甘肅黃土地基的壓縮變形規律與機理研究

原標題：

甘肅省黃土地基承載力測試與評價研究

摘要：

地基承載力是黃土地區工程設計的基本和關鍵引數，直接決定著工程建設的安全可靠性和經濟性。透過實測甘肅省不同地區、不同時代成因黃土的地基承載力，分析了黃土地基的壓縮變形規律與機理。研究表明，孔隙比在很大程度上決定著黃土地基的破壞模式及承載力大小，黃土地基承載力同時也與土體含水率、液塑限密切相關。儘管依據土體物理指標確定地基承載力的迴歸關係式形式有所不同，但計算結果在一定條件下與實測值吻合度較高，透過對比分析各回歸關係式的適宜性及優缺點，結合規範推薦值和實測值，給出了甘肅省隴西地區和隴東地區一般新黃土的地基承載力表。

關鍵詞：

黃土； 隴東； 隴西； 載荷試驗； 地基承載力；

作者簡介：

胡建芳（1977—），男，高階工程師，學士，主要從事岩土工程勘察與諮詢。E-mail：153209071@qq。com； *趙天宇（1985—），男，高階工程師，博士，主要從事公路工程勘察與岩土工程測試研究。E-mail：zhaoty07@lzu。edu。cn；

基金：

甘肅省科技重大專項“甘肅省溼陷性黃土地區公路修築成套技術研究”（1302GKDA009）；

引用：

胡建芳，趙天宇，李論基，等 。 甘肅省黃土地基承載力測試與評價研究［J］。 水利水電技術，2020，51（ 7） ： 139-146。HU Jianfang，ZHAO Tianyu，LI Lunji，et al。 Study on testing and evaluation for bearing capacity of loess foundation in Gansu Province［J］。Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2020，51（ 7） ： 139-146。

0 引 言

甘肅省地處黃土高原的西部，是我國黃土的重要堆積地。黃土分佈西起烏鞘嶺，南至渭河谷地，北至景泰、白銀、靖遠一線，東至甘陝交界，黃土分佈面積廣、厚度大，也是省內工業民用建築、公路、鐵路等工程建設透過最多的地層。甘肅省黃土在物理力學性質、溼陷性、水敏感性、厚度等方面都與陝西、山西、寧夏等省區有明顯差異，且甘肅省不同地區、不同時代和不同成因黃土的物理力學性質也有很大差異，給黃土地區工程勘察與設計提出了更高的要求，工程設計須因地制宜，選取科學、合理、可靠的地基設計引數，以確保構築物建設與使用的安全性與經濟性。地基承載力作為工程建設的重要基礎設計引數，決定著地基土的承載能力是否能充分發揮，地基是否會因荷載作用而發生剪下破壞或產生過大變形破壞。石剛 總結了黃土地基承載力變化規律及評價方法，並建立了承載力與含水量、液限、孔隙比之間的非線性迴歸關係式。龐旭卿 採用載荷試驗、動力觸探、標準貫入、靜力觸探等對黃土地基承載力進行了檢測，迴歸分析得出了一般新黃土的容許承載力與物理指標之間的相關關係。劉怡林 測試研究了不同地區黃土地基承載力特性，分析總結了不同測試方法在公路黃土地基承載力評價的可行性。閆嘉慶、白曉紅 研究提出了適用於山西省不同黃土地區含水量、液限與孔隙比多因素黃土承載力統計公式。侯建軍 等測試研究了甘肅隴西地區黃土浸水前後地基承載力變化規律。許書雅等 基於黃土地基載荷試驗和地基承載力，對比分析了以往規範中地基承載力表存在的偏離問題，提出了適當的修正建議。以上學者透過直接或間接方法測試研究了不同地區黃土地基承載力特徵、變化規律及測試方法的可行性，為黃土地區工程建設提供了基礎設計引數，取得了一定的經濟社會效益。

然而，由於直接確定地基承載力的現場靜力載荷試驗耗時耗資，在當前工程建設中很少進行地基承載力測試，這難免會造成部分地基承載力評價值與實際值存在較大偏差，從而導致土體承載能力發揮不充分或構築物地基安全度不夠，影響其正常運營使用。鑑於此，本文透過現場靜力載荷試驗測試了甘肅省不同地區、不同時代成因黃土的地基承載力，分析其在荷載作用下地基土的變形破壞形態，科學合理地確定了不同地區黃土的地基承載力，並建立了地基承載力土體物理指標的相關關係，研究結果可為甘肅省不同地區黃土地基承載力確定、評價提供可靠的資料和依據。

1 黃土地層特性及承載力測試方法

劉東生等 透過調查與測試研究表明，中國黃土分佈呈現由北向南、由西向東，顆粒大小逐漸由粗變細、黏粒含量逐漸增多、液塑限逐漸增大，溼陷性逐漸減小的變化規律。以六盤山為界，甘肅省黃土被劃分為隴東黃土和隴西黃土，二者分佈厚度、物理性質、溼陷性、承載力、水敏感性等都有較大差異，對公路構築物的影響也表現出區域差異性。基於此，本文選取蘭州、慶陽寧縣、慶陽南梁3處場地分別代表隴西黃土、隴東中部黃土和隴東北部黃土，採用靜力載荷和靜力觸探試驗綜合測試了黃土地基承載力，並對比分析前人對甘肅省不同地區黃土地基承載力的研究，以期為公路工程勘察設計提供可靠的地基承載力設計引數與預估方法，為甘肅省黃土地區工程建設提供科學依據。

1.1 黃土地層特性

本文所選代表性黃土的物理力學性質如表1所列，級配曲線如圖1、2所示。在此基礎上，對代表性試驗點黃土地層特性進行了逐一分析。

表1 不同地區黃土基本物理力學引數

圖1 黃土代表性級配曲線（10 m深土樣）

1.1.1

隴西黃土（蘭州）

試驗場地位於蘭州市南側，地貌單元屬黃河高階地，試驗土層為上更新統沖積黃土（Q ），淺黃色-黃褐色，稍溼，稍密，土質較均勻，肉眼可見孔隙含量較少，黃土厚度大於30 m。

1.1.2

隴東中部黃土（慶陽寧縣）

試驗場地位於慶陽市寧縣長官路口附近，地貌單元屬黃土塬（董志塬），分別在自上而下的馬蘭黃土 （Q ）、古土壤（Q ）、離石黃土（Q ）等三種地層進行地基承載力測試評價。

（1）上更新統新黃土（Q ）：呈淡黃、褐黃色，稍溼，稍密，土質較均勻，無層理，大孔隙和垂直節理髮育，無搖震反應，具溼陷性，一般厚度大於10 m。

（2）古土壤層（Q）：棕紅色，是馬蘭黃土與離石黃土標誌性分界層，土質均勻，堅硬，大孔隙發育，無搖震反應，稍有光澤，幹強度及韌性中等，大孔隙內有衝填痕跡，含豐富白色鈣質菌絲，有零星姜石，厚度一般2。0～2。8m。

（3）中更新統老黃土（Q ）：棕黃色，稍溼，堅硬，有白色鈣質粉末及菌絲，塊狀結構，針孔發育，大孔隙較少，土質較均勻，厚度較大。

1.1.3

隴東北部黃土（慶陽南梁）

試驗場地位於慶陽市華池縣南梁鎮東北方向某黃土山樑上，地貌屬隴東黃土高原丘壑區，微地貌為構造侵蝕黃土梁峁溝壑區，試驗土層為上更新統馬蘭黃土（Q），淺黃色-褐黃色，以粉質黃土為主，稍溼，稍密，土質均勻，有大孔隙，發育針狀孔隙和垂直節理，結構疏鬆，透水性強，具溼陷性，易產生陷穴、黃土橋等黃土溶蝕地貌，層厚一般大於15 m。

1.2 靜力載荷試驗

如圖2所示，本次淺層靜力載荷試驗採用分級載入法，200 kPa以內按照25 kPa的分級荷載施加，200 kPa以上按照50 kPa的分級荷載施加。承壓板選取直徑為0。798 m（面積0。50 m ）的圓形鋼板，安裝前在天然溼度土層平整開挖試坑，並在底面並鋪設10～20 mm厚的中砂墊層，保證承壓板與試驗面平整接觸。

沉降觀測採用量程為50 mm的電子百分表和靜態資料採集接收系統，由智慧電感調頻位移感測器與計算機連線，可實時觀測並採集各百分表的位移變化情況。每級荷載施加後，按間隔5 min、5 min、10 min、10 min、15 min、15 min測讀一次沉降量，以後間隔30 min測讀一次沉降，當連續兩個小時每小時沉降量不大於0。1 mm時，可認為沉降已達相對穩定標準，施加下一級載荷。滿足下列條件之一時試驗即終止：（1）承壓板周圍的土明顯側向擠出；（2）本級載荷的沉降量急劇增大，P-S（壓力-沉降）曲線出現陡降段；（3）某級載荷下，24 h內沉降速率達不到穩定標準；（4）總沉降量與承壓板直徑或寬度之比超過0。06。載入完成後，採用分級解除安裝觀測地基回彈變形量，分級解除安裝量為分級載入量的2倍，15 min觀測一次，1 h後再卸下一級荷載。

依據淺層平板載荷試驗相關要求，每一土層開展靜力載荷試驗測試3次，按照比例界限荷載、極限荷載和位移控制法綜合確定土體地基承載力，取3次測試平均值作為該土層的地基承載力特徵值（各測試值的極差不超過平均值的30%）。

圖2 靜力載荷試驗現場示意

2 不同地區黃土地基承載力及土體壓縮變形規律

2.1 不同地區黃土地基承載力

地基土在上覆荷載作用下，壓縮變形及破壞過程先後表現為彈性壓密、塑性剪下和塑性流動破壞三個階段。壓密階段荷載相對較小，地基土以壓縮變形為主，壓力與變形之間基本呈線性關係，地基中任一點的剪下應力均小於該點的抗剪強度。剪下階段地基土區域性範圍內的剪下應力達到土的抗剪強度，發生塑性剪下破壞並逐漸擴大。破壞階段荷載超過極限強度，很小的荷載增量就可以引起很大的沉降，地基整體失去穩定性而產生破壞。

考慮黃土具有壓縮性大的特殊性質，當P-S（壓力-沉降）曲線上具有明顯的比例界限時，取該比例界限P 所對應的荷載值作為地基承載力；當P-S曲線上比例界限不明顯時，採用相對沉降來確定地基承載力，依據土體軟硬程度取S/D（沉降量/承壓板直徑）為0。01～0。015時所對應的荷載值作為地基承載力，承載力取值應小於極限荷載和最大加荷值的1/2。透過開展隴東北部、隴東中部和隴西地區黃土地基靜力載荷試驗測試，獲得了不同地區黃土地層的地基承載力，如表2所列。可以看出：（1）在含水率大致相同的情況下，第四繫上更新統（Q ）黃土的地基承載力隨孔隙比的減小而增大。對比不同時代成因的黃土地基，可知離石黃土形成時代最早，壓密程度最高，承載力最大，其次為古土壤，最小為馬蘭黃土，同樣表現為密實程度越高地基承載力越大；（2）對比相同時代的上更新統（Q ）黃土，可以發現相同含水量和相同孔隙比條件下，隴東黃土的地基承載力略高於隴西黃土，這是由於隴東黃土黏粒含量相對較大，可溶鹽含量相對較小，黃土骨架鑲嵌狀膠結成分多，土體性狀相對穩定 。我國黃土自西北向東南有著明顯的規律性，從而導致甘肅省六盤山以東的隴東黃土和以西的隴西黃土在顆粒組成、溼陷性等物理力學性質有很大的差異，不同區域黃土地基承載力也表現出一定的差異和規律；（3）黃土形成的地質年代越早，壓密及膠結作用程度越高，抗剪強度也越大，相應的地基承載力也就越高。

表2 黃土地基承載力測試成果

2.2 不同黃土地基壓縮變形規律與機理

圖3、4分別為不同地區上更新統（Q ）黃土和不同時代黃土壓縮變形P-S曲線。可以看出，形成時代較晚的上更新統（Q ）黃土P-S曲線表現為比例界限不明顯的緩變形，地基破壞模式表現為區域性剪下破壞，是一種以變形為主要特徵的破壞模式，而形成時代較早的離石黃土和古土壤P-S曲線表現為具有比例界限的整體剪下破壞，是一種以強度失效為主要特徵的破壞模式 。

由圖3可以看出：（1）載入初期，三處黃土地基的變形基本一致，表現為隨著荷載增大沉降量均勻增加，此時土體處於壓縮變形階段，土體在荷載作用下逐漸形成壓實體，土體沉降主要是由土顆粒不退則轉動和位移填充孔隙引起的，土體結構強度起主要作用，地基未出現塑性區或者出現範圍不大且不連續的塑性區，對沉降量影響不大；（2）隨著載荷的增大，P-S曲線斜率進一步增大，變形速率顯著增加，小幅度的荷載增加即可引起較大的沉降，土體進入區域性剪下破壞階段，土體結構逐漸遭到破壞，地基沉降由壓實體的進一步壓密和塑性區變形組成，載荷板下逐漸形成一個密實度較大且向下擴充套件的“土墩”，與載荷板一起向下和向外圍傳遞壓力，周圍原狀土受到橫向擠壓，地面開始出現微小隆起。因此孔隙比較大的南梁黃土地基塑性變形區出現時間早且發展快，變形速率更大；而孔隙比相對較小的蘭州黃土和寧縣黃土地基，剪下變形速率較小且塑性區發展較慢。（3）繼續向地基施加荷載，“土墩”下部的塑性變形土體進一步被壓密、硬化，逐次成為“土墩”的一部分，“土墩”逐漸增大，地基下沉主要由“土墩”下部密實化和新產生的塑性變形組成，每一級荷載施加後即完成這樣一個類似的壓縮變形過程，因而P-S曲線出現後段基本呈直線，直至塑性區貫通發生破壞，該階段三處黃土地基表現出相同的壓縮變形規律。

圖3 不同地區上更新統黃土P-S曲線

對比圖4不同時代成因黃土地基的P-S曲線，可以看出，相比於馬蘭黃土，離石黃土與古土壤形成時代早、壓密程度高，因此其變形破壞模式趨向於整體剪下破壞。分析可知，離石黃土和古土壤地基壓縮變形過程也經歷了壓密、剪下和隆起破壞三個階段，因載入壓力較小，其塑性流動破壞發展較小，曲線表現不明顯。離石黃土和古土壤在壓密階段斜率相對較小，且壓密階段範圍更大，其發生塑性剪下對應的荷載更大且變形速率更小，這是因為離石黃土和古土壤的孔隙較小，土體強度和壓縮模量較高，需要更大的荷載才能破壞土體結構從而使土體發生塑性變形，因此地基承載力相對較大。進入剪下階段後馬蘭黃土的進一步壓密和塑限變形發展很快，而離石黃土和古土壤仍然發展較慢，這是由於在該階段的進一步壓密和和塑性區變形受土體密實度和強度控制。土體的變形量與變形速率自大而小依次為馬蘭黃土、古土壤和離石黃土。

圖4 不同沉積時代黃土P-S曲線

3 甘肅省黃土地基承載力對比分析與評價

雖然現場靜力載荷試驗測試地基承載力較可靠準確，但其耗時耗資，不宜大範圍和大規模採用，在不具備靜力載荷測試條件下，如何能夠較準確地評價黃土地基承載力是勘察設計人員十分關心和長期困惑的問題。本質上，黃土地基承載力是其物理力學特性的綜合反映，取決於土體的物質組成、溼度狀態、密實程度、抗剪強度等綜合因素。研究表明，含水量是影響黃土地基承載力的最敏感因素，液限和孔隙比也對其有較大影響。支喜蘭 透過實測和蒐集隴西地區48個樣本、隴東地區46個樣本的黃土地基承載力測試成果，分析了單因素和多因素對黃土地基承載力的影響，分別建立了隴西地區和隴東地區黃土地基承載力與土體含水率、孔隙比、液限、壓縮係數的迴歸關係式，如式（1）、（3）所示，迴歸相關係數分別為0。93、0。84。龐旭卿 透過對隴西地區142個樣本、隴東地區136個樣本的公路原狀黃土載荷試驗資料迴歸分析，同樣分別得出了隴西地區和隴東地區黃土地基承載力與含水率、孔隙比、液限等物理指標的相關關係（以下稱迴歸計算值），如式（2）、（4）所示，迴歸相關係數分別為0。95和0。88。雖然支喜蘭和龐旭卿推薦的黃土地基承載力迴歸關係式在形式上有所不同，但計算結果總體差異較小，迴歸相關係數高，總體與實測值吻合較好。

基於黃土地區大量靜力載荷實測地基承載力，以及工程經驗總結和統計分析，《鐵路工程地質勘察規範》（TB 10012—2019） 與《溼陷性黃土地區建築規範》（GBJ 25—90） （以下簡稱“90黃土規範”）也依據土體物理指標給出了一般新黃土地基承載力的推薦值（以下稱規範推薦值），對工程實踐起到了很大的推動作用。

對比黃土地基承載力迴歸計算值、規範推薦值，如圖5、6所示，可以看出，支喜蘭、鐵路行業規範、龐旭卿、90黃土規範中依據黃土主要物理力學指標查表或採取經驗公式得出的地基承載力特徵值存在明顯的差異：（1）總體上看，相同孔隙比、不同w/w 值條件下，經驗公式和規範值四種方法所得地基承載力特徵值呈現相同的變化趨勢。（2）當0。20。7時，鐵路行業規範推薦值明顯較其他三者偏低。（3）綜合比較，在0。2

圖5 不同孔隙比條件下隴西黃土地基承載力特徵值

圖6 不同孔隙比條件下隴東黃土地基承載力特徵值

甘肅省黃土分佈廣泛，黃土地區工程建設數量巨大，地基承載力對工程建設設計、安全、造價均有較大的影響。然而，採用現場靜力載荷試驗直接測定地基承載力耗時耗資，在積累的大量測試研究成果基礎上，利用查表的方式獲取承載力值依然是工程界具有廣泛影響、結果相對可靠的方法之一。因不同地區岩土體物理力學性質有一定的差異，工程建設對黃土地基承載力表提出了更細化的要求，要求不同區域的黃土有不同的承載力。

結合本研究的靜力載荷試驗測試成果，基於本研究對黃土地基承載力的測試成果，分析了不同經驗公式、規範推薦等確定黃土地基承載力方法的優缺點、適用性，以及與本研究黃土地基承載力實測值的吻合度，對不同液塑限、含水率、孔隙比等條件下經驗公式計算和規範推薦黃土地基承載力進行對比分析，結合近10年甘肅省公路勘察設計不同黃土地區地基承載力的運用與測試成果，本文綜合提出了甘肅省隴西地區和隴東地區一般新黃土的地基承載力表（見表3、表4），在不具備靜力載荷試驗測試的條件下，供勘察設計人員依據土體物理指標查表，並結合地區工程經驗確定地基承載力，確保為黃土地區工程建設提供有效可靠的設計引數。

表3 隴東地區上更新統黃土（Q ）地基承載力

表4 隴西地區上更新統黃土（Q ）地基基本承載力

4 結 論

透過實測甘肅省不同地區、不同時代成因黃土地基承載力，分析了黃土地基的壓縮變形規律與機理，同時對比分析和評價了黃土地基承載力迴歸計算值、規範推薦值和實測值，得出了以下結論。

（1）孔隙比較大的一般新黃土地基破壞模式表現為比例界限不明顯的區域性剪下破壞，隴東北部、隴東董志塬和隴西黃河高階地黃土地基承載力測試值分別為125 kPa、160 kPa和150 kPa；孔隙比較小的離石黃土和古土壤地基破壞模式表現為比例界限較明顯的整體剪下破壞，隴東董志塬離石黃土和古土壤地基承載力測試值分別為210 kPa和260 kPa。孔隙比在很大程度上決定了黃土地基的破壞模式及承載力大小。

（2）黃土地基承載力與土體含水率、孔隙比、液限密切相關，儘管依據土體物理指標確定地基承載力的不同迴歸關係式形式有所不同，但計算結果在一定條件下與實測值吻合度較高，綜合確定了甘肅省黃土地基承載力與各物理指標的關係。

（3）基於黃土地基承載力實測值，結合不同迴歸計算值與規範推薦值的對比分析，本文綜合提出了甘肅省隴西地區和隴東地區一般新黃土的地基承載力表，供勘察設計人員依據土體物理指標查表，並結合地區工程經驗確定地基承載力。

水利水電技術

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