延边地区土质成因及地基承载力的研究

张兆辉，李向群

(吉林建筑大学测绘与勘查工程学院，吉林长春130118)

我国吉林省延边地区地基土持力层一般为风化砂质泥岩，风化砂质泥岩承载力对研究延边地区地基土的成因以及承载力尤为重要。前人对于风化砂质泥岩做了大量研究，李向群对长春地区阶地土成因提出了长春土是水成的，并具体划出了冲积型、洪基型、坡基型［1］。吕宗耀在大量实验数据的研究中提出了对风化砂质泥岩的承载力特征值与变相模量的经验公式［2］。叶晨风等根据具体工程实例对地铁施工在风化砂质泥岩土层中，得到了盾构法所需要的具体的注浆量和稳定比的控制建议值［3］。吴平在对风化砂质板岩的水理研究中发现风化板岩极易发生崩解，风化程度越大崩解越严重，越干燥越易发生遇水崩解，而且在崩解过程中极易发生泥石流［4］。通过对延边地区土质进行分析，得出延边土层的具体数据及可靠结论。在前人大量的研究中发现对于延边地区地基土的成因及持力层承载力的研究有所欠缺，所以本文在前人研究的基础上对延边地区土层大致分布及地基土持力层承载力进行分析。

1 延边地区地层的基本特征

延边地区广泛分布二叠层地层，对于延边地区的地层区分一直存在大量问题，近年来发现，延边地区在晚古生代末处于活动大陆边缘，而西伯利亚板块、松嫩板块、佳木斯板块与华北板块的交汇也造成延边地区地层分布模糊［5］。吉林省地区的地层主要为白垩系地层，主要是山区型白垩系地层。延边地区最大的内陆湖盆地是延吉，是发育比较完全的白垩系地层且出露完全，能充分反映出吉林省东北部山区白垩系地层。本文主要对延边地区地基土的成因以及地基土持力层承载力进行系统研究，对泥岩、砂岩进行现场原位试验以及土工试验以探讨延边地区地层承载力的实际情况。

泥岩是沉积岩石学中沉积碎屑岩类的粘土岩类，一般为厚层状、密实、层理和页理不明显的粘土岩。延边地区延吉盆地地基持力层多为泥岩层，泥岩的风化程度随着靠近地表而增大，越靠近地表，风化程度越高。本文测试对象主要是处于全风化、强风化状态的泥岩层，为紫红色、红褐色、灰褐色、灰棕色、块状散体状，极易破碎。

2 地基土土层成因

延边地区试验场地地层自上而下为:(1)人工填土，厚1.00～4.50m;(2)粘土，厚6.80～13.50m;(3)粗砂，厚1.70 ～5.90m;(4)圆砾，厚1.20 ～5.30m;(5)风化砂质泥岩，厚4.10 ～7.30m。延边地区表层土质以冲积、堆积而成。在20世纪70年代以前，由于施工技术的不足，无法充分利用延边地区的地基承载力，随着施工技术的发展，以泥岩层为地基持力层逐渐成为多层建筑和重要厂房的发展方向。

2.1 粘土

粘土位于地下1.00～3.50m处，棕黄色，可塑，总厚度约为7.00m。

(1)物理力学指标统计值(表1)

表1 粘土物理力学指标统计值

(2)指标空间特征

①天然孔隙比e

粘土所处的地下埋深位置约为2.0～3.5m处，e0＞1.0;然而，当粘土所处位于地层埋深约为3.5～5.5m处时，0.8 ＜e0＜1.0。

粘土的固结程度随着时间而变化，孔隙比逐渐减小;粘土的固结程度也受上层土的自重力影响，土层越深，固结程度越大，孔隙比越小。这说明孔隙比受形成时期和自重固结的影响较大。

②液性指数IL

液性指数随着埋深的增加而减小。

对于所测数据，当粘土位于埋深所在位置小于1.50m处时，IL＞0.8，粘土大多数以软塑状态为主;对于所测数据，当粘土位于埋深所在位置大于3.50m处时，IL＞0.4，粘土大多数以可塑状态为主。粘性土的承载力和坚硬程度，与地下水位和水的饱和程度密切相关。

2.2 粗砂

埋深8.50～10.50m，总厚度约为2.50～4.50m，为本区基础的下卧层之一。该层土多成黄色、灰白色。延边盆地区，此层呈连续分布，是基础的持力层之一。对此层粗砂进行物理指标测定(表2)，本层粗砂呈稍密状态。

表2 粗砂物理力学指标统计值

根据颗粒分析，粗砂占50%，细砂占65%，粉粒及粘粒占15%。不均匀系数平均为19.7，级配良好。

2.3 圆砾

埋深15.5～17.0m，总厚度约为3.00～4.00m，为本区深基础主要下卧层之一，也是桩基础的稳定持力层之一，呈灰黄色，中密～密实状态，本层主要含卵石、砾石、砂，卵石、砾石磨圆较好，以亚圆形为主，级配良好，慕言成分主要为花岗岩，该试验场地均匀分布。该层物理力学指标如表3所示。

表3 圆砾物理力学指标统计值

根据分析，本层土级配良好且承载力较高，可以作为桩基础主要持力层，但是对于比较重要的建筑，本层的承载力还是不足的，为了对本地区地基土持力层承载力进行深入探讨，将对下一层泥岩层进行大量试验研究。

3 风化砂质泥岩地基承载力的确定方法

载荷试验和原位测试试验是确定风化砂质泥岩地基承载力的可靠方法，在没有具体地区经验的情况下由载荷试验和原位测试试验得出的风化砂质泥岩地基承载力是可靠的。采用载荷试验可以得出风化砂质泥岩地层的地基承载力特征值和变形模量。对载荷试验周边进行标准贯入试验，可以得出标准贯试验锤击数。本文将对标准贯入试验锤击数、由载荷试验得到的风化砂质泥岩地基承载力特征值以及弹性模量进行线性分析，并且研究其相关性。求得关于延边地区风化砂质泥岩地层承载力的计算方法及经验公式，为以后延边地区地基承载力的确定提供有效可靠的方法。

3.1 载荷试验

按照《建筑地基基础设计规范》(GB50007)附录C［6］的规定，采用载荷试验确定泥岩层地基承载力。浅层平板载荷试验要求现场符合以下条件:试验点无边载，为基坑大开挖的条件;承压板为刚性板，所测的承压板面积是0.5m2;试验点面积范围内拟采用明沟排水，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。进行平载荷试验时，场地均已进行降水施工，考虑降水因素，试验土层的强度比天然饱和状态的强度高。因此，进行承载力与土工试验成果及原位测试成果关系分析时，应将平板荷载试验所获得的承载力进行折减，经室内土工试验对比分析，折减系数取0.85。

3.2 标准贯入试验

在载荷试验的前提下对原试验场地周边进行标准贯入试验，以获得延边地区泥岩层的标准贯入试验锤击数，对泥岩层进行标准贯入试验按照《岩土工程勘察规范》(GB50021)的规范进行［7］。

按照规范采用自动脱钩式的自由落锤，落距76cm，锤重63.5kg，探杆直径42mm，贯入器采用国家固定标准。依照国家规范:钻孔内保持干净，有护臂保护，泥岩层进行标准贯入试验要预打3～5击，确保贯入器进入未扰动层，标准贯入数据要根据杆长进行修正。根据吉林省建设标准，对泥岩层风化程度与锤击数如表4所示。

表4 标准贯入试验判定风化程度

原位测试成果、土工试验成果及承载特征值数据详见表5。

表5 原位测试成果、土工试验成果及承载力特征值数据表

试验序号1～试验序号4四组试验所在场地为紫红色全风化砂质泥岩层，承载力特征值为340～450kPa，平均值为 406kPa;变形模量为20.41 ～27.10MPa，平均值为24.75MPa。

试验序号5～试验序号8四组试验所在场地为灰褐色强风化砂质泥岩层，承载力特征值为700～910kPa，平均值为 842kPa;变形模量为41.02 ～56.02MPa，平均值为49.10MPa。

试验序号9～试验序号11三组试验所在场地为灰棕色强风化砂质泥岩层，承载力特征值为750～940kPa，平均值为843kPa;变形模量为43.00 ～57.06MPa，平均值为47.95MPa。

由数据可知，风化砂质泥岩层承载力特征值和变形模量与风化程度密切相关，随着风化程度的增加，泥岩层地基承载力特征值和变形模量变小。

(1)地基承载力特征值与标贯锤击数的经验关系。根据表1表格中所标示的数据，采用一元线性回归分析，全风化～强风化砂质泥岩层地基承载力特征值与修正后的标贯锤击数N线性相关，相关系数为0.9322，其相关性见图1。

图1 承载力特征值与标贯锤击数关系

图2 承载力特征值与变相模量关系

由图1可知，根据修正之后的标准贯入试验锤击数N可以计算出泥岩层地基承载力特征值fak的试验经验公式如下:

其中，fak为所测地基承载力特征值，kPa;N为经过修正后的标准贯入试验锤击数，击。

(2)变形模量与地基承载力特征值的经验关系。由试验得出的数据，对标准贯入试验锤击数与承载力特征值的线性关系进行线性分析。风化砂质泥岩层承载力特征值与地基泥岩层变形模量的线性关系，其相关系数为0.9732，其相关性见图2。

根据已有数据，可以得出风化砂质泥岩层变形模量与承载力特征值fak的经验公式:

其中，fak为所测地基承载力特征值，kPa;E0为所测地基变形模量，MPa。

(3)变形模量与标准贯入试验锤击数的经验关系。由试验得出的数据，对标准贯入试验锤击数与变形模量的线性关系进行线性分析。可知风化砂质泥岩层变形模量与地基泥岩层修正后的标贯锤击数N的线性关系，其相关系数为0.9249，其相关性见图3。

图3 变形模量与标贯锤击数关系

其中，E0为所测地基变形模量，MPa;N为经过修正后的标准贯入试验锤击数，击。

4 结论与建议

4.1 结论

延边地区土质成因较为复杂，但总体来说延边土层相对清晰，本文通过对延边地区土层的分析与试验，明确了延边地层土质的成因，给出了风化砂质泥岩层地基承载力经验公式，得出如下结论。

(1)延边地区土质多为冲积土，土质分层较为复杂，但经过对延边地区土层试验分层后发现延边地区表层为粘土，提供较少的承载力，下卧为砂、砾，提供浅基础承载力，对于重要建筑所需的较高的承载力还需要泥岩层提供。

(2)根据对延边地区的土层试验，发现延边地区以往的勘查工作得出的地基承载力偏于保守。载荷试验是确保地基持力层承载力的可靠方法，在当地实际经验缺乏的情况下，可以由载荷试验确定风化砂质泥岩持力层的地基承载力。

(3)对延边地区的风化砂质泥岩层的研究可直接使用本文成果和经验公式来计算地基承载力特征值，设计工作中的变形模量和锤击数的修正也可以参考本文结果。

(4)本文研究了标贯锤击数与变形模量和风化砂质泥岩持力层承载力特征值的关系，总结了标贯锤击数与变形模量和风化砂质泥岩持力层承载力特征值的经验公式，对延边地区地基持力层承载力的研究提供了参考依据。

(5)本文统计的试验数据分布于延边地区，适用于延边地区，对于延边地区风化砂质泥岩层强风化和全风化可以直接套用本文所建立的经验公式。

4.2 建议

本文对延边地区的土质成因及地基持力层承载力作了大量研究，对延边地区主要下卧持力层泥岩的研究相对局限，今后还可以从泥岩层的风化状态、泥岩层承载力随风化程度的变化、泥岩层的各种物理指标等方面对延边地区泥岩持力层进行探讨。

根据已有数据，可以得出风化砂质泥岩层变形模量与标贯锤击数N的经验公式:

［1］李向群，于光源.关于长春市区地基土的成因及承载力的探讨［J］.岩土工程技术，2007，21(1):51－54.

［2］吕宗耀，孙广利.延吉盆地风化砂质泥岩地基承载力研究［J］.吉林建筑工程学院学报，2013，30(6):22－25.

［3］叶晨峰，阳生权，彭进宝.风化砂质泥岩地层地铁盾构施工引起地面沉降与其控制［J］.湖南工程学院学报，2012，22(3):82－84.

［4］吴平，傅鹤林.风化砂质板岩水理特征研究［J］.公路工程，2013，38(6):10 －13.

［5］吉林省地质矿产局.吉林省区域地质志［M］.北京:地质出版社，1988:224－224，251－251.

［6］中华人民共和国水利部.岩土工程分级标准(GB 50218)［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［7］中华人民共和国住房与城乡建设部.岩土工程勘查规范(GB 50021)［S］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［8］吉林省住房与城乡建设厅.岩土工程勘查技术暂行规定［S］.吉林省建设工程标准(DB 22/T367)，2004.