超載作用下軟土地基承載力平板載荷試驗研究*

鞠紅 尹 張文龍

0 引言

地基承載力問題是土力學中一個重要的研究課題,在進行巖土工程設計、計算時,地基承載力是地基土的一個十分重要的性能指標,地基承載力的正確選取和評價,是保證地基基礎設計正確、合理的重要條件。確定地基承載力的方法一般有原位試驗法、理論計算法、規范表格法、經驗法等。但現場平板荷載試驗法可以取得較精確可靠的地基承載力,并且具有直觀和可靠性高的特點,在原位測試中占有重要地位,往往成為其他方法的檢驗標準。

1 試驗方法及原理

平板載荷試驗相當于在工程原位進行的縮尺原型試驗,即模擬建筑物地基土的受荷條件,比較直觀地反映地基土的變形特性。基礎的埋置深度以及基礎寬度對地基承載力存在著影響,目前大部分平板載荷試驗通常是在基礎底面標高處進行,為了滿足理論分析的半無限空間的表面邊界條件,規范規定試坑的坑底寬度至少為壓板寬度的3倍,從而盡量消除試坑四周超載對平板載荷試驗結果的影響,因此試驗得到的地基承載力并不包括基礎底面以上土層的超載作用。

但實際工程中基礎都是有一定埋深的,相當一部分工程因為上部結構抗拔和荷載偏心要求基礎埋置深度比較大,應該考慮周邊土層超載的影響,將平板載荷試驗得到的承載力結果直接用于實際工程是偏小的,會對場地的承載力造成大量的浪費。因此本試驗通過對周圍考慮超載的平板載荷試驗進行研究,通過在相同地質條件、同一埋置深度、試驗方法相同等條件下周邊存在超載和無超載的承載力的結果來研究基礎埋置深度對地基承載力大小的影響。

2 場地地質條件及現場試驗研究

2.1 試驗場地概況

本試驗場地位于長江三角洲前緣,其地貌屬于沖積平原類型,場地地勢平坦,部分場地為原居民區,從其地質時代、成因類型、結構特征、土性不同和物理力學性質上的差異可劃分為9層和分屬不同層次的亞層,詳細地層分布如下:

第①1層素填土;第②層粉質黏土;第③層淤泥質粉質黏土;第④層淤泥質黏土;第⑤1層淤泥質粉質黏土;第⑤3層粉質黏土;第⑦層粉質黏土夾粘質粉土;第⑧層粉質黏土。

2.2 試驗設計及設備布置

本次試驗反力裝置采用堆載反力梁系,反力裝置的安裝嚴格按照相關規范的具體要求實施。加載設備為油壓千斤頂,加荷量值的量測控制由一經嚴格系統標定的測力系統來實現。載荷板采用0.707 m×0.707 m正方形鋼板,面積為0.5 m2。載荷板的沉降量由四只對稱布置的大量程百分表量測,百分表通過磁性表座固定在基準梁上。

本次平板載荷試驗個數為4個,編號分別為JZ1,JZ2,JZ3,JZ4,其中JZ1,JZ2為一組,基本位于場地的同一位置;JZ3,JZ4為一組,基本位于場地的同一位置。JZ1,JZ4兩點試驗無超載,JZ2,JZ3兩點通過在壓板四周設置1 m厚的砂包來模擬側向超載,超載范圍為1 m,用以研究超載對地基承載力的影響。

本場地大部分區域原為農田,表面分布有一薄層耕植土,為了更能反映天然地基承載力的真實結果,將表面耕植土清除,再開挖試坑,試坑的平面尺寸為2.1 m×2.1 m,試坑開挖到②1層頂。根據現場開挖情況,對于本場地開挖深度大約為40 cm～50 cm。

另外為了保證上部堆載均勻,降低對試驗結果精度的影響,本試驗上部堆載采用充水的方法,試驗加載級數以及穩定標準等均按GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范的相關規定嚴格執行。具體試驗平面布置示意圖如圖1所示。

3 試驗數據及結果分析

依據GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范中關于承載力特征值的判定要求:當壓力—沉降曲線上極限荷載能確定,而其值不小于對應比例極限的2倍時,可取比例極限;當其值小于對應比例極限的2倍時,可取極限荷載的1/2;當壓力—沉降曲線為平緩的光滑曲線時,可按相對變形值,取s=0.01b所對應的荷載值。本次兩組平板載荷試驗曲線均為平緩的光滑曲線,因此本次平板載荷試驗數據承載力、沉降分析統計結果如表1所示。

從表1可知,超載能大大提高天然地基的承載力,有超載的JZ2地基承載力設計值比未超載的JZ1提高約23%;有超載的JZ3地基承載力設計值比未超載的JZ4提高約38%。

表1 平板載荷試驗結果統計表

依據GB 50007-2002建筑地基基礎設計規范5.2.4條的規定,由載荷試驗確定的地基承載力特征值,尚應進行深度和寬度修正。

針對本次試驗,周邊存在超載與不存在超載對比,需要進行深度修正,因此對于JZ1和 JZ4點來說,采用公式 fa=fak+ηdγm(d-0.5)進行計算。

其中,fa為修正后的地基承載力特征值;fak為不考慮基礎埋置深度的地基承載力特征值;ηd為深度修正系數;γm為基礎底面以上土的加權平均重度;d為基礎埋置深度。針對本試驗 ηd取1.6,γm取18.5 kN/m3,d取1 m。

將ηd,γm分別代入公式計算,JZ1和JZ4平板載荷試驗進行深度修正后地基承載力特征值分別為76.8 kPa和58.8 kPa,與相應位置處周圍存在超載情況下的JZ2,JZ3點試驗結果77 kPa,61 kPa相比可知,試驗結果與理論解還是相當接近的,其中在承載力相對比較低的情況下周圍超載對承載力的提高作用相對更明顯一些。

為了研究同樣條件下周圍超載對沉降值的影響,分別將基本位于同一位置的JZ1,JZ2以及JZ3,JZ4點的 Q—s曲線進行對比,如圖2,圖3所示。

由圖2,圖3對比曲線可知,在荷載板周圍存在超載作用時,相同荷載作用下沉降值將會大大減小,主要是由于周圍超載存在限制了其下軟土層向四周擠出及周圍軟土向上鼓起,使軟土層需要較大的外荷載才能使其發生剪切變形,從而使同等荷載作用下的沉降大大減小,說明周圍存在超載對減小地基沉降有著明顯作用。

4 結語

通過現場試驗研究表明,周圍存在超載對提高地基承載力和減小沉降有著明顯作用。軟土地區周圍側荷載比較大時,軟土地基的破壞模式為刺入剪切破壞,地基承載力一般不允許有過大的不均勻沉降,同時由于周圍超載存在限制了其下軟土層向四周擠出及周圍軟土向上鼓起,從而大大減小了外荷載作用下的沉降值,使地基承載力得到明顯提高。本試驗驗證 了實際工程中如果基礎具有一定的埋置深度,根據平板載荷試驗得到的地基承載力結果會偏小,應考慮進行深度修正后才能使用。

[1] 龔曉南.土力學[M].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[2] 高大釗,許 超,熊啟東.天然地基上的淺基礎[M].北京:機械工業出版社,1999.

[3] 孫更生,鄭大同.軟土地基與地下工程[M].北京:中國建筑工業出版社,1984.

[4] GB 50007-2002,建筑地基基礎設計規范[S].

[5] 王曉謀.考慮硬殼層作用的軟土地基臨塑荷載計算[J].巖土工程學報,2002,24(6):720-723.