1、1花岗岩残积土上基础工程问题的探讨摘要：花岗岩残积土由于其特殊成因，而具有鲜明的工程特性。近年来，花岗岩残积土上基础工程问题时有出现，有必要将其作为一类工程问题专门研究。了解花岗岩残积土特性，并对其工程问题进行的探讨，对于其在工程上的应用有积极意义。 关键词：花岗岩残积土 ，结构性 ，土扰动， 地基基础承载力 ，基桩高应变试验 Abstract: the granite residual soil underlying causes due to its special, and has the distinct engineering properties. In recent years,
2、 granite residual soil underlying foundation has appeared on engineering problems, it is necessary to as a kind of special research engineering problems. Understand the granite residual soil underlying characteristics, and its engineering, this paper for the engineering application of the positive s
3、ignificance. Keywords: granite residual soil underlying, structural, soil disturbance, foundation bearing capacity, the foundation pile high strain test 2中图分类号：P619.22+2 文献标识码： A 文章编号： 1 前言 花岗岩残积土在我国南方地区广泛分布，土层厚度大，且分布很不均匀。土层承载力较高，地基应力可以应用到弹塑性状态。基础设计中对其承载力的有效充分利用，可以收到很好的经济效果。但是，随着基础工程建设的飞速发展，工程问题也日益突
4、出。近年来，广州番禺地区地基基础检测中就发现，不少花岗岩残积土上地基基础承载力就达不到设计要求。 花岗岩残积土“大孔隙比、高压缩性与高强度”工程特性源于其结构性，大量的压缩试验及原位静载试验表明，侧向应力卸荷、失水干缩、饱和软化、周期荷载等扰动损伤因素对其强度、压缩性的影响颇大。本文通过两个工程案例，从花岗岩残积土的特性上分析工程问题，并在基础形式选择、承载力确定、基础工程检测等方面进行了一些探讨。 2 工程案例 案例一： 某产业园 C25#厂房，采用天然地基基础，设计承载力特征值fak=200kPa，基础埋深 2.1m，场地土层分布如下： 素填土（Qml）：以近期人工回填的素填土为主，在场地
5、内均有分布，厚度 0.49.0m 不等，平均 3.56m。淤泥质土（Qal）：部分地段含水率较高，流塑软塑。平均埋深 4.76 m；层厚为 0.88.0 m，平均33.53 m。粉质粘土：湿，软塑为主，局部呈可塑，粘性一般，部分为坡积成因。本层在场地分布厚度不均匀，埋藏深度变化较大，层顶面埋深 0.011.2m，平均为 5.10m；层厚为 0.79.6m，平均 3.96m。砂质粘性土 (Qel)：为花岗片麻岩剧烈风化残积土，含砂约在 15%左右。上部软塑为主，部分可塑状，下部多为硬塑状，且风化不均，部分地段夹有半岩半土状全风化岩。本层在场地普遍分布，层顶面埋深 0.019.2m，平均为 7.4
6、6m；层厚为 2.420.2m，平均 10.66m。全风化花岗片麻岩：麻黑色，坚硬半岩半土状，含中细砂，稍湿，遇水易崩解软化。风化不均，为残积土和强风化岩过渡带，局部夹强风化岩粒。层顶面埋深11.031.20m，平均为 21.79m；层厚为 0.3016.6m，平均 3.87m。 对基础的 5 个轴线交点进行了地基土载荷试验，压板面积 0.5?，试验分 8 级加载，5 个检测点都在加载到 350kPa 时，沉降量偏大，终止试验，结果如下表： 案例二： 某花园第四期商住楼，使用 500mm 厚壁预应力管桩，设计单桩承载力特征值 2200kN，静载试验极限承载力 4400 kN。地质勘察报告揭示，
7、地层简单，表层 12m 素填土，粉质粘土 310m 左右，花岗岩残积土3040m，下为全风化和强风化岩层。设计桩端持力层为强风化岩。一部分桩是锤击打入，总锤击数 12001600 锤，也有小部分桩静力压入，最大静压力 5300 kN。入土桩长一般为 1527m，最大达到 34m。静载试验428 根桩，有 6 根桩承载力达不到设计要求，最小单桩极限承载力 2200 kN。从中选取具有代表性的 3 根桩，结果如下表： 3 土层厚度、土质不均匀 花岗岩残积土是残留在原地未被风和降水搬运的那一部分原岩风化剥蚀后的产物。它的分布受地形控制，因地形起伏，残积土厚度在小范围内变化较大。案例一中的场地土花岗岩
8、残积土层厚度变化范围很大，对天然地基基础设计土层和基础埋深的选择造成困扰。基础设计仅依靠地质勘察资料提供的信息有时是不够的。宜通过施工过程中的现场验槽、原位标贯和现场静载荷试验修正土层承载力，调整优化基础设计方案。 花岗岩残积土是未经搬运的，土颗粒没被磨圆或分选，没有层理结构，均质性很差。在山地、丘陵、平原，其分布特征各有不同。地形起伏区残积土一般还伴随有坡积成因土，它一般分布在坡腰或坡脚，由高处岩石风化产物经冲刷剥蚀，沿坡移动、沉积而成，随斜坡往下呈由粗到细的分选现象。坡积土在坡脚、洼地容易积聚，土层厚度较大。天然状态下，花岗岩残积土强度较高，且越往深处靠近基岩强度越高。表层残积土孔隙比小，
9、透水性差，自上至下孔隙比逐渐增大，透水性变好。案例一中 C25#厂房天然地基土载荷试验时，现场勘查土层细粒成分含量偏大，含砂量低，属粉质粘性土，接近表层残积土或坡积土性，试验结果承载力不满足设计要求。相邻地基土层试验点同样试验条件，细粒含量相对较小，结果试验承载力满足设计要求。 54 结构强度和土扰动 从广义上来说，土都具有结构性1，亦即土颗粒和空隙的形状、排列方式以及土颗粒之间力的相互作用。土的结构性源于土的天然性，花岗岩残积原状土因其成因而具有特定的结构，保留着原岩一定的残余结构强度。结构强度由土沉积过程中的物理化学因素使颗粒相互接触处产生的固化联结键而形成。 传统方法测得的先期固结压力
10、pc 和超固结比 OCR 只针对非结构性土，对于原状结构性土，应称之为结构屈服压力 k 和结构应力比2。结构屈服压力 k 是先期固结压力 pc 和结构强度 q 之和。图 1 为结构性土原状样和重塑样的压缩曲线，从中看出，该土样具有明显的结构屈服压力k，当压力超过 k 时曲线陡降，结构强度损失。图 2 中扰动土重塑还原后的压缩曲线与原状土压缩曲线之间的阴影区域，即结构强度区域。结构强度区域反映了不同荷载、不同孔隙比下的结构强度大小9。 图 1 原状样和重塑样的压缩曲线图 2 原状结构性土的结构强度 在钻探取样、土样运输和切取制作时，土的结构性极易因扰动而破坏，使其结构强度损失。这也是一般的室内土
11、工试验方法物理力学性质分析所得的地基承载力偏低，而原位测试承载力较高的原因。 案例二挤土桩施工过程中，桩周土受力挤密，土体内部结构和应力状态发生变化。花岗岩残积土原有结构性遭到破坏，结构强度损失，且6很难在自重压力下重塑。该类场地预制挤土桩的桩侧摩阻力与按一般原状粘性土经验计算的值相比偏低。 5 基础形式的选择 低层或多层建筑物的地基基础，采用柱网下条形基础，花岗岩残积土层一般能满足承载力要求，应适当考虑施工扰动和地下水的作用。 高层建筑桩基础设计中，采用冲、钻孔或人工挖孔灌注桩，土扰动和地下水影响明显时，造成一部分原状土强度的损失且很难经验估计，设计安全度不够容易造成桩基失效。近年来，PHC
12、 高强预应力管桩得到广泛的应用，但由于花岗岩残积土强度较高，打、压入桩都比较困难，加上持力层土层变化大，以及砂夹层、孤石等影响，时有断桩现象发生，用桩长度也难以预估，造成截桩量大、浪费太多。 在花岗岩残积土层上，植入增强体桩是比较好的复合地基处理方案。依据对地基土强度实行 “差多少补多少”的原则，并铺设合适的褥垫层使增强体桩与地基土整体受力、变形匹配。复合地基布桩方案灵活、施工周期短，质量易控，处理容易，成本相对较低，能达到很好的经济效果。研究既能充分利用花岗岩残积土天然地基承载力，又能与花岗岩残积土相适应的复合地基施工方法，具有实践意义。 6 地基基础承载力设计值的确定 地基土承载力设计值可
13、以由抗剪强度指标确定，案例一地质勘察资料提供的天然地基基础岩土设计参数建议值如下表： 7按规范6，取宽 3m，埋深 2.1m 的基础，由 fa=Mbb+ Mdmd+Mcck 计算地基承载力得：粉质粘土 fa = 151.5 kPa，砂质粘性土（残积土）fa =170.4 kPa。 地基承载力特征值 fak，也可由原位标准贯入试验击数 N 由经验关系确定。对上表中地质资料提供的地基承载力特征值 fak 再进行深宽修正，fa = fak +b（b-3 ）+dm（d-0.5） 。修正后结果，粉质粘土 fa =160.4 kPa；砂质粘性土（残积土）fa =233.6 kPa。相比由抗剪强度确定的承载
14、力偏大。显然，由于土样的扰动，室内土工试验测得土抗剪强度指标确定的地基承载力偏小，工程上过于保守。事实上，原位地基土载荷试验结果，场地内除 C25#厂房外花岗岩残积土 fak 都在 200kPa 以上。花岗岩残积土承载力宜根据标准贯入试验等原位测试资料，结合当地经验综合确定。规范6规定地基基础设计等级为甲级的，必须由现场静载荷试验确定。按现场静载荷试验确定的地基承载力方法直观可靠，所测得的成果能反映载荷板下一定深度内土体的平均性质，可以作为基础工程验收手段。但由于时间周期长、费用高，且试验所得成果指标比较单一，局限性较大。 竖向抗压桩的承载机理比较复杂，其承载力和桩的几何尺寸与外形、桩侧土与桩
15、端土的性质、成桩工艺等因素有关。根据原位单、双桥探头静力触探资料，确定的混凝土预制桩的极限承载力标准值比较可靠，但8需要耗费大量人力物力；根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定单桩竖向极限承载力标准值简单方便，但存在一定偏差。通过长期试验资料积累，建立本地区极限侧阻力标准值和极限端阻力标准值与土层物理指标、岩石饱和单轴抗压强度以及静力触探等土原位测试指标间的经验关系7。量化花岗岩残积土在不同条件下受地下水、土扰动影响的经验指标，可用来指导基础设计。 7 承载力检测 天然地基基础的验收通过施工验槽，并辅以一定的原位测试手段完成。对原状土进行地基土载荷试验和对基桩进行单桩竖向承载力静载试验
16、，都能取得直观可靠的检测结果，但时间长、费用大。 基桩高应变试验方便快捷、费用相对较低，对场地要求也没静载试验高，适合对基桩承载力大面积抽检。花岗岩残积土上高应变检测同样具有特殊性。桩周花岗岩残积土的高强度，决定激发土阻力需要更大的冲击力；高压缩性决定激发土阻力需要更大的桩土间相对位移，也就是需要更大的冲击能量。地基土受迫振动时的阻尼分两类，一类是逸散阻尼，另一类是材料阻尼。前者是土体中的振动能以表面波和体波向桩四周和向下方扩散产生，后者是由土粒间摩擦和孔隙中水与气体的粘滞性产生5。花岗岩残积土的结构性逸散阻尼和受扰动下高孔隙水压粘滞性引起的材料阻尼，构成其高水平阻尼作用，而高应变试验 cas
17、e 法模型是不考虑桩侧阻尼的。阻尼作用使桩周花岗岩残积土受剪切时应变反应明显滞后于应力，在高应变试验中表现为力信号的迅速衰减。在检测结果9分析上会形成误区：认为冲击力很大，桩土间相对位移却不明显，是因为高土阻力阻止了桩土间相对位移，即“打不动” 。忽视花岗岩残积土的特殊性进行高应变检测结果分析，就会在经验上高估基桩承载力。下图3 为案例二中 2077#桩的高应变试验曲线： 图 32077#桩的高应变 F-V、D-E 曲线及 case 法结果 如图，高应变试验的最大冲击力达到 5103kN，但是在 t2 时刻左右，测试力信号已经衰减完全，而此时的桩土间相对运动还远没有停止。 静载试验不受到地基土
18、阻尼的影响，2077#桩静载试验结果极限承载力为 2200kN： 图 42077#桩的静载试验 Q-S 曲线 基于动静对比基础上的拟合分析，可以获得高应变检测中桩土模型的几个关键参数。在有条件的情况下，对花岗岩残积土上桩基础多做静载试验。通过本地区大量的动静对比试验，建立动静试验参数的经验关系，并对不同情况的花岗岩残积土场地桩基础工程进行类比分析，将有助于对高应变检测的承载力的客观评价。 8 结语 在扰动和浸水等因素作用下，花岗岩残积土显著的微观缺陷（原生或次生裂隙）不断扩展，造成其力学性能的劣化。花岗岩残积土的结构10性和损伤本构模型的研究8，对于花岗岩残积土上基础应用有重大的理论和实践意义
19、。 花岗岩残积土性质主要还是靠室内土工试验结果来评定。由于土的扰动性，传统的取样技术和常规的小试样试验方法所得的试验结果偏离很大。原位测试点的数量毕竟有限，因此提高取样技术、减少土样从取出到试验期间的扰动是需要解决的重点问题。 花岗岩残积土上基础应用应认识到它的工程特殊性。当地区经验不足时，宜多进行原位标贯、静载荷试验。经验与试验结果相结合，以全面评价各种基础形式下的地基土工程性能，用来指导基础工程设计和施工，才能保证工程质量、取得良好的经济效益。 参考文献 1 龚晓南，熊传祥等.黏土结构性对其力学性质的影响及形成原因分析 J.水利学报.2000，10:43-47 2 李作勤.有结构强度的欠压密土的力学性质 J 岩土工程学报1982，4（1）：34-45 3 王常明等.含水量对结构性土力学性状的影响J 第三届全国岩土与工程学术大会论文集 2009 年 4 张永波等.花岗岩残积土浅层地基承载力评价方法探讨J 工程地质学报，1997,5（3）：252-256 5 常士骠等.工程地质手册 （第四版）2007，2：595、290-319 6 建筑地基基础设计规范 （GB50007-2002） ，2002 年
