深埋粉质黏土层强度与变形参数试验研究

曹程明, 时轶磊, 龙照*, 孔维刚

(1.甘肃中建市政工程勘察设计研究院有限公司, 兰州 730000; 2.中国市政工程西北设计研究院有限公司, 兰州 730000)

随着中国城市化进程的不断加快,各大城市用地日益紧张,高层建筑发展迅速。目前高层建筑基础大多采用桩基础,且桩端持力层通常选择基岩层。目前对于压缩性小,承载力高的深埋粉质黏土层作为高层建筑持力层的建筑还鲜有报道。因此,如何得到深埋粉质黏土的强度参数,从而客观、真实地进行深埋粉质黏土层受力性能评价是一个亟待解决的工程问题。

目前,在岩土工程中常用的原位测试方法以及室内试验方法较多,但对于深部土层的测试均存在某方面的不足,如:现场载荷试验对于深埋土层几乎无法实施,物探方法只能用于定性评价,圆锥动力触探以及标准贯入试验又存在杆长修正以及能量传递不足的问题。旁压试验作为原位测试方法的一种,其测试深度大,精度高,适用范围广,近年来在工程中被广泛应用[1-2]。程永辉等[3]以砂土为研究对象,采用自主研制的物理模型试验系统,进行旁压试验,得出了临塑压力、旁压模量与上覆压力的相关关系。邓会元等[4]对深厚砂性土层进行了旁压试验,研究了砂性土对成桩质量的影响。张玉成等[5]在已有研究的基础上,采用旁压试验对沉降计算参数的非线性沉降计算方法进行了研究分析。苏辉等[6]建立了旁压试验弹塑性阶段曲线的椭圆方程,利用土体SMP屈服准则和Rowe流动法则,得出了土体塑性阶段应力增量与应变增量间关系矩阵。温勇等[7]利用原位旁压试验获取切线模量计算参数的方法,对粉细砂地基上不同压板尺寸载荷试験结果进行了验证。韩春鹏等[8]以粉质黏土为研究对象,对快速固结实验代替标准固结实验的可行性及其适用条件进行了研究分析。舒荣军等[9]针对典型的湛江黏土地层,进行了不同速率的应力控制自钻式旁压试验,研究分析了加载速率对湛江结构性黏土原位强度与刚度性质的影响。王壹敏等[10]基于邓肯-张模型对低液限粉质黏土-砂土地层的强度理论进行了研究分析。孟令帅等[11]以太原地区粉质黏土为研究对象,通过室内无侧限抗压强度试验,进行了不同饱和度土体的灵敏度测试。项龙江等[12]通过旁压试验与载荷试验对比,分析了泥质胶结的新近系红砂岩地基承载力,对红砂岩的承载力与变形特性进行了深入研究。在数值模拟方面,旁压试验的研究应用也已具有一定的研究成果。黄文雄等[13]对砂土初始应力状态和相对密度与旁压试验之间的关系进行了有限元模拟,得出旁压试验随竖向应力和相对密度增大而增大的规律。张亚飞等[14]利用PFC3D软件对不同固结荷载下自钻式旁压试验进行计算。卢真辉等[15]通过室内固结试验,研究了砂土材料在不同应力路径下的应力-应变、变形特性和强度特性。

由以上研究可知,旁压试验在实际工程应用较多,但大多是对于砂土层的试验研究,对于深埋粉质黏土层强度与变形的研究还鲜有报道。现以深埋粉质黏土层为研究对象,结合工程实例,采用室内高压固结试验与现场旁压试验相结合的方法,对深埋粉质黏土层的强度参数进行试验研究,得出深埋粉质黏土层压缩模量、地基承载力等参数,进而分析深埋粉质黏土层的力学性能,以期为工程应用提供一定的依据。

1 工程概况

乌鲁木齐市该项目工程为地上二十四层、地下三层的超高层建筑,结构类型为框架-核心筒形式,基础拟为桩筏基础。场地范围内地层结构较为复杂,自上而下由②层黄土状粉土、③层角砾、③-1层粉土、④层粉质黏土、④-1层圆砾、⑤层强风化基岩、⑥层中风化基岩构成。

2 旁压试验及结果分析

2.1 旁压试验基本原理

旁压试验是利用可侧向膨胀的旁压仪,通过对钻孔孔壁周围土体施加径向压力的原位测试方法。根据孔壁压力的变形量关系,计算地基土承载力、压缩模量等参数。旁压试验典型曲线如图1所示。

图1 典型旁压试验曲线Fig.1 Typical pessuremeter test curve

旁压模量计算公式为

(1)

旁压剪切模量计算公式为

(2)

E0=KEm

(3)

K=1+61.1m-1.5+0.006 5(V0-167.6)

(4)

(5)

(6)

《高层建筑岩土工程勘察标准》(JGJ 72—2017)(下文简称《高标》)和《地基旁压试验技术标准》(JGJ/T69—2019)(下文简称《地标》)中地基承载力特征值均按临塑荷载法和极限荷载法进行评价。

《高标》和《地标》中采用临塑压力法计算地基承载力特征值,计算公式为

fak=λ(Pf-P0)

(7)

《高标》中采用极限压力法计算地基承载力特征值,计算公式为

(8)

《地标》中采用极限压力法计算地基承载力特征值,计算公式为

(9)

(10)

式中:Sc为旁压器测量腔固有体积,用测管水位位移值表示,cm;S0用对应于P0值的测管水位位移值表示,cm;Sf用对应于Pf值的测管水位位移值表示,cm;ΔP为旁压试验曲线上直线段的压力增量,kPa;ΔS为相应于ΔP测管水位位移值增量,cm;μ为泊松比,取0.25;K为变形模量与旁压模量的比值;m为旁压模量与旁压试验静极限压力的比值;V0为对应于初始压力P0时的体积;β为变形模量与压缩模量的比值;λ为修正系数,结合地区经验取值。

当极限压力小于等于临塑压力2倍时,按式(9)确定,当极限压力大于临塑压力2倍时,按式(10)确定。试验结果均满足极限压力小于等于临塑压力的2倍,因此按式(10)进行计算。

2.2 旁压试验方案

旁压试验所用仪器为PM-2B型预钻式旁压仪其结构性形式为单腔式。主要参数为:旁压器总长度720 mm,测量腔长度360 mm,测量腔外径为88 mm,带胶膜外径为90 mm,带胶膜和铠甲外径为94 mm,增压缸有效面积为59.1 cm2,铠膜测量腔固有体积Vc(2 289.06 cm2)用测管水位位移值表示的Sc为38.73 cm,最大加压压力为5.5 MPa。旁压仪及现场试验如图2所示。试验共对P01～P06测试孔进行了不同深度粉质黏土天然状态下的旁压试验,各测试孔平面布置位置如图3所示。根据试验结果对粉质黏土层的地基承载力以及压缩模量进行了计算分析。

图2 现场旁压试验Fig.2 Field side pessuremeter test

图3 测试孔平面布置图Fig.3 Layout of test hole

2.3 地基承载力分析

按照《高层建筑岩土工程勘察标准》与《地基旁压试验技术标准》,根据现场旁压试验得到不同试验孔在不同深度处的临塑压力Pf与极限压力PL试验结果如表1所示。

表1 旁压试验成果及承载力计算表Table 1 Table of pessuremeter test results

根据表1可知,《高标》和《地标》按临塑压力确定的地基承载力特征值一般介于403～1 296 kPa,《高标》按极限压力确定的地基承载力特征值介于307～789 kPa,《地标》按极限压力确定的地基承载力特征值介于413～1 086 kPa。表明深埋粉质黏土层承载力高,工程性质好。根据试验得出的粉质黏土层承载力离散性大的主要原因为:该场地粉质黏土层局部夹薄层姜石、角砾、中粗砂等粗颗粒,夹层的存在导致粉质黏土结构性差异大。此外,该层属老黏性土,其压密性、胶结性、固结性都很好,且强度高,压缩性低,工程性能好,根据试验结果可作为桩端持力层。

地基承载力特征值是通过初始压力P0、临塑压力Pf和极限压力PL计算得到,然而土的天然强度是正常压密土层在上覆压力下固结完成后形成的强度。因此,在不同深度处得到的强度的变化反映了上覆土层的固结作用,强度的变化反映了上覆压力的影响,说明试验得到的不同深度位置的地基承载力受固结程度与覆土厚度等多方面因素影响。因此,不能将不同深度处的地基承载力特征值进行平均化处理,不能简单地计算平均值和标准差。对于这种参数,应统计参数与深度的回归关系,求得参数随深度变化的定量经验关系。按《高标》和《地标》临塑荷载法和极限荷载法计算的地基承载力特征值随深度变化的曲线如图4～图6所示。

图4 临塑压力地基承载力与深度变化图Fig.4 Diagram of bearing capacity and depth variation of press-plastic foundation

图5 极限压力地基承载力特征值与深度变化曲线(地基旁压试验技术标准)Fig.5 Diagram of bearing capacity and depth variation of extreme pressure foundation(technical standard for founding pressuremeter test)

图6 极限压力地基承载力特征值与深度变化曲线(高层建筑岩土工程勘察标准)Fig.6 Diagram of bearing capacity and depth variation of extreme pressure foundation(standard for geotechnical investigation of tall building)

由图4～图6可知,按《高标》和《地标》临塑荷载法和极限荷载法求得地基承载力特征值的计算结果区别主要为:临塑荷载法计算公式相同,极限荷载法计算公式不同,所得的地基承载力特征值也不相同。但计算结果随地层的增减趋势是相同的,这也说明不同测试位置的土体特性也相同。由于不同测试孔地层存在差异,每个测试孔揭露的夹层是不连续分布的,厚度也有差别,所以不同深度处的数值存在一定的差距,同时也证明了地基承载力特征值离散性较大。

2.4 地基压缩变形分析

通过旁压模量计算土的压缩模量,由于旁压模量是由旁压曲线上直线段的斜率所确定的,在均匀的土层中,旁压曲线直线段的斜率变化并不反映试验点深度的影响。因此,可以将该层粉质黏土视为均匀的地质单元,试验得到的旁压模量或压缩模量便可进行统计。这是因为既然划分了地质单元,就认为在一个地质单元中,土的性质是均匀的,在不同的深度、不同的平面位置做原位测试或者取土工试验得到的指标是可以统计其平均值和标准差。

根据旁压试验结果,按照《高标》,采用式(1)～式(6)得到不同测试孔不同深度处的粉质黏土在100～200 kPa压力段的压缩模量,并经统计分析得到不同测试孔压缩模量的平均值如表2所示。

表2 不同试验孔压缩模量平均值Table 2 Average compression modulus of different test

由表2可知,不同测试孔的压缩模量介于33.5～52.0 MPa,压缩模量相对较高,说明深层粉质黏土工程性质好。但不同测试孔压缩模量差异性较大,主要原因为该层粉质黏土不纯净,局部含有姜石、圆砾等粗颗粒,导致试验结果的离散性较大。

3 高压固结试验及结果分析

室内高压固结试验采用的是有侧限条件压缩,土体在受压情况下无侧限膨胀,得到不同压力下的孔隙比,不同压力段的压缩系数和压缩模量。根据粉质黏土层埋深及预估上部荷载,固结试验最大加载压力为1 600 kPa,高压固结试验如图7所示。根据试验结果得到粉质黏土层不同压力段的平均压缩系数曲线如图8所示,不同压力段的平均压缩模量曲线如图9所示。

图7 高压固结试验Fig.7 High pressure consolidation test

图8 不同压力段的平均压缩系数曲线Fig.8 Average compression coefficient curves of different pressure sections

图9 不同压力段平均压缩模量曲线Fig.9 Average compression modulus curves of different pressure sections

由图8、图9可知,该场地粉质黏土层在自重应力与附加应力作用下,天然状态的压缩系数约为0.03 MPa-1,饱和状态压缩系数约为0.04 MPa-1,天然状态压缩模量介于41.3～47.3 MPa,饱和状态压缩模量介于39.5～44.5 MPa,表明在各级压力下该深埋粉质黏土层均为低压缩性,在附加应力下变形量小,具有很好的工程特性。

在压力0～1 600 kPa,两种状态下,随着压力的增加,压缩性减小,且不同压力下的平均压缩曲线几乎重合,不同压力段的平均压缩系数曲线和平均压缩模量曲线也几乎重合,但天然状态的压缩模量比饱和状态的压缩模量稍大,说明该层粉质黏土自身其压密性、胶结性、固结性都很好,且强度高,压缩性低,工程性能好。

此外,从试验数据统计结果来看,不同压力段天然状态的压缩系数和压缩模量的变异系数介于0.30～0.44,饱和状态的压缩系数和压缩模量的变异系数介于0.30～0.41,变异性介于大到很大,这也表明该层粉质和土不纯净,导致离散性较大。

4 旁压试验与高压固结试验对比分析

室内高压固结试验得到的压缩模量是不同应力段的压缩模量,而旁压试验换算出的压缩模量是天然状态原始应力条件下的压缩模量。因此,在对比之前,应选择相应应力段的压缩模量进行二者的数值分析。

对于高压固结试验,总应力处于1 000～1 200 kPa和1 200～1 400 kPa两个应力段,相应天然状态的压缩模量为43.9 MPa和45.5 MPa,相差为1.6 MPa,变化甚小,可取二者的平均值44.7 MPa考虑。对于旁压试验,取相应试验位置的压缩模量为39.9 MPa。高压固结试验结果比旁压试验结果高约4.8 MPa。二者具有差异的主要原因为室内高压固结试验是土样在侧限压缩的条件下进行,且二者的测试土体尺寸差异很大,同时改变了土样原始的应力状态。总体来说,二者试验结果差异不大,说明试验结果具有一定的可靠性,可取现场旁压试验结果作为工程设计的依据。

5 结论

以深埋粉质黏土层为研究对象,分别采用旁压试验与高压固结试验对深埋粉质黏土的强度与变形参数进行了试验研究分析,得出以下结论。

(1)通过旁压试验与室内固结试验得出了深埋粉质黏土层的压缩模量、承载力变化与深度的关系,两种试验结果规律相同,表明试验结果的合理性与正确性,可作为工程设计的依据。

(2)试验结果表明,深埋粉质黏土具有承载力高、压缩性低、强度高、工程性能好的特点,在工程中可将其作为高层建筑桩基础的桩端持力层,利用其良好的工程特性,从而达到安全经济的目的。

(3)试验得出的旁压模量离散性较大,说明该层粉质黏土中局部夹有姜石、角砾等粗颗粒。此外旁压模量具有一定的深度效应,因此在进行试验数据分析中应剔除异常值,以便更加准确地反映土层的力学特性并保证工程的安全。