砂砾石垫层地基的强度与变形特征试验研究

刘志伟，高志芳

(西北电力设计院， 陕西 西安 710032)

砂砾石垫层地基的强度与变形特征试验研究

刘志伟，高志芳

(西北电力设计院， 陕西 西安 710032)

砂砾石垫层换填地基可以提供较高的地基承载力，有效的控制建筑物变形。试验研究表明, 砂砾石垫层的荷载与沉降关系呈线性变化，剪切破坏仅表现为沉降明显较前一阶段增大，与其他相对软弱的地基土整体快速剪切破坏有差别。砂砾石垫层的比例界限在1000 kPa～2000 kPa，要使垫层达到更大的变形破坏特征，还需要更大的荷载。砂砾石垫层的变形模量一般在49.2 MPa～154.8MPa，在浸水条件下主要表现为沉降量、变形增大，比例界限、极限承载力降低，变形模量减小的工程性能特征，变形模量折减系数可取0.7～0.8。

砂砾石垫层; 地基承载力; 变形模量; 载荷试验; 浸水。

砂砾石具有压实性能好、透水性强、填筑密度大、抗剪强度高、沉陷变形小、承载力高等工程特性，是一种性能良好的天然建筑材料，在工程建设中得到了广泛的应用。砂砾石垫层属于换填法地基处理方法中的一种，主要作用有：①提高地基承载力；②减少沉降量；③加速软弱土层的排水固结；④防止冻胀；⑤消除膨胀土的胀缩作用；⑥消能减震作用。在一般的工业民用建筑中，建筑物要求和使用的地基承载力一般在200 kPa～300 kPa。近几年我国的电力事业发展迅速，总体向大机组、大容量、高参数发展，建(构)筑物具有“高、大、重、深”的特点，对地基的承载力要求越来越高。砂砾石垫层换填地基可以提供较高的地基承载力、控制建筑物变形，工程实践证明其地基变形均匀，有利于烟囱、冷却塔等高耸建(构)筑物的倾斜控制在允许范围内，在大型发电厂地基处理中得到广泛的应用，地基承载力达到500 kPa～700 kPa。为了进一步提高砂砾石垫层的工程应用和技术水平，开展砂砾石垫层地基的强度与变形特征试验研究具有重要的理论与现实意义。

大量的地基载荷试验结果表明，典型的土质地基载荷试验p-s曲线具有三段性，在第一变形阶段中地基的p-s关系呈现线性化特征，该变形阶段称为弹性变形阶段或地基土的压密阶段。在第二变形阶段中地基的p-s关系呈现非线性化特征，此时土体中出现了局部破坏，所以该变形阶段称为局部剪切破坏阶段。地基变形的第三阶段称为整体剪切破坏阶段，此时地基土已发生整体剪切破坏，进入该阶段后即使荷载不再增加地基的变形也不会停止。第一变形阶段和第二变形阶段的分界点荷载值(压力)被称为比例界限或地基的临塑荷载。第二变形阶段和第三变形阶段的分界点荷载值(压力)被称为地基的极限承载力。

在建筑物的施工中，随着上部结构的不断修建，建筑物基础的底面压力会随之增大。建筑物地基的受力状态为：当基础荷载较小时，基底压力p与沉降s基本上成直线关系，属于线性变形阶段；当荷载增加到某一数值时，在基础边缘处的土开始发生剪切破坏，随着荷载的增加，剪切破坏区(或称塑性变形区)逐渐扩大，这时压力与沉降之间成曲线关系，属弹塑性变形阶段；如果基础上的荷载继续增加，剪切破坏区不断扩大，最终在地基中形成一连续的滑动面，基础急剧下沉或向一侧倾倒，同时基础四周的地面隆起，地基发生整体剪切破坏。

1 砂砾石垫层的破坏特征

采用静载荷试验对砂砾石垫层的破坏特征进行研究。现场试验采用相对稳定法加荷，沉降观测、稳定标准按《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002附录C的试验要点进行。

图1(a)、(b)为河南沁北砂砾石垫层载荷试验曲线，试验承压板面积为0.5 m2，最大加载压力分别为3200 kPa和4800 kPa。从图1中可以看出，两条曲线的第一变形阶段弹性变形和第二变形阶段弹塑性变形均比较明显，但第三阶段整体剪切破坏仅表现为沉降明显较前一阶段增大，每级荷载下均能达到沉降稳定，与其他相对软弱的地基土整体快速剪切破坏有差别。两组试验的比例界限分别为1000 kPa和1600 kPa，极限承载力分别为2600 kPa和3200 kPa。

图2(a)、(b)为山东邹县砂砾石垫层试验曲线，试验承压板面积为0.25 m2，最大加载压力均为2800 kPa。与河南沁北情况类似，两条曲线的第一变形阶段弹性变形和第二变形阶段弹塑性变形均比较明显，但第三阶段整体剪切破坏仅表现为沉降明显较前一阶段增大，每级荷载下均能达到沉降稳定。两组试验的比例界限均为1600 kPa，极限承载力均为2400 kPa。

图3(a)、(b)为陕西府谷砂砾石垫层试验曲线，试验承压板面积为0.25 m2，最大加载压力均为4400 kPa。试验与前两个工程不同，两条曲线的第一变形阶段弹性变形和第二变形阶段弹塑性变形不明显，且第三阶段整体剪切破坏仅表现为沉降明显较前一阶段略增大，每级荷载下均能达到沉降稳定，说明要使垫层达到更大的变形破坏特征，还需要更大的荷载。两组试验的比例界限均为2000 kPa，极限承载力均为3200 kPa。

由以上试验分析可以看出，砂砾石垫层的荷载与沉降关系开始呈线性变化，当濒临破坏时出现了明显的拐点，显示出整体剪切破坏的特征。根据魏锡克(Vesic,A.s.)，主要考虑土的压缩性，当土是相对不可压缩时，此时地基将发生整体剪切破坏，由此看出砂砾石垫层抗压缩的特征。

2 砂砾石垫层的变形与承载力

土体变形是弹塑性的，由载荷试验求得的变形模量E0包含弹性和塑性这两部分变形在内，可由作用于承压板上的单位压力p与相应沉降量s关系曲线上的直线段求取。表1为工程中砂砾石垫层载荷试验成果。试验结果表明，根据最大加载一半的取值原则确定的砂砾石垫层承载力特征值一般大于400 kPa或更高，若按相对变形值s=0.01 d则更大，说明砂砾石垫层的承载力高。砂砾石垫层的变形模量一般在49.2 MPa～154.8 MPa，平均96.6 MPa。粗粒换填材料地基由剪切和压缩所引起的沉降都在加荷后很快发生，砂砾石垫层在施工期间垫层自身的压缩变形已基本完成，且量值很小。因而对于碎石、卵石、砂夹石垫层，在地基变形计算中，可以忽略垫层自身的变形值。

3 浸水条件下砂砾石垫层的工程性能

为了研究砂砾石垫层在浸水条件下的工程性能，在内蒙准格尔、河南沁北试验中进行了浸水条件和未浸水的对比试验。

图4、图5分别为内蒙准格尔天然级配和人工级配砂砾石垫层在浸水条件与未浸水的试验对比曲线。天然级配砂砾石垫层的最大加载为700 kPa，未浸水状态下的最大沉降为5.91 mm，浸水状态下的最大沉降为7.17 mm，两种状态均未达到极限荷载。从承载力取值方面两者虽然无大的差别，但在浸水状态下变形模量明显降低(未浸水状态和浸水状态的变形模量E0分别为68.7 MPa和56.8 MPa)，降低了17.3%。人工级配砂砾石垫层的最大加载为700 kPa，未浸水状态下的最大沉降为4.82 mm，浸水状态下的最大沉降为7.08 mm，两种状态均未达到极限荷载。同样在承载力取值方面两者无大的差别，在浸水状态下变形模量明显降低(未浸水状态和浸水状态的变形模量E0分别为84.3 MPa和57.5 MPa)，降低了31.8%。

图6为河南沁北在浸水条件与未浸水的试验对比曲线，最大加载分别为3200 kPa和4800 kPa。浸水状态试验在荷载加至600 kPa下浸水，浸水36 h，其沉降增量仅0.3 mm，即在600 kPa浸水条件下，垫层基本未沉降。但在浸水条件下的总沉降量和未浸水试验状态相比，其沉降量明显偏大，比例界限、变形模量和极限承载力值也偏低。浸水条件下比例界限为1000 kPa，变形模量E0为113.9 MPa，极限承载力为2600 kPa；未浸水条件下比例界限为1600 kPa，变形模量E0为138.3 MPa，极限承载力为3200 kPa。浸水状态与未浸水相比变形模量降低了17.6%。

以上两地的试验研究表明，砂砾石垫层在浸水条件下的工程性能特征，主要表现为沉降量、变形增大，比例界限、极限承载力降低，变形模量减小。在工程实际应用中，一般要求的地基承载力取值虽然能控制在比例界限范围内，但应考虑地基在长期浸水条件下对变形的影响。在天然状态取得的变形模量用于浸水条件下时，变形模量值应进行适当的折减，建议折减系数取0.7～0.8，取值高低取决于砂砾石垫层的颗粒级配组成、含泥量、密实度等多种因素。

表1 砂砾石垫层承载力与变形模量

图4 准格尔天然级配砂砾石天然状态与浸水状态载荷试验对比

图5 准格尔人工级配砂砾石天然状态与浸水状态载荷试验对比

图6 河南沁北天然状态与浸水状态载荷试验对比

4 结论

⑴砂砾石垫层的荷载与沉降关系呈线性变化，剪切破坏仅表现为沉降明显较前一阶段增大，与其他相对软弱的地基土整体快速剪切破坏有差别。砂砾石垫层的承载力特征值一般大于400 kPa或更高，砂砾石垫层的比例界限在1000～2000 kPa之间。

⑵砂砾石垫层的变形模量一般在49.2～154.8 MPa，平均96.6 MPa。砂砾石垫层在施工期间垫层自身的压缩变形已基本完成，且量值很小，在地基变形计算中可以忽略垫层自身的变形值。

⑶砂砾石垫层在浸水条件下的工程性能特征，主要表现为沉降量、变形增大，比例界限、极限承载力降低，变形模量减小。在未浸水试验状态取得的变形模量用于浸水条件下时，变形模量值应进行适当的折减，建议折减系数取0.7～0.8。

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Experimental Research on Strength and Deformation Characteristics of Sand-gravel Cushion

LIU Zhi-wei, GAO Zhi-fang
(Northwest Electric Power Design Institute, xi’ an 710032, China)

Sand-gravel cushion may provide high bearing capacity; control the settlement and deformation of structure effectively. Experimental research indicate that the relationship between load and settlement of sand-gravel cushion present linear characteristic, shear failure present settlement increase compare with former stage obviously, have some difference compare with other relative weak subsoil that have whole quickly shear failure characteristic. The proportional limit of sandgravel cushion varies between 1000kPa and 2000kPa, if sand-gravel cushion reach more deformation failure characteristic require more load. The modulus of deformation changes between 49.2MPa and 154.8MPa, under soaked, engineering characteristics including of settlement and deformation increase, proportional limit and ultimate bearing capacity decrease, and modulus of deformation reduce, discount of modulus of deformation varies between 0.7 and 0.8.

sand-gravel cushion; subgrade bearing capacity; modulus of deformation; plate loading test; soaked.

TU4

B

1671-9913(2010)06-0011-05

2010-07-20

刘志伟(1971-)，男，山西人，国家注册土木工程师(岩土)，高级工程师。