壓試驗曲線Fig.1 Typical pessuremeter test curve

旁壓模量計算公式為

(1)

旁壓剪切模量計算公式為

(2)

E0=KEm

(3)

K=1+61.1m-1.5+0.006 5(V0-167.6)

(4)

(5)

(6)

《高層建筑巖土工程勘察標準》(JGJ 72—2017)(下文簡稱《高標》)和《地基旁壓試驗技術標準》(JGJ/T69—2019)(下文簡稱《地標》)中地基承載力特征值均按臨塑荷載法和極限荷載法進行評價。

《高標》和《地標》中采用臨塑壓力法計算地基承載力特征值,計算公式為

fak=λ(Pf-P0)

(7)

《高標》中采用極限壓力法計算地基承載力特征值,計算公式為

(8)

《地標》中采用極限壓力法計算地基承載力特征值,計算公式為

(9)

(10)

式中:Sc為旁壓器測量腔固有體積,用測管水位位移值表示,cm;S0用對應于P0值的測管水位位移值表示,cm;Sf用對應于Pf值的測管水位位移值表示,cm;ΔP為旁壓試驗曲線上直線段的壓力增量,kPa;ΔS為相應于ΔP測管水位位移值增量,cm;μ為泊松比,取0.25;K為變形模量與旁壓模量的比值;m為旁壓模量與旁壓試驗靜極限壓力的比值;V0為對應于初始壓力P0時的體積;β為變形模量與壓縮模量的比值;λ為修正系數,結合地區經驗取值。

當極限壓力小于等于臨塑壓力2倍時,按式(9)確定,當極限壓力大于臨塑壓力2倍時,按式(10)確定。試驗結果均滿足極限壓力小于等于臨塑壓力的2倍,因此按式(10)進行計算。

2.2 旁壓試驗方案

旁壓試驗所用儀器為PM-2B型預鉆式旁壓儀其結構性形式為單腔式。主要參數為:旁壓器總長度720 mm,測量腔長度360 mm,測量腔外徑為88 mm,帶膠膜外徑為90 mm,帶膠膜和鎧甲外徑為94 mm,增壓缸有效面積為59.1 cm2,鎧膜測量腔固有體積Vc(2 289.06 cm2)用測管水位位移值表示的Sc為38.73 cm,最大加壓壓力為5.5 MPa。旁壓儀及現場試驗如圖2所示。試驗共對P01～P06測試孔進行了不同深度粉質黏土天然狀態下的旁壓試驗,各測試孔平面布置位置如圖3所示。根據試驗結果對粉質黏土層的地基承載力以及壓縮模量進行了計算分析。

圖2 現場旁壓試驗Fig.2 Field side pessuremeter test

圖3 測試孔平面布置圖Fig.3 Layout of test hole

2.3 地基承載力分析

按照《高層建筑巖土工程勘察標準》與《地基旁壓試驗技術標準》,根據現場旁壓試驗得到不同試驗孔在不同深度處的臨塑壓力Pf與極限壓力PL試驗結果如表1所示。

表1 旁壓試驗成果及承載力計算表Table 1 Table of pessuremeter test results

根據表1可知,《高標》和《地標》按臨塑壓力確定的地基承載力特征值一般介于403～1 296 kPa,《高標》按極限壓力確定的地基承載力特征值介于307～789 kPa,《地標》按極限壓力確定的地基承載力特征值介于413～1 086 kPa。表明深埋粉質黏土層承載力高,工程性質好。根據試驗得出的粉質黏土層承載力離散性大的主要原因為:該場地粉質黏土層局部夾薄層姜石、角礫、中粗砂等粗顆粒,夾層的存在導致粉質黏土結構性差異大。此外,該層屬老黏性土,其壓密性、膠結性、固結性都很好,且強度高,壓縮性低,工程性能好,根據試驗結果可作為樁端持力層。

地基承載力特征值是通過初始壓力P0、臨塑壓力Pf和極限壓力PL計算得到,然而土的天然強度是正常壓密土層在上覆壓力下固結完成后形成的強度。因此,在不同深度處得到的強度的變化反映了上覆土層的固結作用,強度的變化反映了上覆壓力的影響,說明試驗得到的不同深度位置的地基承載力受固結程度與覆土厚度等多方面因素影響。因此,不能將不同深度處的地基承載力特征值進行平均化處理,不能簡單地計算平均值和標準差。對于這種參數,應統計參數與深度的回歸關系,求得參數隨深度變化的定量經驗關系。按《高標》和《地標》臨塑荷載法和極限荷載法計算的地基承載力特征值隨深度變化的曲線如圖4～圖6所示。

圖4 臨塑壓力地基承載力與深度變化圖Fig.4 Diagram of bearing capacity and depth variation of press-plastic foundation

圖5 極限壓力地基承載力特征值與深度變化曲線(地基旁壓試驗技術標準)Fig.5 Diagram of bearing capacity and depth variation of extreme pressure foundation(technical standard for founding pressuremeter test)

圖6 極限壓力地基承載力特征值與深度變化曲線(高層建筑巖土工程勘察標準)Fig.6 Diagram of bearing capacity and depth variation of extreme pressure foundation(standard for geotechnical investigation of tall building)

由圖4～圖6可知,按《高標》和《地標》臨塑荷載法和極限荷載法求得地基承載力特征值的計算結果區別主要為:臨塑荷載法計算公式相同,極限荷載法計算公式不同,所得的地基承載力特征值也不相同。但計算結果隨地層的增減趨勢是相同的,這也說明不同測試位置的土體特性也相同。由于不同測試孔地層存在差異,每個測試孔揭露的夾層是不連續分布的,厚度也有差別,所以不同深度處的數值存在一定的差距,同時也證明了地基承載力特征值離散性較大。

2.4 地基壓縮變形分析

通過旁壓模量計算土的壓縮模量,由于旁壓模量是由旁壓曲線上直線段的斜率所確定的,在均勻的土層中,旁壓曲線直線段的斜率變化并不反映試驗點深度的影響。因此,可以將該層粉質黏土視為均勻的地質單元,試驗得到的旁壓模量或壓縮模量便可進行統計。這是因為既然劃分了地質單元,就認為在一個地質單元中,土的性質是均勻的,在不同的深度、不同的平面位置做原位測試或者取土工試驗得到的指標是可以統計其平均值和標準差。

根據旁壓試驗結果,按照《高標》,采用式(1)～式(6)得到不同測試孔不同深度處的粉質黏土在100～200 kPa壓力段的壓縮模量,并經統計分析得到不同測試孔壓縮模量的平均值如表2所示。

表2 不同試驗孔壓縮模量平均值Table 2 Average compression modulus of different test

由表2可知,不同測試孔的壓縮模量介于33.5～52.0 MPa,壓縮模量相對較高,說明深層粉質黏土工程性質好。但不同測試孔壓縮模量差異性較大,主要原因為該層粉質黏土不純凈,局部含有姜石、圓礫等粗顆粒,導致試驗結果的離散性較大。

3 高壓固結試驗及結果分析

室內高壓固結試驗采用的是有側限條件壓縮,土體在受壓情況下無側限膨脹,得到不同壓力下的孔隙比,不同壓力段的壓縮系數和壓縮模量。根據粉質黏土層埋深及預估上部荷載,固結試驗最大加載壓力為1 600 kPa,高壓固結試驗如圖7所示。根據試驗結果得到粉質黏土層不同壓力段的平均壓縮系數曲線如圖8所示,不同壓力段的平均壓縮模量曲線如圖9所示。

圖7 高壓固結試驗Fig.7 High pressure consolidation test

圖8 不同壓力段的平均壓縮系數曲線Fig.8 Average compression coefficient curves of different pressure sections

圖9 不同壓力段平均壓縮模量曲線Fig.9 Average compression modulus curves of different pressure sections

由圖8、圖9可知,該場地粉質黏土層在自重應力與附加應力作用下,天然狀態的壓縮系數約為0.03 MPa-1,飽和狀態壓縮系數約為0.04 MPa-1,天然狀態壓縮模量介于41.3～47.3 MPa,飽和狀態壓縮模量介于39.5～44.5 MPa,表明在各級壓力下該深埋粉質黏土層均為低壓縮性,在附加應力下變形量小,具有很好的工程特性。

在壓力0～1 600 kPa,兩種狀態下,隨著壓力的增加,壓縮性減小,且不同壓力下的平均壓縮曲線幾乎重合,不同壓力段的平均壓縮系數曲線和平均壓縮模量曲線也幾乎重合,但天然狀態的壓縮模量比飽和狀態的壓縮模量稍大,說明該層粉質黏土自身其壓密性、膠結性、固結性都很好,且強度高,壓縮性低,工程性能好。

此外,從試驗數據統計結果來看,不同壓力段天然狀態的壓縮系數和壓縮模量的變異系數介于0.30～0.44,飽和狀態的壓縮系數和壓縮模量的變異系數介于0.30～0.41,變異性介于大到很大,這也表明該層粉質和土不純凈,導致離散性較大。

4 旁壓試驗與高壓固結試驗對比分析

室內高壓固結試驗得到的壓縮模量是不同應力段的壓縮模量,而旁壓試驗換算出的壓縮模量是天然狀態原始應力條件下的壓縮模量。因此,在對比之前,應選擇相應應力段的壓縮模量進行二者的數值分析。

對于高壓固結試驗,總應力處于1 000～1 200 kPa和1 200～1 400 kPa兩個應力段,相應天然狀態的壓縮模量為43.9 MPa和45.5 MPa,相差為1.6 MPa,變化甚小,可取二者的平均值44.7 MPa考慮。對于旁壓試驗,取相應試驗位置的壓縮模量為39.9 MPa。高壓固結試驗結果比旁壓試驗結果高約4.8 MPa。二者具有差異的主要原因為室內高壓固結試驗是土樣在側限壓縮的條件下進行,且二者的測試土體尺寸差異很大,同時改變了土樣原始的應力狀態?？傮w來說,二者試驗結果差異不大,說明試驗結果具有一定的可靠性,可取現場旁壓試驗結果作為工程設計的依據。

5 結論

以深埋粉質黏土層為研究對象,分別采用旁壓試驗與高壓固結試驗對深埋粉質黏土的強度與變形參數進行了試驗研究分析,得出以下結論。

(1)通過旁壓試驗與室內固結試驗得出了深埋粉質黏土層的壓縮模量、承載力變化與深度的關系,兩種試驗結果規律相同,表明試驗結果的合理性與正確性,可作為工程設計的依據。

(2)試驗結果表明,深埋粉質黏土具有承載力高、壓縮性低、強度高、工程性能好的特點,在工程中可將其作為高層建筑樁基礎的樁端持力層,利用其良好的工程特性,從而達到安全經濟的目的。

(3)試驗得出的旁壓模量離散性較大,說明該層粉質黏土中局部夾有姜石、角礫等粗顆粒。此外旁壓模量具有一定的深度效應,因此在進行試驗數據分析中應剔除異常值,以便更加準確地反映土層的力學特性并保證工程的安全。