廣西水運工程地基承載力檢測方法探討

張　標(biāo)，陳李紅，劉姝麟

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

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廣西水運工程地基承載力檢測方法探討

張標(biāo)，陳李紅，劉姝麟

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

張標(biāo)(1989—)，碩士，主要從事巖土工程和港口結(jié)構(gòu)工程的研究工作;

陳李紅(1985—)，主要從事水運工程實體結(jié)構(gòu)檢測和內(nèi)審工作；

劉姝麟(1988—)，碩士，主要從事碼頭后方陸域檢測和混凝土防腐材料研究工作。

摘要：廣西沿海工程地基多為清淤吹填砂和回填開山土形成，常用的檢測方法是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和淺層載荷板試驗。文章分析了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗的影響因素并驗證經(jīng)驗公式的適用性，探討了淺層平板載荷試驗的壓板尺寸和反力平臺的影響，研究適用于廣西水運工程的地基承載力檢測方法。

關(guān)鍵詞：水運工程；地基承載力；檢測方法；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗；平板載荷試驗

0引言

隨著廣西北部灣港建設(shè)的推進，水運工程項目日漸增多，后方陸域地基處理技術(shù)越來越受到重視。前人的研究領(lǐng)域集中在地基處理的機理及適用性分析，對地基處理后的效果研究尚不多見。由于地基是多相組成，本身具有復(fù)雜性，相關(guān)的計算理論并不完善，地基處理后的狀況特別是地基承載能力必須通過一定的檢測手段來評定。

1檢測方法評價

地基處理的效果評價有三塊[1]：(1)強度及穩(wěn)定性；(2)壓縮和位移；(3)地基滲透量。承載力是地基處理結(jié)果的體現(xiàn)，位移著重于土基穩(wěn)定性。地基與一般的工程建筑不同：(1)土體的組成復(fù)雜，單從土體構(gòu)成的方面分析地基性質(zhì)難度很大，就算將土體視作簡單的固氣液三相構(gòu)成，地基處理過程中三者的力學(xué)性能也是不斷變化的；(2)地基受原狀地層影響很大，并非對上層土體進行處理就能保證地基不出問題，必須通過完整的勘探分析各土層性質(zhì)，同時在地基處理過程中對土層進行監(jiān)測，通過監(jiān)測結(jié)果的反饋對施工進度、施工強度進行修正；(3)地基處理存在的問題有滯后性，一個地基工程投入使用之后可能過了幾十年甚至上百年會出現(xiàn)大的偏心位移或者大面積的塌方，因此地基驗收之后定期的地基檢測也是十分必要的；(4)地基和一般工程建筑不同，具有自主改造性和溯源性，不是處理完成以后就一成不變只能被時間和各種外力因素損耗，地基加固以后隨著時間推移固結(jié)度會增大，其中的各種空洞和薄弱會一點一點地被改造或被周圍同化接受，因此地基破損試驗對整個地基的影響會被無限地縮小，地基的自動溯源性會填補小范圍的破損試驗對地基帶來的破壞。

地基承載力的檢測手段大體分為兩塊[2]：(1)取芯樣通過室內(nèi)試驗得到土體的抗剪強度指標(biāo)，通過理論計算確定地基的極限承載力，然后除以安全系數(shù)得到容許承載力。這種方法的關(guān)鍵是土體抗剪強度指標(biāo)的合理性。事實上，取得的土體芯樣受擾動影響較大，測得的抗剪強度存在很大誤差，因此我國地基規(guī)范對計算結(jié)果采用變化很大的經(jīng)驗系數(shù)進行修正，系數(shù)的選取很大程度取決于操作人員的個人經(jīng)驗。(2)通過原位測試得到與地基承載力相關(guān)的某些參數(shù)并通過經(jīng)驗公式換算得到地基承載力[3]。常見的原位測試包括平板載荷試驗、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗、動力觸探、靜力觸探、十字板剪切試驗等，原理上來說都是對地基加載并通過土層對受力的反饋評價地基狀態(tài)。廣西沿海水運工程地基多為清淤吹填砂和回填開山土形成，常見的地基處理方式包括振沖法和強夯法，考慮到操作性、適用性和經(jīng)濟性，常用的檢測方法是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和淺層載荷板試驗。

2標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(SPT)是一定質(zhì)量的重錘(63.5 kg)按一定的落距(76 cm)自由落下將貫入器打入土層中，根據(jù)貫入固定深度時需要的錘擊數(shù)N確定土層情況，多用來評價砂土的密實度情況和黏性土的無側(cè)限抗壓強度，也有部分地區(qū)通過標(biāo)貫的結(jié)果建立經(jīng)驗公式來判斷地基承載力。

2.1　影響因素分析

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗雖然操作簡單，但試驗結(jié)果會受地下水位和土的上覆壓力等土體狀況影響，國外對于這些因素的修正較多，而國內(nèi)主要進行桿長的修正。桿件越長，錘擊達到貫入器的能力衰減得越多，根據(jù)牛頓碰撞理論，通過錘擊桿件傳輸應(yīng)力波的能量變化遠大于桿長變化時的能量衰減。因此過去建立的擊數(shù)與土性參數(shù)、承載力都作桿長修正[4]，福建和南京地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(DBJ 13-07-91、DB32/112-95)按表1進行修正。而《水運工程巖土勘察規(guī)范》(JTS 133-2013)指出抗震規(guī)范評價砂土液化時不對N值作修正。

表1　標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗探桿長度校正系數(shù)表

2.2　地基承載力計算

盡管土體的密實情況和承載力是正相關(guān)的，密實度越好承載力越大，但是土質(zhì)不同標(biāo)貫擊數(shù)和承載力的換算關(guān)系肯定有所區(qū)別，因此建立的標(biāo)貫換算承載力公式不僅需考慮不同地區(qū)，更需要針對不同的土質(zhì)情況。研究機構(gòu)給出了標(biāo)貫擊數(shù)N和地基承載力fk(或比例界限p0)的經(jīng)驗公式如下[5]：

冶金部成都勘察公司建議黏性土公式：

P0=19N-74

(1)

湖北勘察院建議黏性土經(jīng)驗公式：

fk=80+20.2N,N=3~18

(2)

fk=152.6+17.48N,N=18~22

(3)

鐵道部建議中砂、粗砂經(jīng)驗公式：

fk=-803+850N0.1

(4)

紡織工業(yè)部設(shè)計院建議細砂、中砂經(jīng)驗公式：

fk=105+10N

(5)

以欽州港兩個碼頭后方地基檢測得到的標(biāo)貫擊數(shù)按不同的經(jīng)驗公式計算承載力得到的平均值與靜載試驗結(jié)果對比見表2。A碼頭陸域2.24萬m2，地基為回填開山土后強夯處理；B碼頭陸域1.13萬m2，地基為回填砂振沖處理。

表2　標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗與載荷試驗結(jié)果對比表

按照建議的經(jīng)驗公式計算的地基承載力比靜載試驗的結(jié)果大很多，可見對廣西地區(qū)的適用性一般。廣西目前僅有廣西大學(xué)土木學(xué)院[6]給出廣西區(qū)內(nèi)新近系、古近系泥巖的承載力建議公式：

fk=899.478 lnN-1 756.948

(6)

通過南寧港某工程地基試驗驗證發(fā)現(xiàn)計算承載力結(jié)果偏大，適用性值得商榷。

3淺層平板載荷試驗

平板載荷試驗(PLT)是指通過承壓板上向地基逐級施加荷載，測定土體承受的荷載與位移的相關(guān)關(guān)系，是最常用、最直接、結(jié)果最讓人信服的地基承載力評價方法。由于土體本身能量傳輸?shù)臏笮裕还芡ㄟ^何種方式反饋都需要時間，土體性能改變并非一蹴而就。土體是固氣液的三相組成，加載瞬間以后的荷載一部分由土體中的氣、液承擔(dān)(主要是孔隙水壓力)，而最終對土體起作用的僅是其中的固相(即土骨架顆粒之間的支撐力)，加載之后土體需要時間來消化和處理，載荷試驗讓土體有時間能夠讓孔隙水壓力向有效應(yīng)力轉(zhuǎn)換，并得到更接近土體實際力學(xué)性狀的結(jié)果。因為土體土層土質(zhì)的復(fù)雜性，規(guī)范要求對載荷試驗的安全系數(shù)很高，一般極限破壞承載力和容許承載力的比值應(yīng)≥2，研究表明是過于保守的[7]。

3.1　壓板尺寸影響

由于地基承載力并不只與土體性質(zhì)有關(guān)，同時受基礎(chǔ)尺寸、埋深等的影響，顯然一般情況下的試驗不可能做到和實際一致，因此需要考慮如何用小尺寸的承壓板通過試驗來反映實際大尺寸基礎(chǔ)下的地基承載力問題。國內(nèi)外的研究一般認(rèn)為：相同壓力情況下，沉降量隨著壓板尺寸的增大呈現(xiàn)“先增大、后減小、最終穩(wěn)定”的趨勢。周鏡院士[8]指出：在一定荷載作用下，承壓板直徑20~30 cm時沉降量最小。不同規(guī)范對壓板面積要求見表3。

表3　不同規(guī)范、規(guī)程要求的承壓板面積數(shù)值表

以廣西百色田東某港口工程為例，研究相同荷載(300 kPa)時不同壓板直徑情況下位移隨加載變化，p-s曲線見圖1，分析承壓板直徑b與最大沉降量s以及s/b的相關(guān)關(guān)系(見圖2)，可見壓板直徑<0.25 m時，直徑越大沉降越大；壓板直徑>0.25 m時，直徑越大沉降越小；s/b隨直徑增大一直減小。

A.直徑0.12 m剛性承壓板

B.直徑0.56 m剛性承壓板

C.直徑0.80 m剛性承壓板

D.直徑1.60 m剛性承壓板

圖2　壓板直徑b與沉降量s、s/b關(guān)系圖

3.2　反力平臺的影響

一般平板試驗采用堆載或者地錨提供加載所需的反力，堆載笨重且安裝復(fù)雜，而地錨對施工要求較大且重復(fù)利用性不好，考慮堆載能夠提供持續(xù)的穩(wěn)定的荷載，一般多用堆載法。

堆載法示意圖見圖3，試驗過程中加載平臺對壓板周圍土體造成擠壓，加載前平臺支撐引起的地基變形最大，加載過程中支架下方土體受力越來越小，變形逐漸恢復(fù)，卸載過程中支架下方變形越來越大，如果支撐離壓板較近，平臺引起的變形將對壓板上按照的位移觀測造成影響，因而規(guī)范規(guī)定試坑寬度應(yīng)大于壓板直徑或?qū)挾鹊?倍。

圖3　平板載荷試驗堆載法示意圖

以廣西百色田東某港口工程為例，研究相同承壓板直徑(0.80 m)時不同試坑寬度與最大沉降量、極限承載力情況，見圖4。可見試坑寬度越大，即平臺支撐離壓板越遠，傳導(dǎo)的變形影響越小，所以最大沉降量越大、極限承載力越小，且影響始終存在，試坑寬度5 m以后趨于穩(wěn)定。

4結(jié)語

廣西沿海水運工程地基多為清淤吹填砂和回填開山土形成，最常用的承載力檢測方法是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和淺層載荷板試驗。本文探討了這兩種方法的影響因素和在廣西水運工程地基方面的適用性。

(1)使用標(biāo)貫擊數(shù)N計算土性參數(shù)、承載力應(yīng)作桿長修正，用于評價地基液化可不作修正。

(2)現(xiàn)有的標(biāo)貫擊數(shù)換算地基承載力經(jīng)驗公式并不適用于廣西水運工程。

(3)淺層平板載荷試驗壓板直徑<0.25 m時，直徑越大沉降越大；壓板直徑>0.25 m時，直徑越大沉降越小；s/b隨直徑增大呈現(xiàn)減小趨勢。

圖4　試坑寬度a與沉降量s、承載力fk關(guān)系圖

(4)使用堆載法進行平板試驗時反力平臺會對試驗結(jié)果造成影響，距離越遠影響遠小，建議試驗時在條件許可的情況下盡可能增大試坑尺寸。

參考文獻

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[2]楊光華,姜燕，張玉成，等.確定地基承載力的新方法[J].巖土工程學(xué)報，2014(4)：597-603.

[3]BOLTON，LAU CK.Scale effects in the bearing capacity of granular soils[C].12th Int Conf of Soil Mechanics and Foundation Engineering.1989.

[4]JTS 133-2013，水運工程巖土勘察規(guī)范[S].

[5]工程地質(zhì)手冊(第四版)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2006.

[6]楊琳琳，盧玉南，韋萬正，等.廣西新近系、古近系泥巖地基承載力評價[J].廣西城鎮(zhèn)建設(shè)，2010.4：87-90.

[7]辛明靜.淺層平板載荷試驗影響因素研究[D].蘭州大學(xué)，2013.

[8]周鏡.巖土工程中的幾個問題[J].巖土工程學(xué)報，1999(1)：5-11.

Discussions on Foundation Bearing Capacity Detection Method of Guangxi Water Transport Engineering

ZHANG Biao，CHEN Li-hong，LIU Shu-lin

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The foundation of Guangxi coastal engineering is mostly formed by filled sand dredging and moun-tain soil backfill，and the commonly used detection method is the standard penetration test and shallow load plate test.This article analyzed the influencing factors of standard penetration test and verified the applicabili-ty of empirical formula，discussed the effects of pressure-plate dimensions and reaction force platform in shallow plate load testing，and studied the foundation bearing capacity detection method suitable for water transport engineering in Guangxi.

Keywords：Water transport engineering； Foundation bearing capacity； Detection methods； SPT； Plate loading test

收稿日期：2015-05-02

文章編號：1673-4874(2015)05-0083-04

中圖分類號：U445.55+1

文獻標(biāo)識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.023

作者簡介