既有碳酸盐岩红土地基物理力学指标与受荷时间相关性研究

2017-09-03赵蕾

科技与创新 2017年16期

关键词：模量孔隙试样

赵蕾

（贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵州贵阳550081）

既有碳酸盐岩红土地基物理力学指标与受荷时间相关性研究

赵蕾

（贵州省水利投资（集团）有限责任公司，贵州贵阳550081）

20世纪七八十年代，贵州省内许多低于8层的民用建筑以及一些荷载和跨度不大的低层工业厂房，均是以碳酸盐岩红土为天然地基并采用浅基础型式修建而成的。受长期上部荷载作用下的既有地基，其物理力学性质会有所变化。基于受荷年限不同的原状碳酸盐岩红土地基土的物理力学试验，利用统计回归分析，对贵州某工厂内碳酸盐岩红土物理力学性质指标和修建前未受荷载土的指标以及受荷时间的相关关系进行了深入研究，给出了相应的经验回归方程和相关系数。

既有地基；碳酸盐岩红土；物理力学性质；受荷时间

随着我国城市建设高速地发展，建筑用地呈现紧张的局面。从发展趋势来看，全国各地有大量的既有建筑面临改建、扩建、加层及地基加固的问题，早期修建的既有建筑，其地基承载力早已不能满足当代社会的发展要求。为了节省更多的时间、费用和劳动力，如何充分利用既有地基的工程特性，对既有建筑所在场地进行重新规划，为新建建筑所用，成为工程勘察行业面临的一大问题。土的物理力学性质是其工程特性的体现，碳酸盐岩红土，在工程界又称作“红黏土”[1]，是覆盖在碳酸盐岩系地层之上，由碳酸盐岩系地层风化产物经红土化地质作用后形成的一类特殊性黏土，广泛分布于中国西南地区，是贵州省内分布范围最广的土类。由于其工程性质良好，拥有高塑性、高含水量、高孔隙比的同时还具有较低的压缩性和较好的强度，所以在20世纪许多低层民用建筑以及一些荷载和跨度不大的低层工业厂房，都是以红黏土作为天然地基，采用浅基础型式修建而成的。红黏土地基由于埋深浅、施工方便简单、基础常位于地下水位之上等原因，避免了很多复杂的水文地质问题以及地下水对基础的侵蚀，是较为理想的天然地基[2-9]。

目前，随着城镇化战略的实施，要不断通过对既有建（构）筑物的改造（包括加层、改建、扩建及改变用途）来提高其使用年限，实现可持续发展。对既有建（构）筑物而言，在使用期间内地基土由于上部载荷的压缩固结作用会使承载力得到一定的提高[10-15]。在保证既有建（构）筑物改造工程安全的同时，充分利用地基土固结效应中承载力得以提高的规律，则会让工程建设节省资金、人力和物力。

对地基后期强度的研究前人做了许多工作，刘宗光[16]通过研究浙江某区域既有软土地基受长期荷载作用后地基土的强度参数变化，得出地基土的强度随地基的排水固结和压密而增高，地基承载力幅度提高了7.8%～22.9%；李平和腾延京[17]通过采用大比尺室内模型试验，对北京地区粉质黏土地基加载持载时不同允许变形控制指标下地基承载力特性进行研究，结果表明在110 kPa的持载荷载下，以3%，5%，10%为允许变形控制指标的条件下地基承载力可分别提高27.3%，32.5%和45%.但既有红黏土地基经过多年受压固结后，其物理力学性质会发生怎样的变化，地基的承载力是否有所改变，目前关于这方面的研究相对较少。本文以贵州铝厂氧化铝厂为例，对红黏土地基固结过程中影响地基后期强度的重要指标孔隙比、压缩系数、压缩模量和黏聚力等随时间变化的规律进行了研究，得到了一些有益的结论，以期为指导既有建筑物改造工程中的地基处理和工程设计提供技术支撑。

1 工程概况

贵州铝厂氧化铝片区位于贵阳市西北郊的白云区，地处云环中路和同心西路之间，毗邻龚家寨，占地约7 km2。

选定的具有代表性的既有建筑均建在贵州铝厂氧化铝厂内，分别是1#蒸发车间、3#蒸发车间和4#蒸发车间，均属框架结构，柱下独立基础，高度超过30 m。这3个车间的车间结构和工艺流程相同，在不考虑车间内设备质量和运作时动荷载影响的情况下，地基所受的上部荷重大致相同，使用年限不同依次约为40年、30年、20年，这3个既有建筑之间存在着“受荷时间”相差10年的关联性。3个车间前后相邻，1#蒸发车间与4#蒸发车间距离最近，同属路的一侧，相隔30 m，与3#蒸发车间距离50 m。

场地土质分布情况如下：①人工填土（Qml），灰褐、灰黄色，主要由黏土、碎石、砂砾、砖块等组成，结构松散，夹腐殖质，厚度为0.3～1.8，分布于整个建筑场地。②红黏土（Qdl＋el），褐黄、黄褐色夹紫红色、红褐色，含黑褐色铁锰质氧化物，局部较富集，偶见团块状铁锰结核，一般呈硬塑-可塑状态，接近基岩面的局部地段呈软塑状态。厚度一般为8～12 m，有的甚至达到16 m。③三叠系白云质灰岩（T1），呈浅灰、灰白色，细晶结构，中厚层状，质坚性脆，节理较发育。一般呈中等风化状态，强风化状态一般见于岩面顶部0～3 m。1#蒸发车间、3#蒸发车间、4#蒸发车间的建筑构造如表1所示。

表1 既有建筑相关信息表

2 三轴压缩试验

三轴压缩试验是测定土的抗剪强度的一种方法，它通常用三四个圆柱试样，分别在不同的恒定围压（即小主应力σ3）下，施加轴向压力即主应力差（σ1－σ3），进行剪切直至破坏，然后根据摩尔—库仑理论，求得总抗剪强度参数。

根据排水条件的不同，三轴试验分为不固结不排水剪（UU）、固结不排水剪（CU）和固结排水剪（CD）3种试验类型。

本文将对既有地基下红黏土的抗剪强度进行研究，采用不固结不排水（UU）的常规三轴试验，围压分别设定均为100 kPa、200 kPa和300 kPa。

2.1 试验方法

不固结不排水试验是在施加周围压力和增加轴向压力直至破坏过程中均不允许试样排水，试验采用围压σ3定值试验，设3个围压等级，分别为100 kPa、200 kPa、300 kPa。本试验可以测得总抗剪强度参数，试验的顺序依次是试样制备、试样安装、剪切阶段。

2.1.1 试样制备

三轴试验的试样直径为39.1 mm，高80 mm。先用切土刀切取一块稍大于规定尺寸的土柱，放在切土盘之间，用钢丝锯紧靠侧板上下切削土样，直至土样的直径被削成规定的直径为止。取出试样，按规定的高度将两端削平，称量，并测定余土的含水率。

2.1.2 试样安装

试样安装步骤为：①在压力室试样的底座上，依次放上垫片、滤纸、试样、滤纸、垫片和试样帽，用承膜筒将橡皮膜套在试样外，并用橡皮圈将橡皮膜两端与底座及试样帽分别扎紧。②将压力室罩正确安装在底座上，将活塞对准试样帽中心，均匀旋紧3颗螺丝密封好。③关闭底部量侧的孔压阀门，压力水底部压力室水阀接外部压力水进行注水。当水从通气阀口溢出时，关闭通气阀。④旋转手轮，同时转动活塞。当轴向测力计有微读数时，表示活塞已与试样帽接触。然后将轴向测力计和轴向位移计的读数调整到零位。

2.1.3 剪切过程

在不固结不排水剪试验中，剪切阶段剪切速率为0.005～0.01 mm/min，试验时采用0.008 mm/min的剪切速率，剪切过程中关闭排水阀不允许水分排出。试验过程中，将主应力差的峰值作为破坏点，若轴向应变达15%时仍无峰值，则取“=15%”所对应的值为破坏值，可以停止试验。试验采用TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪，如图1所示，主要由三轴压力室、围压控制部件、轴向加荷系统、孔压控制部件等组成。

图1 TSZ10-1.0型应变控制式三轴仪

2.2 试验结果

图2 三轴剪切过程中应力应变曲线

1#蒸发、3#蒸发与4#蒸发车间中，各取一组相同土层深度下均为可塑状态的红土块，观察在三轴剪切过程中应力应变关系曲线。取直角坐标系，以轴向应变为横坐标，偏差应力σ1－σ3为纵坐标，绘制ε1－（σ1－σ3）关系曲线，如图2所示。从图2中可以看出3个车间内，无论围压为100 kPa、200 kPa，还是300 kPa，4#蒸发车间的曲线都位于最下方，偏差应力最小；1#蒸发车间的曲线都高于其他2个车间，偏应力差最大。说明1#蒸发车间的地基土较其他车间最硬，3#蒸发车间次之，4#车间最软，从而进一步说了1#蒸发车间地基土受荷时间最长，所以固结程度最高，土的强度也最高；4#蒸发车间固结时间最少，土质比其他2个车间软，土强度最低。

图3 4#蒸发车间2号基础的一组三轴试验结果

由于原勘报告中提供的各项土样物理力学指标是多组试验的平均值，为了便于比较分析，将每个车间土样的物理力学指标求平均值后列出对比，分别见表2、表3和表4.

表2 1#蒸发车间地基土各项指标对比

表3 3#蒸发车间地基土各项指标对比

表4 4#蒸发车间地基土各项指标对比

从表2到表4中可以得出，既有建筑基础所在的土层以可塑状态的红黏土层为主，由于土的压密固结效应，既有地基在长期上部荷载作用下物理力学指标发生了变化。与修建前原勘察报告值比较，既有地基土的含水量、孔隙比、压缩系数、液塑限、塑性指数及黏聚力降低；压缩模量、液性指数升高。

2.2.1 孔隙比的变化

孔隙比是土中孔隙体积与土粒体积之比，它反映了土的密实度，孔隙比越小说明地基土越密实。受多年荷载作用的地基土，孔隙被压缩，土变密实，孔隙比因荷载作用而减小。

图4 孔隙比与受荷时间之间的关系

从上表中可以发现，多年受荷后的孔隙比平均值呈现出了时间序列，受荷时间最长的1#蒸发车间孔隙比最小，受荷时间最短的4#蒸发车间孔隙比最大，孔隙比随时间的变化如图4所示。受荷时间由20年变为30年时，曲线的下降幅度较大，孔隙比从1.65降到1.35，说明这段固结时间里，孔隙比变化较快；由30年变为40年时，孔隙比从1.35降到1.31，曲线的下降幅度平缓，压缩程度逐渐降低，40年的地基土变形已逐渐趋于稳定。

2.2.2 压缩系数与压缩模量的变化

压缩系数和压缩模量均是反映地基土压缩变形的重要指标，压缩系数是描述土体压缩性大小的物理量，压缩系数越大，说明土的压缩性越高，越容易被压缩；压缩模量指在侧限条件下垂直向应力与应变之比，压缩模量越大，表示同一压力范围内压缩变形越小，土的压缩性就越低，越不容易被压缩。压缩系数与压缩模量的平均值按受荷年限的变化如图5和图6所示。

图5 压缩系数与受荷时间之间的关系

从图5中可以看出，20年到30年段的曲线较陡，压缩系数呈下降趋势，从0.25降到了0.19，降低了24%；从30年到40年这10年时间里，压缩系数从0.19仅降到了0.18，说明在一定范围内，地基土受荷时间越长，固结程度越高的，越不容易被压缩。从图6中可以看出，受荷时间由20年变为30年时，压缩模量从12.1 MPa增大到13.43 MPa，提高了9.9%；30年到40年时，压缩模量提高了1.9%，达到了13.7 MPa。随着受荷时间的增加，土的压缩模量随之提高。

图6 压缩模量与受荷时间之间的关系

2.2.3 黏聚力的变化

土的黏聚力包括土粒分子引力形成的原始黏聚力和土中化合物的胶结作用形成的固化黏聚力，地基土受压密效应的影响，黏性土本应表现出黏聚力增大。但实际情况是，黏聚力的试验值均比修建前的报告值低，低了19.3%～51.4%.分析原因很可能是碱液与土中起胶结作用的化合物反应，消耗了土颗粒间的胶结物质，使得黏聚力降低。虽然试验值与报告值相比是降低的，但是“蒸发”车间内地基土的黏聚力平均值随着受荷年限的增加而增加，如图7所示。

图7 黏聚力与受荷时间之间的关系

从20年到30年时，黏聚力从19.42 kPa增加到24.35 kPa，增大了20.2%；30年到40年时，黏聚力增加了16.1%，达到29.05 kPa。从图7中可以看出，2个时间段内黏聚力的增加较均匀，呈线性上升，由此可以得出，固结时间越久的地基土，其黏聚力值越大。

3 土工试验计算地基承载力

针对贵州铝厂既有碳酸盐岩红土地基承载力研究，选用《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2002）中的理论公式计算法，对由土的抗剪强度指标确定的承载力进行计算：

式（1）中：Mb，Md，Mc为承载力系数（详见规范中表5.2.5）；b为基础底面宽度，大于6 m时取6 m，对于砂土，小于3 m时按3 m取值；ck为基底下1倍短边宽深度内土的黏聚力标准值，kPa。

通过规范法计算的承载力特征值如表5所示，3个车间中可塑状态的地基土承载力平均值见表6.

表5 土工试验数据换算承载力特征值

表6 试验值与报告值对比表

由表6可以看出，试验得到的承载力特征值均比原勘察报告中值大，其中，1#蒸发车间的试验值比报告值增大48%，4#蒸发车间承载力值则仅高出报告值6.6%.总体来说，试验值则比报告值大了6.6%～48%，这说明了既有碳酸盐岩红土在长期上部荷载作用下，地基土的承载力是提高的。

4 结论

本文对贵阳市白云区贵州铝厂内受荷年限分别为20年、30年、40年的既有碳酸盐岩红土地基进行了室内土工试验，以此探究既有地基承载力与地基土物理力学指标与修建前报告值相比的变化规律。研究后得到的结论如下：①受荷时间由20年到40年时，孔隙比由1.65下降到1.31，在20年到30年这段期间曲线的下降幅度较高，孔隙比从1.65降到1.35，说明这段固结时间里，孔隙比变化较快；30年到40年，孔隙比从1.35降到1.31，曲线的下降幅度平缓，压缩程度逐渐降低，40年的地基土变形已逐渐趋于稳定。②受荷时间从20年到40年时，压缩系数从0.25下降到0.18，20年到30年段的曲线较陡，压缩系数呈下降趋势，从0.25降到了0.19，降低了24%；从30年到40年这10年时间，压缩系数从0.19仅降到了0.18，说明在一定范围内，地基土受荷时间越长，固结程度越高的，越不容易被压缩。③受荷时间从20年到40年时，压缩模量得到了一定提高，其中，受荷时间由20年变为30年时，压缩模量从12.1 MPa增大到13.43 MPa，提高了9.9%；30年到40年，压缩模量提高了1.9%，达到13.7 MPa。随着受荷时间的增加，土的压缩模量有不同幅度的提高。④受荷时间从20年到40年时，黏聚力增加，其中，20年到30年时，黏聚力从19.42 kPa增加到24.35 kPa，增大了20.2%；30年到40年时，黏聚力增加了16.1%，达到29.05 kPa。⑤既有碳酸盐岩红土地基受长期上部荷载作用后，地基承载力得到提高，与修建前报告值相比，提高幅度为6.6%～48%.地基产生压密固结效应，在一定时间范围内，固结时间越久，地基承载力越高。

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