深埋粉質(zhì)黏土層強(qiáng)度與變形參數(shù)試驗(yàn)研究

曹程明, 時(shí)軼磊, 龍照*, 孔維剛

(1.甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 蘭州 730000; 2.中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司, 蘭州 730000)

隨著中國城市化進(jìn)程的不斷加快,各大城市用地日益緊張,高層建筑發(fā)展迅速。目前高層建筑基礎(chǔ)大多采用樁基礎(chǔ),且樁端持力層通常選擇基巖層。目前對(duì)于壓縮性小,承載力高的深埋粉質(zhì)黏土層作為高層建筑持力層的建筑還鮮有報(bào)道。因此,如何得到深埋粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度參數(shù),從而客觀、真實(shí)地進(jìn)行深埋粉質(zhì)黏土層受力性能評(píng)價(jià)是一個(gè)亟待解決的工程問題。

目前,在巖土工程中常用的原位測(cè)試方法以及室內(nèi)試驗(yàn)方法較多,但對(duì)于深部土層的測(cè)試均存在某方面的不足,如:現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)對(duì)于深埋土層幾乎無法實(shí)施,物探方法只能用于定性評(píng)價(jià),圓錐動(dòng)力觸探以及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)又存在桿長修正以及能量傳遞不足的問題。旁壓試驗(yàn)作為原位測(cè)試方法的一種,其測(cè)試深度大,精度高,適用范圍廣,近年來在工程中被廣泛應(yīng)用[1-2]。程永輝等[3]以砂土為研究對(duì)象,采用自主研制的物理模型試驗(yàn)系統(tǒng),進(jìn)行旁壓試驗(yàn),得出了臨塑壓力、旁壓模量與上覆壓力的相關(guān)關(guān)系。鄧會(huì)元等[4]對(duì)深厚砂性土層進(jìn)行了旁壓試驗(yàn),研究了砂性土對(duì)成樁質(zhì)量的影響。張玉成等[5]在已有研究的基礎(chǔ)上,采用旁壓試驗(yàn)對(duì)沉降計(jì)算參數(shù)的非線性沉降計(jì)算方法進(jìn)行了研究分析。蘇輝等[6]建立了旁壓試驗(yàn)彈塑性階段曲線的橢圓方程,利用土體SMP屈服準(zhǔn)則和Rowe流動(dòng)法則,得出了土體塑性階段應(yīng)力增量與應(yīng)變?cè)隽块g關(guān)系矩陣。溫勇等[7]利用原位旁壓試驗(yàn)獲取切線模量計(jì)算參數(shù)的方法,對(duì)粉細(xì)砂地基上不同壓板尺寸載荷試験結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。韓春鵬等[8]以粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象,對(duì)快速固結(jié)實(shí)驗(yàn)代替標(biāo)準(zhǔn)固結(jié)實(shí)驗(yàn)的可行性及其適用條件進(jìn)行了研究分析。舒榮軍等[9]針對(duì)典型的湛江黏土地層,進(jìn)行了不同速率的應(yīng)力控制自鉆式旁壓試驗(yàn),研究分析了加載速率對(duì)湛江結(jié)構(gòu)性黏土原位強(qiáng)度與剛度性質(zhì)的影響。王壹敏等[10]基于鄧肯-張模型對(duì)低液限粉質(zhì)黏土-砂土地層的強(qiáng)度理論進(jìn)行了研究分析。孟令帥等[11]以太原地區(qū)粉質(zhì)黏土為研究對(duì)象,通過室內(nèi)無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn),進(jìn)行了不同飽和度土體的靈敏度測(cè)試。項(xiàng)龍江等[12]通過旁壓試驗(yàn)與載荷試驗(yàn)對(duì)比,分析了泥質(zhì)膠結(jié)的新近系紅砂巖地基承載力,對(duì)紅砂巖的承載力與變形特性進(jìn)行了深入研究。在數(shù)值模擬方面,旁壓試驗(yàn)的研究應(yīng)用也已具有一定的研究成果。黃文雄等[13]對(duì)砂土初始應(yīng)力狀態(tài)和相對(duì)密度與旁壓試驗(yàn)之間的關(guān)系進(jìn)行了有限元模擬,得出旁壓試驗(yàn)隨豎向應(yīng)力和相對(duì)密度增大而增大的規(guī)律。張亞飛等[14]利用PFC3D軟件對(duì)不同固結(jié)荷載下自鉆式旁壓試驗(yàn)進(jìn)行計(jì)算。盧真輝等[15]通過室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn),研究了砂土材料在不同應(yīng)力路徑下的應(yīng)力-應(yīng)變、變形特性和強(qiáng)度特性。

由以上研究可知,旁壓試驗(yàn)在實(shí)際工程應(yīng)用較多,但大多是對(duì)于砂土層的試驗(yàn)研究,對(duì)于深埋粉質(zhì)黏土層強(qiáng)度與變形的研究還鮮有報(bào)道?，F(xiàn)以深埋粉質(zhì)黏土層為研究對(duì)象,結(jié)合工程實(shí)例,采用室內(nèi)高壓固結(jié)試驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)深埋粉質(zhì)黏土層的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究,得出深埋粉質(zhì)黏土層壓縮模量、地基承載力等參數(shù),進(jìn)而分析深埋粉質(zhì)黏土層的力學(xué)性能,以期為工程應(yīng)用提供一定的依據(jù)。

1 工程概況

烏魯木齊市該項(xiàng)目工程為地上二十四層、地下三層的超高層建筑,結(jié)構(gòu)類型為框架-核心筒形式,基礎(chǔ)擬為樁筏基礎(chǔ)。場(chǎng)地范圍內(nèi)地層結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,自上而下由②層黃土狀粉土、③層角礫、③-1層粉土、④層粉質(zhì)黏土、④-1層圓礫、⑤層強(qiáng)風(fēng)化基巖、⑥層中風(fēng)化基巖構(gòu)成。

2 旁壓試驗(yàn)及結(jié)果分析

2.1 旁壓試驗(yàn)基本原理

旁壓試驗(yàn)是利用可側(cè)向膨脹的旁壓儀,通過對(duì)鉆孔孔壁周圍土體施加徑向壓力的原位測(cè)試方法。根據(jù)孔壁壓力的變形量關(guān)系,計(jì)算地基土承載力、壓縮模量等參數(shù)。旁壓試驗(yàn)典型曲線如圖1所示。

圖1 典型旁壓試驗(yàn)曲線Fig.1 Typical pessuremeter test curve

旁壓模量計(jì)算公式為

(1)

旁壓剪切模量計(jì)算公式為

(2)

E0=KEm

(3)

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

(4)

(5)

(6)

《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ 72—2017)(下文簡稱《高標(biāo)》)和《地基旁壓試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T69—2019)(下文簡稱《地標(biāo)》)中地基承載力特征值均按臨塑荷載法和極限荷載法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

《高標(biāo)》和《地標(biāo)》中采用臨塑壓力法計(jì)算地基承載力特征值,計(jì)算公式為

fak=λ(Pf-P0)

(7)

《高標(biāo)》中采用極限壓力法計(jì)算地基承載力特征值,計(jì)算公式為

(8)

《地標(biāo)》中采用極限壓力法計(jì)算地基承載力特征值,計(jì)算公式為

(9)

(10)

式中:Sc為旁壓器測(cè)量腔固有體積,用測(cè)管水位位移值表示,cm;S0用對(duì)應(yīng)于P0值的測(cè)管水位位移值表示,cm;Sf用對(duì)應(yīng)于Pf值的測(cè)管水位位移值表示,cm;ΔP為旁壓試驗(yàn)曲線上直線段的壓力增量,kPa;ΔS為相應(yīng)于ΔP測(cè)管水位位移值增量,cm;μ為泊松比,取0.25;K為變形模量與旁壓模量的比值;m為旁壓模量與旁壓試驗(yàn)靜極限壓力的比值;V0為對(duì)應(yīng)于初始?jí)毫0時(shí)的體積;β為變形模量與壓縮模量的比值;λ為修正系數(shù),結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值。

當(dāng)極限壓力小于等于臨塑壓力2倍時(shí),按式(9)確定,當(dāng)極限壓力大于臨塑壓力2倍時(shí),按式(10)確定。試驗(yàn)結(jié)果均滿足極限壓力小于等于臨塑壓力的2倍,因此按式(10)進(jìn)行計(jì)算。

2.2 旁壓試驗(yàn)方案

旁壓試驗(yàn)所用儀器為PM-2B型預(yù)鉆式旁壓儀其結(jié)構(gòu)性形式為單腔式。主要參數(shù)為:旁壓器總長度720 mm,測(cè)量腔長度360 mm,測(cè)量腔外徑為88 mm,帶膠膜外徑為90 mm,帶膠膜和鎧甲外徑為94 mm,增壓缸有效面積為59.1 cm2,鎧膜測(cè)量腔固有體積Vc(2 289.06 cm2)用測(cè)管水位位移值表示的Sc為38.73 cm,最大加壓壓力為5.5 MPa。旁壓儀及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖2所示。試驗(yàn)共對(duì)P01～P06測(cè)試孔進(jìn)行了不同深度粉質(zhì)黏土天然狀態(tài)下的旁壓試驗(yàn),各測(cè)試孔平面布置位置如圖3所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)粉質(zhì)黏土層的地基承載力以及壓縮模量進(jìn)行了計(jì)算分析。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)Fig.2 Field side pessuremeter test

圖3 測(cè)試孔平面布置圖Fig.3 Layout of test hole

2.3 地基承載力分析

按照《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》與《地基旁壓試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)得到不同試驗(yàn)孔在不同深度處的臨塑壓力Pf與極限壓力PL試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 旁壓試驗(yàn)成果及承載力計(jì)算表Table 1 Table of pessuremeter test results

根據(jù)表1可知,《高標(biāo)》和《地標(biāo)》按臨塑壓力確定的地基承載力特征值一般介于403～1 296 kPa,《高標(biāo)》按極限壓力確定的地基承載力特征值介于307～789 kPa,《地標(biāo)》按極限壓力確定的地基承載力特征值介于413～1 086 kPa。表明深埋粉質(zhì)黏土層承載力高,工程性質(zhì)好。根據(jù)試驗(yàn)得出的粉質(zhì)黏土層承載力離散性大的主要原因?yàn)?該場(chǎng)地粉質(zhì)黏土層局部夾薄層姜石、角礫、中粗砂等粗顆粒,夾層的存在導(dǎo)致粉質(zhì)黏土結(jié)構(gòu)性差異大。此外,該層屬老黏性土,其壓密性、膠結(jié)性、固結(jié)性都很好,且強(qiáng)度高,壓縮性低,工程性能好,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可作為樁端持力層。

地基承載力特征值是通過初始?jí)毫0、臨塑壓力Pf和極限壓力PL計(jì)算得到,然而土的天然強(qiáng)度是正常壓密土層在上覆壓力下固結(jié)完成后形成的強(qiáng)度。因此,在不同深度處得到的強(qiáng)度的變化反映了上覆土層的固結(jié)作用,強(qiáng)度的變化反映了上覆壓力的影響,說明試驗(yàn)得到的不同深度位置的地基承載力受固結(jié)程度與覆土厚度等多方面因素影響。因此,不能將不同深度處的地基承載力特征值進(jìn)行平均化處理,不能簡單地計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。對(duì)于這種參數(shù),應(yīng)統(tǒng)計(jì)參數(shù)與深度的回歸關(guān)系,求得參數(shù)隨深度變化的定量經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。按《高標(biāo)》和《地標(biāo)》臨塑荷載法和極限荷載法計(jì)算的地基承載力特征值隨深度變化的曲線如圖4～圖6所示。

圖4 臨塑壓力地基承載力與深度變化圖Fig.4 Diagram of bearing capacity and depth variation of press-plastic foundation

圖5 極限壓力地基承載力特征值與深度變化曲線(地基旁壓試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn))Fig.5 Diagram of bearing capacity and depth variation of extreme pressure foundation(technical standard for founding pressuremeter test)

圖6 極限壓力地基承載力特征值與深度變化曲線(高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn))Fig.6 Diagram of bearing capacity and depth variation of extreme pressure foundation(standard for geotechnical investigation of tall building)

由圖4～圖6可知,按《高標(biāo)》和《地標(biāo)》臨塑荷載法和極限荷載法求得地基承載力特征值的計(jì)算結(jié)果區(qū)別主要為:臨塑荷載法計(jì)算公式相同,極限荷載法計(jì)算公式不同,所得的地基承載力特征值也不相同。但計(jì)算結(jié)果隨地層的增減趨勢(shì)是相同的,這也說明不同測(cè)試位置的土體特性也相同。由于不同測(cè)試孔地層存在差異,每個(gè)測(cè)試孔揭露的夾層是不連續(xù)分布的,厚度也有差別,所以不同深度處的數(shù)值存在一定的差距,同時(shí)也證明了地基承載力特征值離散性較大。

2.4 地基壓縮變形分析

通過旁壓模量計(jì)算土的壓縮模量,由于旁壓模量是由旁壓曲線上直線段的斜率所確定的,在均勻的土層中,旁壓曲線直線段的斜率變化并不反映試驗(yàn)點(diǎn)深度的影響。因此,可以將該層粉質(zhì)黏土視為均勻的地質(zhì)單元,試驗(yàn)得到的旁壓模量或壓縮模量便可進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。這是因?yàn)榧热粍澐至说刭|(zhì)單元,就認(rèn)為在一個(gè)地質(zhì)單元中,土的性質(zhì)是均勻的,在不同的深度、不同的平面位置做原位測(cè)試或者取土工試驗(yàn)得到的指標(biāo)是可以統(tǒng)計(jì)其平均值和標(biāo)準(zhǔn)差。

根據(jù)旁壓試驗(yàn)結(jié)果,按照《高標(biāo)》,采用式(1)～式(6)得到不同測(cè)試孔不同深度處的粉質(zhì)黏土在100～200 kPa壓力段的壓縮模量,并經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析得到不同測(cè)試孔壓縮模量的平均值如表2所示。

表2 不同試驗(yàn)孔壓縮模量平均值Table 2 Average compression modulus of different test

由表2可知,不同測(cè)試孔的壓縮模量介于33.5～52.0 MPa,壓縮模量相對(duì)較高,說明深層粉質(zhì)黏土工程性質(zhì)好。但不同測(cè)試孔壓縮模量差異性較大,主要原因?yàn)樵搶臃圪|(zhì)黏土不純凈,局部含有姜石、圓礫等粗顆粒,導(dǎo)致試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大。

3 高壓固結(jié)試驗(yàn)及結(jié)果分析

室內(nèi)高壓固結(jié)試驗(yàn)采用的是有側(cè)限條件壓縮,土體在受壓情況下無側(cè)限膨脹,得到不同壓力下的孔隙比,不同壓力段的壓縮系數(shù)和壓縮模量。根據(jù)粉質(zhì)黏土層埋深及預(yù)估上部荷載,固結(jié)試驗(yàn)最大加載壓力為1 600 kPa,高壓固結(jié)試驗(yàn)如圖7所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果得到粉質(zhì)黏土層不同壓力段的平均壓縮系數(shù)曲線如圖8所示,不同壓力段的平均壓縮模量曲線如圖9所示。

圖7 高壓固結(jié)試驗(yàn)Fig.7 High pressure consolidation test

圖8 不同壓力段的平均壓縮系數(shù)曲線Fig.8 Average compression coefficient curves of different pressure sections

圖9 不同壓力段平均壓縮模量曲線Fig.9 Average compression modulus curves of different pressure sections

由圖8、圖9可知,該場(chǎng)地粉質(zhì)黏土層在自重應(yīng)力與附加應(yīng)力作用下,天然狀態(tài)的壓縮系數(shù)約為0.03 MPa-1,飽和狀態(tài)壓縮系數(shù)約為0.04 MPa-1,天然狀態(tài)壓縮模量介于41.3～47.3 MPa,飽和狀態(tài)壓縮模量介于39.5～44.5 MPa,表明在各級(jí)壓力下該深埋粉質(zhì)黏土層均為低壓縮性,在附加應(yīng)力下變形量小,具有很好的工程特性。

在壓力0～1 600 kPa,兩種狀態(tài)下,隨著壓力的增加,壓縮性減小,且不同壓力下的平均壓縮曲線幾乎重合,不同壓力段的平均壓縮系數(shù)曲線和平均壓縮模量曲線也幾乎重合,但天然狀態(tài)的壓縮模量比飽和狀態(tài)的壓縮模量稍大,說明該層粉質(zhì)黏土自身其壓密性、膠結(jié)性、固結(jié)性都很好,且強(qiáng)度高,壓縮性低,工程性能好。

此外,從試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看,不同壓力段天然狀態(tài)的壓縮系數(shù)和壓縮模量的變異系數(shù)介于0.30～0.44,飽和狀態(tài)的壓縮系數(shù)和壓縮模量的變異系數(shù)介于0.30～0.41,變異性介于大到很大,這也表明該層粉質(zhì)和土不純凈,導(dǎo)致離散性較大。

4 旁壓試驗(yàn)與高壓固結(jié)試驗(yàn)對(duì)比分析

室內(nèi)高壓固結(jié)試驗(yàn)得到的壓縮模量是不同應(yīng)力段的壓縮模量,而旁壓試驗(yàn)換算出的壓縮模量是天然狀態(tài)原始應(yīng)力條件下的壓縮模量。因此,在對(duì)比之前,應(yīng)選擇相應(yīng)應(yīng)力段的壓縮模量進(jìn)行二者的數(shù)值分析。

對(duì)于高壓固結(jié)試驗(yàn),總應(yīng)力處于1 000～1 200 kPa和1 200～1 400 kPa兩個(gè)應(yīng)力段,相應(yīng)天然狀態(tài)的壓縮模量為43.9 MPa和45.5 MPa,相差為1.6 MPa,變化甚小,可取二者的平均值44.7 MPa考慮。對(duì)于旁壓試驗(yàn),取相應(yīng)試驗(yàn)位置的壓縮模量為39.9 MPa。高壓固結(jié)試驗(yàn)結(jié)果比旁壓試驗(yàn)結(jié)果高約4.8 MPa。二者具有差異的主要原因?yàn)槭覂?nèi)高壓固結(jié)試驗(yàn)是土樣在側(cè)限壓縮的條件下進(jìn)行,且二者的測(cè)試土體尺寸差異很大,同時(shí)改變了土樣原始的應(yīng)力狀態(tài)?？傮w來說,二者試驗(yàn)結(jié)果差異不大,說明試驗(yàn)結(jié)果具有一定的可靠性,可取現(xiàn)場(chǎng)旁壓試驗(yàn)結(jié)果作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

5 結(jié)論

以深埋粉質(zhì)黏土層為研究對(duì)象,分別采用旁壓試驗(yàn)與高壓固結(jié)試驗(yàn)對(duì)深埋粉質(zhì)黏土的強(qiáng)度與變形參數(shù)進(jìn)行了試驗(yàn)研究分析,得出以下結(jié)論。

(1)通過旁壓試驗(yàn)與室內(nèi)固結(jié)試驗(yàn)得出了深埋粉質(zhì)黏土層的壓縮模量、承載力變化與深度的關(guān)系,兩種試驗(yàn)結(jié)果規(guī)律相同,表明試驗(yàn)結(jié)果的合理性與正確性,可作為工程設(shè)計(jì)的依據(jù)。

(2)試驗(yàn)結(jié)果表明,深埋粉質(zhì)黏土具有承載力高、壓縮性低、強(qiáng)度高、工程性能好的特點(diǎn),在工程中可將其作為高層建筑樁基礎(chǔ)的樁端持力層,利用其良好的工程特性,從而達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的目的。

(3)試驗(yàn)得出的旁壓模量離散性較大,說明該層粉質(zhì)黏土中局部夾有姜石、角礫等粗顆粒。此外旁壓模量具有一定的深度效應(yīng),因此在進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析中應(yīng)剔除異常值,以便更加準(zhǔn)確地反映土層的力學(xué)特性并保證工程的安全。