蘭州城區(qū)卵石工程性質(zhì)試驗研究

魯海濤，曹福明，滕文川

(甘肅土木工程科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730020)

蘭州城區(qū)卵石工程性質(zhì)試驗研究

魯海濤，曹福明，滕文川

(甘肅土木工程科學(xué)研究院,甘肅 蘭州 730020)

以蘭州城區(qū)的卵石層為研究對象,通過現(xiàn)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(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系曲線、剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)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(xué)性質(zhì)。研究認為,蘭州城區(qū)卵石土的抗剪強度指標黏聚力c大于零,內(nèi)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(shè)采用的地基承載力特征值。

蘭州城區(qū)；卵石；現(xiàn)場剪切試驗；載荷試驗；工程性質(zhì)

0 引言

蘭州市城區(qū)位居興隆山至七道梁山前黃土塬與皋蘭北山梁峁溝壑區(qū)之間的黃河河谷帶狀盆地（七里河斷陷盆地）內(nèi),黃河由西向東穿城而過,南北狹窄而東西較長。河谷內(nèi)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(zhì)巖為主,充填物以中粗砂為主。因其良好的工程力學(xué)性質(zhì),是建筑物可靠的基礎(chǔ)持力層。在巖土工程勘察工作中,蘭州城區(qū)卵石層地基承載力特征值 fak一般根據(jù)規(guī)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(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗比較困難,其工程特性指標宜通過現(xiàn)場原位試驗獲得。本文在黃河右岸Ⅱ級階地上選取西關(guān)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(xiàn)場直接剪切試驗,對蘭州城區(qū)卵石物理力學(xué)性質(zhì)進行研究,為工程建設(shè)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(zhì)

1.1 成份組成

蘭州市城區(qū)卵石母巖成份以石英巖、花崗巖等硬質(zhì)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(guān)十字、西站和馬灘3處試驗場地選取10個試驗點,進行現(xiàn)場大體積密度試驗。試驗結(jié)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(qū)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(tài),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(xiàn)場直接剪切試驗,是目前技術(shù)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(xiàn)場直接剪切實驗來確定該層卵石的抗剪強度指標?，F(xiàn)場直接剪切試驗是對一組試體在不同垂直壓應(yīng)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(wěn)定計算分析提供抗剪強度參數(shù)。

表1 大體積密度和含水量試驗結(jié)果表

2.1 試驗方法

本次在西站、馬灘、西關(guān)十字共完成了12組現(xiàn)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(wěn)定標準后開始施加水平荷載,測定水平荷載及相應(yīng)位移量。試驗時,水平加荷按預(yù)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(shù)。當達到剪力峰值、發(fā)生連續(xù)地剪切位移（即滑動破壞）,或出現(xiàn)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(yīng)力面積）:0.36 m2。

2.2 試驗結(jié)果分析

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

如圖2、圖4、圖6可知,剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)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(qū)卵石發(fā)生剪切破壞后,在剪應(yīng)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(yīng)力；由圖3、圖5、圖7剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系圖可知,同組試驗不同法向壓力對應(yīng)的剪應(yīng)力峰值點離散性較大,不具有規(guī)律性,說明蘭州城區(qū)卵石的剪切破壞,應(yīng)根據(jù)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(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖3 2#試驗點剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系圖

表2 顆粒分析（篩分法）試驗成果統(tǒng)計

圖4 5#試驗點剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖5 5#試驗點剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系圖

圖6 11#試驗點剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖7 11#試驗點剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系圖

本次試驗所得抗剪強度指標統(tǒng)計結(jié)果見表3。統(tǒng)計結(jié)果表明,內(nèi)摩擦角φ在33.3°～41.65°之間,標準值35.0°,與實際工程建設(shè)中取值基本一致。

表3 現(xiàn)場剪切試驗測試結(jié)果統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(fā)現(xiàn),該層卵石土自穩(wěn)能力很好。該層卵石土之所以具有較強的自穩(wěn)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(xiàn)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(nèi)都無法表現(xiàn)出來,而必須通過整體作用才能表現(xiàn)出來,只有通過現(xiàn)場直接剪切試驗才能獲得相關(guān)參數(shù)[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(chǔ)設(shè)計規(guī)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(chǔ)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(shù),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(qū)淺層卵石土承載力及變形模量等地基巖土力學(xué)參數(shù),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(wěn)定法（常規(guī)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(jié)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(yīng)的荷載值,地基承載力特征值取s/d=0.01對應(yīng)的荷載值。本次試驗中1#、4#及5#地基變形達到規(guī)范規(guī)定的極限狀態(tài),其余試驗點地基變形均未達到極限狀態(tài)。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(jié)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(xué)參數(shù),在蘭州西站某工地內(nèi)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(nèi)徑1.20 m,開挖至距離試驗面1.00 m后,試井內(nèi)徑變?yōu)?.86 m。選用承壓板面積0.50 m2和0.25 m2。

3.2.2 試驗結(jié)果分析

由表5、圖9可知,各試驗點最大加荷值對應(yīng)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(yīng)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(jié)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(xué)參數(shù),在小西湖附近的友誼醫(yī)院、西湖公園、市中級法院和工人文化宮內(nèi)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(yù)鉆式、自鉆式和壓入式三種。本次采用預(yù)鉆式旁壓試驗,即利用側(cè)向膨脹的旁壓器對鉆孔側(cè)壁施加橫向均勻應(yīng)力,使孔壁土體發(fā)生徑向變形直至破壞,利用兩側(cè)裝置測出施加的壓力與相應(yīng)的土體變形值,然后繪出應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,按照理論公式或有關(guān)的經(jīng)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(guān)設(shè)計參數(shù)[6]。

圖9 深層平板載荷試驗點p-s曲線

3.3.2 試驗結(jié)果分析

根據(jù)旁壓試驗結(jié)果,經(jīng)數(shù)理統(tǒng)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(shù)列于表6,并依據(jù)臨塑荷載公式計算地基承載力特征值,臨塑值修正系數(shù)λ取1,計算結(jié)果見表6。

表6 旁壓試驗測試結(jié)果統(tǒng)計表

由表6計算結(jié)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(shè)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(qū)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(wěn)能力。這對以卵石土層作為基礎(chǔ)持力層的工程建設(shè)相當有利。

3.4 試驗結(jié)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(qū)地基承載力經(jīng)驗值,按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）相關(guān)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(jié)果、抗剪強度指標理論計算結(jié)果進行對比,確定蘭州城區(qū)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(jié)果相對應(yīng),深度d取20 m,寬度b取3 m,基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度取16.8 kN/m3,結(jié)果見表7。

表7 試驗結(jié)果對比

由以上試驗結(jié)果對比可見,根據(jù)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(jié)果、修正后的淺層平板載荷試驗結(jié)果相差不大,均大于規(guī)范中提供的地基承載力特征值經(jīng)驗值,根據(jù)旁壓試驗結(jié)果所得地基承載力特征值修正后偏大。

綜合分析:由于規(guī)范中認為卵石土黏聚力為零,而蘭州城區(qū)卵石土層卵石顆粒之間存在咬合力,因此,規(guī)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(shù)λ的取值沒有明確規(guī)定,其結(jié)果可能存在誤差。所以,蘭州城區(qū)卵石土地基承載力特征值應(yīng)根據(jù)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(jié)論

（1）根據(jù)現(xiàn)場直接剪切試驗成果,蘭州城區(qū)卵石土內(nèi)摩擦角φ在33.3°～41.65°,標準值35.0°,與實際工程建設(shè)中取值基本一致；該層卵石土整體上表現(xiàn)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(wěn)能力較強。

（2）原位試驗結(jié)果表明,由于蘭州城區(qū)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(chǔ)參數(shù)選取具有指導(dǎo)意義。

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

（4）針對蘭州城區(qū)卵石土的工程性質(zhì),在實際巖土工作中合理利用其工程力學(xué)性質(zhì)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(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊（第四版）[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011.

[2]DB62/T 25-3036-2012,巖土工程勘察規(guī)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(xué)與工程學(xué)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(xué), 1994,11(4):56-62.

[5]夏曉勇,謝濤.成都二元地層結(jié)構(gòu)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(jiān)測等工作。