长春硬塑状态老黏性土地基承载力

孙广利，李广杰，周景宏，于光源

1.吉林大学建设工程学院，长春 130026 2.吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，长春 130118

长春硬塑状态老黏性土地基承载力

孙广利1，2，李广杰1，周景宏2，于光源2

1.吉林大学建设工程学院，长春 130026 2.吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，长春 130118

为提供长春硬塑状态老黏性土可靠的地基承载力依据，探讨适宜的确定地基承载力的方法，采用载荷试验、静力触探试验原位测试和室内土工试验等方法对长春老黏性土进行了测试研究，获取了地基承载力特征值（306～425 k Pa）、静力触探锥尖阻力（1.9～3.3 MPa）、天然孔隙比（0.63～0.72）和液性指数（0.02～0.25）等试验数据。通过对试验数据的统计分析，得出地基承载力特征值与静力触探锥尖阻力线性相关，并与天然孔隙比和液性指数线性相关的结论。据此，提出了根据静力触探锥尖阻力计算长春老黏性土地基承载力特征值的经验公式，总结出根据室内土工试验指标确定长春老黏性土地基承载力特征值的数据表。

硬塑状态老黏性土；地基承载力；载荷试验；静力触探试验；土工试验

孙广利，李广杰，周景宏，等.长春硬塑状态老黏性土地基承载力.吉林大学学报：地球科学版，2014，44（2）：591－595.doi：10.13278/j.cnki.jjuese.201402203.

0 引言

随着长春城市建设的高速发展，对地下空间的利用已成为必然的总体趋势。位于地表下10 m左右的老黏性土是大部分有地下室建筑物基础的主要持力层，也是地铁等地下工程的建设环境。

关于长春老黏性土，曾有学者和机构对其进行过较为详细的研究，包括地质成因、地质年代、分布情况、粒度成分、矿物成分及化学成分、土的微观结构、物理力学性质及随深度的变化等，并有试验数据证明其为超固结土［1］。岩土工程勘察工作中，针对长春老黏性土采用的常规工作方法是进行静力触探试验或钻探取样进行室内土工试验，根据测试结果和试验数据按经验确定地基承载力。以往的科研和生产工作积累了大量的测试数据和资料，为今后的研究工作奠定了良好的基础［1］。由于载荷试验费用高且费时费力，因而载荷试验研究很少，无法建立载荷试验原位测试数据和室内土工试验的物理力学指标与地基承载力的相关关系；实际工作中采用的地基承载力数据被普遍认为偏于保守，虽然对建筑物安全无影响，却不能充分发挥老黏性土的承载能力，由于缺乏可靠的依据而又不能任意提高。

为建筑物基础选择合适的持力层并确定持力层的地基承载力是岩土工程勘察工作的重点内容。为提供长春老黏性土可靠的地基承载力依据，探讨适宜的确定地基承载力的方法，使今后在岩土工程勘察中能够准确、可靠、便捷、经济地确定老黏性土的地基承载力，同时也为了验证以往所提供的地基承载力数据，采用载荷试验、双桥静力触探试验原位测试和室内土工试验等方法对长春老黏性土地基承载力进行了测试研究，总结出可靠的承载力数据范围和适宜的确定方法。

1 地质背景

老黏性土是一种老沉积土，系指第四纪晚更新世及其以前沉积的黏性土。老黏性土在吉林省境内分布广泛，为平原区的主要地层。吉林省平原区第四系由老到新分别为：下更新统冰水堆积；中更新统湖积、冲积－湖积、冲积、冲积－洪积；上更新统冲积物；全新统冲积、湖积、沼积、湖沼积和风积［2］。长春市第四系主要为下更新统白土山组冰水砂砾石，中更新统荒山组冲洪积层，全新统冲积层［1］。本文所称长春老黏性土是指分布于长春波状台地上的中更新统，为荒山组上段（地层学上也称为东风组，亦被称为“长春黄土”、“长春黄土状土”）。该土层在波状台地分布厚度约为2.0～35.5 m，丘陵状台地分布厚度约为9.6～34.5 m［1］。长春老黏性土成因类型主要为冲积、洪积、坡积，形成条件是干旱半干旱的草原型气候。老黏性土以粉黏粒为主，石英、伊利石、蒙脱石为主要矿物，占60%以上，高岭石、长石为次要矿物；含水率较低，可溶盐及游离氧化物的含量低；由于搬运和沉积营力不同，各类黏性土的宏观、微观结构特征也不同。冲积成因土体宏观结构是较紧密块状结构和粒状结构，微观结构是紧密絮状—团粒结构。洪积成因老黏性土的宏观结构是较紧密块状结构和不等粒结构，微观结构为中密骨架—团粒结构，中密絮凝—团粒结构。坡积成因老黏性土为较紧密块状结构和不等粒结构，微观结构为疏松骨架、疏松絮凝—骨架结构。各类黏性土孔隙分布情况不同：冲积成因老黏性土以小孔隙为主，占41.3%；坡积老黏性土以中孔隙为主，占54.1%；洪积老黏性土各类孔隙都发育，以中孔隙为最多，占37.2%［3］。

2 地基承载力测试

采用浅层平板载荷试验方法确定长春老黏性土的地基承载力特征值，同时在试验点附近采用双桥静力触探试验（con penetration test，CPT）进行原位测试，获取老黏性土的CPT指标，分析地基承载力特征值与CPT指标的相关性。

2.1 浅层平板载荷试验

在基坑底部采用浅层平板载荷试验方法确定老黏性土地基承载力时，按照《建筑地基基础设计规范》（GB50007）［4］附录 C的规定进行。现场浅层平板载荷试验符合以下条件：试验点无边载，为基坑大开挖的条件；承压板为刚性板，面积为0.5 m2；试验点采用明沟排水，地层湿度接近天然湿度；满足施加荷载能达到极限荷载的条件［4－5］。

2.2 双桥静力触探试验（CPT）

进行载荷试验的同时，在试验点附近采用CPT进行原位测试，获得老黏性土的CPT指标。采用的触探设备有：探头为JMS－15A－3型，锥底直径43.7 mm，锥尖面积15 cm2，摩擦筒表面积300 cm2，锥角60°的双桥探头；数据采集采用LMC－D310型静探微机数据采集仪，用20 T静力触探车进行触探［5－6］。

2.3 室内土工试验

在试验点现场取原状土试样进行室内土工试验［7］，获取土的物理力学指标。室内土工试验按《土工试验方法标准》（GB/T 50123－2008）［8］的规定进行。

2.4 试验工作及成果

结合实际工程，共积累了10组老黏性土地基的平板载荷试验、CPT和室内土工试验数据。经过分析，筛选出7组具有代表性和统计意义的数据，地基承载力特征值fak、土工试验指标及原位测试数据见表1。

表1 地基承载力特征值、土工试验指标及原位测试数据Table 1 Characteristic value of subgrade bearing capacity，soil test indicators and in－situ test data

由表1可以看出，呈硬塑状态的老黏性土地基承载力特征值范围为306～425 k Pa，且土质越坚硬承载力越高。

1）地基承载力特征值与CPT锥尖阻力的关系

根据表1数据，采用一元线性回归分析，老黏性土地基承载力特征值与CPT的锥尖阻力线性相关，其相关系数为0.892 0，其关系曲线见图1。

依据上述关系，得出根据CPT锥尖阻力计算老黏性土地基承载力特征值的经验公式为

图1 承载力特征值与静探锥尖阻力关系曲线图Fig.1 Relationship between characteristic value of subgrade bearing capacity and value of CPT

研究工作主要集中在工程中经常利用且呈硬塑状态的老黏性土，亦即长春台地的主体部分，其CPT成果范围值为：fs（侧阻力）＞150 k Pa，1.8 MPa＜qc＜3.5 MPa。

2）地基承载力特征值与土工试验指标的关系

根据表1数据，采用一元线性回归分析，老黏性土地基承载力特征值与土工试验物理指标孔隙比、液性指数的对应关系见图2、图3。

图2 承载力特征值与孔隙比关系曲线图Fig.2 Relationship between characteristic value of subgrade bearing capacity and natural void ratio

图2、图3表明，老黏性土的地基承载力特征值与土的天然孔隙比和液性指数线性相关，其相关系数分别为0.926 0和0.963 7，均大于0.900 0，证明根据土工试验指标确定老黏性土地基承载力的方法是可行的。

《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）已废止使用，但其中的地基承载力表作为经验数据在工程实践中仍有参考价值，笔者以该规范中的地基承载力表为参考［9］，将载荷试验实测地基承载力值与上述规范地基承载力表进行对比，实测的地基承载力值比查表值平均增加了42 k Pa，说明在长春地区以往的方法低估了老黏性土的地基承载力，偏于保守。取平均值42 kPa对《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）地基承载力表进行修正，建立根据土工试验物理性质指标天然孔隙比和液性指数确定长春老黏性土地基承载力特征值的数据表（表2）。

图3 承载力特征值与液性指数关系曲线图Fig.3 Relationship between characteristic value of subgrade bearing capacity and liquidity index

表2 老黏性土地基承载力特征值表Table 2 Characteristic value of subgrade bearing capacity of the old cohesive soil

鉴于目前的试验数据较少，表2应用于0.60≤e≤0.75、0.00≤IL≤0.30的长春老黏性土较为可靠。

3 讨论

3.1 长春老黏性土的工程性质

长春老黏性土的地质成因以冲洪积为主，形成条件为干旱半干旱草原型气候；地质年代为第四纪中更新统，形成的时间较早，构成了长春波状台地的主体部分。物质组成以石英、伊利石、蒙脱石为主要矿物成分，可溶盐及游离氧化物的质量分数低，为一般土而非特殊土；颗粒成分以粉黏粒为主，且随深度增加粉粒含量增多、液性指数变小，土的力学性质变好。老黏性土形成后，因上覆土层的重力作用，加之部分地段下伏冰水砂砾石透水性好，因而固结条件好，为超固结土，压缩性低。宏观结构为较紧密块状结构和粒状结构，微观结构为紧密絮状—团粒结构或中密骨架—团粒结构或中密絮凝—团粒结构［3］，连结力强。

上述长春老黏性土的地质成因、地质年代、物质组成、粒度成分、土的结构、地质演化，决定了其工程性质。因此，长春老黏性土的土质条件较好，表现为含水率低、孔隙比小，多处于硬塑状态，压缩性中等偏低，地基承载力较高。若将其视为一般黏性土，会导致低估其地基承载力。以往的岩土工程勘察工作依据土工试验物理指标、按《建筑地基基础设计规范》（GBJ7－89）查表方法确定的地基承载力，明显低于载荷试验的结果，说明不存在代表所有地区的承载力表。但是也不能过高评价其工程性质，原因是其形成时物源近、搬运途径短，结构构造并不十分紧密［1］。总体来看，长春老黏性土的工程性质下部要好于上部。

3.2 确定地基承载力方法的讨论

1）载荷试验方法 载荷试验方法是公认的确定地基承载力的可靠方法，其测试成果被认为是最可靠的依据。但载荷试验的受荷面积比较小，加荷后受影响的深度范围不大，加荷的时间也比较短，因而不能全面反映工程荷载长期作用下地基的全部情况；并且该方法费时费力，且费用高，从而影响其使用。

载荷试验是确定老黏性土地基承载力的可靠方法，缺乏当地经验的情况下应由载荷试验确定老黏性土地基承载力。本次研究表明，呈硬塑状态的老黏性土地基承载力特征值范围为306～425 k Pa，且土质越坚硬承载力越高。

2）CPT原位测试方法 CPT是一项成熟的测试技术，国内外均进行了大量的研究和生产实践。CPT成果主要应用于划分土层、评定地基土的强度参数、评定土的变形指标、评定地基土的承载力、估算单桩承载力等。但各地区针对黏性土所提出的实测数据和经验公式有所不同，不能形成一个统一的公式用来确定各地区的地基承载力［10］。各地区应根据具体的工程地质条件建立相应的经验公式以指导工程实践。长春地区现行的根据CPT指标计算地基承载力的经验公式，也是与查表法所得地基承载力对应的经验关系［11］，所确定的地基承载力也偏低。CPT原位测试是确定老黏性土地基承载力可靠而简便的方法。长春老黏性土地基承载力特征值与CPT的锥尖阻力线性相关，重新建立了根据锥尖阻力计算长春老黏性土地基承载力特征值的经验公式，更能符合长春的工程地质条件。

3）根据土的物理性质指标确定地基承载力的方法 研究和实践证明，黏性土的地基承载力与孔隙比和液性指数密切相关，孔隙比和液性指数越小地基承载力越高。因此，通过采取原状土样和室内土工试验，根据黏性土的孔隙比和液性指数评价和确定地基承载力是正确的途径。

4）标准贯入试验原位测试方法 研究工作中也采用了标准贯入试验原位测试方法，但本次研究未得出有规律性的结果。

4 结论

1）根据土质学理论和试验研究，长春老黏性土的工程性质较好。以往的岩土工程勘察工作低估了其地基承载力，应予以提高。2）关于确定长春老黏性土地基承载力的方法，以往的岩土工程勘察工作所采用的方法是正确的，但由于缺乏载荷试验依据而影响了对地基承载力的评价。长春老黏性土的地基承载力特征值与土的天然孔隙比和液性指数线性相关，根据室内土工试验物理性质指标天然孔隙比和液性指数评价和确定老黏性土地基承载力是一种简便可行的方法。

（References）：

［1］ 吉林省地质矿产局，第二水文地质工程地质大队.长春市工程地质调查报告［R］.长春：吉林省地质矿产局，1990.Second Party of Hydrogeology and Engineering Geology，Bureau of Geology and Mineral Resources of Jilin Province.Engineering Geology Investigation of Changchun［R］.Changchun：Bureau of Geology and Mineral Resources of Jilin Province，1990.

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［6］ GB 50021－2009岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.GB 50021－2009 Code for Investigation of Geotechnical Engineering［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，2009.

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［9］ GBJ7－89建筑地基基础设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，1989.GBJ7－89 Code for Design of Building Foundation［S］.Beijing：China Architecture and Building Press，1989.

［10］ 孙家齐，陈新民.工程地质［M］.武汉：武汉理工大学出版社，2011：129.Sun Jiaqi，Chen Xinmin.Engineering Geology［M］.Wuhan：Wuhan University of Technology Press，2011：129.

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Foundation Bearing Capacity of Changchun Hard Plastic Old Clay

Sun Guangli1，2，Li Guangjie1，Zhou Jinghong2，Yu Guangyuan2
1.College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China 2.School of Geometrics and Prospecting Engineering，Jilin Jianzhu University，Changchun 130118，China

In order to provide reliable basis for foundation bearing capacity of Changchun hard plastic old clay and to discuss appropriate measures for determining the characteristic value of subsoil bearing capacity，laboratory soil test and in－situ testing methods including loading test and cone penetration test（CPT）are carried out，and the characteristics value of subsoil bearing capacity（306－425 kPa），the value of CPT（1.9－3.3 MPa），natural void ratio （0.63－0.72）and liquidity index （0.02－0.25）are collected.Based on the test data，there can be found a linear correlation between characteristic value of subsoil bearing capacity and the value of CPT，between characteristic value of subsoil bearing capacity and natural void ratio and between characteristic value of subsoil bearing capacity and liquidity index.Therefore，an empirical formula is presented，which the characteristic value of subsoil bearing capacity can be calculated according to the value of CPT.And then a calculation table about the characteristic value of subsoil bearing capacity of Changchun old clay is summed up according to the laboratory soil test indexes.

hard plastic old clay；foundation bearing capacity；loading test；cone penetration test（CPT）；soil test

10.13278/j.cnki.jjuese.201402203

P642.116

A

2013－08－06

国家自然科学基金项目（41172293）

孙广利（1962—），男，博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究，E－mail：sun68677＠163.com

李广杰（1952—），男，教授，博士生导师，主要从事岩土工程方面的教学和研究，E－mail：ligj＠jlu.edu.cn。