毛烏素沙漠地區(qū)砂層天然地基承載力試驗(yàn)研究

雷醒民，姜海波

（中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，西安710054）

1 引言

在毛烏素沙漠地區(qū)，人們對(duì)風(fēng)積沙地層的認(rèn)識(shí)不夠深入，對(duì)于荷載大、變形要求高的建筑物，通常采用樁基礎(chǔ)或復(fù)合地基。然而，此類建筑物基礎(chǔ)埋置較深，選擇合適的基礎(chǔ)形式、對(duì)承載力值進(jìn)行修正計(jì)算后，完全有采用天然地基的可能。中煤陜西公司某項(xiàng)目位于榆林市橫山區(qū)，場(chǎng)地內(nèi)煤儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)原煤倉由3 個(gè)直徑34.0 m、高度73.5 m 的圓形筒倉構(gòu)成。

在榆橫地區(qū)廣泛分布有第四系上更新統(tǒng)沖湖積層粉細(xì)砂，該地區(qū)是地質(zhì)性質(zhì)直接決定了上部建筑物的基礎(chǔ)形式，并且與工程投資緊密相連。

一般勘察報(bào)告對(duì)此層土的承載力評(píng)價(jià)值都在150~200 kPa，只有荷載低于200 kPa 的小型建筑物才能使用天然地基，荷載大于200 kPa 的建筑物地基多數(shù)需要進(jìn)行地基處理[1]。在巖土工程勘察現(xiàn)場(chǎng)工作期間發(fā)現(xiàn)：該項(xiàng)目原煤倉3 個(gè)筒倉基礎(chǔ)直接持力層均為第四系上更新統(tǒng)沖湖積層粉細(xì)砂，該層粉細(xì)砂在場(chǎng)地內(nèi)分布均勻、層厚較大、層位穩(wěn)定、地層平緩、分布連續(xù)，為密實(shí)狀態(tài)，考慮深寬修正和下覆地層情況，有做天然地基的可能性。隨后，調(diào)遣靜力觸探設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)靜力觸探，其靜力觸探錐尖阻力亦可達(dá)20 MPa 以上，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊(cè)》（第四版）[2]計(jì)算可得該土層的承載力特征值可達(dá)400 kPa，對(duì)比經(jīng)驗(yàn)值（150~200 kPa）高出1 倍以上。最后，在場(chǎng)地補(bǔ)充進(jìn)行了淺層平板靜力載荷試驗(yàn)。結(jié)果證明，該層粉細(xì)砂的承載力特征值可達(dá)500 kPa。通過以上測(cè)試方法表明，該土層具有較力學(xué)性能，具備作為高、重、大原煤倉天然地基方案基礎(chǔ)持力層的條件。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪及鉆孔揭露情況，場(chǎng)地地層由新到老依次為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、風(fēng)積（Q4eol）粉細(xì)砂、第四系上更新統(tǒng)沖湖積（Q3l）粉細(xì)砂及粉土、侏羅系砂、泥巖互層（J）。

3 天然地基承載力試驗(yàn)

在現(xiàn)場(chǎng)勘探過程中發(fā)現(xiàn)，原煤倉地基持力層以及下臥層強(qiáng)度遠(yuǎn)比常用值高，若能夠確定基礎(chǔ)形式和埋置深度，原煤倉采用天然地基的可能性非常大，但是在該地區(qū)的工程建設(shè)尚未有過如此大膽的做法。

在此之前，對(duì)其工程性質(zhì)的認(rèn)識(shí)還停留在利用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)確定其密實(shí)度、查承載力的階段，顯然方法過于單一。為了進(jìn)一步論證天然地基的可行性，在勘察過程中采用了原位載荷試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)等勘探與試驗(yàn)結(jié)合的方法對(duì)地基土的物理、力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行深入的研究。通過大量現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和計(jì)算分析后，提出了采用天然地基的方案，并依據(jù)此編制了詳細(xì)的勘察方案。

4 天然地基可行性分析

原煤倉基礎(chǔ)埋深6.00 m，采用圓形筏板基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為630 kPa。按基礎(chǔ)埋深條件，原煤倉地基直接持力層為③粉細(xì)砂層，層位穩(wěn)定，地層平緩，分布連續(xù)，起伏不大。地基承載力特征值fak綜合評(píng)價(jià)為400 kPa，壓縮模量Es=28.0 MPa，變形模量E0=36.0 MPa，靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果也表明此層有較高的力學(xué)強(qiáng)度和較低的變形性狀，且第一下臥層為④粉細(xì)砂層，厚度為8.50~13.30 m，層位穩(wěn)定，地層平緩，分布連續(xù)，起伏不大，其力學(xué)性質(zhì)較③粉細(xì)砂層更好。僅在第三個(gè)倉的東北角有厚2.40 m 的④-1 粉土層，呈透鏡狀分布；下部⑤層、⑥層層位穩(wěn)定，地層平緩，分布連續(xù)，起伏不大。縱向上看，地基土層分布連續(xù)、有序，層位穩(wěn)定，無軟弱地層。總之，從原煤倉地基土層的縱向和橫向結(jié)構(gòu)來看，③層粉細(xì)砂有用作天然地基的可能。

4.1 地基的均勻性評(píng)價(jià)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證原煤倉天然地基的可行性，對(duì)地基的均勻性進(jìn)行了計(jì)算分析。根據(jù)JGJ 72—2017《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》（以下簡稱《勘察標(biāo)準(zhǔn)》）第8.2.3 條對(duì)原煤倉地基變形深度范圍內(nèi)各土層的壓縮模量當(dāng)量值計(jì)算可得，壓縮模量當(dāng)量平均值為20.40，當(dāng)量模量最大值與當(dāng)量模量最小值的比值，即Esmax/Esmin=1.063，小于地基不均勻系數(shù)界限值K（依據(jù)《勘察標(biāo)準(zhǔn)》，K 取2.5），說明原煤倉地基屬于均勻地基，也有用作天然地基的可能。

4.2 持力層地基承載力驗(yàn)算

依據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)及規(guī)范》（以下簡稱《地基規(guī)范》）給定公式（5.2.4），考慮基礎(chǔ)埋深和基礎(chǔ)寬度等條件，修正后的承載力特征值fa是762 kPa，大于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值pk＜fa，軸心荷載作用時(shí)，地基承載力滿足設(shè)計(jì)荷載要求。

4.3 下臥層承載力驗(yàn)算

場(chǎng)地內(nèi)④粉細(xì)砂層和⑤粉土層，根據(jù)《地基規(guī)范》第5.2.7條，當(dāng)?shù)鼗芰Ψ秶鷥?nèi)有軟弱下臥層時(shí)，應(yīng)進(jìn)行軟弱下臥層承載力驗(yàn)算。經(jīng)計(jì)算，③粉細(xì)砂層與④粉細(xì)砂層的上層土壓縮模量與下層土壓縮模量之比，即Es1/Es2=0.93，地基土層③層粉細(xì)砂與⑤粉土層的Es1/Es2=1.4，均小于3，按《地基規(guī)范》表5.2.7，基底壓力擴(kuò)散角應(yīng)取0，由于④粉細(xì)砂層和⑤粉土層的承載力特征值均達(dá)280 kPa，且⑤粉土層頂距基底約17.5 m，不屬于軟弱層，無須進(jìn)行軟弱下臥層承載力驗(yàn)算[3]。

針對(duì)④-1 粉土夾層，為便于計(jì)算，將原煤倉圓形基礎(chǔ)等面積代換為正方形基礎(chǔ)，邊長32.78 m。

根據(jù)《地基規(guī)范》給定公式（5.2.7-1），對(duì)④-1 粉土夾層進(jìn)行驗(yàn)算，有：

式中，pz相當(dāng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，為軟弱下臥層頂面處的附加壓力值，kPa；pcz為軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值，kPa；faz為軟弱下臥層頂面出經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值，kPa。即地基下臥層④-1 粉土層的驗(yàn)算滿足要求。

4.4 變形分析

原煤倉采用天然地基的變形計(jì)算，主要針對(duì)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，計(jì)算地基的沉降量、差異沉降量和傾斜值。地基變形計(jì)算主要采用2 種方法：方法1 是根據(jù)《勘察規(guī)程》相關(guān)公式計(jì)算；方法2 是根據(jù)《地基規(guī)范》相關(guān)公式計(jì)算。

4.4.1 地基沉降量計(jì)算

計(jì)算時(shí)，在每個(gè)原煤倉基礎(chǔ)下選取一個(gè)具代表性的鉆孔，原煤倉基礎(chǔ)為圓形基礎(chǔ)，計(jì)算深度至粉細(xì)砂底部，滿足地基變形計(jì)算深度要求，計(jì)算結(jié)果如表1 所示。

表1 原煤倉總沉降計(jì)算表

從表1 可知，原煤倉采用天然地基后的總沉降量，方法1計(jì)算地基總沉降量介于51.50~59.35 mm，而方法2 計(jì)算地基總沉降量介于88.07~97.26 mm，煤倉2 的沉降相對(duì)較大，均滿足《地基規(guī)范》的要求。

4.4.2 差異沉降及傾斜計(jì)算

差異沉降分析：為預(yù)估每個(gè)原煤倉的角點(diǎn)沉降量，將原煤倉圓形基礎(chǔ)等面積代換為正方形基礎(chǔ)，對(duì)煤倉每個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行沉降量計(jì)算，計(jì)算深度至粉細(xì)砂底部，滿足地基變形計(jì)算深度要求。

傾斜分析：依據(jù)原煤倉角點(diǎn)沉降計(jì)算結(jié)果進(jìn)行基礎(chǔ)傾斜計(jì)算，原煤倉傾斜值介于0.000 5~0.002 4，均小于0.005，滿足《地基規(guī)范》的要求。

5 變形監(jiān)測(cè)分析

為了充分驗(yàn)證原煤倉天然地基的可行性，在倉周邊共布置了10 個(gè)測(cè)斜孔，對(duì)施工及運(yùn)營期間的地基變形進(jìn)行了長期監(jiān)測(cè)，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析可知，測(cè)斜管最大水平位移為70.7 mm，最大沉降為43 mm，均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論

綜上所述，本文根據(jù)相關(guān)規(guī)范，對(duì)毛烏素沙漠地區(qū)風(fēng)積沙和下部湖積粉細(xì)砂的承載力指標(biāo)進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論：

1）通過對(duì)不同方法得出的原煤倉地基土的承載力值進(jìn)行綜合分析，得出毛烏素沙漠地區(qū)風(fēng)積沙和下部湖積粉細(xì)砂的承載力指標(biāo)，比該地區(qū)經(jīng)驗(yàn)指標(biāo)顯著提高；

2）原煤倉設(shè)計(jì)采用天然地基，在施工及運(yùn)營期間對(duì)倉體的水平和豎向位移進(jìn)行了長期監(jiān)測(cè)，截至2015 年年底，地基變形值與理論計(jì)算基本一致，實(shí)踐證明，采用天然地基是可靠的；

3）本次研究成果成功論證了大型煤倉采用天然地基方案的可行性及其適用性，揭示了榆橫地區(qū)第四系湖積粉細(xì)砂砂層地基承載能力可達(dá)到500 kPa，可以作為大型建筑的天然地基。