花崗巖殘積土上基礎(chǔ)工程問題的探討 本文檔格式為 WORD,感謝你的閱讀。 摘要：花崗巖殘積土由于其特殊成因，而具有鮮明的工程特性。近年來，花崗巖殘積土上基礎(chǔ)工程問題時有出現(xiàn)，有必要將其作為一類工程問題專門研究。了解花崗巖殘積土特性，并對其工程問題進行的探討，對于其在工程上的應(yīng)用有積極意義。 關(guān)鍵詞：花崗巖殘積土 ，結(jié)構(gòu)性 ，土擾動， 地基基礎(chǔ)承載力 ，基樁高應(yīng)變試驗 Abstract: the granite residual soil underlying causes due to its special, and has the distinct engineering properties. In recent years, granite residual soil underlying foundation has appeared on engineering problems, it is necessary to as a kind of special research engineering problems. Understand the granite residual soil underlying characteristics, and its engineering, this paper for the engineering application of the positive significance. Keywords: granite residual soil underlying, structural, soil disturbance, foundation bearing capacity, the foundation pile high strain test P619.22+2 A 1 前言 花崗巖殘積土在我國南方地區(qū)廣泛分布，土層厚度大，且分布很不均勻。土層承載力較高，地基應(yīng)力可以應(yīng)用到彈塑性狀態(tài)?；A(chǔ)設(shè)計中對其承載力的有效充分利用，可以收到很好的經(jīng)濟效果。但是，隨著基礎(chǔ)工程建設(shè)的飛速發(fā)展，工程問題也日益突出。近年來，廣州番禺地區(qū)地基基礎(chǔ)檢測中就發(fā)現(xiàn)，不少花崗巖殘積土上地基基礎(chǔ)承載力就達不到設(shè)計要求。 花崗巖殘積土 “ 大孔隙 比、高壓縮性與高強度 ” 工程特性源于其結(jié)構(gòu)性，大量的壓縮試驗及原位靜載試驗表明，側(cè)向應(yīng)力卸荷、失水干縮、飽和軟化、周期荷載等擾動損傷因素對其強度、壓縮性的影響頗大。本文通過兩個工程案例，從花崗巖殘積土的特性上分析工程問題，并在基礎(chǔ)形式選擇、承載力確定、基礎(chǔ)工程檢測等方面進行了一些探討。 2 工程案例 案例一： 某產(chǎn)業(yè)園 C25#廠房，采用天然地基基礎(chǔ)，設(shè)計承載力特征值 fak=200kPa，基礎(chǔ)埋深 2.1m，場地土層分布如下： 素填土（ Qml）：以近期人工回填的素填土為主， 在場地內(nèi)均有分布，厚度 0.4 9.0m 不等，平均 3.56m。 淤泥質(zhì)土（ Qal）：部分地段含水率較高，流塑 軟塑。平均埋深4.76 m；層厚為 0.8 8.0 m，平均 3.53 m。 粉質(zhì)粘土：濕，軟塑為主，局部呈可塑，粘性一般，部分為坡積成因。本層在場地分布厚度不均勻，埋藏深度變化較大，層頂面埋深 0.0 11.2m，平均為 5.10m；層厚為 0.7 9.6m，平均3.96m。 砂質(zhì)粘性土 (Qel)：為花崗片麻巖劇烈風化殘積土，含砂約在 15%左右。上部軟塑為主，部分可塑狀，下部多為硬塑狀，且風化不均，部分地段 夾有半巖半土狀全風化巖。本層在場地普遍分布，層頂面埋深 0.0 19.2m，平均為7.46m；層厚為 2.4 20.2m，平均 10.66m。 全風化花崗片麻巖：麻黑色，堅硬 半巖半土狀，含中細砂，稍濕，遇水易崩解軟化。風化不均，為殘積土和強風化巖過渡帶，局部夾強風化巖粒。層頂面埋深 11.0 31.20m，平均為 21.79m；層厚為 0.30 16.6m，平均 3.87m。 對基礎(chǔ)的 5 個軸線交點進行了地基土載荷試驗，壓板面積 0.5，試驗分 8 級加載， 5 個檢測點都在加載到 350kPa時，沉降量偏大，終止試驗， 結(jié)果如下表： 案例二： 某花園第四期商住樓，使用 500mm 厚壁預(yù)應(yīng)力管樁，設(shè)計單樁承載力特征值 2200kN，靜載試驗極限承載力4400 kN。地質(zhì)勘察報告揭示，地層簡單，表層 1 2m素填土，粉質(zhì)粘土 3 10m 左右，花崗巖殘積土 30 40m，下為全風化和強風化巖層。設(shè)計樁端持力層為強風化巖。一部分樁是錘擊打入，總錘擊數(shù) 12001600 錘，也有小部分樁靜力壓入，最大靜壓力 5300 kN。入土樁長一般為 1527m，最大達到 34m。靜載試驗 28根樁，有 6 根樁承載力達不到設(shè)計要求，最小單樁極 限承載力 2200 kN。從中選取具有代表性的 3根樁，結(jié)果如下表： 3 土層厚度、土質(zhì)不均勻 花崗巖殘積土是殘留在原地未被風和降水搬運的那一部分原巖風化剝蝕后的產(chǎn)物。它的分布受地形控制，因地形起伏，殘積土厚度在小范圍內(nèi)變化較大。案例一中的場地土花崗巖殘積土層厚度變化范圍很大，對天然地基基礎(chǔ)設(shè)計土層和基礎(chǔ)埋深的選擇造成困擾?；A(chǔ)設(shè)計僅依靠地質(zhì)勘察資料提供的信息有時是不夠的。宜通過施工過程中的現(xiàn)場驗槽、原位標貫和現(xiàn)場靜載荷試驗修正土層承載力，調(diào)整優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計方案。 花崗巖殘積土是未經(jīng)搬 運的，土顆粒沒被磨圓或分選，沒有層理結(jié)構(gòu)，均質(zhì)性很差。在山地、丘陵、平原，其分布特征各有不同。地形起伏區(qū)殘積土一般還伴隨有坡積成因土，它一般分布在坡腰或坡腳，由高處巖石風化產(chǎn)物經(jīng)沖刷剝蝕，沿坡移動、沉積而成，隨斜坡往下呈由粗到細的分選現(xiàn)象。坡積土在坡腳、洼地容易積聚，土層厚度較大。天然狀態(tài)下，花崗巖殘積土強度較高，且越往深處靠近基巖強度越高。表層殘積土孔隙比小，透水性差，自上至下孔隙比逐漸增大，透水性變好。案例一中 C25#廠房天然地基土載荷試驗時，現(xiàn)場勘查土層細粒成分含量偏大，含砂量低，屬粉質(zhì)粘性土，接近表 層殘積土或坡積土性，試驗結(jié)果承載力不滿足設(shè)計要求。相鄰地基土層試驗點同樣試驗條件，細粒含量相對較小，結(jié)果試驗承載力滿足設(shè)計要求。 4 結(jié)構(gòu)強度和土擾動 從廣義上來說，土都具有結(jié)構(gòu)性 1，亦即土顆粒和空隙的形狀、排列方式以及土顆粒之間力的相互作用。土的結(jié)構(gòu)性源于土的天然性，花崗巖殘積原狀土因其成因而具有特定的結(jié)構(gòu)，保留著原巖一定的殘余結(jié)構(gòu)強度。結(jié)構(gòu)強度由土沉積過程中的物理化學(xué)因素使顆粒相互接觸處產(chǎn)生的固化聯(lián)結(jié)鍵而形成。 傳統(tǒng)方法測得的先期固結(jié)壓力 pc和超固結(jié)比 OCR 只針對非結(jié)構(gòu)性 土，對于原狀結(jié)構(gòu)性土，應(yīng)稱之為結(jié)構(gòu)屈服壓力k 和結(jié)構(gòu)應(yīng)力比 2。結(jié)構(gòu)屈服壓力 k 是先期固結(jié)壓力 pc和結(jié)構(gòu)強度 q 之和。圖 1 為結(jié)構(gòu)性土原狀樣和重塑樣的壓縮曲線，從中看出，該土樣具有明顯的結(jié)構(gòu)屈服壓力 k ，當壓力超過 k 時曲線陡降，結(jié)構(gòu)強度損失。圖 2 中擾動土重塑還原后的壓縮曲線與原狀土壓縮曲線之間的陰影區(qū)域，即結(jié)構(gòu)強度區(qū)域。結(jié)構(gòu)強度區(qū)域反映了不同荷載、不同孔隙比下的結(jié)構(gòu)強度大小 9。 圖 1 原狀樣和重塑樣的壓縮曲線圖 2 原狀結(jié)構(gòu)性土的結(jié)構(gòu)強度 在鉆探取樣、土樣運輸和切取制作時，土的結(jié)構(gòu)性極 易因擾動而破壞，使其結(jié)構(gòu)強度損失。這也是一般的室內(nèi)土工試驗方法物理力學(xué)性質(zhì)分析所得的地基承載力偏低，而原位測試承載力較高的原因。 案例二擠土樁施工過程中，樁周土受力擠密，土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化?；◢弾r殘積土原有結(jié)構(gòu)性遭到破壞，結(jié)構(gòu)強度損失，且很難在自重壓力下重塑。該類場地預(yù)制擠土樁的樁側(cè)摩阻力與按一般原狀粘性土經(jīng)驗計算的值相比偏低。 5 基礎(chǔ)形式的選擇 低層或多層建筑物的地基基礎(chǔ)，采用柱網(wǎng)下條形基礎(chǔ)，花崗巖殘積土層一般能滿足承載力要求，應(yīng)適當考慮施工擾動和地下水的作用。 高層建筑樁基礎(chǔ)設(shè)計中，采用沖、鉆孔或人工挖孔灌注樁，土擾動和地下水影響明顯時，造成一部分原狀土強度的損失且很難經(jīng)驗估計，設(shè)計安全度不夠容易造成樁基失效。近年來， PHC 高強預(yù)應(yīng)力管樁得到廣泛的應(yīng)用，但由于花崗巖殘積土強度較高，打、壓入樁都比較困難，加上持力層土層變化大，以及砂夾層、孤石等影響，時有斷樁現(xiàn)象發(fā)生，用樁長度也難以預(yù)估，造成截樁量大、浪費太多。 在花崗巖殘積土層上，植入增強體樁是比較好的復(fù)合地基處理方案。依據(jù)對地基土強度實行 “ 差多少補多少 ” 的原則，并鋪設(shè)合適的褥墊層使增強體樁與 地基土整體受力、變形匹配。復(fù)合地基布樁方案靈活、施工周期短，質(zhì)量易控，處理容易，成本相對較低，能達到很好的經(jīng)濟效果。研究既能充分利用花崗巖殘積土天然地基承載力，又能與花崗巖殘積土相適應(yīng)的復(fù)合地基施工方法，具有實踐意義。 6 地基基礎(chǔ)承載力設(shè)計值的確定 地基土承載力設(shè)計值可以由抗剪強度指標確定，案例一地質(zhì)勘察資料提供的天然地基基礎(chǔ)巖土設(shè)計參數(shù)建議值如下表： 按規(guī)范 6，取寬 3m，埋深 2.1m 的基礎(chǔ)，由 fa=Mbb+ Mdmd+Mcck 計算地基承載力得：粉質(zhì)粘土 fa = 151.5 kPa，砂質(zhì)粘性土（殘積土） fa =170.4 kPa。 地基承載力特征值 fak，也可由原位標準貫入試驗擊數(shù)N 由經(jīng)驗關(guān)系確定。對上表中地質(zhì)資料提供的地基承載力特征值 fak 再進行深寬修正， fa = fak +b （ b-3） +dm（ d-0.5）。修正后結(jié)果，粉質(zhì)粘土 fa =160.4 kPa；砂質(zhì)粘性土（殘積土） fa =233.6 kPa。相比由抗剪強度確定的承載力偏大。顯然，由于土樣的擾動，室內(nèi)土工試驗測得土抗剪強度指標確定的地基承載力偏小，工程上過于保守。事實上，原位地基土載荷試驗結(jié) 果，場地內(nèi)除 C25#廠房外花崗巖殘積土 fak 都在 200kPa 以上。 花崗巖殘積土承載力宜根據(jù)標準貫入試驗等原位測試資料，結(jié)合當?shù)亟?jīng)驗綜合確定。規(guī)范 6規(guī)定地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級的，必須由現(xiàn)場靜載荷試驗確定。按現(xiàn)場靜載荷試驗確定的地基承載力方法直觀可靠，所測得的成果能反映載荷板下一定深度內(nèi)土體的平均性質(zhì)，可以作為基礎(chǔ)工程驗收手段。但由于時間周期長、費用高，且試驗所得成果指標比較單一，局限性較大。 豎向抗壓樁的承載機理比較復(fù)雜，其承載力和樁的幾何尺寸與外形、樁側(cè)土與樁端土的性質(zhì)、成樁工藝等 因素有關(guān)。根據(jù)原位單、雙橋探頭靜力觸探資料，確定的混凝土預(yù)制樁的極限承載力標準值比較可靠，但需要耗費大量人力物力；根據(jù)土的物理指標與承載力參數(shù)之間的經(jīng)驗關(guān)系確定單樁豎向極限承載力標準值簡單方便，但存在一定偏差。通過長期試驗資料積累，建立本地區(qū)極限側(cè)阻力標準值和極限端阻力標準值與土層物理指標、巖石飽和單軸抗壓強度以及靜力觸探等土原位測試指標間的經(jīng)驗關(guān)系 7。量化花崗巖殘積土在不同條件下受地下水、土擾動影響的經(jīng)驗指標，可用來指導(dǎo)基礎(chǔ)設(shè)計。 7 承載力檢測 天然地基基礎(chǔ)的驗收通過施工驗槽，并輔 以一定的原位測試手段完成。對原狀土進行地基土載荷試驗和對基樁進行單樁豎向承載力靜載試驗，都能取得直觀可靠的檢測結(jié)果，但時間長、費用大。 基樁高應(yīng)變試驗方便快捷、費用相對較低，對場地要求也沒靜載試驗高，適合對基樁承載力大面積抽檢。花崗巖殘積土上高應(yīng)變檢測同樣具有特殊性。樁周花崗巖殘積土的高強度，決定激發(fā)土阻力需要更大的沖擊力；高壓縮性決定激發(fā)土阻力需要更大的樁土間相對位移，也就是需要更大的沖擊能量。地基土受迫振動時的阻尼分兩類，一類是逸散阻尼，另一類是材料阻尼。前者是土體中的振動能以表面波和體波向樁 四周和向下方擴散產(chǎn)生，后者是由土粒間摩擦和孔隙中水與氣體的粘滯性產(chǎn)生 5?；◢弾r殘積土的結(jié)構(gòu)性逸散阻尼和受擾動下高孔隙水壓粘滯性引起的材料阻尼，構(gòu)成其高水平阻尼作用，而高應(yīng)變試驗 case 法模型是不考慮樁側(cè)阻尼的。阻尼作用使樁周花崗巖殘積土受剪切時應(yīng)變反應(yīng)明顯滯后于應(yīng)力，在高應(yīng)變試驗中表現(xiàn)為力信號的迅速衰減。在檢測結(jié)果分析上會形成誤區(qū)：認為沖擊力很大，樁土間相對位移卻不明顯，是因為高土阻力阻止了樁土間相對位移，即“ 打不動 ” 。忽視花崗巖殘積土的特殊性進行高應(yīng)變檢測結(jié)果分析，就會在經(jīng)驗上高估基樁承載力。下圖 3 為 案例二中2077#樁的高應(yīng)變試驗曲線： 圖 32077#樁的高應(yīng)變 F-V、 D-E 曲線及 case 法結(jié)果 如圖，高應(yīng)變試驗的最大沖擊力達到 5103kN，但是在t2時刻左右，測試力信號已經(jīng)衰減完全，而此時的樁土間相對運動還遠沒有停止。 靜載試驗不受到地基土阻尼的影響， 2077#樁靜載試驗結(jié)果極限承載力為 2200kN： 圖 42077#樁的靜載試驗 Q-S 曲線 基于動靜對比基礎(chǔ)上的擬合分析，可以獲得高應(yīng)變檢測中樁土模型的幾個關(guān)鍵參數(shù)。在有條件的情況下，對花崗巖殘積土上樁基 礎(chǔ)多做靜載試驗。通過本地區(qū)大量的動靜對比試驗，建立動靜試驗參數(shù)的經(jīng)驗關(guān)系，并對不同情況的花崗巖殘積土場地樁基礎(chǔ)工程進行類比分析，將有助于對高應(yīng)變檢測的承載力的客觀評價。 8 結(jié)語 在擾動和浸水等因素作用下，花崗巖殘積土顯著的微觀缺陷（原生或次生裂隙）不斷擴展，造成其力學(xué)性能的劣化?；◢弾r殘積土的結(jié)構(gòu)性和損傷本構(gòu)模型的研究 8，對于花崗巖殘積土上基礎(chǔ)應(yīng)用有重大的理論和實踐意義。 花崗巖殘積土性質(zhì)主要還是靠室內(nèi)土工試驗結(jié)果來評定。由于土的擾動性，傳統(tǒng)的取樣技術(shù)和常規(guī)的小試樣試驗方法 所得的試驗結(jié)果偏離很大。原位測試點的數(shù)量畢竟有限，因此提高取樣技術(shù)、減少土樣從取出到試驗期間的擾動是需要解決的重點問題。 花崗巖殘積土上基礎(chǔ)應(yīng)用應(yīng)認識到它的工程特殊性。當?shù)貐^(qū)經(jīng)驗不足時，宜多進行原位標貫、靜載荷試驗。經(jīng)驗與試驗結(jié)果相結(jié)合，以全面評價各種基礎(chǔ)形式下的地基土工程性能，用來指導(dǎo)基礎(chǔ)工程設(shè)計和施工，才能保證工程質(zhì)量、取得良好的經(jīng)濟效益。 參考文獻 1 龔曉南，熊傳祥等 .黏土結(jié)構(gòu)性對其力學(xué)性質(zhì)的影響及形成原因分析 J.水利學(xué)報 .2000， 10:43-47 2 李作勤 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