長春硬塑狀態(tài)老黏性土地基承載力

孫廣利，李廣杰，周景宏，于光源

1.吉林大學建設工程學院，長春 130026 2.吉林建筑大學測繪與勘查工程學院，長春 130118

長春硬塑狀態(tài)老黏性土地基承載力

孫廣利1，2，李廣杰1，周景宏2，于光源2

1.吉林大學建設工程學院，長春 130026 2.吉林建筑大學測繪與勘查工程學院，長春 130118

為提供長春硬塑狀態(tài)老黏性土可靠的地基承載力依據(jù)，探討適宜的確定地基承載力的方法，采用載荷試驗、靜力觸探試驗原位測試和室內土工試驗等方法對長春老黏性土進行了測試研究，獲取了地基承載力特征值（306～425 k Pa）、靜力觸探錐尖阻力（1.9～3.3 MPa）、天然孔隙比（0.63～0.72）和液性指數(shù)（0.02～0.25）等試驗數(shù)據(jù)。通過對試驗數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得出地基承載力特征值與靜力觸探錐尖阻力線性相關，并與天然孔隙比和液性指數(shù)線性相關的結論。據(jù)此，提出了根據(jù)靜力觸探錐尖阻力計算長春老黏性土地基承載力特征值的經驗公式，總結出根據(jù)室內土工試驗指標確定長春老黏性土地基承載力特征值的數(shù)據(jù)表。

硬塑狀態(tài)老黏性土；地基承載力；載荷試驗；靜力觸探試驗；土工試驗

孫廣利，李廣杰，周景宏，等.長春硬塑狀態(tài)老黏性土地基承載力.吉林大學學報：地球科學版，2014，44（2）：591－595.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201402203.

0 引言

隨著長春城市建設的高速發(fā)展，對地下空間的利用已成為必然的總體趨勢。位于地表下10 m左右的老黏性土是大部分有地下室建筑物基礎的主要持力層，也是地鐵等地下工程的建設環(huán)境。

關于長春老黏性土，曾有學者和機構對其進行過較為詳細的研究，包括地質成因、地質年代、分布情況、粒度成分、礦物成分及化學成分、土的微觀結構、物理力學性質及隨深度的變化等，并有試驗數(shù)據(jù)證明其為超固結土［1］。巖土工程勘察工作中，針對長春老黏性土采用的常規(guī)工作方法是進行靜力觸探試驗或鉆探取樣進行室內土工試驗，根據(jù)測試結果和試驗數(shù)據(jù)按經驗確定地基承載力。以往的科研和生產工作積累了大量的測試數(shù)據(jù)和資料，為今后的研究工作奠定了良好的基礎［1］。由于載荷試驗費用高且費時費力，因而載荷試驗研究很少，無法建立載荷試驗原位測試數(shù)據(jù)和室內土工試驗的物理力學指標與地基承載力的相關關系；實際工作中采用的地基承載力數(shù)據(jù)被普遍認為偏于保守，雖然對建筑物安全無影響，卻不能充分發(fā)揮老黏性土的承載能力，由于缺乏可靠的依據(jù)而又不能任意提高。

為建筑物基礎選擇合適的持力層并確定持力層的地基承載力是巖土工程勘察工作的重點內容。為提供長春老黏性土可靠的地基承載力依據(jù)，探討適宜的確定地基承載力的方法，使今后在巖土工程勘察中能夠準確、可靠、便捷、經濟地確定老黏性土的地基承載力，同時也為了驗證以往所提供的地基承載力數(shù)據(jù)，采用載荷試驗、雙橋靜力觸探試驗原位測試和室內土工試驗等方法對長春老黏性土地基承載力進行了測試研究，總結出可靠的承載力數(shù)據(jù)范圍和適宜的確定方法。

1 地質背景

老黏性土是一種老沉積土，系指第四紀晚更新世及其以前沉積的黏性土。老黏性土在吉林省境內分布廣泛，為平原區(qū)的主要地層。吉林省平原區(qū)第四系由老到新分別為：下更新統(tǒng)冰水堆積；中更新統(tǒng)湖積、沖積－湖積、沖積、沖積－洪積；上更新統(tǒng)沖積物；全新統(tǒng)沖積、湖積、沼積、湖沼積和風積［2］。長春市第四系主要為下更新統(tǒng)白土山組冰水砂礫石，中更新統(tǒng)荒山組沖洪積層，全新統(tǒng)沖積層［1］。本文所稱長春老黏性土是指分布于長春波狀臺地上的中更新統(tǒng)，為荒山組上段（地層學上也稱為東風組，亦被稱為“長春黃土”、“長春黃土狀土”）。該土層在波狀臺地分布厚度約為2.0～35.5 m，丘陵狀臺地分布厚度約為9.6～34.5 m［1］。長春老黏性土成因類型主要為沖積、洪積、坡積，形成條件是干旱半干旱的草原型氣候。老黏性土以粉黏粒為主，石英、伊利石、蒙脫石為主要礦物，占60%以上，高嶺石、長石為次要礦物；含水率較低，可溶鹽及游離氧化物的含量低；由于搬運和沉積營力不同，各類黏性土的宏觀、微觀結構特征也不同。沖積成因土體宏觀結構是較緊密塊狀結構和粒狀結構，微觀結構是緊密絮狀—團粒結構。洪積成因老黏性土的宏觀結構是較緊密塊狀結構和不等粒結構，微觀結構為中密骨架—團粒結構，中密絮凝—團粒結構。坡積成因老黏性土為較緊密塊狀結構和不等粒結構，微觀結構為疏松骨架、疏松絮凝—骨架結構。各類黏性土孔隙分布情況不同：沖積成因老黏性土以小孔隙為主，占41.3%；坡積老黏性土以中孔隙為主，占54.1%；洪積老黏性土各類孔隙都發(fā)育，以中孔隙為最多，占37.2%［3］。

2 地基承載力測試

采用淺層平板載荷試驗方法確定長春老黏性土的地基承載力特征值，同時在試驗點附近采用雙橋靜力觸探試驗（con penetration test，CPT）進行原位測試，獲取老黏性土的CPT指標，分析地基承載力特征值與CPT指標的相關性。

2.1 淺層平板載荷試驗

在基坑底部采用淺層平板載荷試驗方法確定老黏性土地基承載力時，按照《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB50007）［4］附錄 C的規(guī)定進行。現(xiàn)場淺層平板載荷試驗符合以下條件：試驗點無邊載，為基坑大開挖的條件；承壓板為剛性板，面積為0.5 m2；試驗點采用明溝排水，地層濕度接近天然濕度；滿足施加荷載能達到極限荷載的條件［4－5］。

2.2 雙橋靜力觸探試驗（CPT）

進行載荷試驗的同時，在試驗點附近采用CPT進行原位測試，獲得老黏性土的CPT指標。采用的觸探設備有：探頭為JMS－15A－3型，錐底直徑43.7 mm，錐尖面積15 cm2，摩擦筒表面積300 cm2，錐角60°的雙橋探頭；數(shù)據(jù)采集采用LMC－D310型靜探微機數(shù)據(jù)采集儀，用20 T靜力觸探車進行觸探［5－6］。

2.3 室內土工試驗

在試驗點現(xiàn)場取原狀土試樣進行室內土工試驗［7］，獲取土的物理力學指標。室內土工試驗按《土工試驗方法標準》（GB/T 50123－2008）［8］的規(guī)定進行。

2.4 試驗工作及成果

結合實際工程，共積累了10組老黏性土地基的平板載荷試驗、CPT和室內土工試驗數(shù)據(jù)。經過分析，篩選出7組具有代表性和統(tǒng)計意義的數(shù)據(jù)，地基承載力特征值fak、土工試驗指標及原位測試數(shù)據(jù)見表1。

表1 地基承載力特征值、土工試驗指標及原位測試數(shù)據(jù)Table 1 Characteristic value of subgrade bearing capacity，soil test indicators and in－situ test data

由表1可以看出，呈硬塑狀態(tài)的老黏性土地基承載力特征值范圍為306～425 k Pa，且土質越堅硬承載力越高。

1）地基承載力特征值與CPT錐尖阻力的關系

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸分析，老黏性土地基承載力特征值與CPT的錐尖阻力線性相關，其相關系數(shù)為0.892 0，其關系曲線見圖1。

依據(jù)上述關系，得出根據(jù)CPT錐尖阻力計算老黏性土地基承載力特征值的經驗公式為

圖1 承載力特征值與靜探錐尖阻力關系曲線圖Fig.1 Relationship between characteristic value of subgrade bearing capacity and value of CPT

研究工作主要集中在工程中經常利用且呈硬塑狀態(tài)的老黏性土，亦即長春臺地的主體部分，其CPT成果范圍值為：fs（側阻力）＞150 k Pa，1.8 MPa＜qc＜3.5 MPa。

2）地基承載力特征值與土工試驗指標的關系

根據(jù)表1數(shù)據(jù)，采用一元線性回歸分析，老黏性土地基承載力特征值與土工試驗物理指標孔隙比、液性指數(shù)的對應關系見圖2、圖3。

圖2 承載力特征值與孔隙比關系曲線圖Fig.2 Relationship between characteristic value of subgrade bearing capacity and natural void ratio

圖2、圖3表明，老黏性土的地基承載力特征值與土的天然孔隙比和液性指數(shù)線性相關，其相關系數(shù)分別為0.926 0和0.963 7，均大于0.900 0，證明根據(jù)土工試驗指標確定老黏性土地基承載力的方法是可行的。

《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ7－89）已廢止使用，但其中的地基承載力表作為經驗數(shù)據(jù)在工程實踐中仍有參考價值，筆者以該規(guī)范中的地基承載力表為參考［9］，將載荷試驗實測地基承載力值與上述規(guī)范地基承載力表進行對比，實測的地基承載力值比查表值平均增加了42 k Pa，說明在長春地區(qū)以往的方法低估了老黏性土的地基承載力，偏于保守。取平均值42 kPa對《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ7－89）地基承載力表進行修正，建立根據(jù)土工試驗物理性質指標天然孔隙比和液性指數(shù)確定長春老黏性土地基承載力特征值的數(shù)據(jù)表（表2）。

圖3 承載力特征值與液性指數(shù)關系曲線圖Fig.3 Relationship between characteristic value of subgrade bearing capacity and liquidity index

表2 老黏性土地基承載力特征值表Table 2 Characteristic value of subgrade bearing capacity of the old cohesive soil

鑒于目前的試驗數(shù)據(jù)較少，表2應用于0.60≤e≤0.75、0.00≤IL≤0.30的長春老黏性土較為可靠。

3 討論

3.1 長春老黏性土的工程性質

長春老黏性土的地質成因以沖洪積為主，形成條件為干旱半干旱草原型氣候；地質年代為第四紀中更新統(tǒng)，形成的時間較早，構成了長春波狀臺地的主體部分。物質組成以石英、伊利石、蒙脫石為主要礦物成分，可溶鹽及游離氧化物的質量分數(shù)低，為一般土而非特殊土；顆粒成分以粉黏粒為主，且隨深度增加粉粒含量增多、液性指數(shù)變小，土的力學性質變好。老黏性土形成后，因上覆土層的重力作用，加之部分地段下伏冰水砂礫石透水性好，因而固結條件好，為超固結土，壓縮性低。宏觀結構為較緊密塊狀結構和粒狀結構，微觀結構為緊密絮狀—團粒結構或中密骨架—團粒結構或中密絮凝—團粒結構［3］，連結力強。

上述長春老黏性土的地質成因、地質年代、物質組成、粒度成分、土的結構、地質演化，決定了其工程性質。因此，長春老黏性土的土質條件較好，表現(xiàn)為含水率低、孔隙比小，多處于硬塑狀態(tài)，壓縮性中等偏低，地基承載力較高。若將其視為一般黏性土，會導致低估其地基承載力。以往的巖土工程勘察工作依據(jù)土工試驗物理指標、按《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GBJ7－89）查表方法確定的地基承載力，明顯低于載荷試驗的結果，說明不存在代表所有地區(qū)的承載力表。但是也不能過高評價其工程性質，原因是其形成時物源近、搬運途徑短，結構構造并不十分緊密［1］。總體來看，長春老黏性土的工程性質下部要好于上部。

3.2 確定地基承載力方法的討論

1）載荷試驗方法 載荷試驗方法是公認的確定地基承載力的可靠方法，其測試成果被認為是最可靠的依據(jù)。但載荷試驗的受荷面積比較小，加荷后受影響的深度范圍不大，加荷的時間也比較短，因而不能全面反映工程荷載長期作用下地基的全部情況；并且該方法費時費力，且費用高，從而影響其使用。

載荷試驗是確定老黏性土地基承載力的可靠方法，缺乏當?shù)亟涷灥那闆r下應由載荷試驗確定老黏性土地基承載力。本次研究表明，呈硬塑狀態(tài)的老黏性土地基承載力特征值范圍為306～425 k Pa，且土質越堅硬承載力越高。

2）CPT原位測試方法 CPT是一項成熟的測試技術，國內外均進行了大量的研究和生產實踐。CPT成果主要應用于劃分土層、評定地基土的強度參數(shù)、評定土的變形指標、評定地基土的承載力、估算單樁承載力等。但各地區(qū)針對黏性土所提出的實測數(shù)據(jù)和經驗公式有所不同，不能形成一個統(tǒng)一的公式用來確定各地區(qū)的地基承載力［10］。各地區(qū)應根據(jù)具體的工程地質條件建立相應的經驗公式以指導工程實踐。長春地區(qū)現(xiàn)行的根據(jù)CPT指標計算地基承載力的經驗公式，也是與查表法所得地基承載力對應的經驗關系［11］，所確定的地基承載力也偏低。CPT原位測試是確定老黏性土地基承載力可靠而簡便的方法。長春老黏性土地基承載力特征值與CPT的錐尖阻力線性相關，重新建立了根據(jù)錐尖阻力計算長春老黏性土地基承載力特征值的經驗公式，更能符合長春的工程地質條件。

3）根據(jù)土的物理性質指標確定地基承載力的方法 研究和實踐證明，黏性土的地基承載力與孔隙比和液性指數(shù)密切相關，孔隙比和液性指數(shù)越小地基承載力越高。因此，通過采取原狀土樣和室內土工試驗，根據(jù)黏性土的孔隙比和液性指數(shù)評價和確定地基承載力是正確的途徑。

4）標準貫入試驗原位測試方法 研究工作中也采用了標準貫入試驗原位測試方法，但本次研究未得出有規(guī)律性的結果。

4 結論

1）根據(jù)土質學理論和試驗研究，長春老黏性土的工程性質較好。以往的巖土工程勘察工作低估了其地基承載力，應予以提高。2）關于確定長春老黏性土地基承載力的方法，以往的巖土工程勘察工作所采用的方法是正確的，但由于缺乏載荷試驗依據(jù)而影響了對地基承載力的評價。長春老黏性土的地基承載力特征值與土的天然孔隙比和液性指數(shù)線性相關，根據(jù)室內土工試驗物理性質指標天然孔隙比和液性指數(shù)評價和確定老黏性土地基承載力是一種簡便可行的方法。

（References）：

［1］ 吉林省地質礦產局，第二水文地質工程地質大隊.長春市工程地質調查報告［R］.長春：吉林省地質礦產局，1990.Second Party of Hydrogeology and Engineering Geology，Bureau of Geology and Mineral Resources of Jilin Province.Engineering Geology Investigation of Changchun［R］.Changchun：Bureau of Geology and Mineral Resources of Jilin Province，1990.

［2］ 吉林省地質礦產局.吉林省區(qū)域地質志［M］.北京：地質出版社，1988.Bureau of Geology and Mineral Resources of Jilin Province.Regional Geology of Jilin Province［M］.Beijing：Geological Publishing House，1988.

［3］ 蔡可易，王清.長春地區(qū)黃土狀土工程地質研究［C］//中國巖石力學與工程學會.第三屆全國巖土與工程學術大會論文集.成都：四川科學技術出版社，2009：185－187.Cai Keyi，Wang Qing.Study on Engineering Property of Loess－Like Soil in Changchun Area［C］//Chinese Society for Rock Mechanics ＆ Engineering.Proceedings of the Third National Academic Conference on Geotechnical and Engineering.Chengdu：Sichuan Science and Technology Press，2009：185－187.

［4］ GB/T 50007－2011建筑地基基礎設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.GB/T 50007－2011 Code for Design of Building Foundation［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2012.

［5］ 工程地質手冊編寫委員會.工程地質手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1992.Engineering Geology Mecum Compilation Group.Engineering Geology Mecum ［M］.Beijing：China Architecture and Building Press，1992.

［6］ GB 50021－2009巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.GB 50021－2009 Code for Investigation of Geotechnical Engineering［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2009.

［7］ GB/T 89－1992原狀土取樣技術標準［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993.GB/T 89－1992 Technical Standard for Sampling of Undisturbed Soils［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，1993.

［8］ GB/T 50123－2008土工試驗方法標準［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2009.GB/T 50123－2008 Standard for Soil Test Method［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，1999.

［9］ GBJ7－89建筑地基基礎設計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1989.GBJ7－89 Code for Design of Building Foundation［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，1989.

［10］ 孫家齊，陳新民.工程地質［M］.武漢：武漢理工大學出版社，2011：129.Sun Jiaqi，Chen Xinmin.Engineering Geology［M］.Wuhan：Wuhan University of Technology Press，2011：129.

［11］ DB 22/T367－2004巖土工程勘察技術規(guī)程［S］.長春：［s.n.］，2004.DB 22/T367－2004 Code for Investigation of Geotechnical Engineering［S］.Changchun：［s.n.］，2004.

Foundation Bearing Capacity of Changchun Hard Plastic Old Clay

Sun Guangli1，2，Li Guangjie1，Zhou Jinghong2，Yu Guangyuan2
1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China 2.School of Geometrics and Prospecting Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun 130118，China

In order to provide reliable basis for foundation bearing capacity of Changchun hard plastic old clay and to discuss appropriate measures for determining the characteristic value of subsoil bearing capacity，laboratory soil test and in－situ testing methods including loading test and cone penetration test（CPT）are carried out，and the characteristics value of subsoil bearing capacity（306－425 kPa），the value of CPT（1.9－3.3 MPa），natural void ratio （0.63－0.72）and liquidity index （0.02－0.25）are collected.Based on the test data，there can be found a linear correlation between characteristic value of subsoil bearing capacity and the value of CPT，between characteristic value of subsoil bearing capacity and natural void ratio and between characteristic value of subsoil bearing capacity and liquidity index.Therefore，an empirical formula is presented，which the characteristic value of subsoil bearing capacity can be calculated according to the value of CPT.And then a calculation table about the characteristic value of subsoil bearing capacity of Changchun old clay is summed up according to the laboratory soil test indexes.

hard plastic old clay；foundation bearing capacity；loading test；cone penetration test（CPT）；soil test

10.13278/j.cnki.jjuese.201402203

P642.116

A

2013－08－06

國家自然科學基金項目（41172293）

孫廣利（1962—），男，博士研究生，主要從事巖土工程方面的研究，E－mail：sun68677＠163.com

李廣杰（1952—），男，教授，博士生導師，主要從事巖土工程方面的教學和研究，E－mail：ligj＠jlu.edu.cn。