地基土的超固結特性對淺層平板載荷試驗的影響*

汪智慧

(1.天津大學 建筑工程學院， 天津 300072；2.中國建筑東北設計研究院有限公司 基礎設施事業(yè)部， 沈陽 110003)

地基土的超固結特性對淺層平板載荷試驗的影響*

汪智慧1，2

(1.天津大學 建筑工程學院， 天津 300072；2.中國建筑東北設計研究院有限公司 基礎設施事業(yè)部， 沈陽 110003)

淺層平板載荷試驗是目前《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)[1]給出的測定地基承載力的方法.在地基土保持天然狀態(tài)條件下，將一定尺寸和幾何形狀(圓形或方形)的剛性載荷板安放在被測的地基土上，逐級施加靜荷載，并測得每一級荷載下的穩(wěn)定沉降，直至達到終止加載為止，繪制荷載(p)-沉降(s)曲線(p-s曲線).根據(jù)試驗結果可確定地基土的承載力及變形參數(shù).

淺層平板載荷試驗在工程中取得了廣泛的應用，不僅用于天然土體地基的承載力檢驗，還可用于復合地基承載力的檢驗[2].國內外學者對其進行了研究，翟洪飛等[3]通過有限元計算，分析了載荷板尺寸效應對沉降量的影響，指出同一荷載作用下，承壓板沉降量隨著承壓板尺寸的增大而非線性增加；陶玲等[4]對地基載荷試驗及其成果分析中存在的問題進行了分析，指出選取承壓板時需注意的問題，給出了壓縮模量和變形模量的計算方法，并指出載荷試驗的成果不能用于評價非均質地基土的均勻性；柳飛等[5-6]通過離心模型試驗分析了砂土地基平板載荷試驗中載荷板尺寸對地基承載力特征值的影響，并提出了載荷板尺寸效應的修正式和載荷板尺寸的換算式；陳照亮[7]通過承載力模型試驗分析了相對密度對砂土地基平板載荷試驗中載荷板尺寸效應的影響，認為載荷板尺寸效應與地基土的疏松程度有關；韓曉雷等[8]通過在強夯處理后的沙漠土體地基進行不同尺寸載荷板的平板載荷試驗，提出了在同一判別標準下，0.315 m是承壓板直徑的界限值；肖兵等[9]認為復合地基靜載荷試驗中同樣存在著載荷板尺寸效應.

由上述研究可知，淺層平板載荷試驗存在尺寸效應，有些學者從不同方面做了研究，但是當基坑土體開挖后，坑底土處于超固結狀態(tài)，對其進行淺層平板載荷試驗的研究較少.本文分別采用不同形狀、尺寸的載荷板對基坑底部中粗砂進行淺層平板載荷試驗，分析了地基土應力歷史對p-s曲線的影響，同時針對載荷板形狀、尺寸對地基承載力的影響進行了研究.

1 場地條件

本文選擇沈陽市某框剪結構寫字樓作為工程案例.該項目地上48層，地下3層，底板埋深為18 m.根據(jù)勘察可知，水位埋深為8.5 m.地基土為中粗砂，巖土工程勘察報告對其描述如下：黃褐色、密實、飽和，主要由石英、長石組成，分選性一般，級配一般，混粒結構，含黏性土約20%～30%，其物理參數(shù)如表1所示.

表1 地基土物理參數(shù)Tab.1 Physical parameters for foundation soil

由表1可知，先期固結應力Pc為246 kPa，與此處深度及水位埋深信息較為一致.

2 淺層平板載荷試驗方案

2.1 試驗裝置

在現(xiàn)場分別采用5種形狀、尺寸的載荷板在同一標高處做平板載荷試驗，共進行了5組試驗，每組試驗選取3個試驗點進行.試驗采用慢速維持荷載法，以堆載石塊為反力，試驗設備如下：

1) 壓力源載.采用3 200 kN與320 kN千斤頂.

2) 反力構架.由4根鋼梁與12塊鋼筋水泥塊組成(水泥塊規(guī)格為邊長1.5 m的正方體).

3) 沉降觀測裝置.直徑為0.6、0.8 m圓板采用4塊量程為50 mm、精度為0.01 mm的大行程百分表，對稱布置在圓形剛性載荷板進行量測，其余均采用2塊量程為50 mm、精度為0.01 mm的大行程百分表，對稱布置在剛性載荷板進行量測.

2.2 加載及穩(wěn)定標準

加載及穩(wěn)定標準如下：

1) 試坑寬度應不小于載荷板寬度的3倍，應保持土層的原狀結構和天然濕度，在擬壓表面用50 mm厚的中粗砂找平；

2) 為了更好地反應加載過程中沉降與荷載的關系，采用較小的分級加載量，每級加載量均為50 kPa，最大加載量為900 kPa；

3) 當連續(xù)兩個小時每小時的沉降量小于0.1 mm時，認為沉降趨于穩(wěn)定，可加載下一級荷載.

現(xiàn)場試驗照片如圖1所示.直接在坑底進行試驗，雖然工作面位于基坑底部，但是試驗方案依據(jù)文獻[1]中附錄C關于淺層平板載荷試驗的規(guī)定實施，因此，本試驗仍歸類為淺層平板載荷試驗.

圖1 淺層平板載荷試驗Fig.1 Shallow plate loading test

3 試驗結果及分析

記錄加載過程中每一級荷載下的穩(wěn)定沉降值，直至達到終止加載為止，繪制p-s曲線，如圖2所示.圖2中b代表方形板的寬度，d代表圓形板的直徑，其中，圖2a給出了b為0.3 m、d為0.1、0.3 m時載荷板所得的p-s曲線，圖2b給出了d為0.6、0.8 m時載荷板所得的p-s曲線.每一種載荷板均選擇3個試驗點進行試驗，故可得3條p-s曲線，即1#～3#.

圖2 淺層平板載荷試驗p-s曲線Fig.2 p-s curves in shallow plate loading test

加載過程沒有出現(xiàn)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)附錄C.0.5中需要終止加載的情形，各組試驗均加載至900 kPa即停止試驗.由圖2可知，從曲線整體變化趨勢上看，在荷載相同的情況下，隨著承壓板尺寸增大，其沉降變大，這是因為載荷板的荷載影響范圍為1.5d(b)～2d(b)之間，隨著載荷板尺寸增大，應力傳遞深度變長，激發(fā)出更深土體的沉降潛力.

3.1 載荷板形狀及尺寸的影響

由圖2可知，p-s曲線沒有出現(xiàn)比例界限，也沒有出現(xiàn)《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)附錄C.0.5中的情形，因此，按照附錄C.0.7第3款確定地基承載力，將沉降為0.01d(b)所對應的荷載值與最大加載量的一半進行對比，取二者的較小值作為地基承載力特征值.

按照上述方法可以確定各個試驗點的地基承載力特征值，并計算各組試驗的極差，如表2所示.由表2可知，各試驗點實測結果的極差均小于平均值的30%，說明該場地地基土是比較均勻的，取其平均值作為每組試驗的地基承載力特征值.

表2 各載荷板所得地基承載力特征值

Tab.2 Characteristic values of bearing capacity of foundation soil obtained by various loading plates

承壓板尺寸m承壓板面積m21#kPa2#kPa3#kPa極差kPa平均值kPab=0.30.0931032136555332d=0.10.0132430531619315d=0.30.0738134535736361d=0.60.2842243541817425d=0.80.504384284357440

將表2所列各組試驗各個試驗點所得地基承載力特征值繪制成曲線，如圖3所示，其中，圖3a為不同載荷板試驗不同試驗點的測試結果，圖3b為數(shù)據(jù)處理后不同載荷板的最終地基承載力特征值.

圖3 不同試驗實測地基承載力特征值Fig.3 Characteristic values of bearing capacity of foundation soil measured with different tests

當采用圓形載荷板時，所測得結果隨著載荷板直徑的增大呈增大趨勢，且趨向于收斂.其中，d為0.1～0.3 m的載荷板與d為0.6～0.8 m的載荷板所測得結果相比，實測值偏小18%～28%.結合工程經(jīng)驗，根據(jù)遼寧省地方技術標準《巖土工程勘察技術規(guī)程》(DB21/Tl 564.1-14-2007)可知，對于密實的中粗砂，其地基承載力特征值可以達到380～460 kPa.因此，d為0.1～0.3 m的載荷板試驗結果偏于保守.此外，由圖3可知，d為0.1～0.3 m的載荷板試驗結果表現(xiàn)出了較高的離散性，其試驗結果穩(wěn)定性遠不如d為0.6～0.8 m的載荷板.另一方面，載荷板尺寸越大，就越接近實際工程特性，但是若進一步增大載荷板尺寸，會對加載設備提出更高要求，且不易操作.因此，從地區(qū)經(jīng)驗、試驗結果穩(wěn)定性及操作便利性三個方面考慮，本文建議采用d為0.6～0.8 m的載荷板進行試驗.

當分別采用邊長和直徑均為0.3 m的方形和圓形載荷板時，圓形載荷板所測得的地基承載力特征值較大.由于圓形載荷板符合軸對稱的彈性理論解，《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)[10]推薦采用圓形載荷板進行試驗.

3.2 地基土的超固結特性

按照所施加的荷載大小，p-s曲線可大致分為三個階段：階段1，荷載為50～200 kPa；階段2，荷載為200～300 kPa；階段3，荷載為300～900 kPa.

p-s曲線之所以出現(xiàn)上述特征，可從地基土的應力歷史進行分析.在基坑土體開挖之前，地基土體受自重應力作用已完成固結，即為正常固結土，根據(jù)勘察報告可知其先期固結應力Pc為246 kPa.基坑開挖后，地基土體發(fā)生卸載，土體發(fā)生回彈變形，此時成為超固結土.在進行平板載荷試驗時，當所施加荷載小于先期固結應力時，土體處于超固結狀態(tài)，隨著荷載增加，p-s曲線斜率逐步變緩，p-s曲線出現(xiàn)階段1和階段2的特征.由圖2可知，勘察報告所提供的先期固結應力落在p-s曲線的階段2中，即200～300 kPa，二者相互吻合.當所施加荷載大于先期固結應力時，地基土進入正常固結狀態(tài)，p-s曲線體現(xiàn)出正常固結土的變形特性，即p-s曲線的階段3的特征.

3.3 變形模量的計算

《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)給出了p-s曲線計算土體變形模量的方法，根據(jù)p-s曲線的初始直線段，按照半無限空間彈性理論進行計算，計算公式為

(1)

式中：E0為土體變形模量；I0為剛性載荷板形狀系數(shù)，圓形板為0.785，方形板為0.886；μ為土體泊松比，砂土取0.3；D為載荷板直徑或邊長；p為p-s曲線線性段的壓力；s為與p對應的沉降.由上文可知，基坑地基土的p-s曲線體現(xiàn)出超固結特性，p-s曲線初始段含有卸荷后的回彈變形，不適宜采用式(1)計算變形模量.

為了去除卸荷后再壓縮的影響，對荷載大于Pc之后的直線段進行擬合，該擬合直線交于s軸，該點沉降為s0，對式(1)進行修正，變形模量計算公式為

(2)

以d=0.8 m圓形載荷板(1#試驗點)的p-s曲線為例，直線段擬合后，得到s0=2.654 mm，如圖4所示.取I0=0.785，μ=0.3，代入式(2)求得E0=49.8 MPa.采用同樣方法對其他各組試驗的p-s曲線進行處理，根據(jù)式(2)求得各自的變形模量E0，結果如表3所示.

圖4 圓形載荷板的p-s曲線Fig.4 p-s curve of round loading plate

表3 各載荷板所得變形模量Tab.3 Deformation modulus obtained with various loading plates

由表3可知，當分別采用邊長和直徑均為0.3 m的方形和圓形載荷板時，圓形載荷板所測得的變形模量較大.由圖3可知，d為0.1～0.3 m的載荷板試驗結果表現(xiàn)出了較高的離散性，其試驗結果穩(wěn)定性遠不如d為0.6～0.8 m的載荷板，尤其是d為0.1 m的載荷板三個試驗點的試驗結果極差遠大于平均值的30%.當采用圓形載荷板時，所測得結果隨著載荷板直徑的增大呈增大趨勢，其中，d為0.3 m的載荷板與d為0.8 m的載荷板所測得結果相比，實測值偏小約16%.

4 結 論

本文通過分析得出以下結論：

1) 在荷載相同的情況下，隨著承壓板尺寸增大，其沉降變大，所測得的地基承載力特征值逐步增大，并趨于收斂；d為0.1～0.3 m的載荷板試驗結果偏于保守且離散性較高.從地區(qū)經(jīng)驗、試驗結果穩(wěn)定性及操作便利性三個方面考慮，本文建議采用d為0.6～0.8 m的載荷板進行試驗.

2) 方形載荷板的寬度與圓形載荷板的直徑相同時，圓形載荷板所測得的地基承載力特征值較大.建議按照《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2011)及《巖土工程勘察規(guī)范》(GB50021-2001)，采用圓形載荷板進行淺層平板載荷試驗.

3) 基坑土體開挖后，地基土處于超固結狀態(tài).當所施加荷載小于先期固結應力時，隨著荷載增加，p-s曲線斜率逐步變緩；當所施加荷載大于先期固結應力時，地基土進入正常固結狀態(tài)，p-s曲線體現(xiàn)出正常固結土的變形特性.

4) 針對超固結土提出了修正的變形模量計算方法，通過計算發(fā)現(xiàn)在荷載相同的情況下，隨著承壓板尺寸增大，所測得的變形模量逐步增大；d為0.1～0.3 m的載荷板試驗結果偏于保守且離散性較高.

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(責任編輯：鐘 媛 英文審校：尹淑英)

Effect of over-consolidation characteristics of foundation soil on shallow plate loading test

WANG Zhi-hui1,2

(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Infrastructure Division,China Northeast Architectural Design &Research Institute Co.Ltd.,Shenyang 110003,China)

In order to research the influence of shape and size of loading plate on the shallow plate loading test for the over-consolidated soil,the shallow plate loading test for the coarse-grained soil at the bottom of foundation pit was carried out through adopting the loading plates with different shape and size.The results show that a flat section appears near the preconsolidation pressure on the load-settlement curve.When the diameter of round loading plate is the same as the width of square loading plate,the characteristic value of bearing capacity of foundation soil,which is obtained with the round loading plate,is larger.With increasing the size of loading plate,the characteristic value of bearing capacity of foundation soil gradually increases and tends to be convergent.Compared with the experimental results of loading plate with the diameter between 0.1 m and 0.3 m,the experimental results of loading plate with the diameter between 0.6 m and 0.8 m have better stability.

shallow plate loading test;coarse-grained soil;over-consolidated soil;load-settlement curve;shape of loading plate;size of loading plate;characteristic value of bearing capacity of foundation soil;deformation modulus

2016-04-19.

國家自然科學基金資助項目(51204029).

汪智慧(1981-)，男，遼寧沈陽人，博士生，主要從事巖土與地下工程等方面的研究.

22 17∶39在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1739.008.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.02.19

TU 411

A

1000-1646(2017)02-0225-05