慶陽地區(qū)超高層巨厚層黃土地基工程地質(zhì)特征

宋 彧， 羅小博， 路承功， 陳志超，盧國文

1.蘭州理工大學土木工程防災減災重點實驗室，蘭州 730050 2.西部土木工程防災減災教育部工程研究中心，蘭州 730050

0 引言

我國地域廣闊，地質(zhì)條件錯綜復雜，地理環(huán)境、氣候條件、物質(zhì)組成成分等存在的差異性，使得各類黃土質(zhì)具有顯著不同的工程性質(zhì)[1]。近年來，隨著“一帶一路”倡議的興起，西北地區(qū)經(jīng)濟的發(fā)展成為世人關(guān)注的焦點，其中以全國乃至全球黃土層最厚的隴東黃土塬地區(qū)為典型代表。而且隨著城市化進程不斷加快，人口增長、用地緊缺等問題越來越突出，加上人們對現(xiàn)代化生活的憧憬，解決辦法就是在該地區(qū)修建超高層建筑。為此，復雜的地質(zhì)條件仍值得學者們繼續(xù)去深究。

早在先前，蒲毅彬等[2-3]通過不同壓力下土體的CT(計算機斷層掃描儀)結(jié)構(gòu)變化，對黃土的濕陷過程進行了試驗，認為水進入到原狀土中，松散的毛細孔隙形成滲透通路，土骨架瓦解，填補了大孔洞，導致整體濕陷。劉志斌等[4-5]針對壓實的黃土展開了研究，認為當含水率保持一定時，壓實黃土的抗剪強度指標值(內(nèi)摩擦角c、黏聚力φ)均隨干密度的增大而增大，壓實度越高，電阻率越小；干密度或壓實度保持不變時，抗剪強度與電阻率均隨含水率的增大而減小。孫海妹等[6]采用反壓飽和法對原狀黃土液化試驗進行了室內(nèi)研究，黃土在均壓固結(jié)條件下，孔壓前期緩慢增長，隨著循環(huán)次數(shù)的增多，其迅速增長直到形成有效圍壓；應力-應變滯回特性曲線也發(fā)生改變，塑性隨試驗次數(shù)的增加逐漸增大。

盡管眾多學者[7-10]從不同角度對濕陷性黃土特性做了詳盡的闡述，但較系統(tǒng)全面地把土的物理性能與力學性能[11]綜合起來進行分析研究的目前尚少，尤其對于隴東這片超大厚度黃土來講。文中以隴東黃土塬地區(qū)慶陽市擬建的首幢42層超高層建筑為例，就該地區(qū)濕陷性黃土的工程及地質(zhì)特性進行測試、分析、研究及評價，以期為工程實踐提供指導性建議。

1 研究區(qū)地理位置及巖土工程地質(zhì)條件

甘肅省慶陽市位于隴東黃土塬上，地處106°22′12″E—108°42′35″E，35°14′23″N—37°10′12″N，東鄰西安、咸陽，西連蘭州，南通天水、寶雞，北接銀川，場地位置圖見圖1。慶陽市屬溫帶大陸性氣候，年平均溫度10 ℃，年降水量486～660 mm，凍土深度0.67 m，地下水位埋深一般在62.0 m左右。

場地地形平坦開闊，地層完整，層序清楚。塬區(qū)100 m以內(nèi)地層由黑壚土(Q4eo1粉質(zhì)黏土)、馬蘭黃土(Q3eo1粉質(zhì)黏土)、離石黃土(Q2eo1粉質(zhì)黏土)和午城黃土(Q1eo1粉質(zhì)黏土)組成，其間夾多層古土壤(粉質(zhì)黏土)。根據(jù)中國黃土區(qū)地層劃分的相關(guān)規(guī)范[12-14]，本區(qū)地層主要由29層粉質(zhì)黏土(含14層古土壤)組成，自地基表面開始，從上至下依次為：黑壚土及其以上沉積的地層為全新世，即Q4時代的次生黃土，厚度2.0～3.0 m，形成年代不足1萬a，研究區(qū)場地未見其分布；中更新世與晚更新世的界限，在第1層古土壤底部，即為Q3時代的馬蘭黃土，揭露地層為1--2層，厚度10.0～12.0 m，沉積年代為10萬～11萬a；早更新世與中更新世的界限，在第2層古土壤底部，場地揭露的地層為3--14層，即為Q2時代離石黃土，厚度40.0～42.0 m；第14層古土壤層底部以下為早更新世地層，即為Q1時代的午城黃土，揭露地層15--29層，厚度大于200.0 m，黃土具體的地層分布(包括較厚黃土和古土壤層)及物理指標見表1。

圖1 試驗區(qū)場地位置圖Fig.1 Site location of experimental field

表1 場地地層分布及物理性質(zhì)指標

續(xù)表1

2 黃土工程特性試驗方法

2.1 試點布置

在已有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，按照建筑物邊界，呈方格網(wǎng)狀布置，試點間距一般為19.0～22.0 m，共布設(shè)21個。其中：控制性鉆孔4個；先靜力觸探試驗后鉆孔6個；標準貫入孔9個，孔深均為80.0～100.0 m；波速試驗孔2個，孔深80.0 m。部分試點平面布置見圖2。

2.2 現(xiàn)場試驗

根據(jù)試驗需求，在現(xiàn)場所采用的大型試驗設(shè)備有：YD—II型汽車鉆機一臺及配套鉆具、探井設(shè)備一臺及配套鉆具、靜力觸探設(shè)備及JC—X3型多功能測試儀一套、波速測試儀及分析軟件各一套、GPS map 60CSx一套。

1)按照《建筑工程地質(zhì)勘探與取樣技術(shù)規(guī)程》(JGJ/T87-2012)[15]操作要求，選取直徑為127 mm的螺旋鉆頭回轉(zhuǎn)鉆進與巖心管回轉(zhuǎn)鉆進方式，在預定取樣深度采取原土樣，隨即進行原位測試。

標準貫入試驗(SPT)：0～60 m范圍內(nèi)采用螺旋鉆進工藝，利用薄壁取土器靜壓法取土；大于60 m的深度內(nèi)采用回轉(zhuǎn)鉆進，雙管單動取樣器采集原狀土樣進行標準貫入試驗。

靜力觸探試驗(CPT)：采用雙橋探頭，車載全液壓傳動加壓，利用地錨作為反力進行試驗。

2)波速測試：采用單孔檢層法測試地基土層的剪切和壓縮波速度，獲得地基的密實性及各地基土層的剪切波速，進行場地類別劃分。

圖2 各試驗孔平面布置圖Fig.2 Layout of each experimental hole

2.3 室內(nèi)試驗

室內(nèi)所用主要土工試驗儀器有：高壓固結(jié)儀、三軸剪切儀、擊實試驗儀器及土工試驗數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件等。

1)濕陷性試驗：考慮到擬建工程為超高層，基底壓力較大，為了深入分析場地濕陷特征，采用雙線法壓縮試驗測定相關(guān)系數(shù)。

2)依據(jù)《土工試驗方法標準》(GB/T 50123-1999)[16]，對收集的土樣在實驗室內(nèi)利用WG-1A型高壓固結(jié)儀及SJ-20型三軸壓縮儀進行各項物理力學指標試驗。

3)擊實試驗：用擊實試驗儀器對土體的相關(guān)參數(shù)進行實測。

2.4 評價參數(shù)

通過原位試驗SPT與CPT，分別對地基土的力學性能和側(cè)壁摩阻力及錐尖阻力等力學參數(shù)進行分析；利用波速測試試驗，為場地地震效應評價提供科學依據(jù)。

通過室內(nèi)試驗，對土樣的密度(包括最大干密度)、含水率(包括最優(yōu)含水率)、液限、塑限、塑性指數(shù)、飽和度、孔隙比、黏聚力、內(nèi)摩擦角、地基土承載力、壓縮模量、濕陷性土層的濕陷系數(shù)及濕陷起始壓力等進行試驗分析。

3 試驗結(jié)果分析及評價

3.1 三軸剪切試驗指標的變化規(guī)律

為得到所在場地擬建工程土體抗剪強度指標參數(shù)，并為后續(xù)的基坑支護設(shè)計、地基承載力計算提供依據(jù)，采用三軸剪切試驗(不固結(jié)不排水)對不同深度處黃土的黏聚力和內(nèi)摩擦角進行了統(tǒng)計(圖3)。在試驗范圍內(nèi)，黏聚力均在26.1 kPa以上；內(nèi)摩擦角變化幅度較小，為15.8°～20.3°，原因是由于不同土層土顆粒的級配、形狀、礦物成分、密度、含水率及孔隙比等差異，其表面接觸的粗糙程度不同，導致內(nèi)摩擦角發(fā)生變化。當含水率適中、顆粒級配較好、孔隙比較小時，內(nèi)摩擦角增大；反之減小。

3.2 擊實試驗中含水率和干密度的變化規(guī)律

為評價工程場地黃土的擊實性，代表性地選取不同深度土體，采取擾動樣進行標準擊實試驗，所得結(jié)果如表2所示。在深度為2.0～5.0 m時，粉質(zhì)黏土(馬蘭黃土)最大干密度與最優(yōu)含水率分別為1.76 g/cm3與16.6%；對于深度在10.0～12.0 m的古土壤段來講，最優(yōu)含水率為17.2%，對應地最大干密度為1.69 g/cm3；到了離石黃土段(12.0～15.0 m)，最大干密度與最優(yōu)含水率分別為1.67 g/cm3和17.7%。結(jié)果顯示，在試驗場地15.0 m深度范圍內(nèi)，最大干密度與最優(yōu)含水率變化差異不大。原因是在此深度范圍內(nèi)地層較淺。由圖3也可看出，黏聚力與內(nèi)摩擦角變化幅度不大，土質(zhì)均勻。

3.3 液限、塑限、塑性指數(shù)、孔隙比的變化規(guī)律

液限、塑限及塑性指數(shù)是評價黃土的主要指標。圖4給出了場地土100.0 m范圍內(nèi)的液限和塑限數(shù)值。由圖4可以看到，在馬蘭黃土層、離石黃土層及午城黃土層曲線均呈波浪形變化，規(guī)律性不明顯。塑性指數(shù)圖形變化規(guī)律(圖5a)與液限、塑限大體相同：馬蘭黃土(1--2層)地基土塑性指數(shù)平均值為11.5%～14.5%；離石黃土(3--14層)塑性指數(shù)為11.1%～15.8%；午城黃土(15--29層)塑性指數(shù)為8.9%～15.2%。塑性指數(shù)較大時，表明所在土層顆粒較細，黏粒多，比表面積大，親水性增強。

圖3 不同深度處黃土黏聚力(c)與內(nèi)摩擦角(φ)分布Fig.3 Distribution of cohesive force (c) and internal friction angle (φ) in different depth of loess

表2 研究區(qū)擊實試驗成果統(tǒng)計表

圖4 液限(a)與塑限(b)隨深度變化的關(guān)系Fig.4 Relationship of liquid limit (a) and plastic limit (b) with depth

圖5 塑性指數(shù)(a)和孔隙比(b)與時間的關(guān)系Fig.5 Relationship of index of plasticity (a) and void ratio (b) with time

孔隙比與深度的變化關(guān)系如圖5b所示。隨著深度的增加，土體產(chǎn)生的自重應力不斷增大，孔隙比逐漸減小，密實度逐漸增強；孔隙比主要為0.6～1.0，馬蘭黃土屬于中等壓縮性土，離石黃土及午城黃土屬于中等偏低壓縮性土。

3.4 不同深度處黃土孔隙比與壓力之間的關(guān)系

在室內(nèi)，對不同深度的黃土進行了高壓固結(jié)試驗(圖6)。從總體來看，不同深度黃土(含古土壤)的孔隙比均隨著壓力的增大呈逐漸減小的趨勢。其中：馬蘭黃土(含古土壤)段(圖6a)，由于組成成分的差異性，在相同壓力下，古土壤1段(2層)的孔隙比小于馬蘭黃土1段(1層)，說明其壓縮性更小；離石黃土(含古土壤)段(3--14層)(圖6b)在同一壓力下，其多層土體孔隙比小于馬蘭黃土，隨著深度的增加，地基土孔隙比減小，在800～1 000 kPa壓力下，各層離石黃土基本為低壓縮性；進入地層較深的午城黃土(含古土壤)段(15--29層)(圖6c)，曲線變化規(guī)律與前兩種黃土相似，但孔隙比減小速度更慢，在200 kPa壓力下，午城黃土孔隙比均小于0.75，表現(xiàn)為低壓縮性。

a.馬蘭黃土；b.離石黃土；c.午城黃土。圖6 3種黃土(含古土壤)孔隙比-壓力曲線Fig.6 Void ratio and pressure curve of three kinds of loess (including paleosol)

由此可以得出，隨著地基土深度的增加與埋藏年代的持久，孔隙比和變形減小、壓縮性降低、承載力提高，工程性質(zhì)變好。

3.5 靜力觸探試驗中各阻力的變化規(guī)律

圖7通過錐尖阻力與側(cè)摩阻力對地基土的力學性質(zhì)進行了綜合分析，試驗結(jié)果結(jié)合表1表明，60.0 m測試深度范圍內(nèi)，錐尖阻力及側(cè)摩阻力在粉質(zhì)黏土層中普遍高于古土壤層，但隨著深度的增加，這種規(guī)律性減弱。馬蘭黃土平均錐尖阻力和側(cè)摩阻力分別為1.66 MPa、69.5 kPa；離石黃土(含古土壤)錐尖阻力值為1.72～5.75 MPa，平均值為3.61 MPa，側(cè)摩阻力值為40.7～265.2 kPa，平均值為129.5 kPa；在深度51.9 m后的午城黃土(含古土壤)段，錐尖阻力平均值為4.57 MPa，側(cè)摩阻力平均值為172.8 kPa。由以上參數(shù)可清晰地看到，錐尖阻力與側(cè)摩阻力均隨著深度的增加總體呈增大趨勢。

3.6 標貫試驗中地基承載力與壓縮模量的變化規(guī)律

地基承載力是衡量土體力學性能的重要參數(shù)，由圖8a可以清楚地看到試驗深度范圍內(nèi)各土層地基承載力數(shù)值及變化規(guī)律：上部土層地基承載力較下部土層小且分散；深度為60.0 m時，地基承載力數(shù)值集中且相對穩(wěn)定。土體壓縮模量(圖8b)進一步驗證了該場地土的力學性能，該曲線變化規(guī)律與地基承載力變化圖線基本吻合，即：地基土整體層位穩(wěn)定、連續(xù)，層面平緩且埋深均勻，壓縮性為中等偏低。

本試驗離石黃土段與方祥位[17]對Q2黃土變形特征的研究成果基本一致。

3.7 剪切波速的變化規(guī)律

在試驗孔部位測得不同深度黃土的剪切波速見圖9。此孔深度大于63.0 m，隨著深度的增加，土體密實度增強，剪切波速也逐漸增大。根據(jù)不同土層的剪切波速，采用加權(quán)平均值算得等效剪切波速為241.8 m/s，屬于150～250 m/s范圍內(nèi)，因此地基土類型屬于中軟—中硬場地土，場地類別為Ⅲ類。

3.8 濕陷性系數(shù)的變化規(guī)律

濕陷性也是黃土最基本的特性，考慮到在該地區(qū)修建超高層建筑，其基底壓力較大，結(jié)合楊校輝等[18]對黃土濕陷性評價的研究，進一步深入地對建筑場地各類土層的濕陷特征進行試驗分析。如圖10所示：在5.0 m以內(nèi)的馬蘭黃土層，各試驗孔濕陷系數(shù)較大，整體濕陷性較強烈，局部系數(shù)高達0.09；5.0 m以下的部分馬蘭黃土、所有離石黃土及以下部土層濕陷系數(shù)較小，呈輕微—中等濕陷性。

圖7 錐尖阻力(a)和側(cè)摩阻力(b)隨深度變化關(guān)系Fig.7 Relationship of resistance of cone tip (a) and side friction (b) with depth

圖8 地基承載力(a)和壓縮模量(b)隨深度變化關(guān)系Fig.8 Relationship of bearing capacity of foundation (a) and modulus of compression (b) with depth

圖9 剪切波速與深度之間的關(guān)系Fig.9 Relationship between velocity of shear wave and depth

圖10 濕陷系數(shù)隨深度變化曲線Fig.10 Relationship between collapsible coefficient and depth

此外，實測數(shù)據(jù)對隴東地區(qū)黃土的濕陷變形特征、地基處理、地基基礎(chǔ)方案設(shè)計等提供參考。

3.9 不同土層濕陷性系數(shù)與壓力之間的關(guān)系

濕陷性系數(shù)不僅與黃土層深度有關(guān)系，而且與所給壓力也密切相關(guān)。在馬蘭黃土層(圖11a)，不同深度處的濕陷系數(shù)總體趨勢為隨著壓力的增加先增大后減小，呈拋物線型，當試驗壓力在300～400 kPa時，各土層濕陷系數(shù)達到峰值，其中深度3.0 m處與9.0 m處濕陷系數(shù)最大差值為0.047；5.0～10.0 m深度的馬蘭黃土在800 kPa下仍具有濕陷性，大于10.0 m深度的馬蘭黃土濕陷性將會消除；在同一壓力下，濕陷系數(shù)隨深度增加大體呈減小趨勢。離石黃土層(圖11b)相比馬蘭黃土濕陷系數(shù)減小且比較集中，曲線變化趨勢大體相似，但濕陷系數(shù)峰值點隨著壓力的增大逐漸向后延伸，400～600 kPa壓力時，濕陷系數(shù)達到峰值，離石黃土層具有輕微濕陷性；在600 kPa以下，濕陷系數(shù)均小于0.015，密實度顯著增強，幾乎不具有濕陷性。

3.10 地基土含水率、飽和度的變化規(guī)律

由圖12a可知：在地下水位62.0 m以上地基土含水率為15.0%～30.0%，上層土壤隨著深度的增加含水率有逐漸增大的趨勢，深度在25.0 m處時，含水率最大，隨后降低，40.0 m以后又有所增加；62.0 m深度以下，地基土含水率整體增大且相對集中，主要為20.0%～27.0%。從圖12b看出，地下水位(62.0 m)以上飽和度在40.0%～95.0%范圍之內(nèi)，相對零散，隨深度先增大后減小；但在地下水位以下，飽和度幾乎都大于90.0%，地基土呈飽和狀態(tài)。

a.馬蘭黃土；b.離石黃土。圖11 濕陷性系數(shù)與壓力之間的關(guān)系Fig.11 Relationship between collapsible coefficient and pressure

圖12 地基土含水量(a)和飽和度(b)隨深度變化散點圖Fig.12 Relationship of content of water (a) and saturation (b) with depth

4 結(jié)論

1)隴東慶陽地區(qū)黃土上表面馬蘭黃土孔隙比較大，黏聚力較小；到中間離石黃土層壓縮性減小，黏聚力增加；隨著深度逐漸加深，午城黃土孔隙比減小率進一步降低，地基土基本穩(wěn)定，呈低壓縮性，變形減小，承載力提高。

2)在60.0 m深度范圍內(nèi)，錐尖阻力及側(cè)摩阻力在各土層中粉質(zhì)黏土高于古土壤；60.0 m以下，這種變化規(guī)律隨深度減弱，但是隨著深度的不斷增加，錐尖阻力與側(cè)摩阻力都呈增大趨勢，到午城黃土段，其平均值達到最大，分別為4.57 MPa，172.8 kPa。

3)黃土濕陷系數(shù)隨深度逐漸減小，5.0 m以內(nèi)馬蘭黃土具有強烈濕陷性，此深度以下土層呈輕微—中等濕陷性；濕陷系數(shù)隨壓力的增加先增大后減小，壓力大于400 kPa的馬蘭黃土和600 kPa的離石黃土(含古土壤)及受壓超過200 kPa的午城黃土均無濕陷性。

4)深度在15.0 m以內(nèi)，最大干密度為1.67～1.76 g/cm3，最優(yōu)含水率為16.6%～17.7%；在地下水位(62.0 m)以下，地基土含水率增大且相對集中，為20.0%～27.0%；飽和度達90.0%以上，土體呈飽和狀態(tài)。