合肥地區(qū)螺旋板載荷試驗(yàn)方法的研究

周 偉， 崔可銳

（合肥工業(yè)大學(xué) 資源與環(huán)境工程學(xué)院，安徽 合肥 230009）

螺旋板載荷試驗(yàn)是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始的一種原位測(cè)試方法，在有關(guān)載荷試驗(yàn)內(nèi)容中，將螺旋板載荷試驗(yàn)與平板載荷試驗(yàn)歸為同類(lèi)原位測(cè)試方法，具有同等的法規(guī)地位。但是也應(yīng)當(dāng)注意到，螺旋板載荷試驗(yàn)方法還不夠成熟，相關(guān)規(guī)范［1］并沒(méi)有明確規(guī)定試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)。此外，螺旋板載荷試驗(yàn)的原理在理論上也還不夠完善。文獻(xiàn)［2］雖提出了螺旋板面積的大小對(duì)試驗(yàn)成果的影響不大以及螺旋板載荷試驗(yàn)確定的地基土承載力特征值不再進(jìn)行深度修正，但是它并沒(méi)有研究螺旋板載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)速率對(duì)不同地層試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律。

由于螺旋板載荷試驗(yàn)存在上述問(wèn)題，如果想要真正應(yīng)用于實(shí)際工程，還需要針對(duì)各地的地區(qū)性特點(diǎn)做必要的試驗(yàn)論證。因此本文通過(guò)對(duì)螺旋板與平板載荷試驗(yàn)的相關(guān)性分析以及螺旋版載荷試驗(yàn)工程實(shí)例的研究，提出了一些在合肥地區(qū)利用螺旋板載荷試驗(yàn)確定其地基承載力的試驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)。

1 合肥地區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 合肥市地形地貌

合肥地處江淮丘陵，北起舜耕山，南至巢湖盆地周?chē)?，大部分地域崗沖起伏，壟畈相間?？傮w地勢(shì)是中部高，南北低。總結(jié)分類(lèi)依次為：河漫灘、一級(jí)階地、二級(jí)階地。

1.2 合肥地基土分區(qū)與分層

根據(jù)合肥市地基土分布與淺層基礎(chǔ)的工程特點(diǎn)，并充分利用合肥地區(qū)已有的成熟經(jīng)驗(yàn)，可將合肥市列入研究的淺層地基土作如下劃分，見(jiàn)表1所列。

表1 合肥市淺層地基土劃分

2 螺旋板與平板載荷試驗(yàn)的對(duì)比分析

為研究螺旋板載荷試驗(yàn)在合肥地區(qū)試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)螺旋板和平板載荷試驗(yàn)展開(kāi)對(duì)比研究，因?yàn)槟壳皽\層平板載荷試驗(yàn)研究比較成熟。

此次試驗(yàn)對(duì)合肥3個(gè)地方作了對(duì)比分析，它們分別為：29中辦公樓、農(nóng)科院交流中心和翠竹園B區(qū)。試驗(yàn)時(shí)螺旋板面積分別取100cm2和200cm22組與平板面積取0.5m2進(jìn)行對(duì)比研究。每個(gè)試驗(yàn)場(chǎng)地做3組試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。

2.1 地基載荷試驗(yàn)承載力的確定

按照規(guī)范［3］對(duì)土質(zhì)地基載荷試驗(yàn)承載力的取值方法，可根據(jù)p－s曲線形態(tài)（文獻(xiàn)［4－6］共給出了3種p－s曲線形式）確定其特征值f0以及極限載荷pu值。

2.1.1 地基承載力特征值的確定

根據(jù)文獻(xiàn)［7］可知承載力特征值的確定應(yīng)符合以下規(guī)定：

（1）當(dāng)p－s曲線上有比例極限時(shí)，取該比例界限所對(duì)應(yīng)的載荷值。

（2）當(dāng)極限載荷小于對(duì)應(yīng)比例界限的載荷值的2倍時(shí)，取極限載荷的1／2。

（3）當(dāng)不能按上述兩款要求確定時(shí)，當(dāng)壓板面積為0.25～0.50m2，可取壓板沉降與壓板直徑的比值s／d＝0.010～0.015所對(duì)應(yīng)的載荷，但其值不應(yīng)大于最大加載量的1／2。

同一土層參加統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)不應(yīng)少于3個(gè)點(diǎn)，當(dāng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的極差不超過(guò)平均值的30%時(shí)，取此平均值為該土層的地基承載力特征值。

2.1.2 地基承載力極限值的確定

承載力極限值的確定依據(jù)如下：

（1）p－s曲線出現(xiàn)陡降段的前一級(jí)荷載（或明顯的第2拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載）。

（2）s－lg t曲線尾部出現(xiàn)明顯彎曲變化的前一級(jí)載荷。

上述臨界狀態(tài)相應(yīng)于出現(xiàn)承壓板周?chē)耐劣忻黠@側(cè)向擠出、隆起裂紋或雖無(wú)明顯側(cè)向擠出但沉降急劇增大或在其中一級(jí)載荷下24h內(nèi)沉降速度達(dá)不到穩(wěn)定等情況。

2.2 地基變形控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

對(duì)合肥地區(qū)3個(gè)對(duì)比試驗(yàn)場(chǎng)地的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算分析，獲得淺層平板載荷試驗(yàn)極限處相應(yīng)的壓板沉降與壓板直徑s／d值，分析這些值可知平板載荷試驗(yàn)極限荷載處相應(yīng)的s／d值離散性較小，②層Q4黏土的平均值為0.035，③層Q4粉質(zhì)黏土的平均值為0.043。

按照與淺層平板載荷試驗(yàn)相同的沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，并適當(dāng)考慮兩者在尺寸效應(yīng)方面的影響，對(duì)②層Q4黏土和③ 層Q4粉質(zhì)黏土分別取s／d＝0.035，s／d＝0.045來(lái)確定螺旋板載荷試驗(yàn)的極限，相應(yīng)的極限沉降值su見(jiàn)表2所列。

表2 不同壓板面積的極限沉降su值

2.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析與整理

根據(jù)極限沉降控制標(biāo)準(zhǔn)與相應(yīng)的極限沉降su值，可以獲得各試驗(yàn)點(diǎn)的螺旋板載荷試驗(yàn)極限值，見(jiàn)表3、表4所列。

表3 200cm2螺旋板載荷試驗(yàn)極限荷載值

表4 100cm2螺旋板載荷試驗(yàn)極限荷載值

從上述數(shù)據(jù)可見(jiàn)，200cm2螺旋板載荷試驗(yàn)結(jié)果的規(guī)律性較好，而100cm2螺旋板載荷試驗(yàn)結(jié)果的離散性較大，說(shuō)明螺旋板的尺寸對(duì)試驗(yàn)的影響較大，因此，在合肥地區(qū)使用螺旋板載荷試驗(yàn)方法時(shí)，應(yīng)采用200cm2螺旋板進(jìn)行載荷試驗(yàn)。

為了對(duì)螺旋板試驗(yàn)與淺層載荷試驗(yàn)確定的極限荷載值進(jìn)行比較，計(jì)算2種試驗(yàn)方法在每個(gè)場(chǎng)地獲得的極限荷載平均值，并計(jì)算同一場(chǎng)地中2種方法確定結(jié)果的相對(duì)誤差，見(jiàn)表5所列。

表5 螺旋板試驗(yàn)與淺層平板載荷試驗(yàn)確定的極限荷載值對(duì)比

從表5的對(duì)比分析，可以得到這樣一個(gè)結(jié)論：除極個(gè)別點(diǎn)外（ESJZ1實(shí)驗(yàn)點(diǎn)）若按照極限沉降控制標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)合肥②層Q4黏土和③層Q4粉質(zhì)黏土分別取s／d＝0.035和s／d＝0.045來(lái)確定螺旋板載荷試驗(yàn)的極限荷載值，在荷載分級(jí)合理的條件下，所得的結(jié)果與淺層平板試驗(yàn)結(jié)果基本一致。

3 螺旋板載荷試驗(yàn)實(shí)例及結(jié)果分析

3.1 試驗(yàn)?zāi)康?/h3>

本次螺旋板載荷試驗(yàn)由安徽省建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)院具體承擔(dān)實(shí)施。在正式試驗(yàn)之前，需要對(duì)設(shè)備性能、試驗(yàn)操作方法和快、慢法試驗(yàn)對(duì)比等進(jìn)行試驗(yàn)研究，為以后的推廣應(yīng)用提供可靠試驗(yàn)依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及加載種類(lèi)

試驗(yàn)儀器采用由上海功成勘察設(shè)備有限公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的YDL－3型螺旋板載荷試驗(yàn)儀，在試驗(yàn)前后對(duì)載荷儀的測(cè)力傳感器分解進(jìn)行了標(biāo)定，試驗(yàn)前后測(cè)力傳感器變化范圍在2%～5%之間。試驗(yàn)壓板采用標(biāo)準(zhǔn)螺旋板，投影面積為200cm2，其對(duì)應(yīng)的直徑為15.96cm。試驗(yàn)加荷設(shè)備采用油壓千斤頂。

本次試驗(yàn)的加荷方式有慢速法和快速法2種。慢速法是逐漸加載，每加一級(jí)荷載后，開(kāi)始先按10、10、10、15、15min，以后按30min的時(shí)間間隔觀測(cè)承壓板的沉降，達(dá)到穩(wěn)定后再施加下一級(jí)荷載，相對(duì)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)是連續(xù)2次以上沉降量不超過(guò)0.1mm／h。快速法是每加一級(jí)荷載后，按15min的時(shí)間間隔觀測(cè)承壓板沉降，30min后加下一級(jí)荷載，直至破壞。

本次3組螺旋板載荷對(duì)比試驗(yàn)加荷等級(jí)分為8～12級(jí)，分級(jí)加載量為190～310kPa，最大不超過(guò)500kPa，當(dāng)卸載觀察回彈時(shí)每級(jí)卸載量為加載量的2倍。

3.3 試驗(yàn)場(chǎng)地

對(duì)比試驗(yàn)場(chǎng)地位于安徽省建設(shè)工程勘察設(shè)計(jì)院大院內(nèi)，試驗(yàn)采取同一測(cè)孔不同試驗(yàn)的方式，分別采用了慢速法和快速法進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

試驗(yàn)場(chǎng)地地貌單元為合肥地區(qū)的一級(jí)階地，從已有的勘察資料分析：0.00～0.40m為雜填土，1.40～8.00m 為黏土，8.00m以下為粉土。

在黏土層中共選了4個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，豎向點(diǎn)距為1m，其中3、5m深度的試驗(yàn)點(diǎn)采取慢載法進(jìn)行試驗(yàn)，4m和6m深度試驗(yàn)點(diǎn)采取快載法進(jìn)行試驗(yàn)。在粉土層中共選了2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)，8.5m深度的試驗(yàn)點(diǎn)采取慢載法進(jìn)行試驗(yàn)，9.5m深度試驗(yàn)點(diǎn)采取快速法進(jìn)行試驗(yàn)。

3.4 試驗(yàn)成果分析

慢速法和快速法的p－s曲線對(duì)比如圖1a、圖1b所示。根據(jù)以上論述的“螺旋板與平板載荷試驗(yàn)的對(duì)比分析”成果，對(duì)此次試驗(yàn)場(chǎng)地的黏土和粉質(zhì)黏土分別取s／d＝0.035和s／d＝0.045作為控制值來(lái)確定螺旋板載荷試驗(yàn)的極限荷載值。承載力特征值f0可以根據(jù)前面論述的方法并總結(jié)其他的經(jīng)驗(yàn)［8］確定。

圖1 p－s曲線對(duì)比

（1）對(duì)于黏性土。慢速法在3m處的承載力特征值確定為1380kPa，承載力極限值為2280kPa；5m處的承載力特征值為1200kPa，承載力極限值為2000kPa；8.5m處承載力特征值為1800kPa。

快速法在4m處的承載力特征值為1380kPa，承載力極限值為1860kPa；6m處的承載力特征值為1200kPa，極限值為1800kPa；9.5m處的承載力特征值為1800kPa，極限值為2600kPa。

根據(jù)上述資料提供的數(shù)據(jù)，確定合肥地區(qū)地基承載力特征值時(shí)，采用快速或慢速法對(duì)結(jié)果基本沒(méi)有影響；確定地基土承載力極限值時(shí)，采用快速或慢速法對(duì)結(jié)果有一定的影響。即黏土地基承載力特征值加荷速度修正系數(shù)為1.0；黏土地基承載力極限值加荷速度修正系數(shù)為0.86。

（2）對(duì)于粉土。從圖1c中可以看出，慢速法與快速法的p－s曲線基本重合，試驗(yàn)的加載方法對(duì)確定粉土地基的承載力無(wú)太大的影響，即粉土地基承載力特征值加荷速度修正系數(shù)為1.0。

4 結(jié) 論

通過(guò)本次螺旋板與平板載荷試驗(yàn)的對(duì)比研究，在收集和補(bǔ)充大量試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上得到了以下結(jié)論：

（1）獲得了合肥地區(qū)的②層Q4黏土層，取s／d＝0.035對(duì)應(yīng)的荷載為極限荷載；對(duì)③ 層Q4粉質(zhì)黏土，取s／d＝0.045對(duì)應(yīng)的荷載為極限荷載。

（2）確定了合肥地區(qū)螺旋板載荷試驗(yàn)時(shí)螺旋板的壓板面積最好取200cm2（壓板直徑d＝15.96cm）；螺旋板載荷試驗(yàn)可采用快速維持荷載法。

（3）獲得了螺旋板載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)速率對(duì)合肥地區(qū)不同地層試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律；明確了其承載力特征值和極限承載力的取值依據(jù)和取值方法，積累了寶貴的資料，為今后在合肥地區(qū)推廣應(yīng)用本螺旋板載荷試驗(yàn)方法打下了良好的基礎(chǔ)。

［1］GB 50021－2001，巖土工程勘察規(guī)范［S］.

［2］黃清和.螺旋板載荷試驗(yàn)探討［J］.地球與環(huán)境，2005，33（Z1）：556－558.

［3］GB 50007－2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］錢(qián)德玲，張文彥，曹光暄，等.基于GTS對(duì)單樁靜載試驗(yàn)的有限元模擬分析［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，32（2）：234－237.

［5］王鐘琦，孫廣忠.巖土工程測(cè)試技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1986：242－243.

［6］林在貫.巖土工程手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1994：156－162.

［7］張克恭，劉松玉.土力學(xué)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005：252－253.

［8］張海東，張金力，郝慶芬.螺旋板載荷試驗(yàn)資料整理若干問(wèn)題探討 ［J］.巖土工程技術(shù)，2004，18（6）：282－285.