蘭州城區卵石工程性質試驗研究

魯海濤，曹福明，滕文川

(甘肅土木工程科學研究院,甘肅 蘭州 730020)

蘭州城區卵石工程性質試驗研究

魯海濤，曹福明，滕文川

(甘肅土木工程科學研究院,甘肅 蘭州 730020)

以蘭州城區的卵石層為研究對象,通過現場直接剪切試驗、平板載荷試驗和旁壓試驗,繪制出卵石土剪應力與法向應力關系曲線、剪應力與剪切位移關系曲線、平板載荷試驗下的p-s曲線。分析了卵石土的抗剪強度、地基承載力特征值和變形模量等力學性質。研究認為,蘭州城區卵石土的抗剪強度指標黏聚力c大于零,內摩擦角φ與工程實際中取值基本一致,卵石層承載能力遠大于目前工程建設采用的地基承載力特征值。

蘭州城區；卵石；現場剪切試驗；載荷試驗；工程性質

0 引言

蘭州市城區位居興隆山至七道梁山前黃土塬與皋蘭北山梁峁溝壑區之間的黃河河谷帶狀盆地（七里河斷陷盆地）內,黃河由西向東穿城而過,南北狹窄而東西較長。河谷內分布不同厚度的卵石層,是以第四系沖洪積為主的堆積體。卵石母巖成份以石英巖、花崗巖等硬質巖為主,充填物以中粗砂為主。因其良好的工程力學性質,是建筑物可靠的基礎持力層。在巖土工程勘察工作中,蘭州城區卵石層地基承載力特征值 fak一般根據規范取350～800 kPa,黏聚力為零[1,2]。由于卵石的松散性,采取原狀樣品進行室內物理力學性質試驗比較困難,其工程特性指標宜通過現場原位試驗獲得。本文在黃河右岸Ⅱ級階地上選取西關十字、小西湖、西站和馬灘4處試驗場地進行卵石層的平板載荷試驗、旁壓試驗、現場直接剪切試驗,對蘭州城區卵石物理力學性質進行研究,為工程建設及進一步的科研提供參考。圖1為試驗場地位置圖。

1 物理性質

1.1 成份組成

蘭州市城區卵石母巖成份以石英巖、花崗巖等硬質巖為主,充填物以中粗砂為主。顆粒磨圓度較好,以亞圓形為主,少量次棱角形。一般粒徑30～90 mm,含漂石,最大粒徑約450 mm。

圖1 為試驗場地位置圖

1.2 密度

在西關十字、西站和馬灘3處試驗場地選取10個試驗點,進行現場大體積密度試驗。試驗結果見表1。該層卵石含水量均值8.2%,濕密度均值2 350 kg/m3,干密度均值2 140 kg/m3。

1.3 顆粒級配

蘭州城區卵石層以卵粒為骨架顆粒,骨架顆粒含量約占全重的60%～75%,充填物以礫粒及砂粒為主,約占24.4%,黏粒約占0.5%,呈中密～密實狀態,級配不良。典型顆粒分析見表2。

2 抗剪強度

對不能取得原狀土樣的粗顆粒土及巖體,現場直接剪切試驗,是目前技術條件下,能夠比較準確地確定地基巖土抗剪強度指標的唯一手段[3]。因此,本次采用現場直接剪切實驗來確定該層卵石的抗剪強度指標。現場直接剪切試驗是對一組試體在不同垂直壓應力作用下進行剪切的試驗,目的是測定巖土抵抗剪切破壞的能力,為地基巖土的穩定計算分析提供抗剪強度參數。

表1 大體積密度和含水量試驗結果表

2.1 試驗方法

本次在西站、馬灘、西關十字共完成了12組現場直接剪切試驗,試驗垂直加荷按4級施加,每級法向荷載條件下地基沉降達到相對穩定標準后開始施加水平荷載,測定水平荷載及相應位移量。試驗時,水平加荷按預估最大剪力的8%～10%,分級施加。每15 min施加一級。施加剪力前、后,各測讀一次位移讀數。當達到剪力峰值、發生連續地剪切位移（即滑動破壞）,或出現剪力的殘余值時,試驗終止。

試樣尺寸:0.6 m×0.6 m×0.3 m；剪切面積（法向應力面積）:0.36 m2。

2.2 試驗結果分析

剪應力-剪切位移關系曲線見圖2（由于篇幅限制,僅列出2#、5#及11#試驗點關系曲線圖）。

如圖2、圖4、圖6可知,剪應力與剪切位移關系曲線大多為緩變型,無明顯的直線段、屈服段、殘余段及比例界限,說明蘭州城區卵石發生剪切破壞后,在剪應力基本保持不變的情況下,試件以一定的位移速率沿剪切面滑移,為典型的塑性破壞,尚有一定的殘余應力；由圖3、圖5、圖7剪應力與法向應力關系圖可知,同組試驗不同法向壓力對應的剪應力峰值點離散性較大,不具有規律性,說明蘭州城區卵石的剪切破壞,應根據上部荷載的大小,選用合理的抗剪強度指標。

圖2 2#試驗點剪應力與剪切位移關系曲線

圖3 2#試驗點剪應力與法向應力關系圖

表2 顆粒分析（篩分法）試驗成果統計

圖4 5#試驗點剪應力與剪切位移關系曲線

圖5 5#試驗點剪應力與法向應力關系圖

圖6 11#試驗點剪應力與剪切位移關系曲線

圖7 11#試驗點剪應力與法向應力關系圖

本次試驗所得抗剪強度指標統計結果見表3。統計結果表明,內摩擦角φ在33.3°～41.65°之間,標準值35.0°,與實際工程建設中取值基本一致。

表3 現場剪切試驗測試結果統計表

一般認為卵石土黏聚力為零,而該層卵石土尚存在類似黏聚力的結構力,其大小在7.92～49.6 kPa之間,標準值14.8 kPa。陳希哲教授認為這是粗顆粒相互交錯鑲嵌形成的一種新的力,稱之為咬合力[4]。

工程實踐中也發現,該層卵石土自穩能力很好。該層卵石土之所以具有較強的自穩能力,是因為該層卵石土卵粒含量較大,且卵粒之間一般都相互接觸、相互嵌固,卵石土骨架顆粒之間具有較高的咬合力。研究表明,作為骨架顆粒的卵粒決定著卵石土的抗剪強度,骨架顆粒粒徑越大,咬合力明顯增加。這種咬合力并不表現在相鄰的卵石顆粒之間,甚至在1～2倍卵石粒徑乃至更大的范圍內都無法表現出來,而必須通過整體作用才能表現出來,只有通過現場直接剪切試驗才能獲得相關參數[5]（見表3）。

2.3 地基極限承載力特征值計算

通過上述試驗所得的抗剪強度指標標準值,按照《建筑地基基礎設計規范》（GB50007—2011）計算地基承載力特征值fa。計算過程中b取3 m,d取20 m,基礎底面上、下土的重度均取16.8 kN/m3,按下式計算地基極限承載力:

式中:Mc、Md、Mc為承載力系數,通過查表求得。按照上式計算所得地基極限承載力為2 930.8 kPa。

3 原位測試

3.1 淺層平板載荷試驗

為確定蘭州城區淺層卵石土承載力及變形模量等地基巖土力學參數,在蘭州西站某工地,對該層卵石土進行了淺層平板載荷試驗。

3.1.1 試驗方法

試驗采用分級維持荷載沉降相對穩定法（常規慢速法）,人工清除擾動層至原狀卵石土層面,試壓面用中粗砂找平。使用圓形剛性承壓板,直徑0.799 m,面積0.50 m2,試驗最大加荷值5 400 kPa。

3.1.2 試驗結果分析

由表4、圖8可知,試驗點p-s曲線呈緩變型,地基破壞形式為漸進破壞,無明顯的線性段,即彈性變形范圍很小,很快進入彈塑性變形階段,隨著荷載的增加p-s曲線呈曲線狀。因p-s曲線無明顯陡降段,試驗點地基承載力按相對變形控制,地基極限承載力取s/d=0.06對應的荷載值,地基承載力特征值取s/d=0.01對應的荷載值。本次試驗中1#、4#及5#地基變形達到規范規定的極限狀態,其余試驗點地基變形均未達到極限狀態。通過上述靜載試驗,卵石土極限承載力fu最小值為5 047 kPa,地基承載力特征值fak均值為1 664 kPa。

表4 淺層平板載荷試驗結果匯總表

圖8 淺層平板載荷試驗點p-s曲線

3.2 深層載荷試驗

為確定深層卵石土承載力及變形模量等地基巖土力學參數,在蘭州西站某工地內完成了3點卵石土層深層平板載荷試驗。

3.2.1 試驗方法

試驗采用人工開挖試井,試井內徑1.20 m,開挖至距離試驗面1.00 m后,試井內徑變為0.86 m。選用承壓板面積0.50 m2和0.25 m2。

3.2.2 試驗結果分析

由表5、圖9可知,各試驗點最大加荷值對應的沉降量在30.07～47.66 mm,p-s曲線為緩變型沉降曲線。因p-s曲線無明顯陡降段,試驗點地基承載力按相對變形控制,地基極限承載力fu取s/d=0.04對應的荷載值,地基承載力特征值fak取值按s/d=0.01確定。通過深層平板載荷試驗所得該層卵石土極限承載力fu均值為4 495 kPa,地基承載力特征值fak均值為2 905 kPa。

表5 深層平板載荷試驗結果匯總表

3.3 旁壓試驗

為確定深層卵石土承載力及壓縮模量等地基巖土力學參數,在小西湖附近的友誼醫院、西湖公園、市中級法院和工人文化宮內完成了8點卵石土層旁壓試驗。

3.3.1 試驗方法

旁壓試驗包括預鉆式、自鉆式和壓入式三種。本次采用預鉆式旁壓試驗,即利用側向膨脹的旁壓器對鉆孔側壁施加橫向均勻應力,使孔壁土體發生徑向變形直至破壞,利用兩側裝置測出施加的壓力與相應的土體變形值,然后繪出應力-應變關系曲線,按照理論公式或有關的經驗方法來確定地基土的承載力特征值、壓縮模量（旁壓模量）等有關設計參數[6]。

圖9 深層平板載荷試驗點p-s曲線

3.3.2 試驗結果分析

根據旁壓試驗結果,經數理統計計算,將各試驗深度卵石土的旁壓模量、旁壓剪切模量等試驗參數列于表6,并依據臨塑荷載公式計算地基承載力特征值,臨塑值修正系數λ取1,計算結果見表6。

表6 旁壓試驗測試結果統計表

由表6計算結果可知,旁壓試驗所得旁壓模量Em平均值為34.7 MPa,地基承載力特征值fak平均值為3 410 kPa。

由以上平板載荷試驗及旁壓試驗可知,該層卵石土地基承載力特征值fak遠高于目前工程建設中所采用的地基承載力特征值取值。分析主要原因為蘭州城區卵石土層卵石顆粒之間的嵌固、咬合作用,致使卵石土層具有較強的自穩能力。這對以卵石土層作為基礎持力層的工程建設相當有利。

3.4 試驗結果對比

對以上淺層載荷試驗、旁壓試驗所得地基承載力特征值及蘭州地區地基承載力經驗值,按照《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）相關條文進行深寬修正,將修正后的地基承載力特征值與深層平板載荷試驗結果、抗剪強度指標理論計算結果進行對比,確定蘭州城區卵石地基承載力特征值,為與土的抗剪強度指標確定地基承載力特征值結果相對應,深度d取20 m,寬度b取3 m,基礎底面以上土的加權平均重度取16.8 kN/m3,結果見表7。

表7 試驗結果對比

由以上試驗結果對比可見,根據抗剪強度指標計算所得地基極限承載力特征值與深層平板載荷試驗結果、修正后的淺層平板載荷試驗結果相差不大,均大于規范中提供的地基承載力特征值經驗值,根據旁壓試驗結果所得地基承載力特征值修正后偏大。

綜合分析:由于規范中認為卵石土黏聚力為零,而蘭州城區卵石土層卵石顆粒之間存在咬合力,因此,規范提供的承載力特征值偏于保守；旁壓試驗計算地基承載力特征值,由于對卵石土臨塑值修正系數λ的取值沒有明確規定,其結果可能存在誤差。所以,蘭州城區卵石土地基承載力特征值應根據抗剪強度指標計算所得地基極限承載力特征值與深層平板載荷試驗所得地基承載力特征值進行確定。

4 結論

（1）根據現場直接剪切試驗成果,蘭州城區卵石土內摩擦角φ在33.3°～41.65°,標準值35.0°,與實際工程建設中取值基本一致；該層卵石土整體上表現出一定的咬合力,咬合力在7.92～49.6 kPa之間,標準值14.8 kPa,自穩能力較強。

（2）原位試驗結果表明,由于蘭州城區卵石土存在不可忽略的咬合力,卵石土層地基承載力指標遠大于目前已建（在建）工程所采用的地基承載力指標,對于今后該層卵石土的地基基礎參數選取具有指導意義。

（3）蘭州城區卵石土地基承載力特征值,應根據抗剪強度指標進行計算,或以深層平板載荷試驗結果進行確定。

（4）針對蘭州城區卵石土的工程性質,在實際巖土工作中合理利用其工程力學性質較高的事實,能夠在保證工程安全的情況下很大程度上降低工程成本。

[1]工程地質手冊編委會.工程地質手冊（第四版）[M].北京:中國建筑工業出版社,2011.

[2]DB62/T 25-3036-2012,巖土工程勘察規范[S].

[3]王汝恒,賈彬,鄧安福,等.砂卵石土動力特性的動三軸試驗研究[J].巖石力學與工程學報,2006,28(2):4059-4064.

[4]陳希哲.粗粒土的強度與咬合力的試驗研究 [J].工程力學, 1994,11(4):56-62.

[5]夏曉勇,謝濤.成都二元地層結構對建筑基坑工程的影響[J].四川建筑,2009,29(5):101-102.

[6]GB/T 50123-1999,土工試驗方法與標準[S].

TU4

A

1009-7716（2017）07-0254-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.078

2017-03-06

魯海濤(1968-),男,甘肅永登人,注冊巖土工程師,高級工程師,主要從事巖土工程勘察、檢測、監測等工作。