西非某工程黏土基本物理力学性质及地基承载性能分析

左 鹏 孙洪新

（山东岩土勘测设计研究院有限公司，山东 烟台 264000）

0 引言

拟建项目位于西非某国，勘察项目堆场部分无相关建筑物，仅为未来堆放矿料区域，油库区包括地上1层装车鹤管平台、消防泵房、配电室及火车装车泵房，3 000方消防水罐、3 000方重油储罐、5 000方柴油罐、10 000方柴油罐、事故水池以及高杆灯。

场区内陆域地形复杂，全境分为4个自然区：西部为狭长的沿海平原丘陵区；中部为平均海拔900 m的高原，西非3条主要河流尼日尔河、塞内加尔河和冈比亚河均发源于此，因此有“西非水塔”之称；东北部为平均海拔约300 m～400 m的台地。勘察区域位于西部沿海平原丘陵区与河流冲洪积衔接地带，整体呈由西向东逐渐降低的趋势，属河流阶地地貌。区域内气候为热带草原气候，只有雨季和旱季，全国5月至10月为雨季，降雨量约占全年的90%；11月至次年4月为旱季，干旱少雨。勘察区位于西非克拉通西部边缘、沿海晚古生界沉降区。区域构造线总体走向为北北西向，并以一个规模较大的向斜盆地和多级断裂构造为主。

1 场区黏土的基本力学性质研究

场区黏土主要有6层，分别为可塑～硬塑的②-1层黏土、软塑～流塑的②-2层黏土、可塑～硬塑③层黏土、可塑④-1层黏土、软塑-可塑④-2层黏土以及可塑～硬塑⑤层黏土。以可塑～硬塑②-1层黏土为例，其基本物理力学性质指标经过室内试验获取并统计。由于黏土试样的取样较为良好，试验中不仅对直剪快剪做了试验，还对黏土进行了三轴不固结不排水试验和三轴固结不排水试验，各指标的试验结果见表1。

表1 ②-1层黏土的物理力学指标统计

从表1可以看出，②-1黏土的含水量w变化范围较大，含水量w的标准差达到17.4，变异系数达到0.25。这是因为该层土体受到地层的埋深、地下水的作用影响明显，含水量w的变化范围大也使土体的其他物理力学性质出现较大的离散型，最明显的是液限wL和塑限wP。液限wL对应的变化范围是从37.2%至86.6%，标准差达到12.5，而变异系数达到0.20；塑限wP对应的变化范围是从20.4%至58.7%，标准差达到8.95，而变异系数达到0.20。在力学性质指标上，②-1层黏土的直接快剪强度指标变化范围较大，而三轴UU强度指标和三轴CU强度指标的变化范围则相对较小。这是因为三轴试验更能反映高含水量和高孔隙比的黏性土强度。另外，从表1也可以看出，②-1层黏土的压缩性变化也较大，其压缩系数a1-2从0.61 MPa-1变化至4.47 MPa-1不等，而压缩模量Es从0.887 MPa变化至3.718 MPa不等。由此可知，对场区的黏性土的基本物理力学性质指标和地基承载力的研究需要考虑土层的不均匀性和离散型，应该从统计学的角度更宏观地考虑土层参数随空间位置和天然状态的不同产生的变异，进而使工程应用中选择的参数更具代表性[1-3]。含水量的多少会直接影响黏性土的天然状态，也使其表现出不同的力学性质，因此对各层土含水量变化的研究可更直观地反映黏性土的物理性质。各层土样含水量的分布如图1所示。从图1可以看出，各层黏土的含水量出现了不同程度的分层现象，这和各黏土层的历史成因以及所处位置的地下水水位有关，也决定了各黏土层不同的物理力学性质。③层黏土的含水量总体上分布最低，含水量平均值为24.4%；②-2层黏土的含水量总体上分布最高，含水量平均值达到68.7%，为流塑状；②-1层黏土、⑤层黏土、④-2层黏土和④-1层黏土的含水量介于两者之间，且分布的范围较为集中，数据波动不大，含水量平均值分布为28.8%、43.2%、45.8%和46.6%。

图1 各土层含水量分布

黏土的密度反映了土层颗粒之间的密实程度，也反映了其结构的内在排列和空隙间水分的多少。一般而言，黏土的密度越大，表明其越具有更“坚硬”的力学性质，因此研究各黏土层的密度也在一定程度上反映了其力学特征[4]。各层土样密度的分布如图2所示。从图2可以看出，各层黏土的密度分布较为集中，98%的样本密度分布在1.6g/cm3～2.0g/cm3，②-2层黏土的含水量总体上分布最低，且离散性较大，密度平均值为1.56g/cm3；④-1层黏土的密度总体分布最集中，密度平均值为1.71g/cm3；④-2层黏土、⑤层黏土、③层黏土和②-1层黏土的密度分布的范围较为集中，数据波动不大，密度平均值分布为1.71g/cm3、1.77g/cm3、1.95g/cm3和1.87g/cm3。

图2 各土层密度分布

与无黏性土不同，饱和黏性土的强度指标最直接地反映在黏聚力上，黏聚力也是设计中最重要的输入参数之一，因此选择各黏性土的黏聚力指标进行研究比选择内摩擦角更有意义。各层土样直剪快剪黏聚力的分布如图3所示。从图3可以看出，各层黏土的直剪快剪黏聚力出现了不同程度的分层现象，且各层黏土的直剪快剪黏聚力离散性均较大。②-2层黏土的直剪快剪黏聚力总体上分布最低，直剪快剪黏聚力平均值为7.4 kPa；③层黏土的直剪快剪黏聚力最分散，直剪快剪黏聚力平均值为40.4 kPa；②-1层黏土、④-1层黏土、⑤层黏土和④-2层黏土的直剪快剪黏聚力平均值分布为20.8 kPa、31.4 kPa、37.3 kPa和40.9 kPa。

图3 各土层黏聚力分布

土层的压缩模量在一定程度上与其地基承载力有一定的关系，这是因为压缩模量是反映土体承受外力的刚度变化参数。土层压缩模量越大，表明其可承受越大的竖向压力，而土层压缩模量越小，表明其承受的地基承载力也越小，因此研究各层黏土的压缩模量对认识土层的竖向承载性质有重要的作用。各层土样压缩模量的分布如图4所示。从图4可以看出，各层黏土的压缩模量出现了不同程度的分层现象，这和各黏土层的含水量、密度以及黏聚力的分布规律有一定的相关性。②-2层黏土的压缩模量总体上分布最低，压缩模量平均值达到1.923 MPa；③层黏土的压缩模量总体上分布最高，压缩模量平均值达到6.615 MPa；④-1层黏土、②-1层黏土、⑤层黏土和④-2层黏土的含水量介于两者之间，且分布的范围较为集中，数据波动不大，含水量平均值分布为4.904 MPa、5.108 MPa、5.417 MPa和5.452 MPa。

图4 各土层压缩模量分布

2 场区黏土的地基承载力

由场区的物理力学性质指标分析可知，各层黏土之间的含水量、密度、黏聚力与压缩模量之间均表现为各自的力学特性，因此确定各层的地基承载力对基础的设计具有十分重要的意义。一般而言，与砂土和粉质黏土相比，黏土的力学性质分布较为均匀，其地基承载力确定可以按照塑性状态理论公式进行计算，即当基础受上部建筑物的荷载作用时，将所有荷载换算为中心荷载，荷载经过基础底部向地基土进行传递。不断增加上部荷载的质量时，地基土发生剪切，当出现剪切破坏的临界压力时，可以认为地基土的承载达到了特征值，因此临界压力的计算方法可以由公式（1）确定。

式中：fcr为地基土的承载力特征值或者临塑荷载；ck为黏聚力标准值；φk为摩擦角标准值；γm为土体的加权平均重度；d为基础埋置深度；Md、Mc为地基土的承载系数。

从公式（1）可以看出，地基承载力的大小与土层的黏聚力、内摩擦角、重度和埋深有明显的相关性，在结合室内试验确定各层黏土的物理力学指标后，对各层黏土的地基承载力特征值进行计算，结果见表2。从表2可以看出，②-2层黏土的地基土承载力特征值最低，只有90 kPa，这与其物理力学性质最差的特征相一致。其他各层黏土的地基土承载力特征值较为均匀，变化范围在140 kPa至160 kPa之间，其中③层黏土、④-1层黏土的地基承载力特征值最大，均为160 kPa。从表2也可以看出，地基承载力特征值与压缩模量之间具有明显的相关性，压缩模量越大，地基承载力特征值也越大。

表2 各层黏土的地基承载力特征值计算结果

结合拟建建筑物设计标高和场区地层情况，堆场区，硬化地面主要位于填土范围内；对油库区，事故水池基础位于③层黏土层中，埋置深度为5.0 m，同时基础位于地下水位以下，水头高度较大，承载力能够满足要求，应重点考虑抗浮问题；油库区其他建筑物基础位于填土层中，埋置深度为1.0 m～1.5 m，天然地基难以满足要求，建议采用桩基方案。

3 结论

该文以西非某国油库区岩土工程勘察项目为研究对象，采用室内试验的方法获取场区各个黏土层的物理力学性质指标，并进行统计分析，基于临塑压力理论计算公式对各层黏土地基的承载力进行计算，得出的结论如下：1）从物理指标上看，各层黏土的含水量出现了不同程度的分层现象，③层黏土的含水量总体上分布最低；②-2层黏土的含水量总体上分布最高；②-1层黏土、⑤层黏土、④-2层黏土和④-1层黏土的含水量介于两者之间，且分布的范围较为集中，数据波动不大。各层黏土的密度分布较为集中，98%的样本密度分布在1.6 g/cm3～2.0 g/cm3。2）从力学指标上看，各层黏土的直剪快剪黏聚力出现了不同程度的分层现象，且各层黏土的直剪快剪黏聚力离散性均较大，②-2层黏土的直剪快剪黏聚力总体上分布最低，③层黏土的直剪快剪黏聚力最分散。②-2层黏土的压缩模量总体上分布最低，压缩模量平均值达到1.923 MPa；③层黏土的压缩模量总体上分布最高，压缩模量平均值达到6.615 MPa；④-1层黏土、②-1层黏土、⑤层黏土和④-2层黏土的含水量介于两者之间。3）②-2层黏土的地基土承载力最低，只有90 kPa，这与其物理力学性质最差的特征相一致。其他各层黏土的地基土承载力较为均匀，变化范围为140 kPa至160 kPa之间。建议选择③层黏土层为地基基础的持力层。