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        西非某工程黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)及地基承載性能分析

        2022-02-22 00:38:50孫洪新
        中國新技術(shù)新產(chǎn)品 2022年22期

        左 鵬 孫洪新

        (山東巖土勘測設(shè)計研究院有限公司,山東 煙臺 264000)

        0 引言

        擬建項目位于西非某國,勘察項目堆場部分無相關(guān)建筑物,僅為未來堆放礦料區(qū)域,油庫區(qū)包括地上1層裝車鶴管平臺、消防泵房、配電室及火車裝車泵房,3 000方消防水罐、3 000方重油儲罐、5 000方柴油罐、10 000方柴油罐、事故水池以及高桿燈。

        場區(qū)內(nèi)陸域地形復(fù)雜,全境分為4個自然區(qū):西部為狹長的沿海平原丘陵區(qū);中部為平均海拔900 m的高原,西非3條主要河流尼日爾河、塞內(nèi)加爾河和岡比亞河均發(fā)源于此,因此有“西非水塔”之稱;東北部為平均海拔約300 m~400 m的臺地??辈靺^(qū)域位于西部沿海平原丘陵區(qū)與河流沖洪積銜接地帶,整體呈由西向東逐漸降低的趨勢,屬河流階地地貌。區(qū)域內(nèi)氣候為熱帶草原氣候,只有雨季和旱季,全國5月至10月為雨季,降雨量約占全年的90%;11月至次年4月為旱季,干旱少雨??辈靺^(qū)位于西非克拉通西部邊緣、沿海晚古生界沉降區(qū)。區(qū)域構(gòu)造線總體走向為北北西向,并以一個規(guī)模較大的向斜盆地和多級斷裂構(gòu)造為主。

        1 場區(qū)黏土的基本力學(xué)性質(zhì)研究

        場區(qū)黏土主要有6層,分別為可塑~硬塑的②-1層黏土、軟塑~流塑的②-2層黏土、可塑~硬塑③層黏土、可塑④-1層黏土、軟塑-可塑④-2層黏土以及可塑~硬塑⑤層黏土。以可塑~硬塑②-1層黏土為例,其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)經(jīng)過室內(nèi)試驗獲取并統(tǒng)計。由于黏土試樣的取樣較為良好,試驗中不僅對直剪快剪做了試驗,還對黏土進(jìn)行了三軸不固結(jié)不排水試驗和三軸固結(jié)不排水試驗,各指標(biāo)的試驗結(jié)果見表1。

        表1 ②-1層黏土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計

        從表1可以看出,②-1黏土的含水量w變化范圍較大,含水量w的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到17.4,變異系數(shù)達(dá)到0.25。這是因為該層土體受到地層的埋深、地下水的作用影響明顯,含水量w的變化范圍大也使土體的其他物理力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)較大的離散型,最明顯的是液限wL和塑限wP。液限wL對應(yīng)的變化范圍是從37.2%至86.6%,標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到12.5,而變異系數(shù)達(dá)到0.20;塑限wP對應(yīng)的變化范圍是從20.4%至58.7%,標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到8.95,而變異系數(shù)達(dá)到0.20。在力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)上,②-1層黏土的直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)變化范圍較大,而三軸UU強(qiáng)度指標(biāo)和三軸CU強(qiáng)度指標(biāo)的變化范圍則相對較小。這是因為三軸試驗更能反映高含水量和高孔隙比的黏性土強(qiáng)度。另外,從表1也可以看出,②-1層黏土的壓縮性變化也較大,其壓縮系數(shù)a1-2從0.61 MPa-1變化至4.47 MPa-1不等,而壓縮模量Es從0.887 MPa變化至3.718 MPa不等。由此可知,對場區(qū)的黏性土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和地基承載力的研究需要考慮土層的不均勻性和離散型,應(yīng)該從統(tǒng)計學(xué)的角度更宏觀地考慮土層參數(shù)隨空間位置和天然狀態(tài)的不同產(chǎn)生的變異,進(jìn)而使工程應(yīng)用中選擇的參數(shù)更具代表性[1-3]。含水量的多少會直接影響?zhàn)ば酝恋奶烊粻顟B(tài),也使其表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì),因此對各層土含水量變化的研究可更直觀地反映黏性土的物理性質(zhì)。各層土樣含水量的分布如圖1所示。從圖1可以看出,各層黏土的含水量出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象,這和各黏土層的歷史成因以及所處位置的地下水水位有關(guān),也決定了各黏土層不同的物理力學(xué)性質(zhì)。③層黏土的含水量總體上分布最低,含水量平均值為24.4%;②-2層黏土的含水量總體上分布最高,含水量平均值達(dá)到68.7%,為流塑狀;②-1層黏土、⑤層黏土、④-2層黏土和④-1層黏土的含水量介于兩者之間,且分布的范圍較為集中,數(shù)據(jù)波動不大,含水量平均值分布為28.8%、43.2%、45.8%和46.6%。

        圖1 各土層含水量分布

        黏土的密度反映了土層顆粒之間的密實(shí)程度,也反映了其結(jié)構(gòu)的內(nèi)在排列和空隙間水分的多少。一般而言,黏土的密度越大,表明其越具有更“堅硬”的力學(xué)性質(zhì),因此研究各黏土層的密度也在一定程度上反映了其力學(xué)特征[4]。各層土樣密度的分布如圖2所示。從圖2可以看出,各層黏土的密度分布較為集中,98%的樣本密度分布在1.6g/cm3~2.0g/cm3,②-2層黏土的含水量總體上分布最低,且離散性較大,密度平均值為1.56g/cm3;④-1層黏土的密度總體分布最集中,密度平均值為1.71g/cm3;④-2層黏土、⑤層黏土、③層黏土和②-1層黏土的密度分布的范圍較為集中,數(shù)據(jù)波動不大,密度平均值分布為1.71g/cm3、1.77g/cm3、1.95g/cm3和1.87g/cm3。

        圖2 各土層密度分布

        與無黏性土不同,飽和黏性土的強(qiáng)度指標(biāo)最直接地反映在黏聚力上,黏聚力也是設(shè)計中最重要的輸入?yún)?shù)之一,因此選擇各黏性土的黏聚力指標(biāo)進(jìn)行研究比選擇內(nèi)摩擦角更有意義。各層土樣直剪快剪黏聚力的分布如圖3所示。從圖3可以看出,各層黏土的直剪快剪黏聚力出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象,且各層黏土的直剪快剪黏聚力離散性均較大。②-2層黏土的直剪快剪黏聚力總體上分布最低,直剪快剪黏聚力平均值為7.4 kPa;③層黏土的直剪快剪黏聚力最分散,直剪快剪黏聚力平均值為40.4 kPa;②-1層黏土、④-1層黏土、⑤層黏土和④-2層黏土的直剪快剪黏聚力平均值分布為20.8 kPa、31.4 kPa、37.3 kPa和40.9 kPa。

        圖3 各土層黏聚力分布

        土層的壓縮模量在一定程度上與其地基承載力有一定的關(guān)系,這是因為壓縮模量是反映土體承受外力的剛度變化參數(shù)。土層壓縮模量越大,表明其可承受越大的豎向壓力,而土層壓縮模量越小,表明其承受的地基承載力也越小,因此研究各層黏土的壓縮模量對認(rèn)識土層的豎向承載性質(zhì)有重要的作用。各層土樣壓縮模量的分布如圖4所示。從圖4可以看出,各層黏土的壓縮模量出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象,這和各黏土層的含水量、密度以及黏聚力的分布規(guī)律有一定的相關(guān)性。②-2層黏土的壓縮模量總體上分布最低,壓縮模量平均值達(dá)到1.923 MPa;③層黏土的壓縮模量總體上分布最高,壓縮模量平均值達(dá)到6.615 MPa;④-1層黏土、②-1層黏土、⑤層黏土和④-2層黏土的含水量介于兩者之間,且分布的范圍較為集中,數(shù)據(jù)波動不大,含水量平均值分布為4.904 MPa、5.108 MPa、5.417 MPa和5.452 MPa。

        圖4 各土層壓縮模量分布

        2 場區(qū)黏土的地基承載力

        由場區(qū)的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)分析可知,各層黏土之間的含水量、密度、黏聚力與壓縮模量之間均表現(xiàn)為各自的力學(xué)特性,因此確定各層的地基承載力對基礎(chǔ)的設(shè)計具有十分重要的意義。一般而言,與砂土和粉質(zhì)黏土相比,黏土的力學(xué)性質(zhì)分布較為均勻,其地基承載力確定可以按照塑性狀態(tài)理論公式進(jìn)行計算,即當(dāng)基礎(chǔ)受上部建筑物的荷載作用時,將所有荷載換算為中心荷載,荷載經(jīng)過基礎(chǔ)底部向地基土進(jìn)行傳遞。不斷增加上部荷載的質(zhì)量時,地基土發(fā)生剪切,當(dāng)出現(xiàn)剪切破壞的臨界壓力時,可以認(rèn)為地基土的承載達(dá)到了特征值,因此臨界壓力的計算方法可以由公式(1)確定。

        式中:fcr為地基土的承載力特征值或者臨塑荷載;ck為黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值;φk為摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值;γm為土體的加權(quán)平均重度;d為基礎(chǔ)埋置深度;Md、Mc為地基土的承載系數(shù)。

        從公式(1)可以看出,地基承載力的大小與土層的黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度和埋深有明顯的相關(guān)性,在結(jié)合室內(nèi)試驗確定各層黏土的物理力學(xué)指標(biāo)后,對各層黏土的地基承載力特征值進(jìn)行計算,結(jié)果見表2。從表2可以看出,②-2層黏土的地基土承載力特征值最低,只有90 kPa,這與其物理力學(xué)性質(zhì)最差的特征相一致。其他各層黏土的地基土承載力特征值較為均勻,變化范圍在140 kPa至160 kPa之間,其中③層黏土、④-1層黏土的地基承載力特征值最大,均為160 kPa。從表2也可以看出,地基承載力特征值與壓縮模量之間具有明顯的相關(guān)性,壓縮模量越大,地基承載力特征值也越大。

        表2 各層黏土的地基承載力特征值計算結(jié)果

        結(jié)合擬建建筑物設(shè)計標(biāo)高和場區(qū)地層情況,堆場區(qū),硬化地面主要位于填土范圍內(nèi);對油庫區(qū),事故水池基礎(chǔ)位于③層黏土層中,埋置深度為5.0 m,同時基礎(chǔ)位于地下水位以下,水頭高度較大,承載力能夠滿足要求,應(yīng)重點(diǎn)考慮抗浮問題;油庫區(qū)其他建筑物基礎(chǔ)位于填土層中,埋置深度為1.0 m~1.5 m,天然地基難以滿足要求,建議采用樁基方案。

        3 結(jié)論

        該文以西非某國油庫區(qū)巖土工程勘察項目為研究對象,采用室內(nèi)試驗的方法獲取場區(qū)各個黏土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo),并進(jìn)行統(tǒng)計分析,基于臨塑壓力理論計算公式對各層黏土地基的承載力進(jìn)行計算,得出的結(jié)論如下:1)從物理指標(biāo)上看,各層黏土的含水量出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象,③層黏土的含水量總體上分布最低;②-2層黏土的含水量總體上分布最高;②-1層黏土、⑤層黏土、④-2層黏土和④-1層黏土的含水量介于兩者之間,且分布的范圍較為集中,數(shù)據(jù)波動不大。各層黏土的密度分布較為集中,98%的樣本密度分布在1.6 g/cm3~2.0 g/cm3。2)從力學(xué)指標(biāo)上看,各層黏土的直剪快剪黏聚力出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象,且各層黏土的直剪快剪黏聚力離散性均較大,②-2層黏土的直剪快剪黏聚力總體上分布最低,③層黏土的直剪快剪黏聚力最分散。②-2層黏土的壓縮模量總體上分布最低,壓縮模量平均值達(dá)到1.923 MPa;③層黏土的壓縮模量總體上分布最高,壓縮模量平均值達(dá)到6.615 MPa;④-1層黏土、②-1層黏土、⑤層黏土和④-2層黏土的含水量介于兩者之間。3)②-2層黏土的地基土承載力最低,只有90 kPa,這與其物理力學(xué)性質(zhì)最差的特征相一致。其他各層黏土的地基土承載力較為均勻,變化范圍為140 kPa至160 kPa之間。建議選擇③層黏土層為地基基礎(chǔ)的持力層。

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