超大面積復(fù)合地基堆載試驗(yàn)

陸偉崗， 周 偉，沈錦儒

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

超大面積復(fù)合地基堆載試驗(yàn)

陸偉崗， 周 偉，沈錦儒

(江蘇省電力設(shè)計(jì)院，江蘇 南京 211102)

某工程樁墊復(fù)合地基大面積堆載試驗(yàn)，因面積巨大不可能采用剛性壓板。利用2m厚的砂墊層，既可作為試驗(yàn)荷載施于地基上，又可作為柔性壓板來(lái)逐級(jí)施加荷載。這樣的靜載荷試驗(yàn)不可能做到破壞，荷載與沉降的關(guān)系曲線也不會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，可用分析各主要部件的安全系數(shù)來(lái)確定承載力特征值。持力層承載力特征值fspk可以采用振沖法復(fù)合地基承載力特征值的公式驗(yàn)算。

樁墊復(fù)合地基；承載力特征值；安全系數(shù)。

1 概述

2008年8～10月，江蘇某發(fā)電廠一期工程進(jìn)行了大直徑圓形煤倉(cāng)地基處理的堆載試驗(yàn)。試驗(yàn)工作在 “樁墊復(fù)合地基”上進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明樁墊復(fù)合地基的承載力遠(yuǎn)高于原地基土，完全能滿足在其上堆煤20 m高的要求。復(fù)合地基中的砂墊層起了比較明顯的作用。筆者曾撰文分別對(duì)樁墊復(fù)合地基中砂墊層的擴(kuò)散作用進(jìn)行理論研究和定量分析，并提出了相應(yīng)的計(jì)算公式。因受篇幅限制，未對(duì)超大面積靜載荷試驗(yàn)的承載力特征值的確定進(jìn)行探討。本文將就此問(wèn)題展開(kāi)探討，不妥之處望讀者不吝賜教。

2 試驗(yàn)概況

2.1 試驗(yàn)區(qū)的地質(zhì)條件

根據(jù)地基土層的類別、成因、埋深及性狀特征，可將本次勘探深度范圍內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)的地基土劃分成21個(gè)巖土體單元，現(xiàn)將上部20 m左右深度內(nèi)的土層自上而下簡(jiǎn)述如下。

層 1-1雜填土：黃褐色、灰褐色，以粉質(zhì)粘土混多量碎石、磚瓦、水泥塊等建筑垃圾為主，結(jié)構(gòu)松散，為新近堆積而成，承載力特征值fak=70 kPa。

層1-2 沖填土：黃色、黃灰色，以粉砂為主，混少量腐殖物及碎石等建筑垃圾，固結(jié)時(shí)間短，結(jié)構(gòu)松散，為新近沖填而成，承載力特征值fak=40 kPa。

層①素填土：主要由黃褐色、灰黃色粉質(zhì)粘土組成，混少量粉土或粉砂，一般為未經(jīng)碾壓－稍經(jīng)壓實(shí)，密實(shí)度為松散－稍密，承載力特征值fak=90 kPa。

層②粉質(zhì)粘土：黃褐色、灰黃色、褐灰色，等級(jí)中－輕，很濕，可塑－軟塑，承載力特征值fak=80 kPa，壓縮模量Es1-2=5 MPa。

層③粉土夾粉質(zhì)粘土：粉土為灰色、褐灰色，局部灰黃色，等級(jí)中－重，很濕，稍密，；粉質(zhì)粘土為灰色、褐灰色，等級(jí)中，很濕，軟塑，承載力特征值fak=70 kPa，壓縮模量Es1-2=5 MPa。

層④淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土：灰色、灰褐色，等級(jí)中，飽和，流塑，承載力特征值fak=60 kPa，壓縮模量Es1-2=3.5 MPa。

層⑤粉土：灰色、灰褐色，等級(jí)中，飽和，稍密，承載力特征值fak=120 kPa，壓縮模量Es1-2=4.5 MPa。

層⑥粉質(zhì)粘土夾粉土：粉質(zhì)粘土為灰色，灰褐色，等級(jí)中，飽和，軟塑－流塑；粉土為灰色，灰褐色，等級(jí)中－輕，很濕，稍密，承載力特征值fak=80 kPa，壓縮模量Es1-2=4.5 MPa。

層⑦粉土：灰色、灰褐色、青灰色，等級(jí)中，飽和，稍密，局部巖性接近粉砂，承載力特征值fak=130 kPa，壓縮模量Es1-2=6 MPa。

層⑧粉質(zhì)粘土夾粉土：粉質(zhì)粘土為灰色、灰褐色，等級(jí)中，飽和，軟塑；粉土為灰色，灰褐色，等級(jí)中－輕，很濕，稍密，承載力特征值fak=90 kPa，壓縮模量Es1-2=3.5 MPa。

2.2 試驗(yàn)區(qū)的布置

試驗(yàn)場(chǎng)布置在圓形煤場(chǎng)的中心處，試驗(yàn)場(chǎng)的中心與圓形煤場(chǎng)的中心重合。

由上述各層土的承載力特征值和壓縮模量可知天然地基不能滿足堆煤20 m的要求，必須進(jìn)行地基處理。經(jīng)過(guò)多方案比選，結(jié)合過(guò)去的經(jīng)驗(yàn)，試驗(yàn)采用滿堂疏樁加樁帽的方案。疏樁采用φ600×110高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力混凝土管樁，在管樁上設(shè)置混凝土樁帽，樁帽尺寸為1.5 m×1.5 m，厚0.7 m。在樁帽頂面標(biāo)高處滿鋪砂石，以求將部分堆載集中到樁帽上，一方面可減少樁間土的負(fù)荷，同時(shí)又可降低圓形煤場(chǎng)環(huán)基下管樁受影響的程度。試驗(yàn)區(qū)布置了7套管樁及樁帽，呈六邊形布置(圖1)。

圖1 試驗(yàn)區(qū)樁的布置平面圖

砂墊層的厚度為2 m，即標(biāo)高1.4 m至標(biāo)高3.4 m均為砂墊層。其上鋪設(shè)了厚鋼板，砂墊層的擴(kuò)散作用被鋼板阻隔而切斷，鋼板上的砂不再是墊層的一部分，只起配重作用。堆載是臺(tái)階狀的，標(biāo)高3.4 m以上的配重是在直徑為7.5 m的圓形面積范圍內(nèi)，每邊收縮了1 m(圖2)?？紤]到鋪設(shè)了厚鋼板和砂層的擴(kuò)散作用，擬簡(jiǎn)化為均布荷載。

圖2 堆載設(shè)計(jì)圖

2.3 測(cè)試元件的布置

試驗(yàn)內(nèi)容較多，布設(shè)的元件甚多，限于篇幅，本文僅關(guān)注砂墊層及樁間土中的土壓力盒及預(yù)應(yīng)力管樁樁身的應(yīng)變片。在砂墊層中標(biāo)高2.4 m、1.5 m兩處各埋設(shè)了20個(gè)土壓力盒，其平面位置見(jiàn)圖3。樁身應(yīng)變片布置見(jiàn)圖4。標(biāo)高0.2 m、－9.2 m、－20.2 m樁間土中土壓力盒布置見(jiàn)圖5。

圖3 砂墊層中土壓力盒布置圖

圖5 標(biāo)高0.2 m、－9.2 m、－20.2 m土壓力盒布置圖

2.4 靜載荷試驗(yàn)的目的

此次超大面積7樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)的目的較多，如：了解堆煤區(qū)樁土分擔(dān)比例及其在深度方向上的變化、邊樁側(cè)土的水平向壓力及其沿深度方向的變化、堆煤區(qū)不同平面位置和深度的水平、豎向位移等，更主要的是要獲得“樁墊復(fù)合地基”的承載力特征值及傳遞到樁間土的壓應(yīng)力是否超過(guò)其承載力特征值。本文只對(duì)“樁墊復(fù)合地基”的承載力特征值及安全度進(jìn)行探討。

2.5 7樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)的特點(diǎn)

本次靜載荷試驗(yàn)與通常的地基靜載荷試驗(yàn)有諸多不同。

(1)面積巨大，圓形堆載直徑達(dá)9.5 m，面積達(dá)70.88 m2，不可能制作如此大直徑的剛性壓板；為了達(dá)到試驗(yàn)諸多目的，也不能采用采用單樁復(fù)合地基壓板做試驗(yàn)。

(2)荷載的施加沒(méi)有遵循慢速維持荷載法，但與快速法還有一些不同。大面積堆載過(guò)程的速度不是太快，每級(jí)荷載堆置完成后維持2.0 h左右就基本達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

(4)由于靜載荷試驗(yàn)沒(méi)有做到破壞，沒(méi)有出現(xiàn)極限狀態(tài)，最終加載量能否作為地基承載力的特征值？其安全系數(shù)究竟是多大？這些問(wèn)題都是值得深入探討的。

圖6 沉降觀測(cè)點(diǎn)布置平面圖

3 樁、土應(yīng)力實(shí)測(cè)值

3.1 中、邊樁的軸力

樁帽以上砂墊層中只在標(biāo)高2.4 m、1.5 m層中埋設(shè)了土壓力盒，標(biāo)高1.4 m的樁土應(yīng)力值只能依靠標(biāo)高2.4 m、1.5 m層土應(yīng)力實(shí)測(cè)值進(jìn)行推算。經(jīng)整理后將中樁、邊樁軸力分別列于表1、表2。

表1 中樁軸力NZ (單位：kN)

表2 邊樁軸力Nb (單位：kN)

3.2 樁間土的應(yīng)力

各級(jí)荷載作用下的各層位樁間土實(shí)測(cè)應(yīng)力值列于表3。

表3 各級(jí)荷載作用下各層位樁間土應(yīng)力

4 試驗(yàn)成果分析

4.1 復(fù)合地基承載力特征值

在地基土上進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)的目的之一就是要確定地基的承載力特征值。通常是依靠荷載Q與沉降s的關(guān)系曲線來(lái)判定?，F(xiàn)將上層鋼筒上(測(cè)點(diǎn)1)和配重上部的混凝土塊上(測(cè)點(diǎn)2)各四個(gè)沉降點(diǎn)的觀測(cè)數(shù)據(jù)平均后列于表4。從表中可見(jiàn)測(cè)點(diǎn)1的平均沉降值遠(yuǎn)小于測(cè)點(diǎn)2，究其原因可能是因?yàn)殇撟o(hù)筒的豎向剛度較大，它的正下方是剛性樁的承臺(tái)，樁的沉降較小，致使鋼護(hù)筒的沉降偏小。

表4 測(cè)點(diǎn)1、2各級(jí)荷載沉降記錄

將表4中的數(shù)據(jù)繪制荷載Q與沉降s的散點(diǎn)圖(圖5)。用最小二乘法對(duì)其作一次線性回歸分析后可得沉降s與荷載Q之間的線性方程式如下：

測(cè)點(diǎn)1平均沉降s=0.781Q，相關(guān)系數(shù)r=0.981。

測(cè)點(diǎn)2平均沉降s=2.976Q，相關(guān)系數(shù)r=0.985。

用上面兩個(gè)方程式繪制的沉降s與荷載Q曲線示于圖7中。從圖7中曲線的線型看，尚處于比例界限內(nèi)。若用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》JGJ79－2002)規(guī)定的相對(duì)變形值法來(lái)確定特征值，該規(guī)范規(guī)定復(fù)合地基確定特征值的最小相對(duì)變形值是攪拌樁法的0.006，表4中最大加載量作用下的累計(jì)沉降值為s=40.2 mm，其相對(duì)變形值為40.2/9500=0.0042＜0.006。因此本次載荷試驗(yàn)的承載力特征值初步定為197.5 kPa是可以接受的。

總的來(lái)說(shuō)，學(xué)生閱讀素養(yǎng)的培養(yǎng)不是一朝一夕可以做到的，需要語(yǔ)文教師在進(jìn)行閱讀教學(xué)時(shí)能把控學(xué)生的閱讀方向，能為學(xué)生提供閱讀策略，并能給出一定的閱讀建議，提高學(xué)生閱讀的效率與興趣。在具體的教學(xué)實(shí)踐中，如何提高名著導(dǎo)讀教學(xué)的實(shí)效，切實(shí)培養(yǎng)學(xué)生良好的閱讀習(xí)慣，是我們廣大語(yǔ)文教學(xué)工作者需要不斷努力的方向，是我們語(yǔ)文教師不斷追求的教學(xué)目標(biāo)，應(yīng)該從學(xué)生與教師兩方面入手，共同提高學(xué)生名著閱讀的效率與質(zhì)量。

圖7 靜載荷試驗(yàn)Q－s曲線圖

4.2 復(fù)合地基的安全系數(shù)

因?yàn)殪o載荷沒(méi)有做到破壞，Q－s曲線也沒(méi)有出現(xiàn)拐點(diǎn)，而是以最終加載量作為特征值，其安全系數(shù)究竟有多大是個(gè)未知數(shù)。為了獲取樁墊復(fù)合地基的安全系數(shù)，可以從組成復(fù)合地基的各個(gè)部件逐一分析。它們是樁、樁帽、砂墊層和樁間土。樁與樁帽(承臺(tái))本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及其安全系數(shù)，本文不予討論，只討論樁、樁間土和砂墊層地基承載力的安全系數(shù)。

(1)樁

從試驗(yàn)可知樁身軸力最大值發(fā)生在中樁，其值達(dá)2031.5 kN(見(jiàn)表1)。加上標(biāo)高－9.2 m至－12.1 m(中性點(diǎn))間的負(fù)摩阻力產(chǎn)生的下拉荷載14 kN，合計(jì)為2045.5 kN，原體試驗(yàn)得到基樁承載力特征值為2284 kN(只計(jì)樁中性點(diǎn)以下樁側(cè)摩阻力和樁底端承力)，可見(jiàn)組成樁墊復(fù)合地基部件之一的樁，其安全系數(shù)大于2。

(2)樁間土

土壓力盒只埋于標(biāo)高1.5 m層，實(shí)測(cè)該層土的土壓力平均值為107.2 kPa。通過(guò)推算得到標(biāo)高1.4 m層樁間土的土壓力平均值為106.2 kPa，此值已大于該層土的承載力特征值fak=80 kPa，樁間土的安全系數(shù)為2×80/106.2=1.51，顯然樁間土實(shí)際承載力fa必然大于80 kPa。換言之樁間土承載力應(yīng)該進(jìn)行修正，若按文獻(xiàn)[3]公式(5.2.4)計(jì)算：

式中各符號(hào)的意義見(jiàn)文獻(xiàn)[3]。修正后的承載力特征值fa仍然小于106.2 kPa較多。若按土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定地基承載力特征值，即按文獻(xiàn)[3]公式(5.2.5)計(jì)算：

可得該層土的fa=107.0 kPa，高于實(shí)測(cè)值。式中各符號(hào)的意義見(jiàn)文獻(xiàn)[3]?；紫?.5 m深度內(nèi)各層土的層厚、重度及抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值列于表5。

表5 基底下9.5 m深度內(nèi)各層土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值

現(xiàn)以兩個(gè)公式計(jì)算結(jié)果的平均值計(jì)，則該層土的fa=100.0 kPa，略低于實(shí)測(cè)值。根據(jù)以上分析可認(rèn)為樁間土的安全系數(shù)為2×100/106.2=1.88，比規(guī)定的安全系數(shù)2低了6%，所以復(fù)合地基承載力特征值必須低于197.5 kPa。

(3)復(fù)合地基

取樁和樁間土兩者安全系數(shù)中的較小者應(yīng)該是合理而安全的，197.5×1.88/2=185.6 kPa。以185 kPa為樁墊復(fù)合地基承載力特征值。

樁墊復(fù)合地基中的砂墊層下持力層承載力特征值fspk可以采用振沖法復(fù)合地基承載力特征值的公式驗(yàn)算。

式中：n為樁土應(yīng)力比；m為復(fù)合地基置換率；fa為經(jīng)深度、寬度修正后的樁間土承載力特征值， kPa。

樁土應(yīng)力比n可通過(guò)靜載荷試驗(yàn)獲得，也可按文獻(xiàn)[2]中的公式計(jì)算。本次試驗(yàn)持力層標(biāo)高(1.4 m)處的樁土應(yīng)力比的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值曲線繪于圖9。荷載Q=14 MPa時(shí)的樁土應(yīng)力比實(shí)測(cè)值與計(jì)算值分別為n=4.87和n=4.89，兩者基本相等。

已知本次試驗(yàn)的m=0.222，fa=100 kPa，以實(shí)測(cè)的樁土應(yīng)力比計(jì)算可得：

與上述結(jié)果185 kPa相差+0.5%。

圖9 持力層標(biāo)高處樁土壓力比n曲線圖

5 結(jié)論

(1)樁墊復(fù)合地基的砂墊層具有明顯的反向擴(kuò)散作用，使樁帽上產(chǎn)生一個(gè)倒置的四方棱臺(tái)，擴(kuò)大了承受荷載的面積，將約50%的上部荷載集中到四方棱臺(tái)后直接傳遞到樁帽上，大大減少了傳到樁間土上的應(yīng)力，充分體現(xiàn)了此類復(fù)合地基的優(yōu)點(diǎn)。

(2)通過(guò)對(duì)復(fù)合地基強(qiáng)度安全系數(shù)的分析可知，當(dāng)安全系數(shù)為2時(shí)，本次靜載荷試驗(yàn)得到的樁墊復(fù)合地基承載力特征值為185 kPa。

[1]葛小豐，等.江蘇國(guó)信靖江發(fā)電廠一期工程大面積堆載樁土荷載分擔(dān)試驗(yàn)報(bào)告[R].南京：江蘇省電力設(shè)計(jì)院， 2009.

[2]韋 華，沈錦儒，何小飛.探析樁墊復(fù)合地基中砂墊層的擴(kuò)散作用[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2014，(193).

[3]GB50007－2011， 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4]龔曉南.復(fù)合地基理論及工程應(yīng)用[M].北京：中國(guó)工業(yè)建筑出版社.2002.

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[6]DB33/1051－2008，復(fù)合地基技術(shù)規(guī)程[S].

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Heap Load Test of the Composite Foundation for Super Large Area

LU Wei-gang,ZHOU Wei,SHEN Jin-ru
(Jiangsu Province Electric Power Design Institute,Nanjing 211102,China)

Some engineering pile-cushion large area composite foundation heap load test，because of a very large area,so can't use rigid bearing plate. Using 2m thick sand cushion layer,can be used as the test load applied on the foundation,and can be used as flexible bearing plate step by step loading. The static load test not possible to be damaged,there will not be a turning point on the relationship between load and settlement curve. May use analysis the safety coefficient of major parts to determine the pile-cushion composite foundation bearing capacity characteristic value. Bearing stratum bearing capacity characteristic value fspkmay checking computation using calculation formula of vibro-replacement stone column.

pile-cushion composite foundation; eigenvalue of load capacity; safety factor.

TU4

B

1671-9913(2017)05-0005-06

2016-05-06

陸偉崗(1980- )，男，江蘇蘇州人，工程師，從事電力工程巖土監(jiān)、檢測(cè)及研究工作。