南京河西砂性土地基承載力旁壓試驗研究

袁 峰 周水棟

(1.江蘇科泰巖土工程有限公司，江蘇 泰州 225309； 2.南京東大巖土工程勘察設計研究院有限公司，江蘇 南京 210046)

隨著現代造型和類型多式多樣的建筑興起，對地基承載力要求越來越高。工程勘察要較準確地提供地基承載力成為一個熱門課題。目前勘察報告中分別通過規范查表法、公式計算法和當地經驗法提供地層承載力，但不同方法提出的承載力相差較大，因此需進一步結合原位試驗研究。

旁壓試驗用于確定地基承載力可操作性強，適用范圍廣，是一種重要的原位測試方法，已有學者做了卓有成效的研究，其中伍釗源等[1]通過旁壓曲線計算出地基承載力和壓縮模量，并和靜力觸探試驗結果進行對比。結果表明旁壓試驗測得地基承載力可乘相應土體的折減系數。史曉東等[2]結合工程對幾種旁壓試驗臨塑壓力確定fak的觀點進行了分析，提出了臨塑壓力確定地基土承載力較合理的計算公式和經驗系數值。張輝等[3]通過統計旁壓試驗和平板載荷試驗數據結果，總結了旁壓試驗與載荷試驗確定承載力的規律，指出了旁壓試驗可用于地基沉降計算和承載力確定。張鳳海等[4]對比了同一地基土旁壓試驗與標準貫入試驗結果，發現旁壓試驗和標準貫入試驗形成互補，使檢測結果更準確。彭柏興等[5]基于某項目旁壓試驗、載荷試驗和單軸抗壓試驗，得出旁壓模量和似彈性模量等系列參數，并對比了它們之間的關系，提出了軟巖承載力的試驗取值原則。馬連仲等[6]在20 m深度范圍對閃長巖殘積土進行旁壓試驗，獲得了殘積土的地基土承載力等指標。證明了旁壓試驗是有效的原位測試方法。陳明星等[7]通過3個鉆孔內旁壓試驗結果匯總分析，提出旁壓試驗結果可用于估算巖土層在深度上的力學特性，確定不同深度地基承載力。溫勇等[8]探討了旁壓試驗獲得切線模量法計算參數的方法，并通過美國某場地粉細砂地基驗證了其可行性。

南京河西地區廣泛地分布粉砂和砂土層。該層土可作為基礎持力層，因此需較準確的獲得其承載力。本文以該地區某工程為背景，從現場旁壓試驗和土工試驗，獲得土體物理力學性能參數，并結合現場旁壓試驗結果，提出了該層土體的地基承載力取值建議。

1 工程背景

1.1 工程概況

項目位于南京市建鄴區河西南板塊，項目東靠友誼街，南臨廬山路。擬建商業綜合體，總占地面積約150 000 m2，建筑面積約851 576 m2，其中地上建筑面積約為545 800 m2，地下建筑面積約為305 700 m2，建筑高度最高150 m，設置2層～3層地下室。基礎形式擬采用鉆孔灌注樁—筏板基礎。設計院要求提供場地內砂性土的原位狀態、強度、變形和地基承載力等物理力學參數。

1.2 地質概況

場地屬于長江漫灘相地貌單元。現狀地形整體趨于相對平坦，場地地面整體標高與場地四周道路接近，標高為5.0 m～7.0 m左右。按巖土體的成因、時代和埋藏分布等特征，將勘探深度內揭示的巖土層分為5個工程地質大層，自上而下詳述如下：

①-1雜填土。松散，主要由碎磚碎石夾黏性土、砂性土組成，硬質含量為20%～60%，分布不均，該層主要為近期地表以上所堆填，均勻性差。

②-1粉質黏土。軟塑～可塑，含少量鐵錳質斑紋，韌性及干強度中等，中等壓縮性。

②-2淤泥質粉質黏土夾粉砂。流塑為主，局部軟塑，韌性及干強度中低，高壓縮性。局部夾粉砂、粉土薄層，單層厚度一般在3 mm～5 mm。

②-3粉砂夾粉質黏土、粉土。稍密為主，飽和，局部夾薄層狀粉質黏土，單層厚度3 mm～6 mm，具層理，局部夾粉土，呈團塊狀分布。

②-3A粉質黏土夾粉砂。軟塑～流塑，中等偏低干強度，中等偏低韌性，中高壓縮性。夾較多粉砂薄層，粉砂單層厚度3 mm～5 mm，呈千層餅狀，層理清晰，局部富集粉砂團塊。

③-1粉細砂。中密為主，飽和，粉砂為主，局部夾少量薄層狀粉質黏土，具層理，局部并夾有少量粉土，呈團塊狀分布。

③-A粉質黏土夾粉砂。軟塑～軟可塑，中等偏低干強度，中等偏低韌性，中高壓縮性。局部富集粉砂團塊。

③-2粉細砂。密實，飽和，細砂為主，局部夾少量薄層狀粉質黏土，具層理，局部夾少量中砂，層底局部分布中粗砂。

④中粗砂混卵礫石。密實，以中粗砂為主，卵礫石的含量約10%～45%，直徑2.0 cm～6.0 cm為主，局部顆粒直徑較大，直徑超過10.0 cm，顆粒級配不均，分選性差。

⑤-1強風化粉砂質泥巖。巖芯風化嚴重，上部為土狀，下部為砂土狀夾碎塊狀，手捏易碎，浸水易軟化，風化裂隙發育，巖芯質量等級為Ⅴ級。

2 試驗研究

2.1 旁壓試驗

本次試驗工作始于2019年1月13日，完成于2019年1月15日。現場旁壓測試孔共計8個，編號依次為PY1～PY8。試驗過程詳見圖1。

旁壓試驗采用PY-5型旁壓器及配套設備，開孔孔徑127 mm，終孔孔徑91 mm。儀器由旁壓器、變形測量系統、水箱和加壓穩定裝置四個部分組成。試驗鉆孔直徑50 mm～62 mm，測管水柱截面積14.53 cm2，旁壓器中腔原始體積491 cm3，帶外膜旁壓器中腔原始體積638 cm3，測管容積650 cm3，試驗工作最大壓力5.5 MPa，壓力表最小讀數0.005 MPa，壓力源采用高壓氮瓶，主機尺寸830 mm×360 mm×220 mm，主機重量28 kg，旁壓器其他參數詳見表1。

表1 旁壓器參數表

2.2 試驗鉆孔要求

鉆孔孔壁穩定性差，采用泥漿護壁鉆進。機械回轉鉆進、套管與泥漿護壁結合，控制每一回次進尺，并及時進行記錄，成孔后馬上進行旁壓試驗測試，記錄完成之后，繼續鉆孔，重復上一工作，直到所有測試點完成。鉆孔深度比試驗深度大50 cm(試驗深度由旁壓器中腔中點起算)，鉆孔直徑52 mm～60 mm，孔形圓整，孔壁垂直，并盡量避免對土體的擾動。最小試驗深度和連續試驗深度的間隔離取原狀土鉆孔，或其他原位測試孔的間距以及試驗孔的水平距離均不小于1.0 m。

2.3 旁壓試驗步驟

圖2為旁壓器管路原理圖，試驗時首先將1號注水管及2號和3號導壓管接頭分別與測量面板上插座對號插入。然后向旁壓器和變形測量系統注水，將旁壓器豎立于地面，關閉調零閥，打開注水閥、測管閥，逆時針方向把調壓閥擰到最松位置擰緊水箱蓋，打氣筒接在水箱加壓處向水箱加0.01 MPa～0.02 MPa壓力，并同時搖晃旁壓器和尼龍管束，排盡旁壓器和管道內空氣。待測管中的水位到15 cm時緩慢注水，直至水位在0點位置，關閉注水閥結束注水。注水結束后，把旁壓器垂直提高到中腔的中點與測管零刻度處相平。打開調零閥，并關注水位變化。當水位下降到零時，立即關閉調零閥。

調零完成后，將旁壓器下放到鉆孔中預定測試深度。待旁壓器下放完成，打開測管，此時旁壓器內產生靜水壓力，該壓力即為第一級壓力，并讀數至穩定。然后，接上氮氣加壓裝置導管，打開低壓表閥，把減壓閥按逆時針方向擰到最松位置，打開氮氣源閥，按順時針方向擰調壓閥，使高壓氣源減到比所需最高試驗壓力大0.1 MPa～0.2 MPa，緩慢地按順時針方向擰調壓閥，調到所需試驗壓力，按相對穩定標準，進行逐級加壓。試驗壓力增量，宜取預估臨塑壓力pf的1/5～1/7。任何情況下，當測管水位下降剛超過36 cm時，立即中止試驗，此時土體已產生破壞，終止試驗。

2.4 旁壓試驗結果

本次旁壓試驗數據的分析與判定依據JGJ 69—90 PY型預鉆式旁壓實驗規程、GB 50021—2001巖土工程勘察規范(2009年版)[9]等規范進行。p0為p—S曲線上直線段起點對應的壓力，相應的位移量為S0。臨塑壓力pf為p—S曲線上直線段終點對應的壓力，曲線斜率開始增大的點對應的壓力，pf對應的位移量為Sf。極限壓力pl為p—S曲線上SL=Sc+2S0對應的壓力，當需外延p—S曲線確定pl時，外延部分不得超過試驗曲線的20%；無法外延時，另外作p—1/S曲線確定，以1/(Sc+2S0)對應的壓力為pl。旁壓模量Em的計算：

(1)

其中，υ為泊松比，取0.35；Sm為平均位移，Sm=(S0+Sf)/2；Sc為旁壓器中原始測管水位下降值；Δp/ΔS為旁壓曲線直線段的斜率。

地基承載力特征值fak的確定，臨塑荷載法按式(2)，極限荷載法按式(3)計算：

fak=pf-p0

(2)

(3)

現場旁壓測試孔共進行了8個，每個試驗孔內試驗點的深度不同，具體深度詳見表2。旁壓試驗結果統計情況詳見表3。

表2 旁壓試驗深度統計表

從表2可看出，本項目實施的8組試驗，都在不同深度進行了旁壓試驗，且試驗深度分布在4.3 m～56.3 m之間，所涉及的土層從地面下②1粉質黏土至④中粗砂混卵礫石共計8層土體，涵蓋了該場地內的所有砂性土地層。

表3 旁壓試驗成果統計表

2.5 室內試驗

為了進一步研究該場地所涉及的砂性土地基承載力，進行本次試驗的同時做了大量的室內土工實驗，其中相關土層的物理與力學性質參數詳見表4。

表4 物理力學性質參數表

3 承載力對比分析

結合表4土層物理力學參數，并根據GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范[10]中第5.2.5計算確定地基土承載力特征值公式(4)：

fak=Mbγb+Mdγmd+Mcck

(4)

其中，Mb,Md和Mc均為承載力系數，查GB 50007—2011建筑地基基礎設計規范表5.2.5確定；b取3.0 m，d取0.5 m。按照式(4)計算確定得出的地基土承載力特征值詳見表5。

表5 承載力理論計算統計表

通過表3中旁壓試驗得出的地基土層承載力和表5理論計算得出的土層承載力，對比分析發現②-1層粉質黏土旁壓試驗PY3和PY6得出的承載力分別為107.9 kPa和108.5 kPa，均小于理論計算值125 kPa；②-2層淤泥質粉質黏土夾粉砂旁壓試驗PY1,PY2,PY3,PY4,PY5,PY6和PY7得出的承載力分別為93.2 kPa,103.5 kPa,104.1 kPa,103.1 kPa,103.7 kPa,108.5 kPa和112.1 kPa，均大于理論計算值77 kPa；②-3A粉質黏土夾粉砂旁壓試驗PY1,PY2,PY3和PY5得出的承載力分別為102.9 kPa,103.5 kPa,113.5 kPa和115.8 kPa，均大于理論計算值85 kPa；③-A粉質黏土夾粉砂旁壓試驗PY4,PY6和PY7得出的承載力分別為254.8 kPa,251.1 kPa和238.3 kPa，均明顯大于理論計算值76 kPa。

經上述對比表明，每一相同類型的土層，旁壓試驗得出的地基承載力基本接近。淺層砂性土旁壓試驗得出的地基承載力小于理論計算值，但隨著土層埋深增加，旁壓試驗獲得的地基承載力逐漸大于理論計算值，且土層埋深越大，差異越大。這是因為地基基礎規范中公式(4)一般適用于淺基礎的地基承載力計算，對于深層土體，該公式無法考慮土體深層應力的原因，故而使得計算的地基承載力偏小。

4 結語

1)旁壓試驗在相同土層中測得的地基承載力差異很小，表明旁壓試驗是穩定的。 2)淺層砂性土中旁壓試驗測得的地基承載力小于理論計算值，但隨著土層埋深增加，旁壓試驗測得的地基承載力逐漸大于理論計算值，且土層埋深越大，差異越大。3)根據地基基礎規范中公式計算的地基承載力，適用于淺基礎，對于深層土體，該公式無法考慮深層土體應力情況，使得計算的地基承載力偏小。