延邊地區(qū)土質成因及地基承載力的研究

張兆輝，李向群

(吉林建筑大學測繪與勘查工程學院，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化砂質泥巖，風化砂質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。前人對于風化砂質泥巖做了大量研究，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］。呂宗耀在大量實驗數(shù)據(jù)的研究中提出了對風化砂質泥巖的承載力特征值與變相模量的經驗公式［2］。葉晨風等根據(jù)具體工程實例對地鐵施工在風化砂質泥巖土層中，得到了盾構法所需要的具體的注漿量和穩(wěn)定比的控制建議值［3］。吳平在對風化砂質板巖的水理研究中發(fā)現(xiàn)風化板巖極易發(fā)生崩解，風化程度越大崩解越嚴重，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)土質進行分析，得出延邊土層的具體數(shù)據(jù)及可靠結論。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上對延邊地區(qū)土層大致分布及地基土持力層承載力進行分析。

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行系統(tǒng)研究，對泥巖、砂巖進行現(xiàn)場原位試驗以及土工試驗以探討延邊地區(qū)地層承載力的實際情況。

泥巖是沉積巖石學中沉積碎屑巖類的粘土巖類，一般為厚層狀、密實、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，泥巖的風化程度隨著靠近地表而增大，越靠近地表，風化程度越高。本文測試對象主要是處于全風化、強風化狀態(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)風化砂質泥巖，厚4.10 ～7.30m。延邊地區(qū)表層土質以沖積、堆積而成。在20世紀70年代以前，由于施工技術的不足，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)物理力學指標統(tǒng)計值(表1)

表1 粘土物理力學指標統(tǒng)計值

(2)指標空間特征

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，當粘土所處位于地層埋深約為3.5～5.5m處時，0.8 ＜e0＜1.0。

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

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)，當粘土位于埋深所在位置小于1.50m處時，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)，當粘土位于埋深所在位置大于3.50m處時，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硬程度，與地下水位和水的飽和程度密切相關。

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，是基礎的持力層之一。對此層粗砂進行物理指標測定(表2)，本層粗砂呈稍密狀態(tài)。

表2 粗砂物理力學指標統(tǒng)計值

根據(jù)顆粒分析，粗砂占50%，細砂占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)深基礎主要下臥層之一，也是樁基礎的穩(wěn)定持力層之一，呈灰黃色，中密～密實狀態(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，該試驗場地均勻分布。該層物理力學指標如表3所示。

表3 圓礫物理力學指標統(tǒng)計值

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行深入探討，將對下一層泥巖層進行大量試驗研究。

3 風化砂質泥巖地基承載力的確定方法

載荷試驗和原位測試試驗是確定風化砂質泥巖地基承載力的可靠方法，在沒有具體地區(qū)經驗的情況下由載荷試驗和原位測試試驗得出的風化砂質泥巖地基承載力是可靠的。采用載荷試驗可以得出風化砂質泥巖地層的地基承載力特征值和變形模量。對載荷試驗周邊進行標準貫入試驗，可以得出標準貫試驗錘擊數(shù)。本文將對標準貫入試驗錘擊數(shù)、由載荷試驗得到的風化砂質泥巖地基承載力特征值以及彈性模量進行線性分析，并且研究其相關性。求得關于延邊地區(qū)風化砂質泥巖地層承載力的計算方法及經驗公式，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

按照《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007)附錄C［6］的規(guī)定，采用載荷試驗確定泥巖層地基承載力。淺層平板載荷試驗要求現(xiàn)場符合以下條件:試驗點無邊載，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;試驗點面積范圍內擬采用明溝排水，地層濕度接近天然濕度;滿足施加荷載能達到極限荷載的條件。進行平載荷試驗時，場地均已進行降水施工，考慮降水因素，試驗土層的強度比天然飽和狀態(tài)的強度高。因此，進行承載力與土工試驗成果及原位測試成果關系分析時，應將平板荷載試驗所獲得的承載力進行折減，經室內土工試驗對比分析，折減系數(shù)取0.85。

3.2 標準貫入試驗

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

按照規(guī)范采用自動脫鉤式的自由落錘，落距76cm，錘重63.5kg，探桿直徑42mm，貫入器采用國家固定標準。依照國家規(guī)范:鉆孔內保持干凈，有護臂保護，泥巖層進行標準貫入試驗要預打3～5擊，確保貫入器進入未擾動層，標準貫入數(shù)據(jù)要根據(jù)桿長進行修正。根據(jù)吉林省建設標準，對泥巖層風化程度與錘擊數(shù)如表4所示。

表4 標準貫入試驗判定風化程度

原位測試成果、土工試驗成果及承載特征值數(shù)據(jù)詳見表5。

表5 原位測試成果、土工試驗成果及承載力特征值數(shù)據(jù)表

試驗序號1～試驗序號4四組試驗所在場地為紫紅色全風化砂質泥巖層，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。

試驗序號5～試驗序號8四組試驗所在場地為灰褐色強風化砂質泥巖層，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。

試驗序號9～試驗序號11三組試驗所在場地為灰棕色強風化砂質泥巖層，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，風化砂質泥巖層承載力特征值和變形模量與風化程度密切相關，隨著風化程度的增加，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貫錘擊數(shù)的經驗關系。根據(jù)表1表格中所標示的數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸分析，全風化～強風化砂質泥巖層地基承載力特征值與修正后的標貫錘擊數(shù)N線性相關，相關系數(shù)為0.9322，其相關性見圖1。

圖1 承載力特征值與標貫錘擊數(shù)關系

圖2 承載力特征值與變相模量關系

由圖1可知，根據(jù)修正之后的標準貫入試驗錘擊數(shù)N可以計算出泥巖層地基承載力特征值fak的試驗經驗公式如下:

其中，fak為所測地基承載力特征值，kPa;N為經過修正后的標準貫入試驗錘擊數(shù)，擊。

(2)變形模量與地基承載力特征值的經驗關系。由試驗得出的數(shù)據(jù)，對標準貫入試驗錘擊數(shù)與承載力特征值的線性關系進行線性分析。風化砂質泥巖層承載力特征值與地基泥巖層變形模量的線性關系，其相關系數(shù)為0.9732，其相關性見圖2。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)，可以得出風化砂質泥巖層變形模量與承載力特征值fak的經驗公式:

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)變形模量與標準貫入試驗錘擊數(shù)的經驗關系。由試驗得出的數(shù)據(jù)，對標準貫入試驗錘擊數(shù)與變形模量的線性關系進行線性分析。可知風化砂質泥巖層變形模量與地基泥巖層修正后的標貫錘擊數(shù)N的線性關系，其相關系數(shù)為0.9249，其相關性見圖3。

圖3 變形模量與標貫錘擊數(shù)關系

其中，E0為所測地基變形模量，MPa;N為經過修正后的標準貫入試驗錘擊數(shù)，擊。

4 結論與建議

4.1 結論

延邊地區(qū)土質成因較為復雜，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，明確了延邊地層土質的成因，給出了風化砂質泥巖層地基承載力經驗公式，得出如下結論。

(1)延邊地區(qū)土質多為沖積土，土質分層較為復雜，但經過對延邊地區(qū)土層試驗分層后發(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，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。載荷試驗是確保地基持力層承載力的可靠方法，在當?shù)貙嶋H經驗缺乏的情況下，可以由載荷試驗確定風化砂質泥巖持力層的地基承載力。

(3)對延邊地區(qū)的風化砂質泥巖層的研究可直接使用本文成果和經驗公式來計算地基承載力特征值，設計工作中的變形模量和錘擊數(shù)的修正也可以參考本文結果。

(4)本文研究了標貫錘擊數(shù)與變形模量和風化砂質泥巖持力層承載力特征值的關系，總結了標貫錘擊數(shù)與變形模量和風化砂質泥巖持力層承載力特征值的經驗公式，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)計的試驗數(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)風化砂質泥巖層強風化和全風化可以直接套用本文所建立的經驗公式。

4.2 建議

本文對延邊地區(qū)的土質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化狀態(tài)、泥巖層承載力隨風化程度的變化、泥巖層的各種物理指標等方面對延邊地區(qū)泥巖持力層進行探討。

根據(jù)已有數(shù)據(jù)，可以得出風化砂質泥巖層變形模量與標貫錘擊數(shù)N的經驗公式:

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

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

［3］葉晨峰，陽生權，彭進寶.風化砂質泥巖地層地鐵盾構施工引起地面沉降與其控制［J］.湖南工程學院學報，2012，22(3):82－84.

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

［5］吉林省地質礦產局.吉林省區(qū)域地質志［M］.北京:地質出版社，1988:224－224，251－251.

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

［7］中華人民共和國住房與城鄉(xiāng)建設部.巖土工程勘查規(guī)范(GB 50021)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［8］吉林省住房與城鄉(xiāng)建設廳.巖土工程勘查技術暫行規(guī)定［S］.吉林省建設工程標準(DB 22/T367)，2004.