廣西水運(yùn)工程地基承載力檢測(cè)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(yùn)工程地基承載力檢測(cè)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(yùn)工程實(shí)體結(jié)構(gòu)檢測(cè)和內(nèi)審工作；

劉姝麟(1988—)，碩士，主要從事碼頭后方陸域檢測(cè)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(kāi)山土形成，常用的檢測(cè)方法是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和淺層載荷板試驗(yàn)。文章分析了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的影響因素并驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的適用性，探討了淺層平板載荷試驗(yàn)的壓板尺寸和反力平臺(tái)的影響，研究適用于廣西水運(yùn)工程的地基承載力檢測(cè)方法。

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

0引言

隨著廣西北部灣港建設(shè)的推進(jìn)，水運(yùn)工程項(xiàng)目日漸增多，后方陸域地基處理技術(shù)越來(lái)越受到重視。前人的研究領(lǐng)域集中在地基處理的機(jī)理及適用性分析，對(duì)地基處理后的效果研究尚不多見(jiàn)。由于地基是多相組成，本身具有復(fù)雜性，相關(guān)的計(jì)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(guò)一定的檢測(cè)手段來(lái)評(píng)定。

1檢測(cè)方法評(píng)價(jià)

地基處理的效果評(píng)價(jià)有三塊[1]：(1)強(qiáng)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(jiǎn)單的固氣液三相構(gòu)成，地基處理過(guò)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(duì)上層土體進(jìn)行處理就能保證地基不出問(wèn)題，必須通過(guò)完整的勘探分析各土層性質(zhì)，同時(shí)在地基處理過(guò)程中對(duì)土層進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)結(jié)果的反饋對(duì)施工進(jìn)度、施工強(qiáng)度進(jìn)行修正；(3)地基處理存在的問(wèn)題有滯后性，一個(gè)地基工程投入使用之后可能過(guò)了幾十年甚至上百年會(huì)出現(xiàn)大的偏心位移或者大面積的塌方，因此地基驗(yàn)收之后定期的地基檢測(cè)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(shí)間和各種外力因素?fù)p耗，地基加固以后隨著時(shí)間推移固結(jié)度會(huì)增大，其中的各種空洞和薄弱會(huì)一點(diǎn)一點(diǎn)地被改造或被周?chē)邮?，因此地基破損試驗(yàn)對(duì)整個(gè)地基的影響會(huì)被無(wú)限地縮小，地基的自動(dòng)溯源性會(huì)填補(bǔ)小范圍的破損試驗(yàn)對(duì)地基帶來(lái)的破壞。

地基承載力的檢測(cè)手段大體分為兩塊[2]：(1)取芯樣通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)得到土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)，通過(guò)理論計(jì)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(qiáng)度指標(biāo)的合理性。事實(shí)上，取得的土體芯樣受擾動(dòng)影響較大，測(cè)得的抗剪強(qiáng)度存在很大誤差，因此我國(guó)地基規(guī)范對(duì)計(jì)算結(jié)果采用變化很大的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行修正，系數(shù)的選取很大程度取決于操作人員的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。(2)通過(guò)原位測(cè)試得到與地基承載力相關(guān)的某些參數(shù)并通過(guò)經(jīng)驗(yàn)公式換算得到地基承載力[3]。常見(jiàn)的原位測(cè)試包括平板載荷試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、動(dòng)力觸探、靜力觸探、十字板剪切試驗(yàn)等，原理上來(lái)說(shuō)都是對(duì)地基加載并通過(guò)土層對(duì)受力的反饋評(píng)價(jià)地基狀態(tài)。廣西沿海水運(yùn)工程地基多為清淤吹填砂和回填開(kāi)山土形成，常見(jiàn)的地基處理方式包括振沖法和強(qiáng)夯法，考慮到操作性、適用性和經(jīng)濟(jì)性，常用的檢測(cè)方法是標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)和淺層載荷板試驗(yàn)。

2標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)(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(shí)需要的錘擊數(shù)N確定土層情況，多用來(lái)評(píng)價(jià)砂土的密實(shí)度情況和黏性土的無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度，也有部分地區(qū)通過(guò)標(biāo)貫的結(jié)果建立經(jīng)驗(yàn)公式來(lái)判斷地基承載力。

2.1　影響因素分析

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)雖然操作簡(jiǎn)單，但試驗(yàn)結(jié)果會(huì)受地下水位和土的上覆壓力等土體狀況影響，國(guó)外對(duì)于這些因素的修正較多，而國(guó)內(nèi)主要進(jìn)行桿長(zhǎng)的修正。桿件越長(zhǎng)，錘擊達(dá)到貫入器的能力衰減得越多，根據(jù)牛頓碰撞理論，通過(guò)錘擊桿件傳輸應(yīng)力波的能量變化遠(yuǎn)大于桿長(zhǎng)變化時(shí)的能量衰減。因此過(guò)去建立的擊數(shù)與土性參數(shù)、承載力都作桿長(zhǎng)修正[4]，福建和南京地區(qū)地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(DBJ 13-07-91、DB32/112-95)按表1進(jìn)行修正。而《水運(yùn)工程巖土勘察規(guī)范》(JTS 133-2013)指出抗震規(guī)范評(píng)價(jià)砂土液化時(shí)不對(duì)N值作修正。

表1　標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)探桿長(zhǎng)度校正系數(shù)表

2.2　地基承載力計(jì)算

盡管土體的密實(shí)情況和承載力是正相關(guān)的，密實(shí)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(duì)不同的土質(zhì)情況。研究機(jī)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(yàn)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(yàn)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(yàn)公式：

fk=-803+850N0.1

(4)

紡織工業(yè)部設(shè)計(jì)院建議細(xì)砂、中砂經(jīng)驗(yàn)公式：

fk=105+10N

(5)

以欽州港兩個(gè)碼頭后方地基檢測(cè)得到的標(biāo)貫擊數(shù)按不同的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算承載力得到的平均值與靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表2。A碼頭陸域2.24萬(wàn)m2，地基為回填開(kāi)山土后強(qiáng)夯處理；B碼頭陸域1.13萬(wàn)m2，地基為回填砂振沖處理。

表2　標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與載荷試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表

按照建議的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的地基承載力比靜載試驗(yàn)的結(jié)果大很多，可見(jiàn)對(duì)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(guò)南寧港某工程地基試驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)計(jì)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(yàn)

平板載荷試驗(yàn)(PLT)是指通過(guò)承壓板上向地基逐級(jí)施加荷載，測(cè)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(píng)價(jià)方法。由于土體本身能量傳輸?shù)臏笮裕还芡ㄟ^(guò)何種方式反饋都需要時(shí)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(duì)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(shí)間來(lái)消化和處理，載荷試驗(yàn)讓土體有時(shí)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(shí)際力學(xué)性狀的結(jié)果。因?yàn)橥馏w土層土質(zhì)的復(fù)雜性，規(guī)范要求對(duì)載荷試驗(yàn)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(guò)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(shí)受基礎(chǔ)尺寸、埋深等的影響，顯然一般情況下的試驗(yàn)不可能做到和實(shí)際一致，因此需要考慮如何用小尺寸的承壓板通過(guò)試驗(yàn)來(lái)反映實(shí)際大尺寸基礎(chǔ)下的地基承載力問(wèn)題。國(guó)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(shì)。周鏡院士[8]指出：在一定荷載作用下，承壓板直徑20~30 cm時(shí)沉降量最小。不同規(guī)范對(duì)壓板面積要求見(jiàn)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(shí)不同壓板直徑情況下位移隨加載變化，p-s曲線見(jiàn)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(jiàn)圖2)，可見(jiàn)壓板直徑<0.25 m時(shí)，直徑越大沉降越大；壓板直徑>0.25 m時(shí)，直徑越大沉降越??；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(tái)的影響

一般平板試驗(yàn)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(duì)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(jiàn)圖3，試驗(yàn)過(guò)程中加載平臺(tái)對(duì)壓板周?chē)馏w造成擠壓，加載前平臺(tái)支撐引起的地基變形最大，加載過(guò)程中支架下方土體受力越來(lái)越小，變形逐漸恢復(fù)，卸載過(guò)程中支架下方變形越來(lái)越大，如果支撐離壓板較近，平臺(tái)引起的變形將對(duì)壓板上按照的位移觀測(cè)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(yàn)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(shí)不同試坑寬度與最大沉降量、極限承載力情況，見(jiàn)圖4。可見(jiàn)試坑寬度越大，即平臺(tái)支撐離壓板越遠(yuǎn)，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(yǔ)

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

(1)使用標(biāo)貫擊數(shù)N計(jì)算土性參數(shù)、承載力應(yīng)作桿長(zhǎng)修正，用于評(píng)價(jià)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(yàn)公式并不適用于廣西水運(yùn)工程。

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

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(jìn)行平板試驗(yàn)時(shí)反力平臺(tái)會(huì)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成影響，距離越遠(yuǎn)影響遠(yuǎn)小，建議試驗(yàn)時(shí)在條件許可的情況下盡可能增大試坑尺寸。

參考文獻(xiàn)

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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(hào)：1673-4874(2015)05-0083-04

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.55+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.023

作者簡(jiǎn)介