毛乌素沙漠地区砂层天然地基承载力试验研究

雷醒民，姜海波

（中煤西安设计工程有限责任公司，西安710054）

1 引言

在毛乌素沙漠地区，人们对风积沙地层的认识不够深入，对于荷载大、变形要求高的建筑物，通常采用桩基础或复合地基。然而，此类建筑物基础埋置较深，选择合适的基础形式、对承载力值进行修正计算后，完全有采用天然地基的可能。中煤陕西公司某项目位于榆林市横山区，场地内煤储运系统原煤仓由3 个直径34.0 m、高度73.5 m 的圆形筒仓构成。

在榆横地区广泛分布有第四系上更新统冲湖积层粉细砂，该地区是地质性质直接决定了上部建筑物的基础形式，并且与工程投资紧密相连。

一般勘察报告对此层土的承载力评价值都在150~200 kPa，只有荷载低于200 kPa 的小型建筑物才能使用天然地基，荷载大于200 kPa 的建筑物地基多数需要进行地基处理[1]。在岩土工程勘察现场工作期间发现：该项目原煤仓3 个筒仓基础直接持力层均为第四系上更新统冲湖积层粉细砂，该层粉细砂在场地内分布均匀、层厚较大、层位稳定、地层平缓、分布连续，为密实状态，考虑深宽修正和下覆地层情况，有做天然地基的可能性。随后，调遣静力触探设备进行现场静力触探，其静力触探锥尖阻力亦可达20 MPa 以上，根据《工程地质手册》（第四版）[2]计算可得该土层的承载力特征值可达400 kPa，对比经验值（150~200 kPa）高出1 倍以上。最后，在场地补充进行了浅层平板静力载荷试验。结果证明，该层粉细砂的承载力特征值可达500 kPa。通过以上测试方法表明，该土层具有较力学性能，具备作为高、重、大原煤仓天然地基方案基础持力层的条件。

2 场地工程地质条件

根据工程地质测绘及钻孔揭露情况，场地地层由新到老依次为第四系全新统人工填土（Q4ml）、风积（Q4eol）粉细砂、第四系上更新统冲湖积（Q3l）粉细砂及粉土、侏罗系砂、泥岩互层（J）。

3 天然地基承载力试验

在现场勘探过程中发现，原煤仓地基持力层以及下卧层强度远比常用值高，若能够确定基础形式和埋置深度，原煤仓采用天然地基的可能性非常大，但是在该地区的工程建设尚未有过如此大胆的做法。

在此之前，对其工程性质的认识还停留在利用标准贯入试验确定其密实度、查承载力的阶段，显然方法过于单一。为了进一步论证天然地基的可行性，在勘察过程中采用了原位载荷试验、静力触探试验、标准贯入试验等勘探与试验结合的方法对地基土的物理、力学指标进行深入的研究。通过大量现场试验和计算分析后，提出了采用天然地基的方案，并依据此编制了详细的勘察方案。

4 天然地基可行性分析

原煤仓基础埋深6.00 m，采用圆形筏板基础，设计荷载标准值为630 kPa。按基础埋深条件，原煤仓地基直接持力层为③粉细砂层，层位稳定，地层平缓，分布连续，起伏不大。地基承载力特征值fak综合评价为400 kPa，压缩模量Es=28.0 MPa，变形模量E0=36.0 MPa，静力触探试验结果也表明此层有较高的力学强度和较低的变形性状，且第一下卧层为④粉细砂层，厚度为8.50~13.30 m，层位稳定，地层平缓，分布连续，起伏不大，其力学性质较③粉细砂层更好。仅在第三个仓的东北角有厚2.40 m 的④-1 粉土层，呈透镜状分布；下部⑤层、⑥层层位稳定，地层平缓，分布连续，起伏不大。纵向上看，地基土层分布连续、有序，层位稳定，无软弱地层。总之，从原煤仓地基土层的纵向和横向结构来看，③层粉细砂有用作天然地基的可能。

4.1 地基的均匀性评价

为了进一步验证原煤仓天然地基的可行性，对地基的均匀性进行了计算分析。根据JGJ 72—2017《高层建筑岩土工程勘察标准》（以下简称《勘察标准》）第8.2.3 条对原煤仓地基变形深度范围内各土层的压缩模量当量值计算可得，压缩模量当量平均值为20.40，当量模量最大值与当量模量最小值的比值，即Esmax/Esmin=1.063，小于地基不均匀系数界限值K（依据《勘察标准》，K 取2.5），说明原煤仓地基属于均匀地基，也有用作天然地基的可能。

4.2 持力层地基承载力验算

依据GB 50007—2011《建筑地基基础设计及规范》（以下简称《地基规范》）给定公式（5.2.4），考虑基础埋深和基础宽度等条件，修正后的承载力特征值fa是762 kPa，大于设计标准荷载，基础底面处的平均压力值pk＜fa，轴心荷载作用时，地基承载力满足设计荷载要求。

4.3 下卧层承载力验算

场地内④粉细砂层和⑤粉土层，根据《地基规范》第5.2.7条，当地基受力范围内有软弱下卧层时，应进行软弱下卧层承载力验算。经计算，③粉细砂层与④粉细砂层的上层土压缩模量与下层土压缩模量之比，即Es1/Es2=0.93，地基土层③层粉细砂与⑤粉土层的Es1/Es2=1.4，均小于3，按《地基规范》表5.2.7，基底压力扩散角应取0，由于④粉细砂层和⑤粉土层的承载力特征值均达280 kPa，且⑤粉土层顶距基底约17.5 m，不属于软弱层，无须进行软弱下卧层承载力验算[3]。

针对④-1 粉土夹层，为便于计算，将原煤仓圆形基础等面积代换为正方形基础，边长32.78 m。

根据《地基规范》给定公式（5.2.7-1），对④-1 粉土夹层进行验算，有：

式中，pz相当于作用的标准组合时，为软弱下卧层顶面处的附加压力值，kPa；pcz为软弱下卧层顶面处土的自重压力值，kPa；faz为软弱下卧层顶面出经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。即地基下卧层④-1 粉土层的验算满足要求。

4.4 变形分析

原煤仓采用天然地基的变形计算，主要针对其结构特点，计算地基的沉降量、差异沉降量和倾斜值。地基变形计算主要采用2 种方法：方法1 是根据《勘察规程》相关公式计算；方法2 是根据《地基规范》相关公式计算。

4.4.1 地基沉降量计算

计算时，在每个原煤仓基础下选取一个具代表性的钻孔，原煤仓基础为圆形基础，计算深度至粉细砂底部，满足地基变形计算深度要求，计算结果如表1 所示。

表1 原煤仓总沉降计算表

从表1 可知，原煤仓采用天然地基后的总沉降量，方法1计算地基总沉降量介于51.50~59.35 mm，而方法2 计算地基总沉降量介于88.07~97.26 mm，煤仓2 的沉降相对较大，均满足《地基规范》的要求。

4.4.2 差异沉降及倾斜计算

差异沉降分析：为预估每个原煤仓的角点沉降量，将原煤仓圆形基础等面积代换为正方形基础，对煤仓每个角点进行沉降量计算，计算深度至粉细砂底部，满足地基变形计算深度要求。

倾斜分析：依据原煤仓角点沉降计算结果进行基础倾斜计算，原煤仓倾斜值介于0.000 5~0.002 4，均小于0.005，满足《地基规范》的要求。

5 变形监测分析

为了充分验证原煤仓天然地基的可行性，在仓周边共布置了10 个测斜孔，对施工及运营期间的地基变形进行了长期监测，对监测数据进行整理分析可知，测斜管最大水平位移为70.7 mm，最大沉降为43 mm，均在规范允许范围之内。

6 结论

综上所述，本文根据相关规范，对毛乌素沙漠地区风积沙和下部湖积粉细砂的承载力指标进行分析，得出以下结论：

1）通过对不同方法得出的原煤仓地基土的承载力值进行综合分析，得出毛乌素沙漠地区风积沙和下部湖积粉细砂的承载力指标，比该地区经验指标显著提高；

2）原煤仓设计采用天然地基，在施工及运营期间对仓体的水平和竖向位移进行了长期监测，截至2015 年年底，地基变形值与理论计算基本一致，实践证明，采用天然地基是可靠的；

3）本次研究成果成功论证了大型煤仓采用天然地基方案的可行性及其适用性，揭示了榆横地区第四系湖积粉细砂砂层地基承载能力可达到500 kPa，可以作为大型建筑的天然地基。