既有碳酸鹽巖紅土地基物理力學指標與受荷時間相關性研究

趙蕾

（貴州省水利投資（集團）有限責任公司，貴州貴陽550081）

既有碳酸鹽巖紅土地基物理力學指標與受荷時間相關性研究

趙蕾

（貴州省水利投資（集團）有限責任公司，貴州貴陽550081）

20世紀七八十年代，貴州省內許多低于8層的民用建筑以及一些荷載和跨度不大的低層工業廠房，均是以碳酸鹽巖紅土為天然地基并采用淺基礎型式修建而成的。受長期上部荷載作用下的既有地基，其物理力學性質會有所變化。基于受荷年限不同的原狀碳酸鹽巖紅土地基土的物理力學試驗，利用統計回歸分析，對貴州某工廠內碳酸鹽巖紅土物理力學性質指標和修建前未受荷載土的指標以及受荷時間的相關關系進行了深入研究，給出了相應的經驗回歸方程和相關系數。

既有地基；碳酸鹽巖紅土；物理力學性質；受荷時間

隨著我國城市建設高速地發展，建筑用地呈現緊張的局面。從發展趨勢來看，全國各地有大量的既有建筑面臨改建、擴建、加層及地基加固的問題，早期修建的既有建筑，其地基承載力早已不能滿足當代社會的發展要求。為了節省更多的時間、費用和勞動力，如何充分利用既有地基的工程特性，對既有建筑所在場地進行重新規劃，為新建建筑所用，成為工程勘察行業面臨的一大問題。土的物理力學性質是其工程特性的體現，碳酸鹽巖紅土，在工程界又稱作“紅黏土”[1]，是覆蓋在碳酸鹽巖系地層之上，由碳酸鹽巖系地層風化產物經紅土化地質作用后形成的一類特殊性黏土，廣泛分布于中國西南地區，是貴州省內分布范圍最廣的土類。由于其工程性質良好，擁有高塑性、高含水量、高孔隙比的同時還具有較低的壓縮性和較好的強度，所以在20世紀許多低層民用建筑以及一些荷載和跨度不大的低層工業廠房，都是以紅黏土作為天然地基，采用淺基礎型式修建而成的。紅黏土地基由于埋深淺、施工方便簡單、基礎常位于地下水位之上等原因，避免了很多復雜的水文地質問題以及地下水對基礎的侵蝕，是較為理想的天然地基[2-9]。

目前，隨著城鎮化戰略的實施，要不斷通過對既有建（構）筑物的改造（包括加層、改建、擴建及改變用途）來提高其使用年限，實現可持續發展。對既有建（構）筑物而言，在使用期間內地基土由于上部載荷的壓縮固結作用會使承載力得到一定的提高[10-15]。在保證既有建（構）筑物改造工程安全的同時，充分利用地基土固結效應中承載力得以提高的規律，則會讓工程建設節省資金、人力和物力。

對地基后期強度的研究前人做了許多工作，劉宗光[16]通過研究浙江某區域既有軟土地基受長期荷載作用后地基土的強度參數變化，得出地基土的強度隨地基的排水固結和壓密而增高，地基承載力幅度提高了7.8%～22.9%；李平和騰延京[17]通過采用大比尺室內模型試驗，對北京地區粉質黏土地基加載持載時不同允許變形控制指標下地基承載力特性進行研究，結果表明在110 kPa的持載荷載下，以3%，5%，10%為允許變形控制指標的條件下地基承載力可分別提高27.3%，32.5%和45%.但既有紅黏土地基經過多年受壓固結后，其物理力學性質會發生怎樣的變化，地基的承載力是否有所改變，目前關于這方面的研究相對較少。本文以貴州鋁廠氧化鋁廠為例，對紅黏土地基固結過程中影響地基后期強度的重要指標孔隙比、壓縮系數、壓縮模量和黏聚力等隨時間變化的規律進行了研究，得到了一些有益的結論，以期為指導既有建筑物改造工程中的地基處理和工程設計提供技術支撐。

1 工程概況

貴州鋁廠氧化鋁片區位于貴陽市西北郊的白云區，地處云環中路和同心西路之間，毗鄰龔家寨，占地約7 km2。

選定的具有代表性的既有建筑均建在貴州鋁廠氧化鋁廠內，分別是1#蒸發車間、3#蒸發車間和4#蒸發車間，均屬框架結構，柱下獨立基礎，高度超過30 m。這3個車間的車間結構和工藝流程相同，在不考慮車間內設備質量和運作時動荷載影響的情況下，地基所受的上部荷重大致相同，使用年限不同依次約為40年、30年、20年，這3個既有建筑之間存在著“受荷時間”相差10年的關聯性。3個車間前后相鄰，1#蒸發車間與4#蒸發車間距離最近，同屬路的一側，相隔30 m，與3#蒸發車間距離50 m。

場地土質分布情況如下：①人工填土（Qml），灰褐、灰黃色，主要由黏土、碎石、砂礫、磚塊等組成，結構松散，夾腐殖質，厚度為0.3～1.8，分布于整個建筑場地。②紅黏土（Qdl＋el），褐黃、黃褐色夾紫紅色、紅褐色，含黑褐色鐵錳質氧化物，局部較富集，偶見團塊狀鐵錳結核，一般呈硬塑-可塑狀態，接近基巖面的局部地段呈軟塑狀態。厚度一般為8～12 m，有的甚至達到16 m。③三疊系白云質灰巖（T1），呈淺灰、灰白色，細晶結構，中厚層狀，質堅性脆，節理較發育。一般呈中等風化狀態，強風化狀態一般見于巖面頂部0～3 m。1#蒸發車間、3#蒸發車間、4#蒸發車間的建筑構造如表1所示。

表1 既有建筑相關信息表

2 三軸壓縮試驗

三軸壓縮試驗是測定土的抗剪強度的一種方法，它通常用三四個圓柱試樣，分別在不同的恒定圍壓（即小主應力σ3）下，施加軸向壓力即主應力差（σ1－σ3），進行剪切直至破壞，然后根據摩爾—庫侖理論，求得總抗剪強度參數。

根據排水條件的不同，三軸試驗分為不固結不排水剪（UU）、固結不排水剪（CU）和固結排水剪（CD）3種試驗類型。

本文將對既有地基下紅黏土的抗剪強度進行研究，采用不固結不排水（UU）的常規三軸試驗，圍壓分別設定均為100 kPa、200 kPa和300 kPa。

2.1 試驗方法

不固結不排水試驗是在施加周圍壓力和增加軸向壓力直至破壞過程中均不允許試樣排水，試驗采用圍壓σ3定值試驗，設3個圍壓等級，分別為100 kPa、200 kPa、300 kPa。本試驗可以測得總抗剪強度參數，試驗的順序依次是試樣制備、試樣安裝、剪切階段。

2.1.1 試樣制備

三軸試驗的試樣直徑為39.1 mm，高80 mm。先用切土刀切取一塊稍大于規定尺寸的土柱，放在切土盤之間，用鋼絲鋸緊靠側板上下切削土樣，直至土樣的直徑被削成規定的直徑為止。取出試樣，按規定的高度將兩端削平，稱量，并測定余土的含水率。

2.1.2 試樣安裝

試樣安裝步驟為：①在壓力室試樣的底座上，依次放上墊片、濾紙、試樣、濾紙、墊片和試樣帽，用承膜筒將橡皮膜套在試樣外，并用橡皮圈將橡皮膜兩端與底座及試樣帽分別扎緊。②將壓力室罩正確安裝在底座上，將活塞對準試樣帽中心，均勻旋緊3顆螺絲密封好。③關閉底部量側的孔壓閥門，壓力水底部壓力室水閥接外部壓力水進行注水。當水從通氣閥口溢出時，關閉通氣閥。④旋轉手輪，同時轉動活塞。當軸向測力計有微讀數時，表示活塞已與試樣帽接觸。然后將軸向測力計和軸向位移計的讀數調整到零位。

2.1.3 剪切過程

在不固結不排水剪試驗中，剪切階段剪切速率為0.005～0.01 mm/min，試驗時采用0.008 mm/min的剪切速率，剪切過程中關閉排水閥不允許水分排出。試驗過程中，將主應力差的峰值作為破壞點，若軸向應變達15%時仍無峰值，則取“=15%”所對應的值為破壞值，可以停止試驗。試驗采用TSZ10-1.0型應變控制式三軸儀，如圖1所示，主要由三軸壓力室、圍壓控制部件、軸向加荷系統、孔壓控制部件等組成。

圖1 TSZ10-1.0型應變控制式三軸儀

2.2 試驗結果

圖2 三軸剪切過程中應力應變曲線

1#蒸發、3#蒸發與4#蒸發車間中，各取一組相同土層深度下均為可塑狀態的紅土塊，觀察在三軸剪切過程中應力應變關系曲線。取直角坐標系，以軸向應變為橫坐標，偏差應力σ1－σ3為縱坐標，繪制ε1－（σ1－σ3）關系曲線，如圖2所示。從圖2中可以看出3個車間內，無論圍壓為100 kPa、200 kPa，還是300 kPa，4#蒸發車間的曲線都位于最下方，偏差應力最小；1#蒸發車間的曲線都高于其他2個車間，偏應力差最大。說明1#蒸發車間的地基土較其他車間最硬，3#蒸發車間次之，4#車間最軟，從而進一步說了1#蒸發車間地基土受荷時間最長，所以固結程度最高，土的強度也最高；4#蒸發車間固結時間最少，土質比其他2個車間軟，土強度最低。

圖3 4#蒸發車間2號基礎的一組三軸試驗結果

由于原勘報告中提供的各項土樣物理力學指標是多組試驗的平均值，為了便于比較分析，將每個車間土樣的物理力學指標求平均值后列出對比，分別見表2、表3和表4.

表2 1#蒸發車間地基土各項指標對比

表3 3#蒸發車間地基土各項指標對比

表4 4#蒸發車間地基土各項指標對比

從表2到表4中可以得出，既有建筑基礎所在的土層以可塑狀態的紅黏土層為主，由于土的壓密固結效應，既有地基在長期上部荷載作用下物理力學指標發生了變化。與修建前原勘察報告值比較，既有地基土的含水量、孔隙比、壓縮系數、液塑限、塑性指數及黏聚力降低；壓縮模量、液性指數升高。

2.2.1 孔隙比的變化

孔隙比是土中孔隙體積與土粒體積之比，它反映了土的密實度，孔隙比越小說明地基土越密實。受多年荷載作用的地基土，孔隙被壓縮，土變密實，孔隙比因荷載作用而減小。

圖4 孔隙比與受荷時間之間的關系

從上表中可以發現，多年受荷后的孔隙比平均值呈現出了時間序列，受荷時間最長的1#蒸發車間孔隙比最小，受荷時間最短的4#蒸發車間孔隙比最大，孔隙比隨時間的變化如圖4所示。受荷時間由20年變為30年時，曲線的下降幅度較大，孔隙比從1.65降到1.35，說明這段固結時間里，孔隙比變化較快；由30年變為40年時，孔隙比從1.35降到1.31，曲線的下降幅度平緩，壓縮程度逐漸降低，40年的地基土變形已逐漸趨于穩定。

2.2.2 壓縮系數與壓縮模量的變化

壓縮系數和壓縮模量均是反映地基土壓縮變形的重要指標，壓縮系數是描述土體壓縮性大小的物理量，壓縮系數越大，說明土的壓縮性越高，越容易被壓縮；壓縮模量指在側限條件下垂直向應力與應變之比，壓縮模量越大，表示同一壓力范圍內壓縮變形越小，土的壓縮性就越低，越不容易被壓縮。壓縮系數與壓縮模量的平均值按受荷年限的變化如圖5和圖6所示。

圖5 壓縮系數與受荷時間之間的關系

從圖5中可以看出，20年到30年段的曲線較陡，壓縮系數呈下降趨勢，從0.25降到了0.19，降低了24%；從30年到40年這10年時間里，壓縮系數從0.19僅降到了0.18，說明在一定范圍內，地基土受荷時間越長，固結程度越高的，越不容易被壓縮。從圖6中可以看出，受荷時間由20年變為30年時，壓縮模量從12.1 MPa增大到13.43 MPa，提高了9.9%；30年到40年時，壓縮模量提高了1.9%，達到了13.7 MPa。隨著受荷時間的增加，土的壓縮模量隨之提高。

圖6 壓縮模量與受荷時間之間的關系

2.2.3 黏聚力的變化

土的黏聚力包括土粒分子引力形成的原始黏聚力和土中化合物的膠結作用形成的固化黏聚力，地基土受壓密效應的影響，黏性土本應表現出黏聚力增大。但實際情況是，黏聚力的試驗值均比修建前的報告值低，低了19.3%～51.4%.分析原因很可能是堿液與土中起膠結作用的化合物反應，消耗了土顆粒間的膠結物質，使得黏聚力降低。雖然試驗值與報告值相比是降低的，但是“蒸發”車間內地基土的黏聚力平均值隨著受荷年限的增加而增加，如圖7所示。

圖7 黏聚力與受荷時間之間的關系

從20年到30年時，黏聚力從19.42 kPa增加到24.35 kPa，增大了20.2%；30年到40年時，黏聚力增加了16.1%，達到29.05 kPa。從圖7中可以看出，2個時間段內黏聚力的增加較均勻，呈線性上升，由此可以得出，固結時間越久的地基土，其黏聚力值越大。

3 土工試驗計算地基承載力

針對貴州鋁廠既有碳酸鹽巖紅土地基承載力研究，選用《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2002）中的理論公式計算法，對由土的抗剪強度指標確定的承載力進行計算：

式（1）中：Mb，Md，Mc為承載力系數（詳見規范中表5.2.5）；b為基礎底面寬度，大于6 m時取6 m，對于砂土，小于3 m時按3 m取值；ck為基底下1倍短邊寬深度內土的黏聚力標準值，kPa。

通過規范法計算的承載力特征值如表5所示，3個車間中可塑狀態的地基土承載力平均值見表6.

表5 土工試驗數據換算承載力特征值

表6 試驗值與報告值對比表

由表6可以看出，試驗得到的承載力特征值均比原勘察報告中值大，其中，1#蒸發車間的試驗值比報告值增大48%，4#蒸發車間承載力值則僅高出報告值6.6%.總體來說，試驗值則比報告值大了6.6%～48%，這說明了既有碳酸鹽巖紅土在長期上部荷載作用下，地基土的承載力是提高的。

4 結論

本文對貴陽市白云區貴州鋁廠內受荷年限分別為20年、30年、40年的既有碳酸鹽巖紅土地基進行了室內土工試驗，以此探究既有地基承載力與地基土物理力學指標與修建前報告值相比的變化規律。研究后得到的結論如下：①受荷時間由20年到40年時，孔隙比由1.65下降到1.31，在20年到30年這段期間曲線的下降幅度較高，孔隙比從1.65降到1.35，說明這段固結時間里，孔隙比變化較快；30年到40年，孔隙比從1.35降到1.31，曲線的下降幅度平緩，壓縮程度逐漸降低，40年的地基土變形已逐漸趨于穩定。②受荷時間從20年到40年時，壓縮系數從0.25下降到0.18，20年到30年段的曲線較陡，壓縮系數呈下降趨勢，從0.25降到了0.19，降低了24%；從30年到40年這10年時間，壓縮系數從0.19僅降到了0.18，說明在一定范圍內，地基土受荷時間越長，固結程度越高的，越不容易被壓縮。③受荷時間從20年到40年時，壓縮模量得到了一定提高，其中，受荷時間由20年變為30年時，壓縮模量從12.1 MPa增大到13.43 MPa，提高了9.9%；30年到40年，壓縮模量提高了1.9%，達到13.7 MPa。隨著受荷時間的增加，土的壓縮模量有不同幅度的提高。④受荷時間從20年到40年時，黏聚力增加，其中，20年到30年時，黏聚力從19.42 kPa增加到24.35 kPa，增大了20.2%；30年到40年時，黏聚力增加了16.1%，達到29.05 kPa。⑤既有碳酸鹽巖紅土地基受長期上部荷載作用后，地基承載力得到提高，與修建前報告值相比，提高幅度為6.6%～48%.地基產生壓密固結效應，在一定時間范圍內，固結時間越久，地基承載力越高。

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〔編輯：劉曉芳〕

TU446

：A

10.15913/j.cnki.kjycx.2017.16.009

2095－6835（2017）16－0009－05