兰州城区卵石工程性质试验研究

鲁海涛，曹福明，滕文川

(甘肃土木工程科学研究院,甘肃 兰州 730020)

兰州城区卵石工程性质试验研究

鲁海涛，曹福明，滕文川

(甘肃土木工程科学研究院,甘肃 兰州 730020)

以兰州城区的卵石层为研究对象,通过现场直接剪切试验、平板载荷试验和旁压试验,绘制出卵石土剪应力与法向应力关系曲线、剪应力与剪切位移关系曲线、平板载荷试验下的p-s曲线。分析了卵石土的抗剪强度、地基承载力特征值和变形模量等力学性质。研究认为,兰州城区卵石土的抗剪强度指标黏聚力c大于零,内摩擦角φ与工程实际中取值基本一致,卵石层承载能力远大于目前工程建设采用的地基承载力特征值。

兰州城区；卵石；现场剪切试验；载荷试验；工程性质

0 引言

兰州市城区位居兴隆山至七道梁山前黄土塬与皋兰北山梁峁沟壑区之间的黄河河谷带状盆地（七里河断陷盆地）内,黄河由西向东穿城而过,南北狭窄而东西较长。河谷内分布不同厚度的卵石层,是以第四系冲洪积为主的堆积体。卵石母岩成份以石英岩、花岗岩等硬质岩为主,充填物以中粗砂为主。因其良好的工程力学性质,是建筑物可靠的基础持力层。在岩土工程勘察工作中,兰州城区卵石层地基承载力特征值 fak一般根据规范取350～800 kPa,黏聚力为零[1,2]。由于卵石的松散性,采取原状样品进行室内物理力学性质试验比较困难,其工程特性指标宜通过现场原位试验获得。本文在黄河右岸Ⅱ级阶地上选取西关十字、小西湖、西站和马滩4处试验场地进行卵石层的平板载荷试验、旁压试验、现场直接剪切试验,对兰州城区卵石物理力学性质进行研究,为工程建设及进一步的科研提供参考。图1为试验场地位置图。

1 物理性质

1.1 成份组成

兰州市城区卵石母岩成份以石英岩、花岗岩等硬质岩为主,充填物以中粗砂为主。颗粒磨圆度较好,以亚圆形为主,少量次棱角形。一般粒径30～90 mm,含漂石,最大粒径约450 mm。

图1 为试验场地位置图

1.2 密度

在西关十字、西站和马滩3处试验场地选取10个试验点,进行现场大体积密度试验。试验结果见表1。该层卵石含水量均值8.2%,湿密度均值2 350 kg/m3,干密度均值2 140 kg/m3。

1.3 颗粒级配

兰州城区卵石层以卵粒为骨架颗粒,骨架颗粒含量约占全重的60%～75%,充填物以砾粒及砂粒为主,约占24.4%,黏粒约占0.5%,呈中密～密实状态,级配不良。典型颗粒分析见表2。

2 抗剪强度

对不能取得原状土样的粗颗粒土及岩体,现场直接剪切试验,是目前技术条件下,能够比较准确地确定地基岩土抗剪强度指标的唯一手段[3]。因此,本次采用现场直接剪切实验来确定该层卵石的抗剪强度指标。现场直接剪切试验是对一组试体在不同垂直压应力作用下进行剪切的试验,目的是测定岩土抵抗剪切破坏的能力,为地基岩土的稳定计算分析提供抗剪强度参数。

表1 大体积密度和含水量试验结果表

2.1 试验方法

本次在西站、马滩、西关十字共完成了12组现场直接剪切试验,试验垂直加荷按4级施加,每级法向荷载条件下地基沉降达到相对稳定标准后开始施加水平荷载,测定水平荷载及相应位移量。试验时,水平加荷按预估最大剪力的8%～10%,分级施加。每15 min施加一级。施加剪力前、后,各测读一次位移读数。当达到剪力峰值、发生连续地剪切位移（即滑动破坏）,或出现剪力的残余值时,试验终止。

试样尺寸:0.6 m×0.6 m×0.3 m；剪切面积（法向应力面积）:0.36 m2。

2.2 试验结果分析

剪应力-剪切位移关系曲线见图2（由于篇幅限制,仅列出2#、5#及11#试验点关系曲线图）。

如图2、图4、图6可知,剪应力与剪切位移关系曲线大多为缓变型,无明显的直线段、屈服段、残余段及比例界限,说明兰州城区卵石发生剪切破坏后,在剪应力基本保持不变的情况下,试件以一定的位移速率沿剪切面滑移,为典型的塑性破坏,尚有一定的残余应力；由图3、图5、图7剪应力与法向应力关系图可知,同组试验不同法向压力对应的剪应力峰值点离散性较大,不具有规律性,说明兰州城区卵石的剪切破坏,应根据上部荷载的大小,选用合理的抗剪强度指标。

图2 2#试验点剪应力与剪切位移关系曲线

图3 2#试验点剪应力与法向应力关系图

表2 颗粒分析（筛分法）试验成果统计

图4 5#试验点剪应力与剪切位移关系曲线

图5 5#试验点剪应力与法向应力关系图

图6 11#试验点剪应力与剪切位移关系曲线

图7 11#试验点剪应力与法向应力关系图

本次试验所得抗剪强度指标统计结果见表3。统计结果表明,内摩擦角φ在33.3°～41.65°之间,标准值35.0°,与实际工程建设中取值基本一致。

表3 现场剪切试验测试结果统计表

一般认为卵石土黏聚力为零,而该层卵石土尚存在类似黏聚力的结构力,其大小在7.92～49.6 kPa之间,标准值14.8 kPa。陈希哲教授认为这是粗颗粒相互交错镶嵌形成的一种新的力,称之为咬合力[4]。

工程实践中也发现,该层卵石土自稳能力很好。该层卵石土之所以具有较强的自稳能力,是因为该层卵石土卵粒含量较大,且卵粒之间一般都相互接触、相互嵌固,卵石土骨架颗粒之间具有较高的咬合力。研究表明,作为骨架颗粒的卵粒决定着卵石土的抗剪强度,骨架颗粒粒径越大,咬合力明显增加。这种咬合力并不表现在相邻的卵石颗粒之间,甚至在1～2倍卵石粒径乃至更大的范围内都无法表现出来,而必须通过整体作用才能表现出来,只有通过现场直接剪切试验才能获得相关参数[5]（见表3）。

2.3 地基极限承载力特征值计算

通过上述试验所得的抗剪强度指标标准值,按照《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2011）计算地基承载力特征值fa。计算过程中b取3 m,d取20 m,基础底面上、下土的重度均取16.8 kN/m3,按下式计算地基极限承载力:

式中:Mc、Md、Mc为承载力系数,通过查表求得。按照上式计算所得地基极限承载力为2 930.8 kPa。

3 原位测试

3.1 浅层平板载荷试验

为确定兰州城区浅层卵石土承载力及变形模量等地基岩土力学参数,在兰州西站某工地,对该层卵石土进行了浅层平板载荷试验。

3.1.1 试验方法

试验采用分级维持荷载沉降相对稳定法（常规慢速法）,人工清除扰动层至原状卵石土层面,试压面用中粗砂找平。使用圆形刚性承压板,直径0.799 m,面积0.50 m2,试验最大加荷值5 400 kPa。

3.1.2 试验结果分析

由表4、图8可知,试验点p-s曲线呈缓变型,地基破坏形式为渐进破坏,无明显的线性段,即弹性变形范围很小,很快进入弹塑性变形阶段,随着荷载的增加p-s曲线呈曲线状。因p-s曲线无明显陡降段,试验点地基承载力按相对变形控制,地基极限承载力取s/d=0.06对应的荷载值,地基承载力特征值取s/d=0.01对应的荷载值。本次试验中1#、4#及5#地基变形达到规范规定的极限状态,其余试验点地基变形均未达到极限状态。通过上述静载试验,卵石土极限承载力fu最小值为5 047 kPa,地基承载力特征值fak均值为1 664 kPa。

表4 浅层平板载荷试验结果汇总表

图8 浅层平板载荷试验点p-s曲线

3.2 深层载荷试验

为确定深层卵石土承载力及变形模量等地基岩土力学参数,在兰州西站某工地内完成了3点卵石土层深层平板载荷试验。

3.2.1 试验方法

试验采用人工开挖试井,试井内径1.20 m,开挖至距离试验面1.00 m后,试井内径变为0.86 m。选用承压板面积0.50 m2和0.25 m2。

3.2.2 试验结果分析

由表5、图9可知,各试验点最大加荷值对应的沉降量在30.07～47.66 mm,p-s曲线为缓变型沉降曲线。因p-s曲线无明显陡降段,试验点地基承载力按相对变形控制,地基极限承载力fu取s/d=0.04对应的荷载值,地基承载力特征值fak取值按s/d=0.01确定。通过深层平板载荷试验所得该层卵石土极限承载力fu均值为4 495 kPa,地基承载力特征值fak均值为2 905 kPa。

表5 深层平板载荷试验结果汇总表

3.3 旁压试验

为确定深层卵石土承载力及压缩模量等地基岩土力学参数,在小西湖附近的友谊医院、西湖公园、市中级法院和工人文化宫内完成了8点卵石土层旁压试验。

3.3.1 试验方法

旁压试验包括预钻式、自钻式和压入式三种。本次采用预钻式旁压试验,即利用侧向膨胀的旁压器对钻孔侧壁施加横向均匀应力,使孔壁土体发生径向变形直至破坏,利用两侧装置测出施加的压力与相应的土体变形值,然后绘出应力-应变关系曲线,按照理论公式或有关的经验方法来确定地基土的承载力特征值、压缩模量（旁压模量）等有关设计参数[6]。

图9 深层平板载荷试验点p-s曲线

3.3.2 试验结果分析

根据旁压试验结果,经数理统计计算,将各试验深度卵石土的旁压模量、旁压剪切模量等试验参数列于表6,并依据临塑荷载公式计算地基承载力特征值,临塑值修正系数λ取1,计算结果见表6。

表6 旁压试验测试结果统计表

由表6计算结果可知,旁压试验所得旁压模量Em平均值为34.7 MPa,地基承载力特征值fak平均值为3 410 kPa。

由以上平板载荷试验及旁压试验可知,该层卵石土地基承载力特征值fak远高于目前工程建设中所采用的地基承载力特征值取值。分析主要原因为兰州城区卵石土层卵石颗粒之间的嵌固、咬合作用,致使卵石土层具有较强的自稳能力。这对以卵石土层作为基础持力层的工程建设相当有利。

3.4 试验结果对比

对以上浅层载荷试验、旁压试验所得地基承载力特征值及兰州地区地基承载力经验值,按照《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）相关条文进行深宽修正,将修正后的地基承载力特征值与深层平板载荷试验结果、抗剪强度指标理论计算结果进行对比,确定兰州城区卵石地基承载力特征值,为与土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值结果相对应,深度d取20 m,宽度b取3 m,基础底面以上土的加权平均重度取16.8 kN/m3,结果见表7。

表7 试验结果对比

由以上试验结果对比可见,根据抗剪强度指标计算所得地基极限承载力特征值与深层平板载荷试验结果、修正后的浅层平板载荷试验结果相差不大,均大于规范中提供的地基承载力特征值经验值,根据旁压试验结果所得地基承载力特征值修正后偏大。

综合分析:由于规范中认为卵石土黏聚力为零,而兰州城区卵石土层卵石颗粒之间存在咬合力,因此,规范提供的承载力特征值偏于保守；旁压试验计算地基承载力特征值,由于对卵石土临塑值修正系数λ的取值没有明确规定,其结果可能存在误差。所以,兰州城区卵石土地基承载力特征值应根据抗剪强度指标计算所得地基极限承载力特征值与深层平板载荷试验所得地基承载力特征值进行确定。

4 结论

（1）根据现场直接剪切试验成果,兰州城区卵石土内摩擦角φ在33.3°～41.65°,标准值35.0°,与实际工程建设中取值基本一致；该层卵石土整体上表现出一定的咬合力,咬合力在7.92～49.6 kPa之间,标准值14.8 kPa,自稳能力较强。

（2）原位试验结果表明,由于兰州城区卵石土存在不可忽略的咬合力,卵石土层地基承载力指标远大于目前已建（在建）工程所采用的地基承载力指标,对于今后该层卵石土的地基基础参数选取具有指导意义。

（3）兰州城区卵石土地基承载力特征值,应根据抗剪强度指标进行计算,或以深层平板载荷试验结果进行确定。

（4）针对兰州城区卵石土的工程性质,在实际岩土工作中合理利用其工程力学性质较高的事实,能够在保证工程安全的情况下很大程度上降低工程成本。

[1]工程地质手册编委会.工程地质手册（第四版）[M].北京:中国建筑工业出版社,2011.

[2]DB62/T 25-3036-2012,岩土工程勘察规范[S].

[3]王汝恒,贾彬,邓安福,等.砂卵石土动力特性的动三轴试验研究[J].岩石力学与工程学报,2006,28(2):4059-4064.

[4]陈希哲.粗粒土的强度与咬合力的试验研究 [J].工程力学, 1994,11(4):56-62.

[5]夏晓勇,谢涛.成都二元地层结构对建筑基坑工程的影响[J].四川建筑,2009,29(5):101-102.

[6]GB/T 50123-1999,土工试验方法与标准[S].

TU4

A

1009-7716（2017）07-0254-05

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.07.078

2017-03-06

鲁海涛(1968-),男,甘肃永登人,注册岩土工程师,高级工程师,主要从事岩土工程勘察、检测、监测等工作。