安哥拉羅安達濕陷性砂的載荷試驗研究

唐國藝，唐立軍，劉 智，劉爭宏,3，于永堂，喬 虎

(1.機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司, 陜西 西安 710043; 2. 陜西省特殊巖土性質(zhì)與處理重點實驗室,陜西 西安 710043；3. 長安大學(xué)地質(zhì)工程與測繪學(xué)院，陜西 西安 710054)

羅安達是非洲西部國家安哥拉的首都，位于寬扎河下游地帶的寬扎盆地，瀕臨大西洋本戈灣。2002年停止內(nèi)戰(zhàn)后，安哥拉開始了戰(zhàn)后重建工作，羅安達因人口眾多，是戰(zhàn)后重建的主要區(qū)域，近年來開展了大規(guī)模的住房、公共建筑和大型基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。然而，在羅安達及其周邊地區(qū)，靠近地表附近廣泛分布有呈棕紅色或棕黃色的粉砂層，在已有文獻中被稱為Muceque(“穆賽格”)或Quelo(“蓋路”)砂[1～2]，在工程實踐中，發(fā)現(xiàn)該粉砂層地基土具有和一般砂土不同的性質(zhì)，集中表現(xiàn)在含水率較低條件下，具較高強度和較好直立性；但在浸水條件下地基土強度迅速降低，并產(chǎn)生濕陷變形的特點[3～4]。

本文收集和分析了羅安達地區(qū)的不同工況下的平板載荷試驗和深層載荷試驗成果，對羅安達濕陷性砂的承載力特征及濕陷特征進行了相關(guān)研究，平板載荷試驗深度在1.5～2.0 m之間，采用0.25 m2的承壓板，深層載荷試驗深度分別為1.5 m和3.0 m，采用0.50 m2的承壓板。這些試驗均依照《巖土工程勘察規(guī)范》[5]和《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[6]的相關(guān)技術(shù)要求，對于掌握羅安達砂的主要工程性質(zhì)，從而針對性的得出適宜的承載力值，對地基基礎(chǔ)設(shè)計和提出經(jīng)濟適宜的地基處理方法具有重要的參考意義。

1 基本物理力學(xué)性質(zhì)

②層Quelo砂的物理力學(xué)指標統(tǒng)計平均值見表1，其具有的一個顯著特點是含水率較低，孔隙比較小，卻有較明顯的濕陷性，以濕陷系數(shù)0.015作為評價標準評價[6]，Quelo砂從輕微濕陷至強烈濕陷均有分布。

圖1 場地某一工程地質(zhì)剖面圖Fig.1 Engineering geological section of the site

含水率重度飽和度孔隙比壓縮系數(shù)濕陷系數(shù)w/%γ/(kN·m-3)Sr /%ea1-2/MPa-1δs5.917.5260.6080.150.020

圖2為某工程場地內(nèi)Quelo砂不擾動土樣天然含水率與200 kPa壓力下濕陷系數(shù)的相關(guān)關(guān)系，可以得出Quelo砂濕陷系數(shù)隨初始含水率變化關(guān)系與黃土是類似的，含水率大小對濕陷性的發(fā)揮具有重要影響[7～8]，濕陷系數(shù)隨含水率增大而強化，隨含水率減小而退化。圖2中以含水率4.0%為界線，當含水率小于4.0%時，Quelo砂具有較大的濕陷系數(shù)，反之其濕陷系數(shù)則大為減小。參考濕陷性黃土濕陷系數(shù)取0.015的界線值，當Quelo砂含水率超過6.0%左右時，其濕陷性可不予考慮。

圖2 天然Quelo砂濕陷系數(shù)隨含水率變化散點圖Fig.2 Scatter plot of collapsible coefficient vs moisture content of the natural Quelo sand

劉爭宏等研究了天然和浸水條件下羅安達濕陷性砂的標貫試驗[3]，浸水后砂土的實測標準貫入試驗錘擊數(shù)大幅度降低(圖3)，可見羅安達砂土的力學(xué)性質(zhì)對水極其敏感，受雨季及旱季交替變化的影響，羅安達砂的工程性質(zhì)不宜單純用標貫試驗來評價。

圖3 天然及浸水條件下標貫試驗結(jié)果Fig.3 SPT blows under the natural and wetted conditions

2 200 kPa壓力下浸水載荷試驗

開展200 kPa壓力下的浸水載荷試驗，其目的是為了現(xiàn)場實測羅安達Quelo砂的附加濕陷量，從現(xiàn)場試驗的角度對Quelo砂的濕陷程度進行判斷。試驗均采用面積為0.25 m2的圓形承壓板，對應(yīng)的直徑d=564 mm，換算為方形承壓板的寬度b=479 mm[9]。按換算后的b值，以《巖土工程勘察規(guī)范》中ΔFs/b值為判斷標準，得到的試驗結(jié)果見表2。

試驗結(jié)果表明，參考《巖土工程勘察規(guī)范》的判斷標準，羅安達Quelo砂在200 kPa壓力下浸水載荷試驗的附加濕陷量ΔFs與承壓板寬度b之比大于0.023，判定為濕陷性土。結(jié)合圖2室內(nèi)土工試驗結(jié)果，即可從室內(nèi)試驗及現(xiàn)場試驗的角度證明了羅安達砂土為濕陷性土，且濕陷程度可判定為輕微—中等。

表2 200kPa壓力下浸水載荷試驗結(jié)果Table 2 Results of Watering PLT under 200 kPa load

3 天然條件下的載荷試驗

從標準貫入試驗結(jié)果可以做出判斷，羅安達砂的承載力會受水分的影響，在含水率大的情況下其承載力必然會降低。通過已有的載荷試驗數(shù)據(jù)，將p-s曲線繪于圖4中，在含水率變化較小的情況下，可以看到曲線族大致可分為上下2個部分，中間形成一塊空白區(qū)域，反映出Quelo砂的一個宏觀規(guī)律，即以土層的含水率進一步區(qū)分，除了個別情況，Quelo砂大體上可以以含水率4.0%為界線，上部分曲線對應(yīng)的試驗土層含水率小于4.0%，其承載力特征值可達到300～500 kPa，而下部分曲線對應(yīng)試驗土層的含水率一般都大于4.0%，其承載力特征值僅為120～180 kPa。也就是說當羅安達砂的含水率超過4.0%時，其承載力會有非常明顯的降低，且對含水率的變化十分敏感，甚至小于1%的微小變化即可導(dǎo)致承載力數(shù)倍的降低。

圖4 天然條件下Quelo砂載荷試驗結(jié)果Fig.4 PLT Results of the Quelo sand under the natural conditions

此時，含水率的大小同樣決定了Quelo砂的濕陷強度(圖2)，羅安達Quelo砂的承載力與濕陷可能導(dǎo)致的地基變形則形成了一對矛盾體。當?shù)鼗梁瘦^小時具有較大的地基承載力，但卻具有較大的濕陷變形。當?shù)鼗梁瘦^大且大到一定程度時，Quelo砂的濕陷系數(shù)將大大減小，若濕陷變形可滿足設(shè)計對沉降的要求，其承載力又可能降低到無法滿足上部荷載的要求。加之安哥拉的氣候分為雨季和旱季，分布于地表面的羅安達濕陷性砂的含水率變化受季節(jié)影響則較大，以天然土層載荷試驗得出的地基承載力具有很大的風(fēng)險，是不適宜作為地基承載力設(shè)計參數(shù)的。

4 浸水飽和條件下的載荷試驗

天然狀態(tài)下羅安達Quelo砂的承載力對水十分敏感，且自然條件下Quelo砂的含水率的大小是隨機的，無法保證其承載力處于穩(wěn)定的狀態(tài)。因此，考慮極端不利條件下的承載力對工程建設(shè)的安全具有重要意義。本文收集了6組浸水載荷試驗結(jié)果(圖5)，試驗前在試坑中預(yù)先浸水超過24 h后開始加荷，并在試驗過程中始終保持一定的水頭。

圖5 浸水飽和條件下載荷試驗結(jié)果Fig.5 PLT Results of the Quelo sand under the watering conditions

從圖5的試驗結(jié)果來看，Quelo砂浸水飽和后的承載力較低，p-s曲線緩變型為主，以沉降量為0.01b時對應(yīng)的荷載值作為承載力特征值[5,10]，Quelo砂飽和條件下的承載力特征值大多在60～100 kPa，且隨著荷載的增加，其沉降量持續(xù)增大。因此對于荷載較大的多數(shù)建筑物而言，Quelo砂的承載力不足，且可能發(fā)生較大的變形，對工程設(shè)計存在較大的風(fēng)險。

5 不同深度的載荷試驗

為研究Quelo砂不同深度的承載力性狀，開展了探井內(nèi)不同深度天然及浸水條件下的深層載荷試驗各2組，試驗深度分別為1.5 m和3.0 m，采用0.5 m2的圓形載荷板，試驗過程滿足《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》的要求。深層載荷試驗布置在直徑0.9 m的探井中，天然狀態(tài)下的試驗在探井開挖到試驗深度后立即安裝設(shè)備開始試驗。浸水條件下的試驗則在探井底部預(yù)留20 cm土層并預(yù)先在井底保持30 cm水頭浸水24 h，停水后開挖井底浮土后安裝好設(shè)備，然后保持繼續(xù)浸水并完成試驗，測試浸水飽和后土層的承載力。

圖6為本次深層載荷試驗的結(jié)果曲線，結(jié)果顯示天然條件下3.0 m深度的地基承載力反而比1.5 m處的低，究其原因為場地內(nèi)靠近地表的土層因Quelo砂的水分被植物根系吸收以及當?shù)厝照諒姸雀?、蒸發(fā)量大等原因?qū)е缕浜势毡榈陀谙虏枯^深地層，因而天然條件下3.0 m深度處地基承載力低于1.5 m處地基承載力，符合前述紅砂承載力隨含水率增大而衰減的規(guī)律。根據(jù)圖6中p-s曲線，以沉降量為0.01b時對應(yīng)的荷載值作為承載力特征值[10]，對各試驗數(shù)據(jù)進行插值計算，確定的1.5 m和3.0 m深度深層載荷試驗的承載力特征值分別為599 kPa和457.5 kPa，浸水飽和條件下承載力特征值分別為82 kPa和110 kPa，可見含水率的增加對不同深度Quelo砂的承載力同樣具有顯著降低的影響，且衰減幅度較大，采用天然條件下的承載力特征值是偏于危險的。

圖6 天然及浸水條件下載荷試驗結(jié)果Fig.6 PLT results of the Quelo sand under the natural and soaking conditions

從不同深度的浸水載荷試驗結(jié)果來看(圖7)，隨著試驗深度的增加，承載力具有一定的提高，且其p-s曲線形態(tài)類似，具有相同的破壞模式，參考《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中對黃土地基承載力的深寬修正公式：

fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-1.50)

(1)

圖7 浸水條件下載荷試驗結(jié)果Fig.7 PLT results of the Quelo sand under the soaking conditions

以浸水飽和條件下深層載荷試驗計算，不考慮寬度修正，取γm=17.5 kN·m-3，通過反算，可得出本次試驗場地內(nèi)的羅安達紅砂地基承載力的深度修正系數(shù)ηd=1.07。但試驗數(shù)量較少，對紅砂的深度修正系數(shù)還需要進一步開展和收集試驗資料，開展統(tǒng)計研究。

6 紅砂地基基礎(chǔ)設(shè)計的討論

對紅砂的地基基礎(chǔ)設(shè)計，一種是根據(jù)建筑物類別消除紅砂地基的全部濕陷量或部分濕陷量，參考濕陷性土的處理方法進行設(shè)計；另一種是將紅砂當做一般地基，確定出可靠的承載力值后進行設(shè)計。

雖然濕陷性試驗結(jié)果表明紅砂是一種濕陷性土，然而，由于目前對紅砂地基濕陷性的研究成果不多，濕陷系數(shù)取多大值作為紅砂地基濕陷性的判別標準還沒有一個明確的結(jié)論，如何確定紅砂的地基承載力是工程實踐中首要解決的問題。圖8為參考《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[6]取濕陷系數(shù)為0.015作為紅砂濕陷性的判定標準，室內(nèi)試驗得出的紅砂濕陷起始壓力值為8 kPa至超過200 kPa，當中多數(shù)結(jié)果小于《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中對乙類建筑和丙類多層建筑地基處理后，下部未處理濕陷性土層濕陷起始壓力不小于100 kPa的要求，再加上紅砂地基的承載力對水分的變化十分敏感，此時沿用濕陷性黃土地基的設(shè)計理論需要對整個紅砂地層進行消除濕陷性的處理或采用樁基礎(chǔ)，對于一般的建筑物，可能造成投資的大幅增加。

圖8 紅砂濕陷起始壓力隨深度變化散點圖Fig.8 Scatter plot of the initial collapse pressure vs. depth of the red sand

從含水率對承載力影響的結(jié)果來看，即使在完全浸水飽和的極端條件下，承載力還是可以進行一定程度修正的，因此，按一般地基基礎(chǔ)設(shè)計理論，充分考慮紅砂地基土的含水率變化對地基承載力的影響，通過相應(yīng)的地基處理并滿足下臥層承載力要求的條件下進行工程設(shè)計是可行的。

7 結(jié)論

(1)水對羅安達Quelo砂的濕陷性影響十分顯著，Quelo砂的濕陷系數(shù)隨初始含水率的增大具減小的趨勢，以含水率4.0%為界線，當Quelo砂含水率超過4.0%時，濕陷系數(shù)迅速減小。若以濕陷系數(shù)0.015為判定標準，當Quelo砂的含水率超過6.0%左右時，其濕陷性可不予考慮。

(2)因?qū)uelo砂的濕陷性缺乏室內(nèi)試驗判定標準，通過200 kPa 壓力下的浸水載荷試驗可進一步判定羅安達Quelo砂為濕陷性土，其濕陷程度為輕微—中等。

(3)天然條件下，Quelo砂的含水率小于4.0%時具有較大的承載力，當含水率超過4.0%時，其承載力會有非常明顯的降低，且對含水率的變化十分敏感，小于1%的微小變化即可導(dǎo)致承載力數(shù)倍的降低。Quelo砂浸水飽和條件下的承載力特征值較小，且隨著荷載的增加，其沉降量持續(xù)增大，Quelo砂的承載力和沉降變形特性對工程具有較大風(fēng)險。

(4)對水極其敏感的Quelo砂承載力與濕陷程度具有同時變大或變小的同向變化特點，工程實踐中難于兼顧承載力和變形的要求，應(yīng)采用適宜的地基處理方案。而在濕陷系數(shù)0.015的標準下，Quelo砂的濕陷起始壓力是無法滿足基于濕陷性理論的要求進行地基處理和基礎(chǔ)設(shè)計的。建議Quelo砂地基基礎(chǔ)設(shè)計時根據(jù)深層載荷試驗的結(jié)果，充分考慮紅砂地基土含水率變化對地基承載力的影響，按照一般地基基礎(chǔ)的設(shè)計理論來指導(dǎo)工程建設(shè)。