毛烏素沙漠地區(qū)砂層天然地基承載力試驗研究

雷醒民，姜海波

（中煤西安設計工程有限責任公司，西安710054）

1 引言

在毛烏素沙漠地區(qū)，人們對風積沙地層的認識不夠深入，對于荷載大、變形要求高的建筑物，通常采用樁基礎或復合地基。然而，此類建筑物基礎埋置較深，選擇合適的基礎形式、對承載力值進行修正計算后，完全有采用天然地基的可能。中煤陜西公司某項目位于榆林市橫山區(qū)，場地內(nèi)煤儲運系統(tǒng)原煤倉由3 個直徑34.0 m、高度73.5 m 的圓形筒倉構(gòu)成。

在榆橫地區(qū)廣泛分布有第四系上更新統(tǒng)沖湖積層粉細砂，該地區(qū)是地質(zhì)性質(zhì)直接決定了上部建筑物的基礎形式，并且與工程投資緊密相連。

一般勘察報告對此層土的承載力評價值都在150~200 kPa，只有荷載低于200 kPa 的小型建筑物才能使用天然地基，荷載大于200 kPa 的建筑物地基多數(shù)需要進行地基處理[1]。在巖土工程勘察現(xiàn)場工作期間發(fā)現(xiàn)：該項目原煤倉3 個筒倉基礎直接持力層均為第四系上更新統(tǒng)沖湖積層粉細砂，該層粉細砂在場地內(nèi)分布均勻、層厚較大、層位穩(wěn)定、地層平緩、分布連續(xù)，為密實狀態(tài)，考慮深寬修正和下覆地層情況，有做天然地基的可能性。隨后，調(diào)遣靜力觸探設備進行現(xiàn)場靜力觸探，其靜力觸探錐尖阻力亦可達20 MPa 以上，根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第四版）[2]計算可得該土層的承載力特征值可達400 kPa，對比經(jīng)驗值（150~200 kPa）高出1 倍以上。最后，在場地補充進行了淺層平板靜力載荷試驗。結(jié)果證明，該層粉細砂的承載力特征值可達500 kPa。通過以上測試方法表明，該土層具有較力學性能，具備作為高、重、大原煤倉天然地基方案基礎持力層的條件。

2 場地工程地質(zhì)條件

根據(jù)工程地質(zhì)測繪及鉆孔揭露情況，場地地層由新到老依次為第四系全新統(tǒng)人工填土（Q4ml）、風積（Q4eol）粉細砂、第四系上更新統(tǒng)沖湖積（Q3l）粉細砂及粉土、侏羅系砂、泥巖互層（J）。

3 天然地基承載力試驗

在現(xiàn)場勘探過程中發(fā)現(xiàn)，原煤倉地基持力層以及下臥層強度遠比常用值高，若能夠確定基礎形式和埋置深度，原煤倉采用天然地基的可能性非常大，但是在該地區(qū)的工程建設尚未有過如此大膽的做法。

在此之前，對其工程性質(zhì)的認識還停留在利用標準貫入試驗確定其密實度、查承載力的階段，顯然方法過于單一。為了進一步論證天然地基的可行性，在勘察過程中采用了原位載荷試驗、靜力觸探試驗、標準貫入試驗等勘探與試驗結(jié)合的方法對地基土的物理、力學指標進行深入的研究。通過大量現(xiàn)場試驗和計算分析后，提出了采用天然地基的方案，并依據(jù)此編制了詳細的勘察方案。

4 天然地基可行性分析

原煤倉基礎埋深6.00 m，采用圓形筏板基礎，設計荷載標準值為630 kPa。按基礎埋深條件，原煤倉地基直接持力層為③粉細砂層，層位穩(wěn)定，地層平緩，分布連續(xù)，起伏不大。地基承載力特征值fak綜合評價為400 kPa，壓縮模量Es=28.0 MPa，變形模量E0=36.0 MPa，靜力觸探試驗結(jié)果也表明此層有較高的力學強度和較低的變形性狀，且第一下臥層為④粉細砂層，厚度為8.50~13.30 m，層位穩(wěn)定，地層平緩，分布連續(xù)，起伏不大，其力學性質(zhì)較③粉細砂層更好。僅在第三個倉的東北角有厚2.40 m 的④-1 粉土層，呈透鏡狀分布；下部⑤層、⑥層層位穩(wěn)定，地層平緩，分布連續(xù)，起伏不大?？v向上看，地基土層分布連續(xù)、有序，層位穩(wěn)定，無軟弱地層?？傊瑥脑簜}地基土層的縱向和橫向結(jié)構(gòu)來看，③層粉細砂有用作天然地基的可能。

4.1 地基的均勻性評價

為了進一步驗證原煤倉天然地基的可行性，對地基的均勻性進行了計算分析。根據(jù)JGJ 72—2017《高層建筑巖土工程勘察標準》（以下簡稱《勘察標準》）第8.2.3 條對原煤倉地基變形深度范圍內(nèi)各土層的壓縮模量當量值計算可得，壓縮模量當量平均值為20.40，當量模量最大值與當量模量最小值的比值，即Esmax/Esmin=1.063，小于地基不均勻系數(shù)界限值K（依據(jù)《勘察標準》，K 取2.5），說明原煤倉地基屬于均勻地基，也有用作天然地基的可能。

4.2 持力層地基承載力驗算

依據(jù)GB 50007—2011《建筑地基基礎設計及規(guī)范》（以下簡稱《地基規(guī)范》）給定公式（5.2.4），考慮基礎埋深和基礎寬度等條件，修正后的承載力特征值fa是762 kPa，大于設計標準荷載，基礎底面處的平均壓力值pk＜fa，軸心荷載作用時，地基承載力滿足設計荷載要求。

4.3 下臥層承載力驗算

場地內(nèi)④粉細砂層和⑤粉土層，根據(jù)《地基規(guī)范》第5.2.7條，當?shù)鼗芰Ψ秶鷥?nèi)有軟弱下臥層時，應進行軟弱下臥層承載力驗算。經(jīng)計算，③粉細砂層與④粉細砂層的上層土壓縮模量與下層土壓縮模量之比，即Es1/Es2=0.93，地基土層③層粉細砂與⑤粉土層的Es1/Es2=1.4，均小于3，按《地基規(guī)范》表5.2.7，基底壓力擴散角應取0，由于④粉細砂層和⑤粉土層的承載力特征值均達280 kPa，且⑤粉土層頂距基底約17.5 m，不屬于軟弱層，無須進行軟弱下臥層承載力驗算[3]。

針對④-1 粉土夾層，為便于計算，將原煤倉圓形基礎等面積代換為正方形基礎，邊長32.78 m。

根據(jù)《地基規(guī)范》給定公式（5.2.7-1），對④-1 粉土夾層進行驗算，有：

式中，pz相當于作用的標準組合時，為軟弱下臥層頂面處的附加壓力值，kPa；pcz為軟弱下臥層頂面處土的自重壓力值，kPa；faz為軟弱下臥層頂面出經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值，kPa。即地基下臥層④-1 粉土層的驗算滿足要求。

4.4 變形分析

原煤倉采用天然地基的變形計算，主要針對其結(jié)構(gòu)特點，計算地基的沉降量、差異沉降量和傾斜值。地基變形計算主要采用2 種方法：方法1 是根據(jù)《勘察規(guī)程》相關公式計算；方法2 是根據(jù)《地基規(guī)范》相關公式計算。

4.4.1 地基沉降量計算

計算時，在每個原煤倉基礎下選取一個具代表性的鉆孔，原煤倉基礎為圓形基礎，計算深度至粉細砂底部，滿足地基變形計算深度要求，計算結(jié)果如表1 所示。

表1 原煤倉總沉降計算表

從表1 可知，原煤倉采用天然地基后的總沉降量，方法1計算地基總沉降量介于51.50~59.35 mm，而方法2 計算地基總沉降量介于88.07~97.26 mm，煤倉2 的沉降相對較大，均滿足《地基規(guī)范》的要求。

4.4.2 差異沉降及傾斜計算

差異沉降分析：為預估每個原煤倉的角點沉降量，將原煤倉圓形基礎等面積代換為正方形基礎，對煤倉每個角點進行沉降量計算，計算深度至粉細砂底部，滿足地基變形計算深度要求。

傾斜分析：依據(jù)原煤倉角點沉降計算結(jié)果進行基礎傾斜計算，原煤倉傾斜值介于0.000 5~0.002 4，均小于0.005，滿足《地基規(guī)范》的要求。

5 變形監(jiān)測分析

為了充分驗證原煤倉天然地基的可行性，在倉周邊共布置了10 個測斜孔，對施工及運營期間的地基變形進行了長期監(jiān)測，對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理分析可知，測斜管最大水平位移為70.7 mm，最大沉降為43 mm，均在規(guī)范允許范圍之內(nèi)。

6 結(jié)論

綜上所述，本文根據(jù)相關規(guī)范，對毛烏素沙漠地區(qū)風積沙和下部湖積粉細砂的承載力指標進行分析，得出以下結(jié)論：

1）通過對不同方法得出的原煤倉地基土的承載力值進行綜合分析，得出毛烏素沙漠地區(qū)風積沙和下部湖積粉細砂的承載力指標，比該地區(qū)經(jīng)驗指標顯著提高；

2）原煤倉設計采用天然地基，在施工及運營期間對倉體的水平和豎向位移進行了長期監(jiān)測，截至2015 年年底，地基變形值與理論計算基本一致，實踐證明，采用天然地基是可靠的；

3）本次研究成果成功論證了大型煤倉采用天然地基方案的可行性及其適用性，揭示了榆橫地區(qū)第四系湖積粉細砂砂層地基承載能力可達到500 kPa，可以作為大型建筑的天然地基。