國(guó)外某高孔隙比地基土工程特性研究

張曉健

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

國(guó)外某高孔隙比地基土工程特性研究

張曉健

(中南電力設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430071)

國(guó)外某電廠分布有高孔隙比、高壓縮性粘性土，這類粘土雖然承載力較高，但在承受建筑物荷載時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大壓縮變形，從而影響上部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。本文通過(guò)對(duì)該工程地基土的巖土工程勘測(cè)研究分析，得出該高孔隙比粘土的巖土工程特性，雖其承載性能較好，但不能作為沉降敏感建筑物的天然淺基持力層。本文研究結(jié)論可以為該地區(qū)進(jìn)行其它工程建設(shè)提供參考。

孔隙比；壓縮性；變形；工程勘測(cè) 。

赤道幾內(nèi)亞首都馬拉博經(jīng)濟(jì)條件落后，基礎(chǔ)建設(shè)匱乏，當(dāng)?shù)亟ㄖ锖苌匍_(kāi)展巖土工程勘察工作，對(duì)區(qū)內(nèi)的地基土工程特性認(rèn)識(shí)也不足，工程建設(shè)多憑經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，因此往往存在較大的工程隱患。

本文從對(duì)該地區(qū)某發(fā)電廠工程項(xiàng)目的巖土工程勘測(cè)出發(fā)，揭示了該區(qū)地下覆蓋層存在高孔隙比、高含水率以及高壓縮性的粘性土，此類粘性土在承受荷載時(shí)，土體中的孔隙會(huì)被壓縮，從而易產(chǎn)生較大壓縮變形，不能滿足某些沉降敏感建筑物的變形要求。本文通過(guò)對(duì)其物理力學(xué)性質(zhì)的分析，并從地基承載力和變形兩方面開(kāi)展工作，得出此類土體不能作為沉降敏感建筑物的天然淺基持力層，同時(shí)為本項(xiàng)目提供了適宜的地基承載力建議值以及基礎(chǔ)型式，也為今后本地區(qū)開(kāi)展類似工作提供參考，積累工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

該工程廠址位于赤道幾內(nèi)亞共和國(guó)比奧科島之西北部，馬拉博Santa Isabel(圣伊莎貝爾)國(guó)際機(jī)場(chǎng)以北約0.7km，廠區(qū)北側(cè)及東側(cè)為馬拉博現(xiàn)有一級(jí)公路，與市區(qū)相距僅3km左右，交通條件便利。本期工程新建3臺(tái)燃?xì)鈾C(jī)組，單機(jī)容量為42MW，是滿足馬拉博城市供電需求的一項(xiàng)重要工程。

2 廠址環(huán)境及地質(zhì)條件

圖1 廠區(qū)典型工程地質(zhì)剖面圖

圖1中，②－1層、④層分別為坡洪積粘土和含碎石粘土，⑤層、⑥－2層為坡殘積碎石和粘土，⑨層為海相沉積粘土，⑩－1層為強(qiáng)風(fēng)化玄武巖。其中，②－1層、④層為廠區(qū)上部主要地基土層，在現(xiàn)場(chǎng)鉆探過(guò)程中取了一定數(shù)量的土樣進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，其主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 地基土物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)值

由表1中可以看出，雖然上部?jī)蓪拥鼗猎跔顟B(tài)上均為可塑狀態(tài)，且力學(xué)指標(biāo)也相對(duì)較好，但是由于其孔隙比非常大，均大于1，屬于高孔隙比地基土，且壓縮性也均為中等，在地基土承受上部荷載時(shí)，土中的孔隙會(huì)收到較大壓縮，從而產(chǎn)生較大的變形。而⑤層碎石雖然地基承載力較高，但其下分布較厚的高孔隙比可壓縮層(⑥－2層、⑨層)，因此在選擇基礎(chǔ)持力層時(shí)需要引起設(shè)計(jì)的足夠重視。以下將從地基承載力和變形兩方面對(duì)其巖土工程特性進(jìn)行分析，從而為最終選擇基礎(chǔ)型式提供依據(jù)。

3 地基土巖土工程特性分析

受各種因素及歷史條件制約，該區(qū)建筑物很少開(kāi)展巖土工程勘測(cè)工作，當(dāng)?shù)氐囊话憬ㄖ锞捎锰烊坏鼗５菍?duì)于發(fā)電廠來(lái)說(shuō)，主要建筑物對(duì)基礎(chǔ)沉降十分敏感。在廠區(qū)附近有一座已建成的升壓站，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，當(dāng)初未進(jìn)行巖土工程勘測(cè)工作，目前局部墻體已經(jīng)出現(xiàn)裂縫，初步分析是由于沉降不均勻所造成。本文將對(duì)該地段可能作為天然地基的②－1層和④層進(jìn)行分析研究，為便于敘述，以②－1層為例進(jìn)行地基承載力和變形分析。

3.1 天然地基承載力分析

如前所述，當(dāng)建筑物采用一般淺基礎(chǔ)型式，作為本區(qū)天然地基可選用的基礎(chǔ)持力層主要為②－1層粘土和④層含碎石粘土。通過(guò)室內(nèi)土工試驗(yàn)成果，分別采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007－2011)中的理論公式和Terzaghi(太沙基)極限承載力公式及原位測(cè)試(標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn))結(jié)果，依據(jù)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)這兩層地基巖土進(jìn)行地基承載力估算，最終提供較為合適的地基承載力特征值。

3.1.1 理論計(jì)算

假定基礎(chǔ)為無(wú)限延長(zhǎng)的條形基礎(chǔ)，埋深分別為1.0m、2.0m、3.0m，基礎(chǔ)寬度3.0m，并且認(rèn)為地基土有一定的塑性區(qū)開(kāi)展，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007－2011)，可求得地基土的承載力特征值為：

式中：fv為由土的抗剪強(qiáng)度確定的地基土承載力特征值(kPa)；γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度，地下水位以下取有效重度(kN/m3)；γm為基底以上土的加權(quán)平均重度；d為基底埋深(m)；b為基礎(chǔ)寬度(m)；ck為土的粘聚力(kPa)；Mb、Md、Mc無(wú)量綱承載力系數(shù)，可根據(jù)內(nèi)摩擦角計(jì)算或查表得出。利用表1中的數(shù)據(jù)可得其承載力系數(shù)分別為Mb=0.61，Md=3.44，Mc=6.04，將其值代入式(1)可得②－1層的地基承載力特征值為：

至此，通過(guò)對(duì)已完成項(xiàng)目進(jìn)行位置數(shù)據(jù)網(wǎng)格化處理與K-Means聚類算法分析，得到影響任務(wù)定價(jià)規(guī)律的Ri(任務(wù)i與其所屬區(qū)域中心點(diǎn)的距離)、qi(任務(wù)數(shù)量)、Qi(會(huì)員數(shù)量)、 (會(huì)員平均完成能力)四大因子，建立起定價(jià)規(guī)律影響的概念模型:

3.1.2 太沙基極限承載力公式

Terzaghi于1943年提出粘性土的極限承載力滿足如下關(guān)系式：

式中：Nc，Nd，Nb為承載力系數(shù)，可查表得出。

對(duì)于松軟土質(zhì)，地基破壞是局部剪切破壞，沉降較大，其極限荷載較小。太沙基建議采用較少的φ′，C′值代入公式計(jì)算極限荷載，即得：

根據(jù)②－1層參數(shù)同樣可得承載力系數(shù)為Nc=10.98，Nd=3.94，Nb=2.65。將其代入式(2)可得地基土的極限承載力分別為：

3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)確定地基承載力

國(guó)內(nèi)外經(jīng)過(guò)研究得出了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)與粘性土地基承載力之間的關(guān)系。Terzaghi認(rèn)為對(duì)于條形基礎(chǔ)，粘性土地基承載力特征值與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)之間存在如下關(guān)系：fk=12N，(式中N為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù))

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)該土層標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)統(tǒng)計(jì)值為13擊，計(jì)算可得②－1層地基土的承載力特征值為：fk=12×13=156kPa。

綜合以上分析，并考慮各種影響及安全因素，結(jié)合本地區(qū)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)，最終勘測(cè)報(bào)告提供②－1層地基土的承載力特征值建議值為130kPa。

3.2 天然地基變形分析

假定條形基礎(chǔ)位于②－1層內(nèi)，基礎(chǔ)埋深d＝3.0m，基礎(chǔ)長(zhǎng)寬比l/b＝5，②－1層平均厚度為5.0m。由于場(chǎng)區(qū)普遍存在中密～密實(shí)碎石層(圖1中的⑤層)，該層壓縮變形小，壓縮模量大，根據(jù)規(guī)范可將該層深度視作壓縮變形計(jì)算深度，本次勘探結(jié)果表明該深度約為10.0m。

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007－2011)中5.3.5可知，地基土的最終變形量可按下式計(jì)算：

式中：s為地基最終變形量(mm)；ψs為沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；n為計(jì)算深度內(nèi)劃分的土層數(shù)；P0為基礎(chǔ)底面附加壓力(kPa)；Esi為基礎(chǔ)底面以下第i層土的壓縮模量(MPa)；zi，zi－1為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i－1層土底面的距離m；i，i－1為平均附加應(yīng)力系數(shù)，可按規(guī)范查表求得。

為方便計(jì)算，本次假定基礎(chǔ)底面附加壓力為100kPa，土層數(shù)n=2 (②－1層及④層)，查表得基礎(chǔ)中心點(diǎn)下2.0m和7.0m(壓縮層底部距基礎(chǔ)底面距離)處地基土的平均附加應(yīng)力系數(shù)分別為α1=0.896，α2=0.552，分別將Es1=5.8MPa，Es2=5.5MPa代入公式(3)，取經(jīng)驗(yàn)系數(shù)ψs=1.12，可得地基土的最終沉降量s=77mm。

由此可以看出，該層在承受上部荷載時(shí)，產(chǎn)生的沉降量較大，當(dāng)基底壓力僅為100kPa時(shí)，沉降量已達(dá)近80mm。

4 基礎(chǔ)型式推薦

由上述計(jì)算可知，對(duì)于②－1層，雖然其地基承載力特征值較高，滿足一般情況下建筑物地基承載力的要求，但由于其具有高孔隙比、中等偏高壓縮性等性質(zhì)，在承受上部荷載時(shí)，土體產(chǎn)生的壓縮變形也較大，而上述的計(jì)算結(jié)果也驗(yàn)證了這一結(jié)論，對(duì)于發(fā)電廠這一類對(duì)沉降敏感的建筑物來(lái)說(shuō)，無(wú)疑不能滿足要求。因此巖土工程勘測(cè)報(bào)告中最終提出了“對(duì)于荷載較大或變形要求較高的建筑物，不能采用②－1層及④層作為天然地基持力層”的結(jié)論，從而對(duì)主要建筑物以及對(duì)沉降敏感的附屬建筑物，最終都推薦采用了樁基礎(chǔ)。

該工程項(xiàng)目已于2011年竣工，到目前為止已安全運(yùn)行兩年，尚未出現(xiàn)因地基土原因而造成的不利影響。而該電廠附近的一個(gè)升壓站，因工程建設(shè)中沒(méi)有做詳細(xì)巖土工程勘測(cè)，建筑物墻體已出現(xiàn)裂縫，說(shuō)明本文的研究結(jié)論正確，地基基礎(chǔ)型式推薦合理。

5 結(jié)論

本地區(qū)以往工程建設(shè)時(shí)建筑物很少開(kāi)展巖土工程勘察工作，對(duì)區(qū)內(nèi)地基土的工程特性認(rèn)識(shí)不足。本文通過(guò)對(duì)該地區(qū)某發(fā)電廠工程的巖土工程勘察，得出如下結(jié)論：

(1) 該區(qū)存在高孔隙比、高含水率以及中等偏高壓縮性地基土，此類土體在承受上部荷載時(shí)，孔隙會(huì)被壓縮，土中所含水體會(huì)被排出，產(chǎn)生較大變形；

(2) 通過(guò)多種計(jì)算方法，得出本區(qū)典型地層較為合理的地基承載力特征值，且當(dāng)以②－1層作為天然淺基礎(chǔ)持力層時(shí)，發(fā)電廠建筑物的基礎(chǔ)沉降量較大，不能滿足建筑物對(duì)變形的要求；

(3) 綜合以上計(jì)算結(jié)果以及工程經(jīng)驗(yàn)，推薦發(fā)電廠主要建筑物以及沉降敏感的附屬建筑物基礎(chǔ)型式采用樁基。從竣工后的效果以及和當(dāng)?shù)匾延薪ㄖ飳?duì)比，結(jié)論較為合理；

(4) 本次勘察的成果可以為該地區(qū)今后開(kāi)展類似工作提供參考。

[1]GB50007－2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．

[2]高大釗．土力學(xué)與基礎(chǔ)工程[M]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1998．

[3]編寫組．工程地質(zhì)手冊(cè)(第四版)[K]．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2007．

Research on Civil Engineering Characteristic of High Hole Ratio Foundation in Overseas

ZHANG Xiao-jian
(Central Southern China Electric Power Design Institute, Wuhan 430071, China)

The clay with high void ratio is founded in the site, although its bearing capacity is good, the deformation under the building load is still large because of its high void ratio. In this paper, characteristics of such kind of clay are studied through the geotechnical investigation. The result shows that this type of clay may cause large deformation, it can not be regarded as the bearing stratum to the building which is sensible to the settlement. The conclusion in this paper can be used for references to other engineering.

void ratio; compressibility; deformation; geotechnical investigation.

P642

B

1671-9913(2014)03-0019-04

10.13500/j.cnki.11-4908/tk.2014.03.004

2013-04-18

張曉健(1979- )，男，江蘇丹陽(yáng)人，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程勘測(cè)設(shè)計(jì)工作。