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(yàn)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(duì)象,通過現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)和旁壓試驗(yàn),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(yàn)下的p-s曲線。分析了卵石土的抗剪強(qiáng)度、地基承載力特征值和變形模量等力學(xué)性質(zhì)。研究認(rèn)為,蘭州城區(qū)卵石土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力c大于零,內(nèi)摩擦角φ與工程實(shí)際中取值基本一致,卵石層承載能力遠(yuǎn)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(chǎng)剪切試驗(yàn)；載荷試驗(yàn)；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(zhǎng)。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(jìn)行室內(nèi)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)比較困難,其工程特性指標(biāo)宜通過現(xiàn)場(chǎng)原位試驗(yàn)獲得。本文在黃河右岸Ⅱ級(jí)階地上選取西關(guān)十字、小西湖、西站和馬灘4處試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行卵石層的平板載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn),對(duì)蘭州城區(qū)卵石物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行研究,為工程建設(shè)及進(jìn)一步的科研提供參考。圖1為試驗(yàn)場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)地位置圖

1.2 密度

在西關(guān)十字、西站和馬灘3處試驗(yàn)場(chǎng)地選取10個(gè)試驗(yàn)點(diǎn),進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)大體積密度試驗(yàn)。試驗(yàn)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(jí)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(shí)狀態(tài),級(jí)配不良。典型顆粒分析見表2。

2 抗剪強(qiáng)度

對(duì)不能取得原狀土樣的粗顆粒土及巖體,現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn),是目前技術(shù)條件下,能夠比較準(zhǔn)確地確定地基巖土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的唯一手段[3]。因此,本次采用現(xiàn)場(chǎng)直接剪切實(shí)驗(yàn)來確定該層卵石的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)?，F(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)是對(duì)一組試體在不同垂直壓應(yīng)力作用下進(jìn)行剪切的試驗(yàn),目的是測(cè)定巖土抵抗剪切破壞的能力,為地基巖土的穩(wěn)定計(jì)算分析提供抗剪強(qiáng)度參數(shù)。

表1 大體積密度和含水量試驗(yàn)結(jié)果表

2.1 試驗(yàn)方法

本次在西站、馬灘、西關(guān)十字共完成了12組現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn),試驗(yàn)垂直加荷按4級(jí)施加,每級(jí)法向荷載條件下地基沉降達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后開始施加水平荷載,測(cè)定水平荷載及相應(yīng)位移量。試驗(yàn)時(shí),水平加荷按預(yù)估最大剪力的8%～10%,分級(jí)施加。每15 min施加一級(jí)。施加剪力前、后,各測(cè)讀一次位移讀數(shù)。當(dāng)達(dá)到剪力峰值、發(fā)生連續(xù)地剪切位移（即滑動(dòng)破壞）,或出現(xiàn)剪力的殘余值時(shí),試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)點(diǎn)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(yàn)不同法向壓力對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)力峰值點(diǎn)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(qiáng)度指標(biāo)。

圖2 2#試驗(yàn)點(diǎn)剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖3 2#試驗(yàn)點(diǎn)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(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

圖4 5#試驗(yàn)點(diǎn)剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖5 5#試驗(yàn)點(diǎn)剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系圖

圖6 11#試驗(yàn)點(diǎn)剪應(yīng)力與剪切位移關(guān)系曲線

圖7 11#試驗(yàn)點(diǎn)剪應(yīng)力與法向應(yīng)力關(guān)系圖

本次試驗(yàn)所得抗剪強(qiáng)度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,內(nèi)摩擦角φ在33.3°～41.65°之間,標(biāo)準(zhǔn)值35.0°,與實(shí)際工程建設(shè)中取值基本一致。

表3 現(xiàn)場(chǎng)剪切試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

一般認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)值14.8 kPa。陳希哲教授認(rèn)為這是粗顆粒相互交錯(cuò)鑲嵌形成的一種新的力,稱之為咬合力[4]。

工程實(shí)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(qiáng)的自穩(wěn)能力,是因?yàn)樵搶勇咽谅蚜：枯^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(qiáng)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(chǎng)直接剪切試驗(yàn)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(jì)算

通過上述試驗(yàn)所得的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值,按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2011）計(jì)算地基承載力特征值fa。計(jì)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(jì)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(jì)算所得地基極限承載力為2 930.8 kPa。

3 原位測(cè)試

3.1 淺層平板載荷試驗(yàn)

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(duì)該層卵石土進(jìn)行了淺層平板載荷試驗(yàn)。

3.1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用分級(jí)維持荷載沉降相對(duì)穩(wěn)定法（常規(guī)慢速法）,人工清除擾動(dòng)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(yàn)最大加荷值5 400 kPa。

3.1.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表4、圖8可知,試驗(yàn)點(diǎn)p-s曲線呈緩變型,地基破壞形式為漸進(jìn)破壞,無明顯的線性段,即彈性變形范圍很小,很快進(jìn)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(yàn)點(diǎn)地基承載力按相對(duì)變形控制,地基極限承載力取s/d=0.06對(duì)應(yīng)的荷載值,地基承載力特征值取s/d=0.01對(duì)應(yīng)的荷載值。本次試驗(yàn)中1#、4#及5#地基變形達(dá)到規(guī)范規(guī)定的極限狀態(tài),其余試驗(yàn)點(diǎn)地基變形均未達(dá)到極限狀態(tài)。通過上述靜載試驗(yàn),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(yàn)結(jié)果匯總表

圖8 淺層平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)p-s曲線

3.2 深層載荷試驗(yàn)

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(diǎn)卵石土層深層平板載荷試驗(yàn)。

3.2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用人工開挖試井,試井內(nèi)徑1.20 m,開挖至距離試驗(yàn)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(yàn)結(jié)果分析

由表5、圖9可知,各試驗(yàn)點(diǎn)最大加荷值對(duì)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(yàn)點(diǎn)地基承載力按相對(duì)變形控制,地基極限承載力fu取s/d=0.04對(duì)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(yàn)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(yàn)結(jié)果匯總表

3.3 旁壓試驗(yàn)

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(jí)法院和工人文化宮內(nèi)完成了8點(diǎn)卵石土層旁壓試驗(yàn)。

3.3.1 試驗(yàn)方法

旁壓試驗(yàn)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(yàn),即利用側(cè)向膨脹的旁壓器對(duì)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(cè)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(yàn)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(jì)參數(shù)[6]。

圖9 深層平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)p-s曲線

3.3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)旁壓試驗(yàn)結(jié)果,經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)計(jì)算,將各試驗(yàn)深度卵石土的旁壓模量、旁壓剪切模量等試驗(yàn)參數(shù)列于表6,并依據(jù)臨塑荷載公式計(jì)算地基承載力特征值,臨塑值修正系數(shù)λ取1,計(jì)算結(jié)果見表6。

表6 旁壓試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

由表6計(jì)算結(jié)果可知,旁壓試驗(yàn)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(yàn)及旁壓試驗(yàn)可知,該層卵石土地基承載力特征值fak遠(yuǎn)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?yàn)樘m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(qiáng)的自穩(wěn)能力。這對(duì)以卵石土層作為基礎(chǔ)持力層的工程建設(shè)相當(dāng)有利。

3.4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

對(duì)以上淺層載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)所得地基承載力特征值及蘭州地區(qū)地基承載力經(jīng)驗(yàn)值,按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）相關(guān)條文進(jìn)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(yàn)結(jié)果、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(qiáng)度指標(biāo)確定地基承載力特征值結(jié)果相對(duì)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(yàn)結(jié)果對(duì)比

由以上試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見,根據(jù)抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算所得地基極限承載力特征值與深層平板載荷試驗(yàn)結(jié)果、修正后的淺層平板載荷試驗(yàn)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(yàn)值,根據(jù)旁壓試驗(yàn)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(rèn)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(yàn)計(jì)算地基承載力特征值,由于對(duì)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(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算所得地基極限承載力特征值與深層平板載荷試驗(yàn)所得地基承載力特征值進(jìn)行確定。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)直接剪切試驗(yàn)成果,蘭州城區(qū)卵石土內(nèi)摩擦角φ在33.3°～41.65°,標(biāo)準(zhǔn)值35.0°,與實(shí)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(biāo)準(zhǔn)值14.8 kPa,自穩(wěn)能力較強(qiáng)。

（2）原位試驗(yàn)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(biāo)遠(yuǎn)大于目前已建（在建）工程所采用的地基承載力指標(biāo),對(duì)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(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算,或以深層平板載荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行確定。

（4）針對(duì)蘭州城區(qū)卵石土的工程性質(zhì),在實(shí)際巖土工作中合理利用其工程力學(xué)性質(zhì)較高的事實(shí),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(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)（第四版）[M].北京:中國(guó)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(dòng)力特性的動(dòng)三軸試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2006,28(2):4059-4064.

[4]陳希哲.粗粒土的強(qiáng)度與咬合力的試驗(yàn)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(duì)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(yàn)方法與標(biāo)準(zhǔn)[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(cè)巖土工程師,高級(jí)工程師,主要從事巖土工程勘察、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等工作。