東昆侖北麓夏日哈木地區(qū)地基承載力特征值及濕陷性研究

逯登棟，喬玉財，萬世斌，張青福，陸萬杰，董英平

（青海黃河礦業(yè)有限責任公司，青海 西寧 810000）

關(guān)鍵字：平板載荷試驗；濕陷性載荷試驗；浸水載荷試驗；地基承載力；變形模量；濕陷性

隨著夏日哈木鎳鈷礦的開發(fā)建設(shè)開始，夏日哈木地區(qū)相應(yīng)礦權(quán)內(nèi)陸續(xù)有礦產(chǎn)資源儲量新增新發(fā)現(xiàn)，該地區(qū)有望形成一個礦集帶，但該地區(qū)以往屬于無人區(qū)，周邊礦山規(guī)模較小，未對該地區(qū)內(nèi)的工程地質(zhì)條件進行系統(tǒng)有效的分析，該地區(qū)地基承載力方面處于空白，無系統(tǒng)的適應(yīng)夏日哈木地區(qū)地基承載力勘查方法的總結(jié)歸納，也無地基承載力相關(guān)的參照數(shù)據(jù)，為填補此方面的空白，為后續(xù)礦山建設(shè)開發(fā)，廠房及設(shè)備基礎(chǔ)建設(shè)提供較為準確詳細的地基承載力參數(shù)，特開展本項目，對地基承載力特征值及變形模量，以及地基土的濕陷性進行初步評價，并給出建議意見。

1 概況

1.1 地區(qū)概況

夏日哈木地區(qū)地處青海省東昆侖山西段，柴達木盆地南緣山區(qū)。地理位置：東經(jīng)93°16′40″-93°28′00″、北緯36°25′40″-36°30′01″。位于格爾木市西偏南140km，在格爾木-茫崖公路南52km，簡易砂石公路相同，交通較為便利。夏日哈木地區(qū)屬于大陸性干旱氣候，元月最低溫度為-27.2℃，8月最高氣溫為21.2℃，晝夜溫差可達29℃。10月到次年4月為冰凍期。工區(qū)年平均降水量40.2mm，年平均蒸發(fā)量3066.8mm，相對濕度34%。1-5月多西北風，6-9月多東北風。年平均風速3.1m/s，最大風速40m/s，年平均沙暴天數(shù)16天。

夏日哈木地區(qū)內(nèi)有夏日哈木河、蘇海圖河及其支流，匯集后稱小灶火河，全長120km，補給源主要為大氣降水、冰雪融水，構(gòu)成小灶火河地表徑流。地形變化較大，呈典型的高山荒漠地貌。

1.2 地層條件

該地區(qū)地層主要為第四系地層和古元古代金水口群白沙河組。

第四系地層（Q）在該地區(qū)廣泛分布，主要以角礫、礫砂、粗砂、細砂為主，成因比較復雜，主要為坡積、風積等，含鹽量高，呈欠固結(jié)狀態(tài)，具有濕陷性。分述如下：

①細砂（Q eol+dl）：灰黃色，干～稍濕，松散～稍密，局部含微量粉粘粒，主要礦物成分為石英、長石、云母等，局部夾粗砂、礫砂層，級配不良。

②粗砂（Q eol+dl）：灰黃色，稍濕，稍密，主要礦物成分為石英、長石、云母等，級配較好。

③礫砂（Q eol+dl）：灰白色～灰黃色，稍濕，稍密，以細砂為主，其主要礦物成分為石英、長石、云母等，粒徑大于2mm的礫石含礫30%～40%，以風化花崗巖為主，混粒砂充填，級配較好。

④角礫（Q eol+dl）：灰白色～灰黃色，稍濕，稍密，大于2mm礫石含礫一般在50%～60%之間，粒徑一般以2～30mm為主，最大達50mm，為風化的花崗巖，主要礦物成分為石英、長石、云母等，混粒砂充填，級配一般。

⑤碎石土（Q col+dl）：灰白色、灰色，碎石含礫50%～55%，棱角明顯，碎石主要為花崗巖，充填粗砂。

⑥卵石層（Q al+pl）:灰白色、灰色，卵石含量50%～60%，磨圓度較好，充填物為礫石和細砂，局部含10%～20%的漂石。主要巖芯為花崗巖、片麻巖、變質(zhì)砂巖等。

古元古代金水口群白沙河組（Pt1b）

古元古代金水口巖群的白沙河巖組是礦區(qū)地層的主體，出露面積約占60%，分布廣，該地層多被后期花崗巖體所侵蝕，主要為一套中深變質(zhì)巖系，其原巖建造為泥砂質(zhì)沉積碎屑巖-基性火山巖-碳酸鹽巖建造，具有海相陸源碎屑巖為主的活動性沉積建造的特點，編制變質(zhì)程度達到角閃巖相。各巖體分述如下：

（1）強風化花崗巖層：肉紅色-淺灰色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部含黑色浸染體，呈條帶狀分布。主要成分為斜長石、鉀長石、石英及云母，裂隙發(fā)育，裂隙面有鐵錳質(zhì)浸染。風化程度較強，外表面成碎裂狀。

（2）中風化花崗巖層：強風化花崗巖層：肉紅色-淺灰色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，局部含黑色浸染體，呈條帶狀分布。主要成分為斜長石、鉀長石、石英及云母，裂隙較發(fā)育。風化程度中等，巖石較為新鮮。

（3）強風化變質(zhì)砂巖：灰白色，灰黑色，層狀構(gòu)造，細粒結(jié)構(gòu)，裂隙發(fā)育，風化程度較強，風化成碎片或碎粒狀。

（4）中風化變質(zhì)砂巖：灰白色，灰黑色，層狀構(gòu)造，細粒結(jié)構(gòu)，裂隙較發(fā)育，風化程度中等，巖體堅硬裂隙一般發(fā)育。

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

夏日哈木地區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造較為發(fā)育，以北東東向和近東西向兩組斷裂為主，斷裂規(guī)模大，地表形成寬幾米至幾百米破碎帶，破碎帶內(nèi)構(gòu)造巖以壓性特征為主，破碎帶及兩側(cè)綠泥石化、褐鐵礦化較為發(fā)育。兩組斷裂相互交錯，形成時間上北東東向斷裂晚于近東西向斷裂。區(qū)內(nèi)主要斷裂敘述如下：

F1：位于地區(qū)中部，是區(qū)內(nèi)主斷裂，近東西向展布，沿斷裂負地形發(fā)育，形成寬10m～80m不等的破碎帶，帶內(nèi)碎裂巖化發(fā)育，為典型的逆斷層。

F2：位于地區(qū)西側(cè)。北西西向展布，斷裂性質(zhì)為正斷層。斷距20m～50m。

F3：位于地區(qū)西側(cè)，近北東向展布，長約7.2km，斷裂性質(zhì)推斷為右行走滑逆斷層。形成期次較晚，切割南北向斷層。

2 試驗設(shè)計

2.1 試驗?zāi)康?/h3>

通過對細砂和礫砂地層分別進行現(xiàn)場平板載荷試驗，確定各地層地基承載力特征值和變形模量；基于該場地細砂和礫砂地層現(xiàn)場平板載荷試驗和試坑浸水試驗，測定細砂和礫砂地層的濕陷性；通過對濕陷性地層進行試坑浸水狀態(tài)下的平板載荷試驗，確定濕陷起始壓力、浸水狀態(tài)下地基承載力特征值和變形模量。

2.2 試驗設(shè)備安裝

試驗試坑寬度或直徑不小于承壓板寬度或直徑的三倍。載荷試驗試坑標高與地基設(shè)計標高一致。

2.3 試驗步驟

本次平板載荷試驗采用慢速維持載荷法，即逐級加載，每級荷載達到相對穩(wěn)定后再加載下一級荷載，直到試驗進行到滿足規(guī)范終止加載條件，然后分級卸荷載到零。正式試驗前進行預(yù)壓，預(yù)壓荷載為最大加載量的5%，預(yù)壓時間為5min，預(yù)壓后卸載至零，測讀位移測量儀表的初始讀數(shù)并應(yīng)重新調(diào)整零位。

（1）加載分級

加荷方式采用分級維持荷載沉降相對穩(wěn)定法，加荷等級按預(yù)估極限承載力的1/8-1/15分級施加，具體加荷等級根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果隨時進行調(diào)整。

（2）沉降觀測

每級加荷后，觀測時間按間隔5min、5min、10min、10min、15min、15min,以后為每隔半小時測讀一次沉降。當在連續(xù)兩小時內(nèi)，每小時的沉降量小于0.1mm時，則認為已趨穩(wěn)定，可施加下一級荷載。

（3）終止試驗條件

當出現(xiàn)下列情況之一時，可終止加載：

①承壓板周邊土出現(xiàn)明顯側(cè)向擠出、隆起或產(chǎn)生裂縫；

②在某級荷載作用下，24h內(nèi)沉降速率不能達到穩(wěn)定；

③沉降量急劇增大，荷載-沉降(P-s)曲線出現(xiàn)陡降段；

④淺層平板載荷試驗的累計沉降量已大于等于承壓板邊寬或直徑的6%或累計沉降量大于等于150mm;

⑤總加荷量已達到設(shè)計要求值得2倍以上。

2.4 確定地基承載力特征值

淺層平板載荷試驗達到終止條件①-④條時，可取破壞前的最后一級荷載為其極限荷載；

當試驗的P-s曲線上直線段和轉(zhuǎn)折點明顯時，取轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的壓力為比例界限壓力，取該比例界限所對應(yīng)的載荷值為地基承載力特征值；

當試驗的P-s曲線上直線段和轉(zhuǎn)折點明顯時，可在s-lgt曲線、s-lgp曲線上，取曲線急劇轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的壓力為比例界限壓力，取該比例界限所對應(yīng)的荷載值為地基承載力特征值。

當極限荷載小于比例界限壓力2倍時，取極限荷載值的1/2為地基承載力特征值；

當P-s曲線轉(zhuǎn)折點不明顯，不能按比例界限和極限荷載確定時，對砂類土地基可取P-s曲線上s/d=0.010-0.015值對應(yīng)的荷載值確定。

3 試驗及成果分析

依據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007-2011），分別統(tǒng)計各試驗點原始數(shù)據(jù)，并根據(jù)規(guī)范要求計算特征值，獲得相應(yīng)曲線。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)資料，判定夏日哈木地區(qū)的地基濕陷性。

3.1 平板載荷試驗

本試驗天然地基采用現(xiàn)場平板載荷試驗的方法進行，共計試驗點數(shù)4點（W1#、W4#、W7#、W9#）。采用壓板邊長為500mm，面積為0.25㎡的方形壓板。本次試驗采用碓重平臺反力裝置（見圖1）。用大于1.2倍預(yù)定最大試驗荷載的荷重作為反力荷載，并在試驗開始前一次性加上試驗平臺。試驗時采用1個油壓千斤頂加載，樁頂沉降量用2個大量程百分表（0-50mm/0.01mm）觀測。試驗所用計量儀表均經(jīng)相關(guān)計量部門作定期校準和檢定，均在有效期內(nèi)，且精度滿足試驗要求。

圖1 試驗設(shè)計示意圖

在試驗場地開展了4個點位的平板載荷試驗，試驗結(jié)果及分析曲線如下：

圖2 平板載荷試驗結(jié)果及分析曲線

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002）附錄C承載力特征的確定條件及變形模量計算方程，試驗結(jié)果見表1：

表1 平板載荷試驗結(jié)果

3.2 濕陷性載荷試驗

共計試驗點數(shù)4點（W2#、W5#、W8#、W10#），試驗時采用壓板直徑為800mm，面積約為0.5㎡的圓形壓板，采用1個油壓于斤頂加載，樁頂沉降量用4個大量程百分表(0-50mm/0.01mm)觀測。

在原狀結(jié)構(gòu)土層上分級加荷至200kPa，下沉穩(wěn)定后向試坑中浸水，并應(yīng)保持水頭高度200-250mm，測得浸水穩(wěn)定后的沉降量為附加濕陷量。

在試驗場地開展了4個點位的濕陷性載荷試驗，試驗結(jié)果如下：

圖3 濕陷性載荷試驗及分析曲線

根據(jù)《冶金工業(yè)巖土勘察原位測試規(guī)范》（GB/T 50480-2008）第4.3.7條確定濕陷性，見表2。

表2 濕陷性載荷試驗結(jié)果

3.3 浸水載荷試驗

共計試驗點數(shù)2點（W3#、W6#）。試驗時采用壓板直徑為800mm，面積約為0.5㎡的圓形壓板，采用1個油壓千斤頂加載，樁頂沉降量用4個大量程百分表(0-50mm/0.01m)觀測。

在試驗場地開展了2個點位的浸水載荷試驗，試驗結(jié)果如下：

圖4 浸水載荷試驗結(jié)果及分析曲線

根據(jù)《冶金工業(yè)巖土工程勘察原位測試規(guī)范》（GB/T 50480-2008）第4.4.2條確定濕陷起始壓力及浸水狀態(tài)下地層承載力特征值，見表3。

表3 浸水載荷試驗結(jié)果

3.4 濕陷性等級判定

《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001 2009年版）第6條規(guī)定，濕陷性土地基受水浸濕至下沉穩(wěn)定為止的總是限量Δs(cm)，按下式計算：

濕陷性土地基的濕陷登記按表4判定。

表4 濕陷性土地基的濕陷性等級

根據(jù)實驗結(jié)果及相關(guān)勘察資料，得出實驗點總濕陷量及濕陷等級見表5。

表5 濕陷性等級判定結(jié)果

4 結(jié)論及建議

通過一系列試驗，獲取到地基承載力的相關(guān)數(shù)據(jù)參數(shù)，比較準確的掌握了夏日哈木地區(qū)地基承載力的實際情況，從而更準確的確定其承載力，直觀且可靠。夏日哈木地區(qū)淺部地層95%以上都與本試驗場地地層基本一致，所以該試驗結(jié)果對夏日哈木地區(qū)建設(shè)工程地基承載力取值有極大的借鑒和指導意義。

夏日哈木地區(qū)第四系覆蓋區(qū)域淺部細砂地層（2米左右）地基承載力特征為106kPa，變形模量為5.7MPa，深部細砂地層（5m左右）地基承載力特征值為124kPa，變形模量為8.12MPa；淺部礫砂地層（2米左右）地基承載力特征值為151kPa，變形模量為6.67MPa，深部礫砂地層（5m左右）地基承載力特征值為172kPa，變形模量為9.25MPa。

夏日哈木地區(qū)濕陷性為淺部細砂地層（2m左右）有濕陷性，為輕微濕陷，深部細砂地層（5m左右）無濕陷性；淺部礫砂地層（2m左右）有輕微濕陷性，深部礫砂地層（5m左右）無濕陷性。

夏日哈木地區(qū)淺部細砂地層（2m左右）濕陷性起始壓力為107kPa，浸水狀態(tài)下承載力特征值為82kPa，變形模量為2.44MPa；淺部礫砂地層（2m左右）濕陷性起始壓力為139kPa，浸水狀態(tài)下承載力特征值為106kPa，變形模量為3.16MPa。

夏日哈木地區(qū)地基土為細砂、礫砂和角礫，屬于風坡積欠固結(jié)地層，易發(fā)生滲透變形和滲漏，因鹽堿含量較高，砂土使用期間具有液化風險，承載力較低，表層2m～3m松散層未經(jīng)過處理不宜作為持力層，地基土為不均勻土，建議對4m～4.5m松散層采取強夯、換填碾壓、振沖碎石樁等處理措施進行加固。地基承載力特征值及變形模量，濕陷性建議按文中建議值選取。同時，建議在開展夏日哈木地區(qū)地基土其他相應(yīng)的試驗過程中，加強綜合研究分析，對比比較，建議一整套適應(yīng)夏日哈木地區(qū)地基土的勘察方法和地基土參數(shù)值，為本區(qū)域內(nèi)建設(shè)工程項目提供數(shù)據(jù)支持和技術(shù)依據(jù)。