西非某工程黏土基本物理力學(xué)性質(zhì)及地基承載性能分析

左 鵬 孫洪新

（山東巖土勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，山東 煙臺(tái) 264000）

0 引言

擬建項(xiàng)目位于西非某國(guó)，勘察項(xiàng)目堆場(chǎng)部分無(wú)相關(guān)建筑物，僅為未來(lái)堆放礦料區(qū)域，油庫(kù)區(qū)包括地上1層裝車鶴管平臺(tái)、消防泵房、配電室及火車裝車泵房，3 000方消防水罐、3 000方重油儲(chǔ)罐、5 000方柴油罐、10 000方柴油罐、事故水池以及高桿燈。

場(chǎng)區(qū)內(nèi)陸域地形復(fù)雜，全境分為4個(gè)自然區(qū)：西部為狹長(zhǎng)的沿海平原丘陵區(qū)；中部為平均海拔900 m的高原，西非3條主要河流尼日爾河、塞內(nèi)加爾河和岡比亞河均發(fā)源于此，因此有“西非水塔”之稱；東北部為平均海拔約300 m～400 m的臺(tái)地?？辈靺^(qū)域位于西部沿海平原丘陵區(qū)與河流沖洪積銜接地帶，整體呈由西向東逐漸降低的趨勢(shì)，屬河流階地地貌。區(qū)域內(nèi)氣候?yàn)闊釒Р菰瓪夂?，只有雨季和旱季，全?guó)5月至10月為雨季，降雨量約占全年的90%；11月至次年4月為旱季，干旱少雨?？辈靺^(qū)位于西非克拉通西部邊緣、沿海晚古生界沉降區(qū)。區(qū)域構(gòu)造線總體走向?yàn)楸北蔽飨?，并以一個(gè)規(guī)模較大的向斜盆地和多級(jí)斷裂構(gòu)造為主。

1 場(chǎng)區(qū)黏土的基本力學(xué)性質(zhì)研究

場(chǎng)區(qū)黏土主要有6層，分別為可塑～硬塑的②-1層黏土、軟塑～流塑的②-2層黏土、可塑～硬塑③層黏土、可塑④-1層黏土、軟塑-可塑④-2層黏土以及可塑～硬塑⑤層黏土。以可塑～硬塑②-1層黏土為例，其基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)經(jīng)過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)獲取并統(tǒng)計(jì)。由于黏土試樣的取樣較為良好，試驗(yàn)中不僅對(duì)直剪快剪做了試驗(yàn)，還對(duì)黏土進(jìn)行了三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)和三軸固結(jié)不排水試驗(yàn)，各指標(biāo)的試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 ②-1層黏土的物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)

從表1可以看出，②-1黏土的含水量w變化范圍較大，含水量w的標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到17.4，變異系數(shù)達(dá)到0.25。這是因?yàn)樵搶油馏w受到地層的埋深、地下水的作用影響明顯，含水量w的變化范圍大也使土體的其他物理力學(xué)性質(zhì)出現(xiàn)較大的離散型，最明顯的是液限wL和塑限wP。液限wL對(duì)應(yīng)的變化范圍是從37.2%至86.6%，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到12.5，而變異系數(shù)達(dá)到0.20；塑限wP對(duì)應(yīng)的變化范圍是從20.4%至58.7%，標(biāo)準(zhǔn)差達(dá)到8.95，而變異系數(shù)達(dá)到0.20。在力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)上，②-1層黏土的直接快剪強(qiáng)度指標(biāo)變化范圍較大，而三軸UU強(qiáng)度指標(biāo)和三軸CU強(qiáng)度指標(biāo)的變化范圍則相對(duì)較小。這是因?yàn)槿S試驗(yàn)更能反映高含水量和高孔隙比的黏性土強(qiáng)度。另外，從表1也可以看出，②-1層黏土的壓縮性變化也較大，其壓縮系數(shù)a1-2從0.61 MPa-1變化至4.47 MPa-1不等，而壓縮模量Es從0.887 MPa變化至3.718 MPa不等。由此可知，對(duì)場(chǎng)區(qū)的黏性土的基本物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)和地基承載力的研究需要考慮土層的不均勻性和離散型，應(yīng)該從統(tǒng)計(jì)學(xué)的角度更宏觀地考慮土層參數(shù)隨空間位置和天然狀態(tài)的不同產(chǎn)生的變異，進(jìn)而使工程應(yīng)用中選擇的參數(shù)更具代表性[1-3]。含水量的多少會(huì)直接影響?zhàn)ば酝恋奶烊粻顟B(tài)，也使其表現(xiàn)出不同的力學(xué)性質(zhì)，因此對(duì)各層土含水量變化的研究可更直觀地反映黏性土的物理性質(zhì)。各層土樣含水量的分布如圖1所示。從圖1可以看出，各層黏土的含水量出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象，這和各黏土層的歷史成因以及所處位置的地下水水位有關(guān)，也決定了各黏土層不同的物理力學(xué)性質(zhì)。③層黏土的含水量總體上分布最低，含水量平均值為24.4%；②-2層黏土的含水量總體上分布最高，含水量平均值達(dá)到68.7%，為流塑狀；②-1層黏土、⑤層黏土、④-2層黏土和④-1層黏土的含水量介于兩者之間，且分布的范圍較為集中，數(shù)據(jù)波動(dòng)不大，含水量平均值分布為28.8%、43.2%、45.8%和46.6%。

圖1 各土層含水量分布

黏土的密度反映了土層顆粒之間的密實(shí)程度，也反映了其結(jié)構(gòu)的內(nèi)在排列和空隙間水分的多少。一般而言，黏土的密度越大，表明其越具有更“堅(jiān)硬”的力學(xué)性質(zhì)，因此研究各黏土層的密度也在一定程度上反映了其力學(xué)特征[4]。各層土樣密度的分布如圖2所示。從圖2可以看出，各層黏土的密度分布較為集中，98%的樣本密度分布在1.6g/cm3～2.0g/cm3，②-2層黏土的含水量總體上分布最低，且離散性較大，密度平均值為1.56g/cm3；④-1層黏土的密度總體分布最集中，密度平均值為1.71g/cm3；④-2層黏土、⑤層黏土、③層黏土和②-1層黏土的密度分布的范圍較為集中，數(shù)據(jù)波動(dòng)不大，密度平均值分布為1.71g/cm3、1.77g/cm3、1.95g/cm3和1.87g/cm3。

圖2 各土層密度分布

與無(wú)黏性土不同，飽和黏性土的強(qiáng)度指標(biāo)最直接地反映在黏聚力上，黏聚力也是設(shè)計(jì)中最重要的輸入?yún)?shù)之一，因此選擇各黏性土的黏聚力指標(biāo)進(jìn)行研究比選擇內(nèi)摩擦角更有意義。各層土樣直剪快剪黏聚力的分布如圖3所示。從圖3可以看出，各層黏土的直剪快剪黏聚力出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象，且各層黏土的直剪快剪黏聚力離散性均較大。②-2層黏土的直剪快剪黏聚力總體上分布最低，直剪快剪黏聚力平均值為7.4 kPa；③層黏土的直剪快剪黏聚力最分散，直剪快剪黏聚力平均值為40.4 kPa；②-1層黏土、④-1層黏土、⑤層黏土和④-2層黏土的直剪快剪黏聚力平均值分布為20.8 kPa、31.4 kPa、37.3 kPa和40.9 kPa。

圖3 各土層黏聚力分布

土層的壓縮模量在一定程度上與其地基承載力有一定的關(guān)系，這是因?yàn)閴嚎s模量是反映土體承受外力的剛度變化參數(shù)。土層壓縮模量越大，表明其可承受越大的豎向壓力，而土層壓縮模量越小，表明其承受的地基承載力也越小，因此研究各層黏土的壓縮模量對(duì)認(rèn)識(shí)土層的豎向承載性質(zhì)有重要的作用。各層土樣壓縮模量的分布如圖4所示。從圖4可以看出，各層黏土的壓縮模量出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象，這和各黏土層的含水量、密度以及黏聚力的分布規(guī)律有一定的相關(guān)性。②-2層黏土的壓縮模量總體上分布最低，壓縮模量平均值達(dá)到1.923 MPa；③層黏土的壓縮模量總體上分布最高，壓縮模量平均值達(dá)到6.615 MPa；④-1層黏土、②-1層黏土、⑤層黏土和④-2層黏土的含水量介于兩者之間，且分布的范圍較為集中，數(shù)據(jù)波動(dòng)不大，含水量平均值分布為4.904 MPa、5.108 MPa、5.417 MPa和5.452 MPa。

圖4 各土層壓縮模量分布

2 場(chǎng)區(qū)黏土的地基承載力

由場(chǎng)區(qū)的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)分析可知，各層黏土之間的含水量、密度、黏聚力與壓縮模量之間均表現(xiàn)為各自的力學(xué)特性，因此確定各層的地基承載力對(duì)基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。一般而言，與砂土和粉質(zhì)黏土相比，黏土的力學(xué)性質(zhì)分布較為均勻，其地基承載力確定可以按照塑性狀態(tài)理論公式進(jìn)行計(jì)算，即當(dāng)基礎(chǔ)受上部建筑物的荷載作用時(shí)，將所有荷載換算為中心荷載，荷載經(jīng)過(guò)基礎(chǔ)底部向地基土進(jìn)行傳遞。不斷增加上部荷載的質(zhì)量時(shí)，地基土發(fā)生剪切，當(dāng)出現(xiàn)剪切破壞的臨界壓力時(shí)，可以認(rèn)為地基土的承載達(dá)到了特征值，因此臨界壓力的計(jì)算方法可以由公式（1）確定。

式中：fcr為地基土的承載力特征值或者臨塑荷載；ck為黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值；φk為摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；γm為土體的加權(quán)平均重度；d為基礎(chǔ)埋置深度；Md、Mc為地基土的承載系數(shù)。

從公式（1）可以看出，地基承載力的大小與土層的黏聚力、內(nèi)摩擦角、重度和埋深有明顯的相關(guān)性，在結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)確定各層黏土的物理力學(xué)指標(biāo)后，對(duì)各層黏土的地基承載力特征值進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見表2。從表2可以看出，②-2層黏土的地基土承載力特征值最低，只有90 kPa，這與其物理力學(xué)性質(zhì)最差的特征相一致。其他各層黏土的地基土承載力特征值較為均勻，變化范圍在140 kPa至160 kPa之間，其中③層黏土、④-1層黏土的地基承載力特征值最大，均為160 kPa。從表2也可以看出，地基承載力特征值與壓縮模量之間具有明顯的相關(guān)性，壓縮模量越大，地基承載力特征值也越大。

表2 各層黏土的地基承載力特征值計(jì)算結(jié)果

結(jié)合擬建建筑物設(shè)計(jì)標(biāo)高和場(chǎng)區(qū)地層情況，堆場(chǎng)區(qū)，硬化地面主要位于填土范圍內(nèi)；對(duì)油庫(kù)區(qū)，事故水池基礎(chǔ)位于③層黏土層中，埋置深度為5.0 m，同時(shí)基礎(chǔ)位于地下水位以下，水頭高度較大，承載力能夠滿足要求，應(yīng)重點(diǎn)考慮抗浮問(wèn)題；油庫(kù)區(qū)其他建筑物基礎(chǔ)位于填土層中，埋置深度為1.0 m～1.5 m，天然地基難以滿足要求，建議采用樁基方案。

3 結(jié)論

該文以西非某國(guó)油庫(kù)區(qū)巖土工程勘察項(xiàng)目為研究對(duì)象，采用室內(nèi)試驗(yàn)的方法獲取場(chǎng)區(qū)各個(gè)黏土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)，并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，基于臨塑壓力理論計(jì)算公式對(duì)各層黏土地基的承載力進(jìn)行計(jì)算，得出的結(jié)論如下：1）從物理指標(biāo)上看，各層黏土的含水量出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象，③層黏土的含水量總體上分布最低；②-2層黏土的含水量總體上分布最高；②-1層黏土、⑤層黏土、④-2層黏土和④-1層黏土的含水量介于兩者之間，且分布的范圍較為集中，數(shù)據(jù)波動(dòng)不大。各層黏土的密度分布較為集中，98%的樣本密度分布在1.6 g/cm3～2.0 g/cm3。2）從力學(xué)指標(biāo)上看，各層黏土的直剪快剪黏聚力出現(xiàn)了不同程度的分層現(xiàn)象，且各層黏土的直剪快剪黏聚力離散性均較大，②-2層黏土的直剪快剪黏聚力總體上分布最低，③層黏土的直剪快剪黏聚力最分散。②-2層黏土的壓縮模量總體上分布最低，壓縮模量平均值達(dá)到1.923 MPa；③層黏土的壓縮模量總體上分布最高，壓縮模量平均值達(dá)到6.615 MPa；④-1層黏土、②-1層黏土、⑤層黏土和④-2層黏土的含水量介于兩者之間。3）②-2層黏土的地基土承載力最低，只有90 kPa，這與其物理力學(xué)性質(zhì)最差的特征相一致。其他各層黏土的地基土承載力較為均勻，變化范圍為140 kPa至160 kPa之間。建議選擇③層黏土層為地基基礎(chǔ)的持力層。