載荷試驗在確定地基承載力與樁端阻力中的應用及誤區淺析①

彭 狀

（長沙荷花建設工程質量檢測有限責任公司，湖南 長沙 410116）

建筑物地基基礎分為淺基礎和深基礎。淺基礎指基礎埋深不大于5 m或基礎埋深小于基礎寬度的基礎，如擴展（獨立）基礎、聯合基礎、條形基礎、柱下交叉條形基礎、筏形基礎、箱形基礎、殼體基礎等。淺基礎地基設計和檢測時其承載力參數是地基承載力特征值，該參數一般可通過淺層平板載荷試驗或巖基載荷試驗獲得。深基礎是指位于地基深處承載力較高的土層上，埋置深度大于5 m或埋置深度大于基礎寬度的基礎，如樁基、地下連續墻、墩基和沉井等，在工程建設中應用最多的深基礎形式是樁基礎。深基礎埋深較大，以下部堅實土層或巖層作為持力層，其作用是把所承受的荷載相對集中地傳遞到地基的深層，而不像淺基礎那樣通過基礎底面把所承受的荷載擴散分布于地基的淺層。樁基礎的樁端巖土層設計和檢測時一般采用的承載力參數是端阻力特征值（標準值），該參數可通過深層平板載荷試驗或巖基載荷試驗獲得。

1 地基承載力與樁端阻力聯系與區別

地基承載力是地基在保持穩定和變形滿足要求時承受荷載的能力。地基承載力不是地基巖土自身固有的性能指標，它與基礎的形式、埋深、平面尺寸等密切相關。一般常說的地基承載力專指淺基礎地基承受荷載的能力。淺基礎地基承載力問題屬于土力學中的Boussinesq問題，理論上假設地基巖土層為半無限彈塑性體，上部結構傳來的荷載作用于半無限體表面（即基礎底面接觸面），而不考慮基礎側面摩擦力。當達到地基極限承載力時，地基將發生滑動破壞，此時Boussinesq問題假定地基中形成的滑動面只發展到基底高程而不延伸到地面（見圖1（a）），即對于基礎側面基底高程以上埋深范圍內的土層，只考慮其自重作為超載作用于滑動土體上，而不考慮基礎埋深范圍內土體的抗剪強度作用［1］。

樁端阻力是指在荷載作用下樁底所受到地基土的軸向支承反力，它與土的類型及其物理力學性質以及樁的施工方式有關。隨著樁底軸向位移增加，樁端阻力逐漸增大。樁端阻力屬于土力學中的Mindlin理論范疇，當巖土層作為樁端持力層時，其埋置深度很深，樁側土層很厚，上部結構傳來的荷載應視為作用于半無限體的內部，此時不僅要考慮樁側土層的自重作為超載作用于滑動土體上，還要考慮樁側土層的抗剪強度對向上擠滑出趨勢的抵抗作用，正因為抗剪強度的作用，在樁側土層中形成的滑動面也不能穿出地面而是止于樁的側面，形成所謂“梨形頭”（見圖1（b））。

圖1 淺基礎與深基礎極限狀態破壞模式

圖1中，條形基礎寬度為b，在地面以下埋置深度為Df。Meyerhof認為，淺基礎滑動面可能向地面發展，在破壞時其破壞模式可能從側面擠出；而深基礎滑動面不可能發展至地面，而是交于基礎側面某一深度處［2］。深基礎在極限狀態下其破壞模式不是土擠出，而是由于大壓力作用下剪切區和壓密區相互作用使基礎周圍土體得到壓密，在形成不大的剪切區的同時使沉降速率顯著增大。

2 平板載荷試驗

平板載荷試驗（包括淺層、深層、巖基）是在現場采用反力裝置通過承壓板加載模擬建筑物基礎受力條件、測定承壓板下應力主要影響范圍內巖土承載力和變形模量的原位測試方法。平板載荷試驗可在試坑、深井或隧洞內進行，通過一定尺寸的承壓板，對巖土體施加垂直荷載，觀測巖土體在各級荷載下的下沉量，以研究巖土體在荷載作用下的變形特征，確定巖土體承載力、變形模量等工程特性［3］。

淺層平板載荷試驗適用于確定淺部地基土層的承壓板下應力主要影響范圍內的承載力和變形參數，并特別要求試驗基坑寬度不應小于承壓板寬度或直徑的3倍。深層平板載荷試驗適用于確定深部地基土層及大直徑樁樁端土層在承壓板下應力主要影響范圍內的承載力和變形參數，并特別要求其試驗深度不應小于5 m，且緊靠承壓板周圍外側土層高度應不少于1倍板徑即80 cm。巖基載荷試驗適用于確定完整、較完整、較破碎巖石地基作為天然地基或樁基礎持力層時的承載力。

淺層、深層平板載荷試驗與巖基載荷試驗的區別首先是試驗對象性質不同，巖基載荷試驗地層是較破碎、較完整、完整巖層，淺層、深層平板載荷試驗地層是土層或破碎、極破碎巖層。淺層平板與深層平板載荷試驗的區別主要是應力條件和邊界條件不一樣，并非僅僅字面理解的載荷板所在位置的深淺，主要是看緊靠平板周圍是否有邊載，試驗條件是在半無限體表面（Boussinesq問題）還是內部（Mindlin理論）［4］。淺層平板載荷試驗荷載作用于淺部地基土層表面，載荷板周圍一倍板徑范圍內不能有任何邊載，其得出的地基承載力參數是淺基礎的地基承載力特征值，尚需進行深寬修正。深層平板載荷試驗荷載作用于巖土體深處內部，緊靠載荷板周圍需有不小于一倍板徑的邊載，其得出的地基承載力參數作為沉井基礎、地下連續墻基礎的深部地基承載力特征值，試驗結果已考慮深度效應，不再進行深度修正。在干作業法大直徑樁端進行深層平板載荷（大直徑樁端阻力載荷試驗）時得出的地基承載力參數是樁端阻力特征值。

3 常見載荷試驗應用誤區及淺析

在工程實際應用中，需要特別注意淺層平板載荷試驗和深層平板載荷試驗的使用條件，根據工程地基基礎形式和設計要求，正確合理地選擇試驗方法。如地面開挖1 m在設計基底標高進行獨立基礎持力層地基的平板載荷試驗，在10 m深的基坑底做筏板地基土的平板載荷試驗，在10 m的大直徑人工挖孔樁擴大頭孔底處（未在孔底開挖直徑800 mm、深800 mm試驗孔，姑且稱為“假深層平板載荷試驗”）進行的平板載荷試驗，載荷板周邊存在很大的臨空面，沒有緊靠的超載，這些嚴格說都屬于淺層平板載荷試驗。

在工程上會出現一些常見誤區，比如：①深層平板載荷試驗得出的是地基承載力特征值，錯誤地采用設計圖上淺基礎地基承載力特征值參數進行樁端的深層平板載荷試驗，而未采用樁端阻力特征值進行試驗（見圖2（a））；②采用“假深層平板載荷試驗”進行大直徑擴底樁樁端巖土層端阻力檢測（見圖2（b））；③采用最大試驗荷載為樁端持力層地基承載力特征值3倍進行樁端巖石地基載荷試驗核驗持力層，而非端阻力特征值的3倍（見圖2（c））；④認為地基承載力參數是各巖層本身的固有屬性和指標而與基礎的類型并無直接關聯。

圖2 工程常見載荷試驗應用誤區（單位：mm）

誤區①與誤區③中存在對樁端阻力特征值與淺基礎地基承載力特征值概念混淆的問題。雖然在現行建筑規范中淺層平板、深層平板和巖基載荷試驗的結果都是地基承載力，但試驗結果的應用不一樣，部分規范指出巖土層樁端阻力特征值（標準值）可采用深層平板載荷試驗確定［5?6］，另有規范則提出采用大直徑樁端阻力載荷試驗確定端阻力特征值［7］。前面已經提到，淺基礎地基承載力是荷載作用于地基巖土半無限體表面，屬于Boussinesq問題，遭到破壞時其滑裂面可以發展到基底面，未考慮周邊土的抗剪強度和超載。樁端阻力是荷載作用于地基巖土半無限體內部，屬于Mindlin理論范疇，遭到破壞時其滑裂面只能發展到樁周某一高度處無法擠出，要考慮周邊土的抗剪強度和超載。深（樁）基礎埋置于巖土層的內部深處，開挖前上部深厚巖土層的作用使其在基底處的起始應力水平較高，深基礎側面土體的土壓力有利于深基礎的穩定，深基礎側面土體的抗剪強度抵抗滑裂面的生成和向地面發展，這些因素都導致同一巖土層作為淺基礎持力層時的地基承載力特征值與作為深（樁）基礎持力層時端阻力特征值不同，顯然，端阻力特征值要高于地基承載力特征值，同一土層的樁端阻力特征值一般可能是淺基礎地基承載力特征值的3倍以上，因此，樁端阻力特征值（qpa）與淺基礎地基承載力特征值（fak）是截然不同的兩個參數，進行深層平板載荷試驗時應采用設計提供的該樁形持力層巖土層樁端阻力特征值參數檢測。

誤區④中，認為地基承載力參數是各巖層本身的固有屬性與指標而與基礎的類型并無直接關聯的觀點有失偏頗。地基承載力與常見的材料容許強度或構件承載力概念不同，影響地基承載力的因素很多，與其本身特性即巖土性質有關，也與基礎形式、寬度、埋深等有關。規范規定，對試驗或經驗確定的地基承載力根據基礎寬度和埋置深度進行深寬修正［5］。規范關于單樁極限承載力計算的經驗參數法中，不同的樁形成樁工藝、擠土效應以及對樁端土的擾動程度不同，其樁的極限端阻力標準值取值也不一樣［7］。這都能說明，巖土層的承載能力不是各巖層本身的固有屬性，其不僅與各巖層自身性質如密實度、固結度、抗剪強度等有關，還與其應力歷史、埋置深度、基礎形式、兩側超載等有密切關系。

誤區②中擴大頭孔底處進行的“假深層平板載荷試驗”，雖然載荷板的位置較深，但緊靠板周沒有邊載，不能認為其符合荷載作用于半無限體內部的條件，其實質只是在樁端處進行的淺層平板載荷試驗，其試驗結果是淺基礎地基承載力而非樁基礎樁端阻力，用來檢測樁端阻力特征值是錯誤的。這種情況下的檢測樁端持力層端阻力的深層平板載荷試驗應在開挖擴大頭前先在樁孔底部開挖直徑800 mm、深不小于800 mm試驗孔，放入直徑800 mm的載荷板進行深層平板載荷試驗（見圖3（a）），試驗完成后再開挖擴大頭。如果是深度不小于5 m、孔徑剛好為載荷板直徑800 mm的樁孔井底（無擴大頭），則不需要再開挖試驗孔，可直接在四周緊貼板邊的井底進行試驗（見圖3（b））。當樁端持力層為完整、較完整、較破碎的基巖時，如果采用深層平板載荷試驗檢測，由于其載荷板面積較大，要求的堆載反力也很大，采用傳力柱傳力到孔底時存在很大的安全隱患，可以采用井底的巖基載荷試驗代替。規范對巖基載荷試驗的試坑寬度和載荷板四周邊載并無要求，為更好地符合樁端阻力的理論假設，建議參考深層平板載荷試驗于擴大頭開挖前在井底開挖緊貼巖基載荷板四周的深度不小于300 mm、直徑300 mm的試驗孔進行巖基載荷試驗（見圖3（c））。

圖3 平板載荷試驗建議做法（單位：mm）

4 結 語

在工程實踐中，要清楚地認識到地基承載力和樁端阻力參數意義的不同，進而正確地應用，當按設計和規范要求進行承載力檢測時，應避開常見誤區，根據基礎類型、埋置深度、巖土類別等選用正確的平板載荷試驗方法進行試驗檢測，從而得出準確的地層參數，為工程設計和施工驗收提供依據。