唐國(guó)藝，唐立軍，劉 智，劉爭(zhēng)宏,3，于永堂，喬 虎

(1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 陜西 西安 710043; 2. 陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710043；3. 長(zhǎng)安大學(xué)地質(zhì)工程與測(cè)繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

羅安達(dá)是非洲西部國(guó)家安哥拉的首都，位于寬扎河下游地帶的寬扎盆地，瀕臨大西洋本戈灣。2002年停止內(nèi)戰(zhàn)后，安哥拉開始了戰(zhàn)后重建工作，羅安達(dá)因人口眾多，是戰(zhàn)后重建的主要區(qū)域，近年來開展了大規(guī)模的住房、公共建筑和大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。然而，在羅安達(dá)及其周邊地區(qū)，靠近地表附近廣泛分布有呈棕紅色或棕黃色的粉砂層，在已有文獻(xiàn)中被稱為Muceque(“穆賽格”)或Quelo(“蓋路”)砂[1～2]，在工程實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)該粉砂層地基土具有和一般砂土不同的性質(zhì)，集中表現(xiàn)在含水率較低條件下，具較高強(qiáng)度和較好直立性；但在浸水條件下地基土強(qiáng)度迅速降低，并產(chǎn)生濕陷變形的特點(diǎn)[3～4]。

本文收集和分析了羅安達(dá)地區(qū)的不同工況下的平板載荷試驗(yàn)和深層載荷試驗(yàn)成果，對(duì)羅安達(dá)濕陷性砂的承載力特征及濕陷特征進(jìn)行了相關(guān)研究，平板載荷試驗(yàn)深度在1.5～2.0 m之間，采用0.25 m2的承壓板，深層載荷試驗(yàn)深度分別為1.5 m和3.0 m，采用0.50 m2的承壓板。這些試驗(yàn)均依照《巖土工程勘察規(guī)范》[5]和《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[6]的相關(guān)技術(shù)要求，對(duì)于掌握羅安達(dá)砂的主要工程性質(zhì)，從而針對(duì)性的得出適宜的承載力值，對(duì)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和提出經(jīng)濟(jì)適宜的地基處理方法具有重要的參考意義。

1 基本物理力學(xué)性質(zhì)

②層Quelo砂的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)平均值見表1，其具有的一個(gè)顯著特點(diǎn)是含水率較低，孔隙比較小，卻有較明顯的濕陷性，以濕陷系數(shù)0.015作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)[6]，Quelo砂從輕微濕陷至強(qiáng)烈濕陷均有分布。

圖1 場(chǎng)地某一工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological section of the site

含水率重度飽和度孔隙比壓縮系數(shù)濕陷系數(shù)w/%γ/(kN·m-3)Sr /%ea1-2/MPa-1δs5.917.5260.6080.150.020

圖2為某工程場(chǎng)地內(nèi)Quelo砂不擾動(dòng)土樣天然含水率與200 kPa壓力下濕陷系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，可以得出Quelo砂濕陷系數(shù)隨初始含水率變化關(guān)系與黃土是類似的，含水率大小對(duì)濕陷性的發(fā)揮具有重要影響[7～8]，濕陷系數(shù)隨含水率增大而強(qiáng)化，隨含水率減小而退化。圖2中以含水率4.0%為界線，當(dāng)含水率小于4.0%時(shí)，Quelo砂具有較大的濕陷系數(shù)，反之其濕陷系數(shù)則大為減小。參考濕陷性黃土濕陷系數(shù)取0.015的界線值，當(dāng)Quelo砂含水率超過6.0%左右時(shí)，其濕陷性可不予考慮。

圖2 天然Quelo砂濕陷系數(shù)隨含水率變化散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of collapsible coefficient vs moisture content of the natural Quelo sand

劉爭(zhēng)宏等研究了天然和浸水條件下羅安達(dá)濕陷性砂的標(biāo)貫試驗(yàn)[3]，浸水后砂土的實(shí)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)大幅度降低(圖3)，可見羅安達(dá)砂土的力學(xué)性質(zhì)對(duì)水極其敏感，受雨季及旱季交替變化的影響，羅安達(dá)砂的工程性質(zhì)不宜單純用標(biāo)貫試驗(yàn)來評(píng)價(jià)。

圖3 天然及浸水條件下標(biāo)貫試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 SPT blows under the natural and wetted conditions

2 200 kPa壓力下浸水載荷試驗(yàn)

開展200 kPa壓力下的浸水載荷試驗(yàn)，其目的是為了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)羅安達(dá)Quelo砂的附加濕陷量，從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的角度對(duì)Quelo砂的濕陷程度進(jìn)行判斷。試驗(yàn)均采用面積為0.25 m2的圓形承壓板，對(duì)應(yīng)的直徑d=564 mm，換算為方形承壓板的寬度b=479 mm[9]。按換算后的b值，以《巖土工程勘察規(guī)范》中ΔFs/b值為判斷標(biāo)準(zhǔn)，得到的試驗(yàn)結(jié)果見表2。

試驗(yàn)結(jié)果表明，參考《巖土工程勘察規(guī)范》的判斷標(biāo)準(zhǔn)，羅安達(dá)Quelo砂在200 kPa壓力下浸水載荷試驗(yàn)的附加濕陷量ΔFs與承壓板寬度b之比大于0.023，判定為濕陷性土。結(jié)合圖2室內(nèi)土工試驗(yàn)結(jié)果，即可從室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的角度證明了羅安達(dá)砂土為濕陷性土，且濕陷程度可判定為輕微—中等。

表2 200kPa壓力下浸水載荷試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Results of Watering PLT under 200 kPa load

3 天然條件下的載荷試驗(yàn)

從標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果可以做出判斷，羅安達(dá)砂的承載力會(huì)受水分的影響，在含水率大的情況下其承載力必然會(huì)降低。通過已有的載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將p-s曲線繪于圖4中，在含水率變化較小的情況下，可以看到曲線族大致可分為上下2個(gè)部分，中間形成一塊空白區(qū)域，反映出Quelo砂的一個(gè)宏觀規(guī)律，即以土層的含水率進(jìn)一步區(qū)分，除了個(gè)別情況，Quelo砂大體上可以以含水率4.0%為界線，上部分曲線對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)土層含水率小于4.0%，其承載力特征值可達(dá)到300～500 kPa，而下部分曲線對(duì)應(yīng)試驗(yàn)土層的含水率一般都大于4.0%，其承載力特征值僅為120～180 kPa。也就是說當(dāng)羅安達(dá)砂的含水率超過4.0%時(shí)，其承載力會(huì)有非常明顯的降低，且對(duì)含水率的變化十分敏感，甚至小于1%的微小變化即可導(dǎo)致承載力數(shù)倍的降低。

圖4 天然條件下Quelo砂載荷試驗(yàn)結(jié)果Fig.4 PLT Results of the Quelo sand under the natural conditions

此時(shí)，含水率的大小同樣決定了Quelo砂的濕陷強(qiáng)度(圖2)，羅安達(dá)Quelo砂的承載力與濕陷可能導(dǎo)致的地基變形則形成了一對(duì)矛盾體。當(dāng)?shù)鼗梁瘦^小時(shí)具有較大的地基承載力，但卻具有較大的濕陷變形。當(dāng)?shù)鼗梁瘦^大且大到一定程度時(shí)，Quelo砂的濕陷系數(shù)將大大減小，若濕陷變形可滿足設(shè)計(jì)對(duì)沉降的要求，其承載力又可能降低到無法滿足上部荷載的要求。加之安哥拉的氣候分為雨季和旱季，分布于地表面的羅安達(dá)濕陷性砂的含水率變化受季節(jié)影響則較大，以天然土層載荷試驗(yàn)得出的地基承載力具有很大的風(fēng)險(xiǎn)，是不適宜作為地基承載力設(shè)計(jì)參數(shù)的。

4 浸水飽和條件下的載荷試驗(yàn)

天然狀態(tài)下羅安達(dá)Quelo砂的承載力對(duì)水十分敏感，且自然條件下Quelo砂的含水率的大小是隨機(jī)的，無法保證其承載力處于穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，考慮極端不利條件下的承載力對(duì)工程建設(shè)的安全具有重要意義。本文收集了6組浸水載荷試驗(yàn)結(jié)果(圖5)，試驗(yàn)前在試坑中預(yù)先浸水超過24 h后開始加荷，并在試驗(yàn)過程中始終保持一定的水頭。

圖5 浸水飽和條件下載荷試驗(yàn)結(jié)果Fig.5 PLT Results of the Quelo sand under the watering conditions

從圖5的試驗(yàn)結(jié)果來看，Quelo砂浸水飽和后的承載力較低，p-s曲線緩變型為主，以沉降量為0.01b時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值作為承載力特征值[5,10]，Quelo砂飽和條件下的承載力特征值大多在60～100 kPa，且隨著荷載的增加，其沉降量持續(xù)增大。因此對(duì)于荷載較大的多數(shù)建筑物而言，Quelo砂的承載力不足，且可能發(fā)生較大的變形，對(duì)工程設(shè)計(jì)存在較大的風(fēng)險(xiǎn)。

5 不同深度的載荷試驗(yàn)

為研究Quelo砂不同深度的承載力性狀，開展了探井內(nèi)不同深度天然及浸水條件下的深層載荷試驗(yàn)各2組，試驗(yàn)深度分別為1.5 m和3.0 m，采用0.5 m2的圓形載荷板，試驗(yàn)過程滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》的要求。深層載荷試驗(yàn)布置在直徑0.9 m的探井中，天然狀態(tài)下的試驗(yàn)在探井開挖到試驗(yàn)深度后立即安裝設(shè)備開始試驗(yàn)。浸水條件下的試驗(yàn)則在探井底部預(yù)留20 cm土層并預(yù)先在井底保持30 cm水頭浸水24 h，停水后開挖井底浮土后安裝好設(shè)備，然后保持繼續(xù)浸水并完成試驗(yàn)，測(cè)試浸水飽和后土層的承載力。

圖6為本次深層載荷試驗(yàn)的結(jié)果曲線，結(jié)果顯示天然條件下3.0 m深度的地基承載力反而比1.5 m處的低，究其原因?yàn)閳?chǎng)地內(nèi)靠近地表的土層因Quelo砂的水分被植物根系吸收以及當(dāng)?shù)厝照諒?qiáng)度高、蒸發(fā)量大等原因?qū)е缕浜势毡榈陀谙虏枯^深地層，因而天然條件下3.0 m深度處地基承載力低于1.5 m處地基承載力，符合前述紅砂承載力隨含水率增大而衰減的規(guī)律。根據(jù)圖6中p-s曲線，以沉降量為0.01b時(shí)對(duì)應(yīng)的荷載值作為承載力特征值[10]，對(duì)各試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，確定的1.5 m和3.0 m深度深層載荷試驗(yàn)的承載力特征值分別為599 kPa和457.5 kPa，浸水飽和條件下承載力特征值分別為82 kPa和110 kPa，可見含水率的增加對(duì)不同深度Quelo砂的承載力同樣具有顯著降低的影響，且衰減幅度較大，采用天然條件下的承載力特征值是偏于危險(xiǎn)的。

圖6 天然及浸水條件下載荷試驗(yàn)結(jié)果Fig.6 PLT results of the Quelo sand under the natural and soaking conditions

從不同深度的浸水載荷試驗(yàn)結(jié)果來看(圖7)，隨著試驗(yàn)深度的增加，承載力具有一定的提高，且其p-s曲線形態(tài)類似，具有相同的破壞模式，參考《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中對(duì)黃土地基承載力的深寬修正公式：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-1.50)

(1)

圖7 浸水條件下載荷試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 PLT results of the Quelo sand under the soaking conditions

以浸水飽和條件下深層載荷試驗(yàn)計(jì)算，不考慮寬度修正，取γm=17.5 kN·m-3，通過反算，可得出本次試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)的羅安達(dá)紅砂地基承載力的深度修正系數(shù)ηd=1.07。但試驗(yàn)數(shù)量較少，對(duì)紅砂的深度修正系數(shù)還需要進(jìn)一步開展和收集試驗(yàn)資料，開展統(tǒng)計(jì)研究。

6 紅砂地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的討論

對(duì)紅砂的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)，一種是根據(jù)建筑物類別消除紅砂地基的全部濕陷量或部分濕陷量，參考濕陷性土的處理方法進(jìn)行設(shè)計(jì)；另一種是將紅砂當(dāng)做一般地基，確定出可靠的承載力值后進(jìn)行設(shè)計(jì)。

雖然濕陷性試驗(yàn)結(jié)果表明紅砂是一種濕陷性土，然而，由于目前對(duì)紅砂地基濕陷性的研究成果不多，濕陷系數(shù)取多大值作為紅砂地基濕陷性的判別標(biāo)準(zhǔn)還沒有一個(gè)明確的結(jié)論，如何確定紅砂的地基承載力是工程實(shí)踐中首要解決的問題。圖8為參考《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[6]取濕陷系數(shù)為0.015作為紅砂濕陷性的判定標(biāo)準(zhǔn)，室內(nèi)試驗(yàn)得出的紅砂濕陷起始?jí)毫χ禐? kPa至超過200 kPa，當(dāng)中多數(shù)結(jié)果小于《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中對(duì)乙類建筑和丙類多層建筑地基處理后，下部未處理濕陷性土層濕陷起始?jí)毫Σ恍∮?00 kPa的要求，再加上紅砂地基的承載力對(duì)水分的變化十分敏感，此時(shí)沿用濕陷性黃土地基的設(shè)計(jì)理論需要對(duì)整個(gè)紅砂地層進(jìn)行消除濕陷性的處理或采用樁基礎(chǔ)，對(duì)于一般的建筑物，可能造成投資的大幅增加。

圖8 紅砂濕陷起始?jí)毫﹄S深度變化散點(diǎn)圖Fig.8 Scatter plot of the initial collapse pressure vs. depth of the red sand

從含水率對(duì)承載力影響的結(jié)果來看，即使在完全浸水飽和的極端條件下，承載力還是可以進(jìn)行一定程度修正的，因此，按一般地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論，充分考慮紅砂地基土的含水率變化對(duì)地基承載力的影響，通過相應(yīng)的地基處理并滿足下臥層承載力要求的條件下進(jìn)行工程設(shè)計(jì)是可行的。

7 結(jié)論

(1)水對(duì)羅安達(dá)Quelo砂的濕陷性影響十分顯著，Quelo砂的濕陷系數(shù)隨初始含水率的增大具減小的趨勢(shì)，以含水率4.0%為界線，當(dāng)Quelo砂含水率超過4.0%時(shí)，濕陷系數(shù)迅速減小。若以濕陷系數(shù)0.015為判定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)Quelo砂的含水率超過6.0%左右時(shí)，其濕陷性可不予考慮。

(2)因?qū)uelo砂的濕陷性缺乏室內(nèi)試驗(yàn)判定標(biāo)準(zhǔn)，通過200 kPa 壓力下的浸水載荷試驗(yàn)可進(jìn)一步判定羅安達(dá)Quelo砂為濕陷性土，其濕陷程度為輕微—中等。

(3)天然條件下，Quelo砂的含水率小于4.0%時(shí)具有較大的承載力，當(dāng)含水率超過4.0%時(shí)，其承載力會(huì)有非常明顯的降低，且對(duì)含水率的變化十分敏感，小于1%的微小變化即可導(dǎo)致承載力數(shù)倍的降低。Quelo砂浸水飽和條件下的承載力特征值較小，且隨著荷載的增加，其沉降量持續(xù)增大，Quelo砂的承載力和沉降變形特性對(duì)工程具有較大風(fēng)險(xiǎn)。

(4)對(duì)水極其敏感的Quelo砂承載力與濕陷程度具有同時(shí)變大或變小的同向變化特點(diǎn)，工程實(shí)踐中難于兼顧承載力和變形的要求，應(yīng)采用適宜的地基處理方案。而在濕陷系數(shù)0.015的標(biāo)準(zhǔn)下，Quelo砂的濕陷起始?jí)毫κ菬o法滿足基于濕陷性理論的要求進(jìn)行地基處理和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的。建議Quelo砂地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)深層載荷試驗(yàn)的結(jié)果，充分考慮紅砂地基土含水率變化對(duì)地基承載力的影響，按照一般地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論來指導(dǎo)工程建設(shè)。