湿陷性黄土地基的特征（甘肃黄土地基的压缩变形规律与机理研究）

湿陷性黄土地基的特征（甘肃黄土地基的压缩变形规律与机理研究）基金：胡建芳(1977—) 男 高级工程师 学士 主要从事岩土工程勘察与咨询。E-mail:153209071@qq.com; *赵天宇(1985—) 男 高级工程师 博士 主要从事公路工程勘察与岩土工程测试研究。E-mail:zhaoty07@lzu.edu.cn;关键词：黄土; 陇东; 陇西; 载荷试验; 地基承载力;作者简介：

原标题：

甘肃省黄土地基承载力测试与评价研究

摘要：

地基承载力是黄土地区工程设计的基本和关键参数 直接决定着工程建设的安全可靠性和经济性。通过实测甘肃省不同地区、不同时代成因黄土的地基承载力 分析了黄土地基的压缩变形规律与机理。研究表明 孔隙比在很大程度上决定着黄土地基的破坏模式及承载力大小 黄土地基承载力同时也与土体含水率、液塑限密切相关。尽管依据土体物理指标确定地基承载力的回归关系式形式有所不同 但计算结果在一定条件下与实测值吻合度较高 通过对比分析各回归关系式的适宜性及优缺点 结合规范推荐值和实测值 给出了甘肃省陇西地区和陇东地区一般新黄土的地基承载力表。

关键词：

黄土; 陇东; 陇西; 载荷试验; 地基承载力;

作者简介：

胡建芳(1977—) 男 高级工程师 学士 主要从事岩土工程勘察与咨询。E-mail:153209071@qq.com; *赵天宇(1985—) 男 高级工程师 博士 主要从事公路工程勘察与岩土工程测试研究。E-mail:zhaoty07@lzu.edu.cn;

基金：

甘肃省科技重大专项“甘肃省湿陷性黄土地区公路修筑成套技术研究”(1302GKDA009);

引用：

胡建芳，赵天宇，李论基，等 . 甘肃省黄土地基承载力测试与评价研究［J］. 水利水电技术，2020，51( 7) : 139-146.HU Jianfang，ZHAO Tianyu，LI Lunji，et al. Study on testing and evaluation for bearing capacity of loess foundation in Gansu Province［J］.Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51( 7) : 139-146.

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0 引 言

甘肃省地处黄土高原的西部 是我国黄土的重要堆积地。黄土分布西起乌鞘岭 南至渭河谷地 北至景泰、白银、靖远一线 东至甘陕交界 黄土分布面积广、厚度大 也是省内工业民用建筑、公路、铁路等工程建设通过最多的地层。甘肃省黄土在物理力学性质、湿陷性、水敏感性、厚度等方面都与陕西、山西、宁夏等省区有明显差异 且甘肃省不同地区、不同时代和不同成因黄土的物理力学性质也有很大差异 给黄土地区工程勘察与设计提出了更高的要求 工程设计须因地制宜 选取科学、合理、可靠的地基设计参数 以确保构筑物建设与使用的安全性与经济性。地基承载力作为工程建设的重要基础设计参数 决定着地基土的承载能力是否能充分发挥 地基是否会因荷载作用而发生剪切破坏或产生过大变形破坏。石刚 总结了黄土地基承载力变化规律及评价方法 并建立了承载力与含水量、液限、孔隙比之间的非线性回归关系式。庞旭卿 采用载荷试验、动力触探、标准贯入、静力触探等对黄土地基承载力进行了检测 回归分析得出了一般新黄土的容许承载力与物理指标之间的相关关系。刘怡林 测试研究了不同地区黄土地基承载力特性 分析总结了不同测试方法在公路黄土地基承载力评价的可行性。闫嘉庆、白晓红 研究提出了适用于山西省不同黄土地区含水量、液限与孔隙比多因素黄土承载力统计公式。侯建军 等测试研究了甘肃陇西地区黄土浸水前后地基承载力变化规律。许书雅等 基于黄土地基载荷试验和地基承载力 对比分析了以往规范中地基承载力表存在的偏离问题 提出了适当的修正建议。以上学者通过直接或间接方法测试研究了不同地区黄土地基承载力特征、变化规律及测试方法的可行性 为黄土地区工程建设提供了基础设计参数 取得了一定的经济社会效益。

然而 由于直接确定地基承载力的现场静力载荷试验耗时耗资 在当前工程建设中很少进行地基承载力测试 这难免会造成部分地基承载力评价值与实际值存在较大偏差 从而导致土体承载能力发挥不充分或构筑物地基安全度不够 影响其正常运营使用。鉴于此 本文通过现场静力载荷试验测试了甘肃省不同地区、不同时代成因黄土的地基承载力 分析其在荷载作用下地基土的变形破坏形态 科学合理地确定了不同地区黄土的地基承载力 并建立了地基承载力土体物理指标的相关关系 研究结果可为甘肃省不同地区黄土地基承载力确定、评价提供可靠的资料和依据。

1 黄土地层特性及承载力测试方法

刘东生等 通过调查与测试研究表明 中国黄土分布呈现由北向南、由西向东 颗粒大小逐渐由粗变细、黏粒含量逐渐增多、液塑限逐渐增大 湿陷性逐渐减小的变化规律。以六盘山为界 甘肃省黄土被划分为陇东黄土和陇西黄土 二者分布厚度、物理性质、湿陷性、承载力、水敏感性等都有较大差异 对公路构筑物的影响也表现出区域差异性。基于此 本文选取兰州、庆阳宁县、庆阳南梁3处场地分别代表陇西黄土、陇东中部黄土和陇东北部黄土 采用静力载荷和静力触探试验综合测试了黄土地基承载力 并对比分析前人对甘肃省不同地区黄土地基承载力的研究 以期为公路工程勘察设计提供可靠的地基承载力设计参数与预估方法 为甘肃省黄土地区工程建设提供科学依据。

1.1 黄土地层特性

本文所选代表性黄土的物理力学性质如表1所列 级配曲线如图1、2所示。在此基础上 对代表性试验点黄土地层特性进行了逐一分析。

表1 不同地区黄土基本物理力学参数

图1 黄土代表性级配曲线(10 m深土样)

1.1.1 陇西黄土(兰州)

试验场地位于兰州市南侧 地貌单元属黄河高阶地 试验土层为上更新统冲积黄土(Q ) 浅黄色-黄褐色 稍湿 稍密 土质较均匀 肉眼可见孔隙含量较少 黄土厚度大于30 m。

1.1.2 陇东中部黄土(庆阳宁县)

试验场地位于庆阳市宁县长官路口附近 地貌单元属黄土塬(董志塬) 分别在自上而下的马兰黄土 (Q )、古土壤(Q )、离石黄土(Q )等三种地层进行地基承载力测试评价。

(1)上更新统新黄土(Q ):呈淡黄、褐黄色 稍湿 稍密 土质较均匀 无层理 大孔隙和垂直节理发育 无摇震反应 具湿陷性 一般厚度大于10 m。

(2)古土壤层(Q):棕红色 是马兰黄土与离石黄土标志性分界层 土质均匀 坚硬 大孔隙发育 无摇震反应 稍有光泽 干强度及韧性中等 大孔隙内有冲填痕迹 含丰富白色钙质菌丝 有零星姜石 厚度一般2.0～2.8m。

(3)中更新统老黄土(Q ):棕黄色 稍湿 坚硬 有白色钙质粉末及菌丝 块状结构 针孔发育 大孔隙较少 土质较均匀 厚度较大。

1.1.3 陇东北部黄土(庆阳南梁)

试验场地位于庆阳市华池县南梁镇东北方向某黄土山梁上 地貌属陇东黄土高原丘壑区 微地貌为构造侵蚀黄土梁峁沟壑区 试验土层为上更新统马兰黄土(Q) 浅黄色-褐黄色 以粉质黄土为主 稍湿 稍密 土质均匀 有大孔隙 发育针状孔隙和垂直节理 结构疏松 透水性强 具湿陷性 易产生陷穴、黄土桥等黄土溶蚀地貌 层厚一般大于15 m。

1.2 静力载荷试验

如图2所示 本次浅层静力载荷试验采用分级加载法 200 kPa以内按照25 kPa的分级荷载施加 200 kPa以上按照50 kPa的分级荷载施加。承压板选取直径为0.798 m(面积0.50 m )的圆形钢板 安装前在天然湿度土层平整开挖试坑 并在底面并铺设10～20 mm厚的中砂垫层 保证承压板与试验面平整接触。

沉降观测采用量程为50 mm的电子百分表和静态数据采集接收系统 由智能电感调频位移传感器与计算机连接 可实时观测并采集各百分表的位移变化情况。每级荷载施加后 按间隔5 min、5 min、10 min、10 min、15 min、15 min测读一次沉降量 以后间隔30 min测读一次沉降 当连续两个小时每小时沉降量不大于0.1 mm时 可认为沉降已达相对稳定标准 施加下一级载荷。满足下列条件之一时试验即终止:(1)承压板周围的土明显侧向挤出;(2)本级载荷的沉降量急剧增大 P-S(压力-沉降)曲线出现陡降段;(3)某级载荷下 24 h内沉降速率达不到稳定标准;(4)总沉降量与承压板直径或宽度之比超过0.06。加载完成后 采用分级卸载观测地基回弹变形量 分级卸载量为分级加载量的2倍 15 min观测一次 1 h后再卸下一级荷载。

依据浅层平板载荷试验相关要求 每一土层开展静力载荷试验测试3次 按照比例界限荷载、极限荷载和位移控制法综合确定土体地基承载力 取3次测试平均值作为该土层的地基承载力特征值(各测试值的极差不超过平均值的30%)。

图2 静力载荷试验现场示意

2 不同地区黄土地基承载力及土体压缩变形规律

2.1 不同地区黄土地基承载力

地基土在上覆荷载作用下 压缩变形及破坏过程先后表现为弹性压密、塑性剪切和塑性流动破坏三个阶段。压密阶段荷载相对较小 地基土以压缩变形为主 压力与变形之间基本呈线性关系 地基中任一点的剪切应力均小于该点的抗剪强度。剪切阶段地基土局部范围内的剪切应力达到土的抗剪强度 发生塑性剪切破坏并逐渐扩大。破坏阶段荷载超过极限强度 很小的荷载增量就可以引起很大的沉降 地基整体失去稳定性而产生破坏。

考虑黄土具有压缩性大的特殊性质 当P-S(压力-沉降)曲线上具有明显的比例界限时 取该比例界限P 所对应的荷载值作为地基承载力;当P-S曲线上比例界限不明显时 采用相对沉降来确定地基承载力 依据土体软硬程度取S/D(沉降量/承压板直径)为0.01～0.015时所对应的荷载值作为地基承载力 承载力取值应小于极限荷载和最大加荷值的1/2。通过开展陇东北部、陇东中部和陇西地区黄土地基静力载荷试验测试 获得了不同地区黄土地层的地基承载力 如表2所列。可以看出:(1)在含水率大致相同的情况下 第四系上更新统(Q )黄土的地基承载力随孔隙比的减小而增大。对比不同时代成因的黄土地基 可知离石黄土形成时代最早 压密程度最高 承载力最大 其次为古土壤 最小为马兰黄土 同样表现为密实程度越高地基承载力越大;(2)对比相同时代的上更新统(Q )黄土 可以发现相同含水量和相同孔隙比条件下 陇东黄土的地基承载力略高于陇西黄土 这是由于陇东黄土黏粒含量相对较大 可溶盐含量相对较小 黄土骨架镶嵌状胶结成分多 土体性状相对稳定 。我国黄土自西北向东南有着明显的规律性 从而导致甘肃省六盘山以东的陇东黄土和以西的陇西黄土在颗粒组成、湿陷性等物理力学性质有很大的差异 不同区域黄土地基承载力也表现出一定的差异和规律;(3)黄土形成的地质年代越早 压密及胶结作用程度越高 抗剪强度也越大 相应的地基承载力也就越高。

表2 黄土地基承载力测试成果

2.2 不同黄土地基压缩变形规律与机理

图3、4分别为不同地区上更新统(Q )黄土和不同时代黄土压缩变形P-S曲线。可以看出 形成时代较晚的上更新统(Q )黄土P-S曲线表现为比例界限不明显的缓变形 地基破坏模式表现为局部剪切破坏 是一种以变形为主要特征的破坏模式 而形成时代较早的离石黄土和古土壤P-S曲线表现为具有比例界限的整体剪切破坏 是一种以强度失效为主要特征的破坏模式 。

由图3可以看出:(1)加载初期 三处黄土地基的变形基本一致 表现为随着荷载增大沉降量均匀增加 此时土体处于压缩变形阶段 土体在荷载作用下逐渐形成压实体 土体沉降主要是由土颗粒不退则转动和位移填充孔隙引起的 土体结构强度起主要作用 地基未出现塑性区或者出现范围不大且不连续的塑性区 对沉降量影响不大;(2)随着载荷的增大 P-S曲线斜率进一步增大 变形速率显著增加 小幅度的荷载增加即可引起较大的沉降 土体进入局部剪切破坏阶段 土体结构逐渐遭到破坏 地基沉降由压实体的进一步压密和塑性区变形组成 载荷板下逐渐形成一个密实度较大且向下扩展的“土墩” 与载荷板一起向下和向外围传递压力 周围原状土受到横向挤压 地面开始出现微小隆起。因此孔隙比较大的南梁黄土地基塑性变形区出现时间早且发展快 变形速率更大;而孔隙比相对较小的兰州黄土和宁县黄土地基 剪切变形速率较小且塑性区发展较慢。(3)继续向地基施加荷载 “土墩”下部的塑性变形土体进一步被压密、硬化 逐次成为“土墩”的一部分 “土墩”逐渐增大 地基下沉主要由“土墩”下部密实化和新产生的塑性变形组成 每一级荷载施加后即完成这样一个类似的压缩变形过程 因而P-S曲线出现后段基本呈直线 直至塑性区贯通发生破坏 该阶段三处黄土地基表现出相同的压缩变形规律。

图3 不同地区上更新统黄土P-S曲线

对比图4不同时代成因黄土地基的P-S曲线 可以看出 相比于马兰黄土 离石黄土与古土壤形成时代早、压密程度高 因此其变形破坏模式趋向于整体剪切破坏。分析可知 离石黄土和古土壤地基压缩变形过程也经历了压密、剪切和隆起破坏三个阶段 因加载压力较小 其塑性流动破坏发展较小 曲线表现不明显。离石黄土和古土壤在压密阶段斜率相对较小 且压密阶段范围更大 其发生塑性剪切对应的荷载更大且变形速率更小 这是因为离石黄土和古土壤的孔隙较小 土体强度和压缩模量较高 需要更大的荷载才能破坏土体结构从而使土体发生塑性变形 因此地基承载力相对较大。进入剪切阶段后马兰黄土的进一步压密和塑限变形发展很快 而离石黄土和古土壤仍然发展较慢 这是由于在该阶段的进一步压密和和塑性区变形受土体密实度和强度控制。土体的变形量与变形速率自大而小依次为马兰黄土、古土壤和离石黄土。

图4 不同沉积时代黄土P-S曲线

3 甘肃省黄土地基承载力对比分析与评价

虽然现场静力载荷试验测试地基承载力较可靠准确 但其耗时耗资 不宜大范围和大规模采用 在不具备静力载荷测试条件下 如何能够较准确地评价黄土地基承载力是勘察设计人员十分关心和长期困惑的问题。本质上 黄土地基承载力是其物理力学特性的综合反映 取决于土体的物质组成、湿度状态、密实程度、抗剪强度等综合因素。研究表明 含水量是影响黄土地基承载力的最敏感因素 液限和孔隙比也对其有较大影响。支喜兰 通过实测和搜集陇西地区48个样本、陇东地区46个样本的黄土地基承载力测试成果 分析了单因素和多因素对黄土地基承载力的影响 分别建立了陇西地区和陇东地区黄土地基承载力与土体含水率、孔隙比、液限、压缩系数的回归关系式 如式(1)、(3)所示 回归相关系数分别为0.93、0.84。庞旭卿 通过对陇西地区142个样本、陇东地区136个样本的公路原状黄土载荷试验资料回归分析 同样分别得出了陇西地区和陇东地区黄土地基承载力与含水率、孔隙比、液限等物理指标的相关关系(以下称回归计算值) 如式(2)、(4)所示 回归相关系数分别为0.95和0.88。虽然支喜兰和庞旭卿推荐的黄土地基承载力回归关系式在形式上有所不同 但计算结果总体差异较小 回归相关系数高 总体与实测值吻合较好。

基于黄土地区大量静力载荷实测地基承载力 以及工程经验总结和统计分析 《铁路工程地质勘察规范》(TB 10012—2019) 与《湿陷性黄土地区建筑规范》(GBJ 25—90) (以下简称“90黄土规范”)也依据土体物理指标给出了一般新黄土地基承载力的推荐值(以下称规范推荐值) 对工程实践起到了很大的推动作用。

对比黄土地基承载力回归计算值、规范推荐值 如图5、6所示 可以看出 支喜兰、铁路行业规范、庞旭卿、90黄土规范中依据黄土主要物理力学指标查表或采取经验公式得出的地基承载力特征值存在明显的差异:(1)总体上看 相同孔隙比、不同w/w 值条件下 经验公式和规范值四种方法所得地基承载力特征值呈现相同的变化趋势。(2)当0.2<w/w <0.7时 经验公式和规范值四种方法所得地基承载力特征值离散度相对较低 w/w <0.2时 支喜兰经验公式所得承载力值明显大于其他三者 w/w >0.7时 铁路行业规范推荐值明显较其他三者偏低。(3)综合比较 在0.2<w/w <0.7范围内 黄土地基承载力研究成果相差不大。铁路规范和庞旭卿的地基承载力成果更贴近。(4)结合本文载荷试验测试成果进行对比分析 在0.2<w/w <0.7范围内 测试成果与铁路和庞旭卿的地基承载力成果相近。

图5 不同孔隙比条件下陇西黄土地基承载力特征值

图6 不同孔隙比条件下陇东黄土地基承载力特征值

甘肃省黄土分布广泛 黄土地区工程建设数量巨大 地基承载力对工程建设设计、安全、造价均有较大的影响。然而 采用现场静力载荷试验直接测定地基承载力耗时耗资 在积累的大量测试研究成果基础上 利用查表的方式获取承载力值依然是工程界具有广泛影响、结果相对可靠的方法之一。因不同地区岩土体物理力学性质有一定的差异 工程建设对黄土地基承载力表提出了更细化的要求 要求不同区域的黄土有不同的承载力。

结合本研究的静力载荷试验测试成果 基于本研究对黄土地基承载力的测试成果 分析了不同经验公式、规范推荐等确定黄土地基承载力方法的优缺点、适用性 以及与本研究黄土地基承载力实测值的吻合度 对不同液塑限、含水率、孔隙比等条件下经验公式计算和规范推荐黄土地基承载力进行对比分析 结合近10年甘肃省公路勘察设计不同黄土地区地基承载力的运用与测试成果 本文综合提出了甘肃省陇西地区和陇东地区一般新黄土的地基承载力表(见表3、表4) 在不具备静力载荷试验测试的条件下 供勘察设计人员依据土体物理指标查表 并结合地区工程经验确定地基承载力 确保为黄土地区工程建设提供有效可靠的设计参数。

表3 陇东地区上更新统黄土(Q )地基承载力

表4 陇西地区上更新统黄土(Q )地基基本承载力

4 结 论

通过实测甘肃省不同地区、不同时代成因黄土地基承载力 分析了黄土地基的压缩变形规律与机理 同时对比分析和评价了黄土地基承载力回归计算值、规范推荐值和实测值 得出了以下结论。

(1)孔隙比较大的一般新黄土地基破坏模式表现为比例界限不明显的局部剪切破坏 陇东北部、陇东董志塬和陇西黄河高阶地黄土地基承载力测试值分别为125 kPa、160 kPa和150 kPa;孔隙比较小的离石黄土和古土壤地基破坏模式表现为比例界限较明显的整体剪切破坏 陇东董志塬离石黄土和古土壤地基承载力测试值分别为210 kPa和260 kPa。孔隙比在很大程度上决定了黄土地基的破坏模式及承载力大小。

(2)黄土地基承载力与土体含水率、孔隙比、液限密切相关 尽管依据土体物理指标确定地基承载力的不同回归关系式形式有所不同 但计算结果在一定条件下与实测值吻合度较高 综合确定了甘肃省黄土地基承载力与各物理指标的关系。

(3)基于黄土地基承载力实测值 结合不同回归计算值与规范推荐值的对比分析 本文综合提出了甘肃省陇西地区和陇东地区一般新黄土的地基承载力表 供勘察设计人员依据土体物理指标查表 并结合地区工程经验确定地基承载力。

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