砂土地基中五個擴展基礎加載試驗成果的分析

李仁平

（三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002）

地基土淺層平板載荷試驗常用于檢驗和確定淺部地基土層承壓板下附加應力影響范圍內(nèi)地基的承載力特征值和變形模量，且被認為是試驗結(jié)果最準確、最可靠的測試方法，被列入各國地基規(guī)范或規(guī)定中［1］.

但載荷試驗使用的壓板尺寸一般較小，基礎的實際尺寸往往較大，在利用載荷試驗成果估算地基沉降時如何考慮基礎的尺寸效應是值得研究的課題.Terzaghi和Peck依據(jù)砂土地基上的載荷試驗成果與基礎實測資料，得到以下經(jīng)驗公式:

式中，B為圓形基礎的直徑或方形基礎的邊長（m）；B1為承壓板的標準尺寸，為0.305m（1ft）；S為基礎的實際沉降量（cm）；S1－B1＝0.305m承壓板的沉降（cm）.

Bazaraa（1967）［2］對式（1）作了一些修改，結(jié)果為:

通過上式可直接確定砂土地基中基礎的實際沉降值.

Briaud和Gibbens［3］在砂土地基中進行了一系列方形基礎的加載試驗，試驗基礎尺寸在1.0～3.0 m之間，李仁平［4］依據(jù)修正弦線模量法，利用1m基礎的荷載沉降曲線確定地基土在不同附加應力水平的非線性修正弦線模量，進而利用該模量按分層總和法預測其他尺寸基礎的沉降，預測結(jié)果與實測結(jié)果誤差均在10%以內(nèi).本文對上述各基礎的加載試驗成果做進一步的分析研究.

1 試驗場地地質(zhì)條件

試驗場地位于德克薩斯州A＆M大學河濱校區(qū)國家?guī)r土試驗站，基礎厚度為1.5m，埋深0.75m，地下水位埋深4.9m.場地地基土層為均質(zhì)的中等密實含泥細砂，其粒徑基本為0.05～0.5mm，在基礎底面以下5m深度范圍之內(nèi)的平均粒徑為D50＝0.2mm，土層大致分布情況如圖1所示.

圖1 土層分布情況

場地的原位測試結(jié)果如下:SPT（標準貫入試驗）每0.3m平均標貫擊數(shù)為18擊（如圖2所示），CPT（靜力觸探試驗）錐尖阻力為6MPa，PMT（旁壓試驗）測得的極限荷載為800kPa，PMT模量值為8.5 MPa，DMT（扁鏟側(cè)脹試驗）模量值為30MPa，鉆孔剪切試驗測得土體內(nèi)摩擦角為32°，地基土體容重為15.5kN／m3，而后Briaud和Gibbens對該場地砂土地基中的5個擴展混凝土淺基礎進行了一系列加載試驗，各基礎尺寸、基礎厚度及埋深見表1，現(xiàn)場原位測試點位置及基礎分布位置如圖3所示.

表1 建造后的基礎尺寸數(shù)據(jù)

各基礎每級加載荷載為極限荷載預估值的1／10，持續(xù)30min.

2 基礎加載試驗曲線的歸一化分析

采用修正模量法的計算結(jié)果表明，所有不同尺寸基礎在沉降25mm和150mm對應荷載的試驗值和計算值之間的誤差均在10%以內(nèi)（3m基礎取2組試驗結(jié)果的均值），各基礎的荷載沉降試驗曲線均與計算曲線相吻合（如圖4所示）［4］.

圖4 基礎加載與穩(wěn)定沉降的實測及計算曲線

依據(jù)5個不同尺寸基礎的荷載與沉降的關(guān)系曲線，將沉降量除以基礎寬度做無量綱化，得到歸一化的關(guān)系曲線，如圖5所示.從圖中可以看出不同基礎尺寸的荷載與相對沉降曲線基本上是重合的.產(chǎn)生這種歸一化現(xiàn)象的原因可依據(jù)修正弦線模量法從理論上作出解釋.

圖5 荷載與基礎相對沉降的歸一化曲線

焦五一［5］提出了依據(jù)載荷試驗曲線確定地基土在不同附加應力水平下弦線模量 的計算公式，李仁平［4］采用弦線模量法計算1m基礎的沉降曲線，發(fā)現(xiàn)沉降計算結(jié)果偏大，說明弦線模量值偏小，采用修正弦線模量法可以得到與試驗曲線完全吻合的沉降曲線，由此反求獲得的不同應力水平的弦線模量修正系數(shù)介于0.22～0.54之間.依據(jù)荷載試驗曲線確定的地基土修正弦線模量方程為

上式可以轉(zhuǎn)換為

3 地基土隨深度的沉降規(guī)律

依據(jù)Briaud和 Gibbens［6］對基礎下埋深0.5B、1.0B及2.0B所做的分層土實測沉降數(shù)據(jù)及分析，可以總結(jié)出如下結(jié)論:

（1）約占地基總沉降78%的沉降量發(fā)生在1.0B深度范圍內(nèi)，1.0B深度以下土層產(chǎn)生的沉降量占11%～30%，平均占22%，而2.0B深度以下的土層產(chǎn)生的沉降量約占0～10%，平均占3.2%.

（2）分層土的沉降在總沉降中所占的比例不僅與荷載的大小有關(guān)，還與基礎尺寸的大小有關(guān)（如圖6所示）.

圖6 基礎沉降為0.05B時地基沉降隨相對深度的關(guān)系

（3）土層應變的大小變化規(guī)律是除了靠近基礎底面的區(qū)域以外，應變隨深度增加而減小，由于基礎底面不是光滑的，有一定的粗糙度，靠近基礎底面的地基土的應變反而減?。ㄈ鐖D7所示）.

圖7 分層土相對應變隨相對深度的關(guān)系

修正模量法在計算分層土的沉降時主要考慮的是荷載大?。ǜ郊討Γν馏w非線性變形特性的影響，并沒有考慮基礎底面粗糙度對基礎下地基土側(cè)向變形的約束作用，因此，也難以對基礎下附近各分層土的壓縮量做出準確預測.

4 結(jié) 論

（1）修正弦線模量是依據(jù)載荷試驗曲線，以各級荷載下地基的沉降變形均與試驗曲線相吻合為條件反求獲得的變形參數(shù)，是一種非線性的等效變形模量，其值隨附加應力水平的增加而減小，同一地基依據(jù)不同尺寸壓板或基礎加載試驗成果確定的地基土修正模量是相同的，這與不同尺寸基礎加載試驗獲得的荷載沉降曲線的歸一化現(xiàn)象相吻合.

（2）不同尺寸基礎沉降的尺寸效應在均質(zhì)地基中表現(xiàn)為荷載與相對沉降（S／B）曲線的歸一化.

（3）采用修正弦線模量法計算地基各級荷載下的總沉降能夠獲得可靠的結(jié)果，但無法準確預測基礎底面附近地基分層土的應變，原因在于該方法未考慮基礎底面粗糙度對土體側(cè)向變形約束的影響.

［1］JGJ72－2004.高層建筑巖土工程勘察規(guī)程［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］Bazaraa.Use of the Standard Penetration Test for Estimating Settlement of Shallow Foundations on Sand［M］.PhD thesis，University of Illinois，USA，1967.

［3］Jean－Louis Briaud，Robert Gibbens.Predicted and Measured Behavior of Five Spread Footings on Sand:Results of a Spread Footing Prediction Symposium［M］.American Society of Civil Engineers:Geotechnical Special Publication，1994.

［4］李仁平，羅 勉.采用修正弦線模量法預測基礎的非線性沉降［J］.三峽大學學報:自然科學版，2011，32（1）:41－45.

［5］焦五一.地基變形的新參數(shù)－－弦線模量的原理和應用［J］.水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，1982（1）:30－33.

［6］Jean－Louis Briaud，Robert Gibbens.Behavior of Five Large Spread Footings in Sand［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，1999（9）:787－796.