延邊地區(qū)土質(zhì)成因及地基承載力的研究

張兆輝，李向群

(吉林建筑大學(xué)測繪與勘查工程學(xué)院，吉林長春130118)

我國吉林省延邊地區(qū)地基土持力層一般為風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，風(fēng)化砂質(zhì)泥巖承載力對研究延邊地區(qū)地基土的成因以及承載力尤為重要。前人對于風(fēng)化砂質(zhì)泥巖做了大量研究，李向群對長春地區(qū)階地土成因提出了長春土是水成的，并具體劃出了沖積型、洪基型、坡基型［1］。呂宗耀在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的研究中提出了對風(fēng)化砂質(zhì)泥巖的承載力特征值與變相模量的經(jīng)驗(yàn)公式［2］。葉晨風(fēng)等根據(jù)具體工程實(shí)例對地鐵施工在風(fēng)化砂質(zhì)泥巖土層中，得到了盾構(gòu)法所需要的具體的注漿量和穩(wěn)定比的控制建議值［3］。吳平在對風(fēng)化砂質(zhì)板巖的水理研究中發(fā)現(xiàn)風(fēng)化板巖極易發(fā)生崩解，風(fēng)化程度越大崩解越嚴(yán)重，越干燥越易發(fā)生遇水崩解，而且在崩解過程中極易發(fā)生泥石流［4］。通過對延邊地區(qū)土質(zhì)進(jìn)行分析，得出延邊土層的具體數(shù)據(jù)及可靠結(jié)論。在前人大量的研究中發(fā)現(xiàn)對于延邊地區(qū)地基土的成因及持力層承載力的研究有所欠缺，所以本文在前人研究的基礎(chǔ)上對延邊地區(qū)土層大致分布及地基土持力層承載力進(jìn)行分析。

1 延邊地區(qū)地層的基本特征

延邊地區(qū)廣泛分布二疊層地層，對于延邊地區(qū)的地層區(qū)分一直存在大量問題，近年來發(fā)現(xiàn)，延邊地區(qū)在晚古生代末處于活動(dòng)大陸邊緣，而西伯利亞板塊、松嫩板塊、佳木斯板塊與華北板塊的交匯也造成延邊地區(qū)地層分布模糊［5］。吉林省地區(qū)的地層主要為白堊系地層，主要是山區(qū)型白堊系地層。延邊地區(qū)最大的內(nèi)陸湖盆地是延吉，是發(fā)育比較完全的白堊系地層且出露完全，能充分反映出吉林省東北部山區(qū)白堊系地層。本文主要對延邊地區(qū)地基土的成因以及地基土持力層承載力進(jìn)行系統(tǒng)研究，對泥巖、砂巖進(jìn)行現(xiàn)場原位試驗(yàn)以及土工試驗(yàn)以探討延邊地區(qū)地層承載力的實(shí)際情況。

泥巖是沉積巖石學(xué)中沉積碎屑巖類的粘土巖類，一般為厚層狀、密實(shí)、層理和頁理不明顯的粘土巖。延邊地區(qū)延吉盆地地基持力層多為泥巖層，泥巖的風(fēng)化程度隨著靠近地表而增大，越靠近地表，風(fēng)化程度越高。本文測試對象主要是處于全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)的泥巖層，為紫紅色、紅褐色、灰褐色、灰棕色、塊狀散體狀，極易破碎。

2 地基土土層成因

延邊地區(qū)試驗(yàn)場地地層自上而下為:(1)人工填土，厚1.00～4.50m;(2)粘土，厚6.80～13.50m;(3)粗砂，厚1.70 ～5.90m;(4)圓礫，厚1.20 ～5.30m;(5)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，厚4.10 ～7.30m。延邊地區(qū)表層土質(zhì)以沖積、堆積而成。在20世紀(jì)70年代以前，由于施工技術(shù)的不足，無法充分利用延邊地區(qū)的地基承載力，隨著施工技術(shù)的發(fā)展，以泥巖層為地基持力層逐漸成為多層建筑和重要廠房的發(fā)展方向。

2.1 粘土

粘土位于地下1.00～3.50m處，棕黃色，可塑，總厚度約為7.00m。

(1)物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值(表1)

表1 粘土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值

(2)指標(biāo)空間特征

①天然孔隙比e

粘土所處的地下埋深位置約為2.0～3.5m處，e0＞1.0;然而，當(dāng)粘土所處位于地層埋深約為3.5～5.5m處時(shí)，0.8 ＜e0＜1.0。

粘土的固結(jié)程度隨著時(shí)間而變化，孔隙比逐漸減小;粘土的固結(jié)程度也受上層土的自重力影響，土層越深，固結(jié)程度越大，孔隙比越小。這說明孔隙比受形成時(shí)期和自重固結(jié)的影響較大。

②液性指數(shù)IL

液性指數(shù)隨著埋深的增加而減小。

對于所測數(shù)據(jù)，當(dāng)粘土位于埋深所在位置小于1.50m處時(shí)，IL＞0.8，粘土大多數(shù)以軟塑狀態(tài)為主;對于所測數(shù)據(jù)，當(dāng)粘土位于埋深所在位置大于3.50m處時(shí)，IL＞0.4，粘土大多數(shù)以可塑狀態(tài)為主。粘性土的承載力和堅(jiān)硬程度，與地下水位和水的飽和程度密切相關(guān)。

2.2 粗砂

埋深8.50～10.50m，總厚度約為2.50～4.50m，為本區(qū)基礎(chǔ)的下臥層之一。該層土多成黃色、灰白色。延邊盆地區(qū)，此層呈連續(xù)分布，是基礎(chǔ)的持力層之一。對此層粗砂進(jìn)行物理指標(biāo)測定(表2)，本層粗砂呈稍密狀態(tài)。

表2 粗砂物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值

根據(jù)顆粒分析，粗砂占50%，細(xì)砂占65%，粉粒及粘粒占15%。不均勻系數(shù)平均為19.7，級配良好。

2.3 圓礫

埋深15.5～17.0m，總厚度約為3.00～4.00m，為本區(qū)深基礎(chǔ)主要下臥層之一，也是樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定持力層之一，呈灰黃色，中密～密實(shí)狀態(tài)，本層主要含卵石、礫石、砂，卵石、礫石磨圓較好，以亞圓形為主，級配良好，慕言成分主要為花崗巖，該試驗(yàn)場地均勻分布。該層物理力學(xué)指標(biāo)如表3所示。

表3 圓礫物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值

根據(jù)分析，本層土級配良好且承載力較高，可以作為樁基礎(chǔ)主要持力層，但是對于比較重要的建筑，本層的承載力還是不足的，為了對本地區(qū)地基土持力層承載力進(jìn)行深入探討，將對下一層泥巖層進(jìn)行大量試驗(yàn)研究。

3 風(fēng)化砂質(zhì)泥巖地基承載力的確定方法

載荷試驗(yàn)和原位測試試驗(yàn)是確定風(fēng)化砂質(zhì)泥巖地基承載力的可靠方法，在沒有具體地區(qū)經(jīng)驗(yàn)的情況下由載荷試驗(yàn)和原位測試試驗(yàn)得出的風(fēng)化砂質(zhì)泥巖地基承載力是可靠的。采用載荷試驗(yàn)可以得出風(fēng)化砂質(zhì)泥巖地層的地基承載力特征值和變形模量。對載荷試驗(yàn)周邊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，可以得出標(biāo)準(zhǔn)貫試驗(yàn)錘擊數(shù)。本文將對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)、由載荷試驗(yàn)得到的風(fēng)化砂質(zhì)泥巖地基承載力特征值以及彈性模量進(jìn)行線性分析，并且研究其相關(guān)性。求得關(guān)于延邊地區(qū)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖地層承載力的計(jì)算方法及經(jīng)驗(yàn)公式，為以后延邊地區(qū)地基承載力的確定提供有效可靠的方法。

3.1 載荷試驗(yàn)

按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007)附錄C［6］的規(guī)定，采用載荷試驗(yàn)確定泥巖層地基承載力。淺層平板載荷試驗(yàn)要求現(xiàn)場符合以下條件:試驗(yàn)點(diǎn)無邊載，為基坑大開挖的條件;承壓板為剛性板，所測的承壓板面積是0.5m2;試驗(yàn)點(diǎn)面積范圍內(nèi)擬采用明溝排水，地層濕度接近天然濕度;滿足施加荷載能達(dá)到極限荷載的條件。進(jìn)行平載荷試驗(yàn)時(shí)，場地均已進(jìn)行降水施工，考慮降水因素，試驗(yàn)土層的強(qiáng)度比天然飽和狀態(tài)的強(qiáng)度高。因此，進(jìn)行承載力與土工試驗(yàn)成果及原位測試成果關(guān)系分析時(shí)，應(yīng)將平板荷載試驗(yàn)所獲得的承載力進(jìn)行折減，經(jīng)室內(nèi)土工試驗(yàn)對比分析，折減系數(shù)取0.85。

3.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

在載荷試驗(yàn)的前提下對原試驗(yàn)場地周邊進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，以獲得延邊地區(qū)泥巖層的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)，對泥巖層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)按照《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021)的規(guī)范進(jìn)行［7］。

按照規(guī)范采用自動(dòng)脫鉤式的自由落錘，落距76cm，錘重63.5kg，探桿直徑42mm，貫入器采用國家固定標(biāo)準(zhǔn)。依照國家規(guī)范:鉆孔內(nèi)保持干凈，有護(hù)臂保護(hù)，泥巖層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)要預(yù)打3～5擊，確保貫入器進(jìn)入未擾動(dòng)層，標(biāo)準(zhǔn)貫入數(shù)據(jù)要根據(jù)桿長進(jìn)行修正。根據(jù)吉林省建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)，對泥巖層風(fēng)化程度與錘擊數(shù)如表4所示。

表4 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)判定風(fēng)化程度

原位測試成果、土工試驗(yàn)成果及承載特征值數(shù)據(jù)詳見表5。

表5 原位測試成果、土工試驗(yàn)成果及承載力特征值數(shù)據(jù)表

試驗(yàn)序號(hào)1～試驗(yàn)序號(hào)4四組試驗(yàn)所在場地為紫紅色全風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層，承載力特征值為340～450kPa，平均值為 406kPa;變形模量為20.41 ～27.10MPa，平均值為24.75MPa。

試驗(yàn)序號(hào)5～試驗(yàn)序號(hào)8四組試驗(yàn)所在場地為灰褐色強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層，承載力特征值為700～910kPa，平均值為 842kPa;變形模量為41.02 ～56.02MPa，平均值為49.10MPa。

試驗(yàn)序號(hào)9～試驗(yàn)序號(hào)11三組試驗(yàn)所在場地為灰棕色強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層，承載力特征值為750～940kPa，平均值為843kPa;變形模量為43.00 ～57.06MPa，平均值為47.95MPa。

由數(shù)據(jù)可知，風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層承載力特征值和變形模量與風(fēng)化程度密切相關(guān)，隨著風(fēng)化程度的增加，泥巖層地基承載力特征值和變形模量變小。

(1)地基承載力特征值與標(biāo)貫錘擊數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。根據(jù)表1表格中所標(biāo)示的數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸分析，全風(fēng)化～強(qiáng)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層地基承載力特征值與修正后的標(biāo)貫錘擊數(shù)N線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)為0.9322，其相關(guān)性見圖1。

圖1 承載力特征值與標(biāo)貫錘擊數(shù)關(guān)系

圖2 承載力特征值與變相模量關(guān)系

由圖1可知，根據(jù)修正之后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N可以計(jì)算出泥巖層地基承載力特征值fak的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)公式如下:

其中，fak為所測地基承載力特征值，kPa;N為經(jīng)過修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)，擊。

(2)變形模量與地基承載力特征值的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。由試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)與承載力特征值的線性關(guān)系進(jìn)行線性分析。風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層承載力特征值與地基泥巖層變形模量的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.9732，其相關(guān)性見圖2。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)，可以得出風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層變形模量與承載力特征值fak的經(jīng)驗(yàn)公式:

其中，fak為所測地基承載力特征值，kPa;E0為所測地基變形模量，MPa。

(3)變形模量與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。由試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)，對標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)與變形模量的線性關(guān)系進(jìn)行線性分析?？芍L(fēng)化砂質(zhì)泥巖層變形模量與地基泥巖層修正后的標(biāo)貫錘擊數(shù)N的線性關(guān)系，其相關(guān)系數(shù)為0.9249，其相關(guān)性見圖3。

圖3 變形模量與標(biāo)貫錘擊數(shù)關(guān)系

其中，E0為所測地基變形模量，MPa;N為經(jīng)過修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)，擊。

4 結(jié)論與建議

4.1 結(jié)論

延邊地區(qū)土質(zhì)成因較為復(fù)雜，但總體來說延邊土層相對清晰，本文通過對延邊地區(qū)土層的分析與試驗(yàn)，明確了延邊地層土質(zhì)的成因，給出了風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層地基承載力經(jīng)驗(yàn)公式，得出如下結(jié)論。

(1)延邊地區(qū)土質(zhì)多為沖積土，土質(zhì)分層較為復(fù)雜，但經(jīng)過對延邊地區(qū)土層試驗(yàn)分層后發(fā)現(xiàn)延邊地區(qū)表層為粘土，提供較少的承載力，下臥為砂、礫，提供淺基礎(chǔ)承載力，對于重要建筑所需的較高的承載力還需要泥巖層提供。

(2)根據(jù)對延邊地區(qū)的土層試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)延邊地區(qū)以往的勘查工作得出的地基承載力偏于保守。載荷試驗(yàn)是確保地基持力層承載力的可靠方法，在當(dāng)?shù)貙?shí)際經(jīng)驗(yàn)缺乏的情況下，可以由載荷試驗(yàn)確定風(fēng)化砂質(zhì)泥巖持力層的地基承載力。

(3)對延邊地區(qū)的風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層的研究可直接使用本文成果和經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算地基承載力特征值，設(shè)計(jì)工作中的變形模量和錘擊數(shù)的修正也可以參考本文結(jié)果。

(4)本文研究了標(biāo)貫錘擊數(shù)與變形模量和風(fēng)化砂質(zhì)泥巖持力層承載力特征值的關(guān)系，總結(jié)了標(biāo)貫錘擊數(shù)與變形模量和風(fēng)化砂質(zhì)泥巖持力層承載力特征值的經(jīng)驗(yàn)公式，對延邊地區(qū)地基持力層承載力的研究提供了參考依據(jù)。

(5)本文統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分布于延邊地區(qū)，適用于延邊地區(qū)，對于延邊地區(qū)風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層強(qiáng)風(fēng)化和全風(fēng)化可以直接套用本文所建立的經(jīng)驗(yàn)公式。

4.2 建議

本文對延邊地區(qū)的土質(zhì)成因及地基持力層承載力作了大量研究，對延邊地區(qū)主要下臥持力層泥巖的研究相對局限，今后還可以從泥巖層的風(fēng)化狀態(tài)、泥巖層承載力隨風(fēng)化程度的變化、泥巖層的各種物理指標(biāo)等方面對延邊地區(qū)泥巖持力層進(jìn)行探討。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)，可以得出風(fēng)化砂質(zhì)泥巖層變形模量與標(biāo)貫錘擊數(shù)N的經(jīng)驗(yàn)公式:

［1］李向群，于光源.關(guān)于長春市區(qū)地基土的成因及承載力的探討［J］.巖土工程技術(shù)，2007，21(1):51－54.

［2］呂宗耀，孫廣利.延吉盆地風(fēng)化砂質(zhì)泥巖地基承載力研究［J］.吉林建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2013，30(6):22－25.

［3］葉晨峰，陽生權(quán)，彭進(jìn)寶.風(fēng)化砂質(zhì)泥巖地層地鐵盾構(gòu)施工引起地面沉降與其控制［J］.湖南工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，22(3):82－84.

［4］吳平，傅鶴林.風(fēng)化砂質(zhì)板巖水理特征研究［J］.公路工程，2013，38(6):10 －13.

［5］吉林省地質(zhì)礦產(chǎn)局.吉林省區(qū)域地質(zhì)志［M］.北京:地質(zhì)出版社，1988:224－224，251－251.

［6］中華人民共和國水利部.巖土工程分級標(biāo)準(zhǔn)(GB 50218)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

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［8］吉林省住房與城鄉(xiāng)建設(shè)廳.巖土工程勘查技術(shù)暫行規(guī)定［S］.吉林省建設(shè)工程標(biāo)準(zhǔn)(DB 22/T367)，2004.