湘西南高液限红粘土地区地基承载力原位试验研究

贺春宁,任 毅,王宏祥

(湖南省交通科学研究院,湖南长沙 410015)

红粘土是一类典型的特殊土,其工程性质特殊,一方面其具有高含水量、高塑性、高孔隙比、密度低、压实性差等不良物理性质;另一方面却具有高强度、中低压缩性的力学特性。而且红粘土广泛存在于我国贵州、广西、云南、湖南等省(自治区)[1,2],这与一般粘性土的性质有很大差异,故对红粘土地区地基承载力的正确评估对施工过程将产生较大的影响。虽说原位试验还处于经验法阶段[3],不过与室内土工试验相比,还是有许多优点,工程勘测实践证明,原位测试技术的应用效果良好,经济效益明显,应用范围越来越广。本文结合某高速公路建设过程,对依托工程沿线不同桩号和深度选取多个典型试验点进行了原位测试。

1 工程概况

根据地面综合工程地质测绘结果,工程沿线大量分布有硬塑-可塑状粘土,该地质岩组属于第四系更新统残坡积层;主要位于溶蚀谷地、丘坡等部位,岩性为红粘土及含碎石粘土。

2 试验点分布及基本物理力学性质

2.1 试验点分布

本次原位试验所选取的试验点的平面布置如图1所示,所处的深度位置如图2所示。

2.2 试验点基本物理力学性质

图1 试验点平面布置图

图2 试验点沿垂向布置图

根据相关规范和手册[4～6],试验点红粘土的各种基本物理力学指标通过室内试验获得,天然含水率采用烘干法(温度105℃～110℃),土的密度试验采用环刀法,液限和塑限采用液塑限联合测定法。各点土体的物理性质数据如表1所示。

3 浅层平板载荷试验

3.1 试验原理

浅层平板载荷试验是在现场用一定面积的刚性承压板逐级加荷,测定天然埋藏条件下浅层地基沉降随荷载而变化的现场试验,用以评价承压板下应力影响范围内岩土的强度和变形特性。

表1 各试验点对应土体的物理力学性质表

典型的平板载荷试验P—S曲线可以划分为3个阶段,见图3。

图3 平板载荷试验P—S曲线

3.2 试验结果分析

最小二乘法,其计算式如下:

则有:

式中:N为直线段的加荷次数。

对比例界限以前各点,根据C,P按式(3)校正。

对于比例界限以后各点,按式(4)校正:

式中,S′为沉降量校正量;其他符号意义同前。

根据校正后的S′值绘制P—S′沉降量关系曲线,即为一般的P—S曲线。各试验点修正后的P—S曲线如图4所示。

图4 修正后的P—S曲线

3.2.2 地基承载力特征值的确定

各平板载荷试验点的红粘土地基的承载力特征值如表2所示。

3.2.3 变形模量的计算

变形模量可由平板载荷成果P—S曲线的直线变形段,按弹性理论公式求得,如式(5)所示:

变形模量的计算结果如表2所示。

表2 各平板载荷试验点的红粘土地基的承载力特征值

3.2.4 平板载荷试验成果分析

本节采用平板载荷试验,选取红粘土地区横向和垂向上的较典型的地层作为试验点,通过分析发现红粘土的地基承载力在横向的变化程度较大,如图5～图8。

图5 承载力特征值横向变化图

图6 变形模量横向变化图

从地基承载力和变形模量的横向变化图来看,可以看出,高程+323m,坡谷处的试验点的承载力特征值只有97.1 kPa,承载力较差,随着高程的增加,红粘土厚度逐渐变厚,承载力有增大的趋势,在清表之后的坡中的承载力比坡脚和坡谷的承载力要大45%和204%。

图7 承载力特征值垂向变化图

图8 变形模量垂向变化图

从地基承载力和变形模量垂向变化来看,k166+460附近的承载力变化趋势为先增加后减小,其主要原因是由于上覆土的荷载,较深范围内的土体应力较大,固结较好,从而导致地基承载力的提高,而接近下卧弱风化白云质灰岩的红粘土地层时,土体含水量增加,地基承载力有所下降。

综合以上结果,可以发现,由于红粘土地层具有垂直分带性和水平不均匀性等特征,地基承载力有较大程度的变化,因此红粘土地区应特别注意红粘土赋存的这种空间特征。

4 动力触探试验

本次试验采用的是轻型圆锥动力触探仪,落锤质量10 kg,落距为50 cm,探头直径40mm,锥角为60°,各探杆直径均为25 mm,记录每贯入30 cm的锤击数N10。以浅层平板载荷试验所得到的承载力为参照,可以得到此红粘土地区轻型动力触探的经验公式,如图9所示,平板载荷试验所得承载力特征值与轻型动力触探击数之间体现出较好的相关性,在实践工程中采用了式(1)所示的简便公式,取得了良好的效果。

图9 动力触探平均击数与平板载荷承载力特征值相关关系

值得说明的是当遇致密硬土层时轻型动力触探击数有可能贯入15 cm锤击数大于50,此时不宜采用上述经验公式计算承载力,需结合平板载荷等试验来综合确定。

5 地基处理和基础型式的选择

由原位试验成果可知,红粘土的地基承载力和变形参数在横纵向的变化程度都较大,因此红粘土地基处理和基础型式选择建议遵循以下原则或方法。

1)对于石芽密布并有出露的地基,当石芽间距小于2m,其间为硬塑或坚硬状态的红粘土时,对于基地压力小于200 kPa的建筑物或构筑物,在对石芽出露部位用炉渣、中砂、粗砂、土夹石等材料作300～500mm褥垫之后,可以作为基础的地基。

2)当建筑物或构筑物要求较高或地质条件比较复杂,不满足上述条件时,可采用桩基或梁、拱跨越等处理措施。

3)在地基压缩性相差较大的部位,宜结合建筑物平面形状、荷载条件设置沉降缝。

4)在石芽密布地段,当溶槽较宽大时,可将基底做成台阶状,使相邻段上的可压缩层厚度呈渐变过渡,也可在槽中设置若干短桩。

6 结语

1)本文采用了浅层平板载荷试验,确定了各试验点的地基承载力和变形模量,分析了红粘土地基承载力和模量的空间分布特征,发现红粘土的地基承载力沿线路方向变化幅度较大,即呈“上硬下软”的特点。

2)采用轻型圆锥动力触探仪进行了现场原位试验,并以浅层平板载荷试验所得到的承载力为参照,得到了此红粘土地区轻型动力触探的经验公式。

3)根据上述红粘土的地基承载力和变形参数在水平和深度方向的变化程度都较大的空间特征,对红粘土的地基处理和基础型式的选择提出了建议,可用于指导施工。

[1]谭罗荣,孔令伟.特殊岩土工程土质学[M].北京:科学出版社,2006.

[2]赵颖文,等.广西原状红粘土力学性状与水敏性特征[J].岩土力学,2003,24(4):568-572.

[3]孟高头.土体原位测试机理、方法及其工程应用[M].北京:地质出版社,1997.

[4]GB 50021-2001岩土工程勘察规范[S].

[5]常士骠,张苏民.工程地质手册[M].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[6]JTG E 40-2007,公路土工试验规程[S].

[7]谢俊文.湖南红粘土的工程地质特性[J].电力勘测,1995(1):23-27.

[8]李晓全,马石城,屈畅姿,等.水泥红粘土的强度试验研究[J].公路工程,2007,32(6):49-52.

[9]朱天璋,黄向京.湖南高速公路红粘土工程特性及问题与对策探讨[J].公路工程,2008,33(5):24-28.

[10]罗 斌,赵 雄.碎石改良高液限红粘土的试验研究[J].公路工程,2009,34(2):131-134.

[11]袁腾方,殷 颖,刘小平.桂武高速碳酸盐高液限红粘土压实特性研究[J].公路工程,2009,34(6):104-106.

[12]滕 珂,肖宏彬,许 豪,等.非饱和膨胀土与红粘土的对比试验研究及微观结构分析[J].公路工程,2010,35(5):4-9.

[13]陈 兰.粘土的各向异性研究[J].森林工程,2007,23(4):77-79.