處理后地基靜載荷試驗(yàn)成果分析

張高其

摘 要：通過(guò)處理后地基靜載荷試驗(yàn)得出的處理后地基承載力特征值，是上部荷載通過(guò)承壓板引起的土應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)土層的承載力，受試驗(yàn)中承壓板大小的限制和下臥軟弱土層深度的影響，與設(shè)計(jì)時(shí)建筑主體地基承載力驗(yàn)算中的地基承載力特征值并不相等，文章通過(guò)實(shí)例分析來(lái)明確一下兩者之間的區(qū)別。

關(guān)鍵詞：處理后地基承載力特征值；承壓板；分析

引言

當(dāng)天然地基承載力不滿(mǎn)足要求時(shí)，部分地基通過(guò)換填墊層、預(yù)壓地基、壓實(shí)地基、夯實(shí)地基和注漿加固等處理后的地基承載力得以提高。部分經(jīng)地基處理后形成的復(fù)合地基基礎(chǔ)下臥處理前的軟弱土層，通過(guò)符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的處理后地基承載力驗(yàn)算，同時(shí)在地基驗(yàn)收時(shí)平板靜載荷試驗(yàn)也滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的情況下，曾出現(xiàn)建筑主體沉降過(guò)大、開(kāi)裂變形等工程質(zhì)量事故?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）中第一次單獨(dú)列出了處理后地基靜載荷試驗(yàn)要點(diǎn)并確定了其適用范圍是地基承壓板應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)土層的承載力和變形參數(shù)，正確理解本條款成為解釋此類(lèi)工程質(zhì)量事故的原因。

設(shè)計(jì)單位根據(jù)《建筑地基設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）進(jìn)行處理后地基承載力與變形驗(yàn)算，計(jì)算出符合要求的基礎(chǔ)底面土層的地基承載力特征值fak設(shè)計(jì)。檢測(cè)單位依據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）通過(guò)處理后地基靜載荷試驗(yàn)（承壓板）確定處理后地基承載力特征值fak檢測(cè)，受承壓板面積大小一般不可能與基礎(chǔ)底面積相同的限制，因此fak設(shè)計(jì)值與fak檢測(cè)值兩者并不相等。尤其是在軟弱土層部分處理和上下兩層地基土承載力相差很大的情況下，如果地基基礎(chǔ)驗(yàn)收時(shí)將兩者混淆不清，建筑主體完工之后的地基基礎(chǔ)質(zhì)量將得不到保證，難免會(huì)出現(xiàn)上述工程質(zhì)量事故。

文章通過(guò)實(shí)例來(lái)分析fak設(shè)計(jì)值與fak檢測(cè)值的不同之處，加深對(duì)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）附錄A處理后地基靜載荷試驗(yàn)要點(diǎn)中第A.0.1條的理解，即“本試驗(yàn)要點(diǎn)適用于確定換填墊層、預(yù)壓地基、壓實(shí)地基、夯實(shí)地基和注漿加固等處理后地基承壓板應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)土層的承載力和變形參數(shù)”。處理后地基土的承載力是文章分析的主要內(nèi)容。

1 處理后地基靜載荷試驗(yàn)實(shí)例

1.1工程概況

豐盛·瀚海嘉園22#樓工程地點(diǎn)位于××市新袁鎮(zhèn)中心小學(xué)對(duì)面，地基處理類(lèi)型為砂石墊層（部分換填②粉土），墊層厚度0.5m，設(shè)計(jì)處理后地基承載力特征值150kPa，地基換填處理結(jié)束日期2013年4月21日，依據(jù)JGJ79-2012采用處理后地基靜載荷試驗(yàn)檢測(cè)處理后地基承載力，要求最大加載極限300kN，檢測(cè)數(shù)量3組，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)日期為2013年6月7日～9日。

1.2 地質(zhì)條件描述（見(jiàn)表1）

1.3 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)過(guò)程

（1）試驗(yàn)采用慢速維持荷載法。（2）加、卸載分級(jí)：復(fù)合地基設(shè)計(jì)承載力特征值150kPa，極限加載按300kN考慮，共分八級(jí)加載，第一級(jí)加載37kN，然后按每級(jí)38kN遞增直至加載300kN為止。卸載時(shí)每級(jí)卸載分級(jí)量為加載分級(jí)量的2倍，逐級(jí)卸載至零。（3）配重在試驗(yàn)前一次性置于壓重平臺(tái)上，均勻穩(wěn)固放置，且壓重量大于預(yù)估最大試驗(yàn)荷載的1.2倍。（4）通過(guò)置于荷載板頂面中心的千斤頂，把壓重平臺(tái)荷載分級(jí)傳遞到試樁，沉降通過(guò)置于荷載板頂面2只正交直徑方向4只50mm量程位移傳感器觀測(cè)；（5）復(fù)合地基試驗(yàn)步驟按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）附錄A處理后地基靜載荷試驗(yàn)要點(diǎn)進(jìn)行。

1.4 靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)圖表

附試驗(yàn)點(diǎn)號(hào)1的靜載試驗(yàn)曲線(xiàn)圖表，其余兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)曲線(xiàn)圖略。（見(jiàn)表2）

1.5 檢測(cè)結(jié)果

表3

綜上所述，所測(cè)各試驗(yàn)點(diǎn)實(shí)測(cè)值的極差不超過(guò)其平均值的30%，承壓板應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)土層的處理后地基承載力特征值取其平均值150kPa。

2地基承載力特征值分析

2.1 靜載荷試驗(yàn)結(jié)果的理論驗(yàn)算

2.1.1 已知條件

如圖1所示，試驗(yàn)采用方形承壓板，寬度B為1m；換填砂石墊層厚度Z為0.5m；墊層頂面距自然地面高度D為1m；承壓板下地基土的附加壓力Pz0取試驗(yàn)結(jié)果150kPa；墊層底面處②層粉土的地基承載力特征值fa為85kPa，重度19kN/m3。

2.1.2 壓力擴(kuò)散角的選擇

根據(jù)JGJ79-2012規(guī)范中表4.2.2采用，砂石墊層，Z/b=0.50，取θ=30°。

2.1.3 墊層底面處地基承載力驗(yàn)算

根據(jù)GB50007-2011第5.2.4條，墊層底面處經(jīng)修正后的地基承載力特征值faz=85+0+1.5×（19+0.5×20）×（1.5-0.5）/1.5=114kPa。

墊層底面處土的自重壓力值pcz=19×1.5=28.5kPa；

根據(jù)JGJ79-2012第4.2.2條第2款，方形承壓板采用式1進(jìn)行墊層底面處附加壓力計(jì)算：

（1）

式中：pz-相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，墊層底面處的附加壓力值（kPa）；b-矩形基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)底面的寬度（m）；l-矩形基礎(chǔ)底面的長(zhǎng)度（m）；pk-相應(yīng)于作用的標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值（kPa）；pc-基礎(chǔ)底面處土的自重壓力值（kPa）；z-基礎(chǔ)底面下墊層的厚度（m）；θ-墊層（材料）的壓力擴(kuò)散角（°）。

計(jì)算墊層底面處的附加壓力值pz=150/（1+2×0.5×tan30°）2=60kPa；

pz+pcz=88.5kPa

綜上所述，理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果相符。

2.2 改變基礎(chǔ)類(lèi)型，其它條件不變

2.2.1 基礎(chǔ)類(lèi)型為條形基礎(chǔ)

根據(jù)JGJ79-2012第4.2.2條第2款，條形基礎(chǔ)采用式2進(jìn)行墊層底面處附加壓力計(jì)算：

P■=■（2）

按平板靜載試驗(yàn)條件，墊層底面處的附加壓力值pz為60kPa，頂面處的附加壓力值pz0為150kPa，計(jì)算此時(shí)條形基礎(chǔ)的寬度b條1=60×2×0.5×tan30°/（150-60）=0.38m，即平板靜載試驗(yàn)所提供的地基承載力150kPa只能滿(mǎn)足條形基礎(chǔ)寬度不大于0.38m的寬度。

按地質(zhì)勘探報(bào)告提供的條件②層粉土的地基承載力特征值fa為85kPa，計(jì)算墊層底面處所能承受的附加壓力值為114-28.5=85.5kPa，當(dāng)墊層頂面處的附加壓力值為150kPa時(shí)，計(jì)算條形基礎(chǔ)的寬度b條2=85.5×2×0.5×tan30°/（150-85.5）=0.76m，即地質(zhì)勘探報(bào)告提供的地基承載力能滿(mǎn)足條形基礎(chǔ)寬度不大于0.76m的寬度。

因此，當(dāng)條形基礎(chǔ)寬度設(shè)計(jì)值范圍在大于0.38m而小于0.76m時(shí)，可通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。但墊層頂面處條形基礎(chǔ)附加壓力150kPa擴(kuò)散作用于墊層底面處土層的附加壓力值大于60kPa。然而處理后地基靜載試驗(yàn)（承壓板）中檢驗(yàn)得出的墊層承載力特征值150kPa擴(kuò)散作用于墊層底面處土層附加壓力值為60kPa。墊層底面處的軟弱土層②層粉土沒(méi)達(dá)到靜載試驗(yàn)的檢驗(yàn)?zāi)康?，可能出現(xiàn)失穩(wěn)破壞，引起建筑工程主體沉降過(guò)大或沉降不均。

2.2.2 基礎(chǔ)類(lèi)型為矩形獨(dú)立基礎(chǔ)

因平板靜載試驗(yàn)承壓板采用的是方形1m×1m的承壓板，當(dāng)矩形獨(dú)立基礎(chǔ)面積小于1m×1m時(shí)，主體結(jié)構(gòu)是偏向于安全；當(dāng)獨(dú)立基礎(chǔ)面積等于1m×1m時(shí)，此時(shí)墊層的fak設(shè)計(jì)值與fak檢測(cè)值相同；當(dāng)獨(dú)立基礎(chǔ)面積大于1m×1m時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)平板靜載試驗(yàn)沒(méi)起到檢驗(yàn)?zāi)康牡那闆r。

基礎(chǔ)類(lèi)型換為1m×2m寬的矩形獨(dú)立基礎(chǔ)，根據(jù)JGJ79-2012第4.2.2條第2款，矩形承壓板采用式1計(jì)算墊層底面處的附加壓力值pz矩=2×150/（1+2×0.5×tan30°）（2+2×0.5×tan30°）=74kPa；

pz矩+pcz=102.5kPa

進(jìn)一步擴(kuò)大獨(dú)立基礎(chǔ)的面積為2m×2m的方形基礎(chǔ)時(shí)，pz方+pcz=118.8kPa>faz=114kPa，此時(shí)，不滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，不能通過(guò)設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

綜上所述，當(dāng)軟弱地基部分處理，基礎(chǔ)類(lèi)型與平板靜載荷試驗(yàn)中所使用的方形承壓板形狀、大小不同時(shí)，外理后地基靜載試驗(yàn)中預(yù)定的最大地基承載力檢測(cè)值等于設(shè)計(jì)中使用的地基承載力特征值，靜載試驗(yàn)無(wú)法滿(mǎn)足預(yù)期的檢驗(yàn)?zāi)康?。相?dāng)于外理后地基靜載試驗(yàn)時(shí)僅檢驗(yàn)了墊層的承載力特征值，而忽略了下臥軟弱層的承載力。同時(shí)如果設(shè)計(jì)時(shí)直接引用處理后地基靜載試驗(yàn)提供的墊層承載力特征值而不考慮試驗(yàn)中所使用的承壓板大小因素，就可能出現(xiàn)下臥軟弱層的承載力不足而失穩(wěn)破壞，導(dǎo)致建筑工程主體沉降過(guò)大或沉降不均，引起工程質(zhì)量事故的發(fā)生。

3 設(shè)計(jì)與處理后地基靜載荷試驗(yàn)應(yīng)注意的事項(xiàng)

換填墊層、預(yù)壓地基、壓實(shí)地基、夯實(shí)地基和注漿加固等處理后的地基，當(dāng)軟弱土層只是部分處理，或處理后的基底下存在軟弱下臥土層時(shí)，采用處理后地基靜載荷試驗(yàn)（承壓板）的方法檢驗(yàn)基底承載力和變形參數(shù)的結(jié)論在引用時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎，與試驗(yàn)時(shí)所選用的承壓板大小息息相關(guān)，應(yīng)注意前提條件是承壓板下土層應(yīng)力影響范圍內(nèi)的地基土承載力，特別注意需驗(yàn)算加固土體或墊層下軟弱層所承受的附加壓力。

3.1 設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)驗(yàn)收時(shí)，可通過(guò)兩種方法來(lái)保障地基承載力的要求。

（1）工程質(zhì)量地基承載力驗(yàn)收時(shí)，盡可能指定出承壓板的大小與加載極限值。避免由于承壓板面積比基礎(chǔ)面積小，其它條件相同的情形下，承壓板上的壓力擴(kuò)散至下臥軟弱層時(shí)將會(huì)不足，試驗(yàn)得不到檢驗(yàn)的真正目的。

（2）做兩層土體的平板靜載荷試驗(yàn)。先檢驗(yàn)原位軟弱土層的地基承載力特征值，然后檢驗(yàn)加固土體或墊層的地基承載力特征值。

總之試驗(yàn)時(shí)應(yīng)及時(shí)溝通，掌握處理后地基承載力特征值的使用條件，壓板面積和基礎(chǔ)面積不同，應(yīng)力擴(kuò)散的快慢不同，避免工程質(zhì)量事故的發(fā)生。

3.2 處理后地基靜載荷試驗(yàn)

試驗(yàn)前，應(yīng)充分收集設(shè)計(jì)資料。主要包括地質(zhì)勘察報(bào)告、基礎(chǔ)類(lèi)型、地基處理的詳細(xì)資料、上部結(jié)構(gòu)的形式。

確定滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的加載極限值。根據(jù)加固土體或墊層的材料確定壓力擴(kuò)散角，然后根據(jù)基礎(chǔ)的類(lèi)型、加固土體或墊層的厚度，以及所提供的設(shè)計(jì)地基承載力特征值，計(jì)算下臥軟弱層頂面的附加壓力值。然后根據(jù)試驗(yàn)時(shí)所使用的承壓板，反算出承壓板上應(yīng)該加載的極限值。

3.3 關(guān)于承壓板的面積大小討論

JGJ79-2012中對(duì)平板靜載荷試驗(yàn)中采用承壓板的大小規(guī)定是：“壓板面積應(yīng)按需檢驗(yàn)土層的厚度確定，且不應(yīng)小于1.0m2，對(duì)夯實(shí)地基，不宜小于2.0m2”。在地基靜載試驗(yàn)過(guò)程中，承壓板大小直接影響試驗(yàn)加載荷載值。而建筑工程主體地基基礎(chǔ)底面的大小相對(duì)承壓板來(lái)說(shuō)均很大，地基靜載試驗(yàn)時(shí)，要達(dá)到墊層底面相對(duì)軟弱土層的建筑工程主體所產(chǎn)生的附加壓力值，有時(shí)需要很大的壓力，甚至可能試驗(yàn)時(shí)墊層頂面破壞時(shí)墊層底面的附加壓力還達(dá)不到要求。

為達(dá)到檢驗(yàn)下臥軟弱層承載力，是否可以考慮通過(guò)不同途徑達(dá)到目的：一是增加承壓板的面積，會(huì)直接增加試驗(yàn)費(fèi)用；二是可以減小承壓板到墊層底面的深度，需要開(kāi)挖出地基處理層中的試坑，對(duì)地基處理層有影響；三是當(dāng)前兩者都不可行時(shí)，既增加承壓板面積，又減小承壓板到墊層底面的深度。

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