東昆侖北麓夏日哈木地區地基承載力特征值及濕陷性研究

逯登棟，喬玉財，萬世斌，張青福，陸萬杰，董英平

（青海黃河礦業有限責任公司，青海 西寧 810000）

關鍵字：平板載荷試驗；濕陷性載荷試驗；浸水載荷試驗；地基承載力；變形模量；濕陷性

隨著夏日哈木鎳鈷礦的開發建設開始，夏日哈木地區相應礦權內陸續有礦產資源儲量新增新發現，該地區有望形成一個礦集帶，但該地區以往屬于無人區，周邊礦山規模較小，未對該地區內的工程地質條件進行系統有效的分析，該地區地基承載力方面處于空白，無系統的適應夏日哈木地區地基承載力勘查方法的總結歸納，也無地基承載力相關的參照數據，為填補此方面的空白，為后續礦山建設開發，廠房及設備基礎建設提供較為準確詳細的地基承載力參數，特開展本項目，對地基承載力特征值及變形模量，以及地基土的濕陷性進行初步評價，并給出建議意見。

1 概況

1.1 地區概況

夏日哈木地區地處青海省東昆侖山西段，柴達木盆地南緣山區。地理位置：東經93°16′40″-93°28′00″、北緯36°25′40″-36°30′01″。位于格爾木市西偏南140km，在格爾木-茫崖公路南52km，簡易砂石公路相同，交通較為便利。夏日哈木地區屬于大陸性干旱氣候，元月最低溫度為-27.2℃，8月最高氣溫為21.2℃，晝夜溫差可達29℃。10月到次年4月為冰凍期。工區年平均降水量40.2mm，年平均蒸發量3066.8mm，相對濕度34%。1-5月多西北風，6-9月多東北風。年平均風速3.1m/s，最大風速40m/s，年平均沙暴天數16天。

夏日哈木地區內有夏日哈木河、蘇海圖河及其支流，匯集后稱小灶火河，全長120km，補給源主要為大氣降水、冰雪融水，構成小灶火河地表徑流。地形變化較大，呈典型的高山荒漠地貌。

1.2 地層條件

該地區地層主要為第四系地層和古元古代金水口群白沙河組。

第四系地層（Q）在該地區廣泛分布，主要以角礫、礫砂、粗砂、細砂為主，成因比較復雜，主要為坡積、風積等，含鹽量高，呈欠固結狀態，具有濕陷性。分述如下：

①細砂（Q eol+dl）：灰黃色，干～稍濕，松散～稍密，局部含微量粉粘粒，主要礦物成分為石英、長石、云母等，局部夾粗砂、礫砂層，級配不良。

②粗砂（Q eol+dl）：灰黃色，稍濕，稍密，主要礦物成分為石英、長石、云母等，級配較好。

③礫砂（Q eol+dl）：灰白色～灰黃色，稍濕，稍密，以細砂為主，其主要礦物成分為石英、長石、云母等，粒徑大于2mm的礫石含礫30%～40%，以風化花崗巖為主，混粒砂充填，級配較好。

④角礫（Q eol+dl）：灰白色～灰黃色，稍濕，稍密，大于2mm礫石含礫一般在50%～60%之間，粒徑一般以2～30mm為主，最大達50mm，為風化的花崗巖，主要礦物成分為石英、長石、云母等，混粒砂充填，級配一般。

⑤碎石土（Q col+dl）：灰白色、灰色，碎石含礫50%～55%，棱角明顯，碎石主要為花崗巖，充填粗砂。

⑥卵石層（Q al+pl）:灰白色、灰色，卵石含量50%～60%，磨圓度較好，充填物為礫石和細砂，局部含10%～20%的漂石。主要巖芯為花崗巖、片麻巖、變質砂巖等。

古元古代金水口群白沙河組（Pt1b）

古元古代金水口巖群的白沙河巖組是礦區地層的主體，出露面積約占60%，分布廣，該地層多被后期花崗巖體所侵蝕，主要為一套中深變質巖系，其原巖建造為泥砂質沉積碎屑巖-基性火山巖-碳酸鹽巖建造，具有海相陸源碎屑巖為主的活動性沉積建造的特點，編制變質程度達到角閃巖相。各巖體分述如下：

（1）強風化花崗巖層：肉紅色-淺灰色，中粒結構，塊狀構造，局部含黑色浸染體，呈條帶狀分布。主要成分為斜長石、鉀長石、石英及云母，裂隙發育，裂隙面有鐵錳質浸染。風化程度較強，外表面成碎裂狀。

（2）中風化花崗巖層：強風化花崗巖層：肉紅色-淺灰色，中粒結構，塊狀構造，局部含黑色浸染體，呈條帶狀分布。主要成分為斜長石、鉀長石、石英及云母，裂隙較發育。風化程度中等，巖石較為新鮮。

（3）強風化變質砂巖：灰白色，灰黑色，層狀構造，細粒結構，裂隙發育，風化程度較強，風化成碎片或碎粒狀。

（4）中風化變質砂巖：灰白色，灰黑色，層狀構造，細粒結構，裂隙較發育，風化程度中等，巖體堅硬裂隙一般發育。

1.3 地質構造

夏日哈木地區內斷裂構造較為發育，以北東東向和近東西向兩組斷裂為主，斷裂規模大，地表形成寬幾米至幾百米破碎帶，破碎帶內構造巖以壓性特征為主，破碎帶及兩側綠泥石化、褐鐵礦化較為發育。兩組斷裂相互交錯，形成時間上北東東向斷裂晚于近東西向斷裂。區內主要斷裂敘述如下：

F1：位于地區中部，是區內主斷裂，近東西向展布，沿斷裂負地形發育，形成寬10m～80m不等的破碎帶，帶內碎裂巖化發育，為典型的逆斷層。

F2：位于地區西側。北西西向展布，斷裂性質為正斷層。斷距20m～50m。

F3：位于地區西側，近北東向展布，長約7.2km，斷裂性質推斷為右行走滑逆斷層。形成期次較晚，切割南北向斷層。

2 試驗設計

2.1 試驗目的

通過對細砂和礫砂地層分別進行現場平板載荷試驗，確定各地層地基承載力特征值和變形模量；基于該場地細砂和礫砂地層現場平板載荷試驗和試坑浸水試驗，測定細砂和礫砂地層的濕陷性；通過對濕陷性地層進行試坑浸水狀態下的平板載荷試驗，確定濕陷起始壓力、浸水狀態下地基承載力特征值和變形模量。

2.2 試驗設備安裝

試驗試坑寬度或直徑不小于承壓板寬度或直徑的三倍。載荷試驗試坑標高與地基設計標高一致。

2.3 試驗步驟

本次平板載荷試驗采用慢速維持載荷法，即逐級加載，每級荷載達到相對穩定后再加載下一級荷載，直到試驗進行到滿足規范終止加載條件，然后分級卸荷載到零。正式試驗前進行預壓，預壓荷載為最大加載量的5%，預壓時間為5min，預壓后卸載至零，測讀位移測量儀表的初始讀數并應重新調整零位。

（1）加載分級

加荷方式采用分級維持荷載沉降相對穩定法，加荷等級按預估極限承載力的1/8-1/15分級施加，具體加荷等級根據現場試驗結果隨時進行調整。

（2）沉降觀測

每級加荷后，觀測時間按間隔5min、5min、10min、10min、15min、15min,以后為每隔半小時測讀一次沉降。當在連續兩小時內，每小時的沉降量小于0.1mm時，則認為已趨穩定，可施加下一級荷載。

（3）終止試驗條件

當出現下列情況之一時，可終止加載：

①承壓板周邊土出現明顯側向擠出、隆起或產生裂縫；

②在某級荷載作用下，24h內沉降速率不能達到穩定；

③沉降量急劇增大，荷載-沉降(P-s)曲線出現陡降段；

④淺層平板載荷試驗的累計沉降量已大于等于承壓板邊寬或直徑的6%或累計沉降量大于等于150mm;

⑤總加荷量已達到設計要求值得2倍以上。

2.4 確定地基承載力特征值

淺層平板載荷試驗達到終止條件①-④條時，可取破壞前的最后一級荷載為其極限荷載；

當試驗的P-s曲線上直線段和轉折點明顯時，取轉折點所對應的壓力為比例界限壓力，取該比例界限所對應的載荷值為地基承載力特征值；

當試驗的P-s曲線上直線段和轉折點明顯時，可在s-lgt曲線、s-lgp曲線上，取曲線急劇轉折點所對應的壓力為比例界限壓力，取該比例界限所對應的荷載值為地基承載力特征值。

當極限荷載小于比例界限壓力2倍時，取極限荷載值的1/2為地基承載力特征值；

當P-s曲線轉折點不明顯，不能按比例界限和極限荷載確定時，對砂類土地基可取P-s曲線上s/d=0.010-0.015值對應的荷載值確定。

3 試驗及成果分析

依據《巖土工程勘察規范》（GB50021-2001）和《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011），分別統計各試驗點原始數據，并根據規范要求計算特征值，獲得相應曲線。根據試驗數據資料，判定夏日哈木地區的地基濕陷性。

3.1 平板載荷試驗

本試驗天然地基采用現場平板載荷試驗的方法進行，共計試驗點數4點（W1#、W4#、W7#、W9#）。采用壓板邊長為500mm，面積為0.25㎡的方形壓板。本次試驗采用碓重平臺反力裝置（見圖1）。用大于1.2倍預定最大試驗荷載的荷重作為反力荷載，并在試驗開始前一次性加上試驗平臺。試驗時采用1個油壓千斤頂加載，樁頂沉降量用2個大量程百分表（0-50mm/0.01mm）觀測。試驗所用計量儀表均經相關計量部門作定期校準和檢定，均在有效期內，且精度滿足試驗要求。

圖1 試驗設計示意圖

在試驗場地開展了4個點位的平板載荷試驗，試驗結果及分析曲線如下：

圖2 平板載荷試驗結果及分析曲線

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）附錄C承載力特征的確定條件及變形模量計算方程，試驗結果見表1：

表1 平板載荷試驗結果

3.2 濕陷性載荷試驗

共計試驗點數4點（W2#、W5#、W8#、W10#），試驗時采用壓板直徑為800mm，面積約為0.5㎡的圓形壓板，采用1個油壓于斤頂加載，樁頂沉降量用4個大量程百分表(0-50mm/0.01mm)觀測。

在原狀結構土層上分級加荷至200kPa，下沉穩定后向試坑中浸水，并應保持水頭高度200-250mm，測得浸水穩定后的沉降量為附加濕陷量。

在試驗場地開展了4個點位的濕陷性載荷試驗，試驗結果如下：

圖3 濕陷性載荷試驗及分析曲線

根據《冶金工業巖土勘察原位測試規范》（GB/T 50480-2008）第4.3.7條確定濕陷性，見表2。

表2 濕陷性載荷試驗結果

3.3 浸水載荷試驗

共計試驗點數2點（W3#、W6#）。試驗時采用壓板直徑為800mm，面積約為0.5㎡的圓形壓板，采用1個油壓千斤頂加載，樁頂沉降量用4個大量程百分表(0-50mm/0.01m)觀測。

在試驗場地開展了2個點位的浸水載荷試驗，試驗結果如下：

圖4 浸水載荷試驗結果及分析曲線

根據《冶金工業巖土工程勘察原位測試規范》（GB/T 50480-2008）第4.4.2條確定濕陷起始壓力及浸水狀態下地層承載力特征值，見表3。

表3 浸水載荷試驗結果

3.4 濕陷性等級判定

《巖土工程勘察規范》（GB50021-2001 2009年版）第6條規定，濕陷性土地基受水浸濕至下沉穩定為止的總是限量Δs(cm)，按下式計算：

濕陷性土地基的濕陷登記按表4判定。

表4 濕陷性土地基的濕陷性等級

根據實驗結果及相關勘察資料，得出實驗點總濕陷量及濕陷等級見表5。

表5 濕陷性等級判定結果

4 結論及建議

通過一系列試驗，獲取到地基承載力的相關數據參數，比較準確的掌握了夏日哈木地區地基承載力的實際情況，從而更準確的確定其承載力，直觀且可靠。夏日哈木地區淺部地層95%以上都與本試驗場地地層基本一致，所以該試驗結果對夏日哈木地區建設工程地基承載力取值有極大的借鑒和指導意義。

夏日哈木地區第四系覆蓋區域淺部細砂地層（2米左右）地基承載力特征為106kPa，變形模量為5.7MPa，深部細砂地層（5m左右）地基承載力特征值為124kPa，變形模量為8.12MPa；淺部礫砂地層（2米左右）地基承載力特征值為151kPa，變形模量為6.67MPa，深部礫砂地層（5m左右）地基承載力特征值為172kPa，變形模量為9.25MPa。

夏日哈木地區濕陷性為淺部細砂地層（2m左右）有濕陷性，為輕微濕陷，深部細砂地層（5m左右）無濕陷性；淺部礫砂地層（2m左右）有輕微濕陷性，深部礫砂地層（5m左右）無濕陷性。

夏日哈木地區淺部細砂地層（2m左右）濕陷性起始壓力為107kPa，浸水狀態下承載力特征值為82kPa，變形模量為2.44MPa；淺部礫砂地層（2m左右）濕陷性起始壓力為139kPa，浸水狀態下承載力特征值為106kPa，變形模量為3.16MPa。

夏日哈木地區地基土為細砂、礫砂和角礫，屬于風坡積欠固結地層，易發生滲透變形和滲漏，因鹽堿含量較高，砂土使用期間具有液化風險，承載力較低，表層2m～3m松散層未經過處理不宜作為持力層，地基土為不均勻土，建議對4m～4.5m松散層采取強夯、換填碾壓、振沖碎石樁等處理措施進行加固。地基承載力特征值及變形模量，濕陷性建議按文中建議值選取。同時，建議在開展夏日哈木地區地基土其他相應的試驗過程中，加強綜合研究分析，對比比較，建議一整套適應夏日哈木地區地基土的勘察方法和地基土參數值，為本區域內建設工程項目提供數據支持和技術依據。