东昆仑北麓夏日哈木地区地基承载力特征值及湿陷性研究

逯登栋，乔玉财，万世斌，张青福，陆万杰，董英平

（青海黄河矿业有限责任公司，青海 西宁 810000）

关键字：平板载荷试验；湿陷性载荷试验；浸水载荷试验；地基承载力；变形模量；湿陷性

随着夏日哈木镍钴矿的开发建设开始，夏日哈木地区相应矿权内陆续有矿产资源储量新增新发现，该地区有望形成一个矿集带，但该地区以往属于无人区，周边矿山规模较小，未对该地区内的工程地质条件进行系统有效的分析，该地区地基承载力方面处于空白，无系统的适应夏日哈木地区地基承载力勘查方法的总结归纳，也无地基承载力相关的参照数据，为填补此方面的空白，为后续矿山建设开发，厂房及设备基础建设提供较为准确详细的地基承载力参数，特开展本项目，对地基承载力特征值及变形模量，以及地基土的湿陷性进行初步评价，并给出建议意见。

1 概况

1.1 地区概况

夏日哈木地区地处青海省东昆仑山西段，柴达木盆地南缘山区。地理位置：东经93°16′40″-93°28′00″、北纬36°25′40″-36°30′01″。位于格尔木市西偏南140km，在格尔木-茫崖公路南52km，简易砂石公路相同，交通较为便利。夏日哈木地区属于大陆性干旱气候，元月最低温度为-27.2℃，8月最高气温为21.2℃，昼夜温差可达29℃。10月到次年4月为冰冻期。工区年平均降水量40.2mm，年平均蒸发量3066.8mm，相对湿度34%。1-5月多西北风，6-9月多东北风。年平均风速3.1m/s，最大风速40m/s，年平均沙暴天数16天。

夏日哈木地区内有夏日哈木河、苏海图河及其支流，汇集后称小灶火河，全长120km，补给源主要为大气降水、冰雪融水，构成小灶火河地表径流。地形变化较大，呈典型的高山荒漠地貌。

1.2 地层条件

该地区地层主要为第四系地层和古元古代金水口群白沙河组。

第四系地层（Q）在该地区广泛分布，主要以角砾、砾砂、粗砂、细砂为主，成因比较复杂，主要为坡积、风积等，含盐量高，呈欠固结状态，具有湿陷性。分述如下：

①细砂（Q eol+dl）：灰黄色，干～稍湿，松散～稍密，局部含微量粉粘粒，主要矿物成分为石英、长石、云母等，局部夹粗砂、砾砂层，级配不良。

②粗砂（Q eol+dl）：灰黄色，稍湿，稍密，主要矿物成分为石英、长石、云母等，级配较好。

③砾砂（Q eol+dl）：灰白色～灰黄色，稍湿，稍密，以细砂为主，其主要矿物成分为石英、长石、云母等，粒径大于2mm的砾石含砾30%～40%，以风化花岗岩为主，混粒砂充填，级配较好。

④角砾（Q eol+dl）：灰白色～灰黄色，稍湿，稍密，大于2mm砾石含砾一般在50%～60%之间，粒径一般以2～30mm为主，最大达50mm，为风化的花岗岩，主要矿物成分为石英、长石、云母等，混粒砂充填，级配一般。

⑤碎石土（Q col+dl）：灰白色、灰色，碎石含砾50%～55%，棱角明显，碎石主要为花岗岩，充填粗砂。

⑥卵石层（Q al+pl）:灰白色、灰色，卵石含量50%～60%，磨圆度较好，充填物为砾石和细砂，局部含10%～20%的漂石。主要岩芯为花岗岩、片麻岩、变质砂岩等。

古元古代金水口群白沙河组（Pt1b）

古元古代金水口岩群的白沙河岩组是矿区地层的主体，出露面积约占60%，分布广，该地层多被后期花岗岩体所侵蚀，主要为一套中深变质岩系，其原岩建造为泥砂质沉积碎屑岩-基性火山岩-碳酸盐岩建造，具有海相陆源碎屑岩为主的活动性沉积建造的特点，编制变质程度达到角闪岩相。各岩体分述如下：

（1）强风化花岗岩层：肉红色-浅灰色，中粒结构，块状构造，局部含黑色浸染体，呈条带状分布。主要成分为斜长石、钾长石、石英及云母，裂隙发育，裂隙面有铁锰质浸染。风化程度较强，外表面成碎裂状。

（2）中风化花岗岩层：强风化花岗岩层：肉红色-浅灰色，中粒结构，块状构造，局部含黑色浸染体，呈条带状分布。主要成分为斜长石、钾长石、石英及云母，裂隙较发育。风化程度中等，岩石较为新鲜。

（3）强风化变质砂岩：灰白色，灰黑色，层状构造，细粒结构，裂隙发育，风化程度较强，风化成碎片或碎粒状。

（4）中风化变质砂岩：灰白色，灰黑色，层状构造，细粒结构，裂隙较发育，风化程度中等，岩体坚硬裂隙一般发育。

1.3 地质构造

夏日哈木地区内断裂构造较为发育，以北东东向和近东西向两组断裂为主，断裂规模大，地表形成宽几米至几百米破碎带，破碎带内构造岩以压性特征为主，破碎带及两侧绿泥石化、褐铁矿化较为发育。两组断裂相互交错，形成时间上北东东向断裂晚于近东西向断裂。区内主要断裂叙述如下：

F1：位于地区中部，是区内主断裂，近东西向展布，沿断裂负地形发育，形成宽10m～80m不等的破碎带，带内碎裂岩化发育，为典型的逆断层。

F2：位于地区西侧。北西西向展布，断裂性质为正断层。断距20m～50m。

F3：位于地区西侧，近北东向展布，长约7.2km，断裂性质推断为右行走滑逆断层。形成期次较晚，切割南北向断层。

2 试验设计

2.1 试验目的

通过对细砂和砾砂地层分别进行现场平板载荷试验，确定各地层地基承载力特征值和变形模量；基于该场地细砂和砾砂地层现场平板载荷试验和试坑浸水试验，测定细砂和砾砂地层的湿陷性；通过对湿陷性地层进行试坑浸水状态下的平板载荷试验，确定湿陷起始压力、浸水状态下地基承载力特征值和变形模量。

2.2 试验设备安装

试验试坑宽度或直径不小于承压板宽度或直径的三倍。载荷试验试坑标高与地基设计标高一致。

2.3 试验步骤

本次平板载荷试验采用慢速维持载荷法，即逐级加载，每级荷载达到相对稳定后再加载下一级荷载，直到试验进行到满足规范终止加载条件，然后分级卸荷载到零。正式试验前进行预压，预压荷载为最大加载量的5%，预压时间为5min，预压后卸载至零，测读位移测量仪表的初始读数并应重新调整零位。

（1）加载分级

加荷方式采用分级维持荷载沉降相对稳定法，加荷等级按预估极限承载力的1/8-1/15分级施加，具体加荷等级根据现场试验结果随时进行调整。

（2）沉降观测

每级加荷后，观测时间按间隔5min、5min、10min、10min、15min、15min,以后为每隔半小时测读一次沉降。当在连续两小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，则认为已趋稳定，可施加下一级荷载。

（3）终止试验条件

当出现下列情况之一时，可终止加载：

①承压板周边土出现明显侧向挤出、隆起或产生裂缝；

②在某级荷载作用下，24h内沉降速率不能达到稳定；

③沉降量急剧增大，荷载-沉降(P-s)曲线出现陡降段；

④浅层平板载荷试验的累计沉降量已大于等于承压板边宽或直径的6%或累计沉降量大于等于150mm;

⑤总加荷量已达到设计要求值得2倍以上。

2.4 确定地基承载力特征值

浅层平板载荷试验达到终止条件①-④条时，可取破坏前的最后一级荷载为其极限荷载；

当试验的P-s曲线上直线段和转折点明显时，取转折点所对应的压力为比例界限压力，取该比例界限所对应的载荷值为地基承载力特征值；

当试验的P-s曲线上直线段和转折点明显时，可在s-lgt曲线、s-lgp曲线上，取曲线急剧转折点所对应的压力为比例界限压力，取该比例界限所对应的荷载值为地基承载力特征值。

当极限荷载小于比例界限压力2倍时，取极限荷载值的1/2为地基承载力特征值；

当P-s曲线转折点不明显，不能按比例界限和极限荷载确定时，对砂类土地基可取P-s曲线上s/d=0.010-0.015值对应的荷载值确定。

3 试验及成果分析

依据《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）和《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011），分别统计各试验点原始数据，并根据规范要求计算特征值，获得相应曲线。根据试验数据资料，判定夏日哈木地区的地基湿陷性。

3.1 平板载荷试验

本试验天然地基采用现场平板载荷试验的方法进行，共计试验点数4点（W1#、W4#、W7#、W9#）。采用压板边长为500mm，面积为0.25㎡的方形压板。本次试验采用碓重平台反力装置（见图1）。用大于1.2倍预定最大试验荷载的荷重作为反力荷载，并在试验开始前一次性加上试验平台。试验时采用1个油压千斤顶加载，桩顶沉降量用2个大量程百分表（0-50mm/0.01mm）观测。试验所用计量仪表均经相关计量部门作定期校准和检定，均在有效期内，且精度满足试验要求。

图1 试验设计示意图

在试验场地开展了4个点位的平板载荷试验，试验结果及分析曲线如下：

图2 平板载荷试验结果及分析曲线

根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）附录C承载力特征的确定条件及变形模量计算方程，试验结果见表1：

表1 平板载荷试验结果

3.2 湿陷性载荷试验

共计试验点数4点（W2#、W5#、W8#、W10#），试验时采用压板直径为800mm，面积约为0.5㎡的圆形压板，采用1个油压于斤顶加载，桩顶沉降量用4个大量程百分表(0-50mm/0.01mm)观测。

在原状结构土层上分级加荷至200kPa，下沉稳定后向试坑中浸水，并应保持水头高度200-250mm，测得浸水稳定后的沉降量为附加湿陷量。

在试验场地开展了4个点位的湿陷性载荷试验，试验结果如下：

图3 湿陷性载荷试验及分析曲线

根据《冶金工业岩土勘察原位测试规范》（GB/T 50480-2008）第4.3.7条确定湿陷性，见表2。

表2 湿陷性载荷试验结果

3.3 浸水载荷试验

共计试验点数2点（W3#、W6#）。试验时采用压板直径为800mm，面积约为0.5㎡的圆形压板，采用1个油压千斤顶加载，桩顶沉降量用4个大量程百分表(0-50mm/0.01m)观测。

在试验场地开展了2个点位的浸水载荷试验，试验结果如下：

图4 浸水载荷试验结果及分析曲线

根据《冶金工业岩土工程勘察原位测试规范》（GB/T 50480-2008）第4.4.2条确定湿陷起始压力及浸水状态下地层承载力特征值，见表3。

表3 浸水载荷试验结果

3.4 湿陷性等级判定

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001 2009年版）第6条规定，湿陷性土地基受水浸湿至下沉稳定为止的总是限量Δs(cm)，按下式计算：

湿陷性土地基的湿陷登记按表4判定。

表4 湿陷性土地基的湿陷性等级

根据实验结果及相关勘察资料，得出实验点总湿陷量及湿陷等级见表5。

表5 湿陷性等级判定结果

4 结论及建议

通过一系列试验，获取到地基承载力的相关数据参数，比较准确的掌握了夏日哈木地区地基承载力的实际情况，从而更准确的确定其承载力，直观且可靠。夏日哈木地区浅部地层95%以上都与本试验场地地层基本一致，所以该试验结果对夏日哈木地区建设工程地基承载力取值有极大的借鉴和指导意义。

夏日哈木地区第四系覆盖区域浅部细砂地层（2米左右）地基承载力特征为106kPa，变形模量为5.7MPa，深部细砂地层（5m左右）地基承载力特征值为124kPa，变形模量为8.12MPa；浅部砾砂地层（2米左右）地基承载力特征值为151kPa，变形模量为6.67MPa，深部砾砂地层（5m左右）地基承载力特征值为172kPa，变形模量为9.25MPa。

夏日哈木地区湿陷性为浅部细砂地层（2m左右）有湿陷性，为轻微湿陷，深部细砂地层（5m左右）无湿陷性；浅部砾砂地层（2m左右）有轻微湿陷性，深部砾砂地层（5m左右）无湿陷性。

夏日哈木地区浅部细砂地层（2m左右）湿陷性起始压力为107kPa，浸水状态下承载力特征值为82kPa，变形模量为2.44MPa；浅部砾砂地层（2m左右）湿陷性起始压力为139kPa，浸水状态下承载力特征值为106kPa，变形模量为3.16MPa。

夏日哈木地区地基土为细砂、砾砂和角砾，属于风坡积欠固结地层，易发生渗透变形和渗漏，因盐碱含量较高，砂土使用期间具有液化风险，承载力较低，表层2m～3m松散层未经过处理不宜作为持力层，地基土为不均匀土，建议对4m～4.5m松散层采取强夯、换填碾压、振冲碎石桩等处理措施进行加固。地基承载力特征值及变形模量，湿陷性建议按文中建议值选取。同时，建议在开展夏日哈木地区地基土其他相应的试验过程中，加强综合研究分析，对比比较，建议一整套适应夏日哈木地区地基土的勘察方法和地基土参数值，为本区域内建设工程项目提供数据支持和技术依据。