靜載荷試驗(yàn)確定復(fù)合地基承載力的安全儲備研究

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(福州大學(xué) a.環(huán)境與資源學(xué)院；b.巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福州 350108)

靜載荷試驗(yàn)確定復(fù)合地基承載力的安全儲備研究

賴夏蕾a,b,簡文彬a,b

(福州大學(xué) a.環(huán)境與資源學(xué)院；b.巖土工程與工程地質(zhì)研究所，福州 350108)

未加載充分的現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)不能完全反映地基承載力情況，有可能導(dǎo)致復(fù)合地基安全儲備過高。結(jié)合閩東沿海某工程，在靜載荷試驗(yàn)未加載充分的情況下，利用灰色模型預(yù)測了單樁和復(fù)合地基的極限承載力。同時，定義復(fù)合地基承載力極限值與按相對變形確定的特征值之比為K，K是一個反映復(fù)合地基承載力安全儲備的安全系數(shù)。通過統(tǒng)計(jì)同地區(qū)113組復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，確定了水泥土攪拌樁復(fù)合地基的K值。經(jīng)過驗(yàn)證，K值同樣適用于該工程。因此K具有一定地區(qū)性，在根據(jù)相對變形確定復(fù)合地基承載力特征值后，利用K可以一定程度上預(yù)測復(fù)合地基承載力極限值，從而為較直觀認(rèn)知復(fù)合地基的安全儲備提供參考。

水泥土攪拌樁；靜載荷試驗(yàn)；復(fù)合地基承載力；安全系數(shù)；灰色模型

1 研究背景

靜載荷試驗(yàn)是確定復(fù)合地基承載力特征值的重要方法。通過對現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行分析與研究，能更加全面地了解復(fù)合地基承載力特性。國外學(xué)者通過載荷試驗(yàn)或數(shù)值分析，分別從地基承載力的影響因素、判定指標(biāo)等方面對地基承載力進(jìn)行了研究[1-6]。國內(nèi)復(fù)合地基的運(yùn)用實(shí)例較多，許多學(xué)者通過靜載荷試驗(yàn)對復(fù)合地基承載力的計(jì)算進(jìn)行了討論，修正了計(jì)算參數(shù)及方法[7-9]。在實(shí)際工程中，現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)可能未加載充分，此時通過試驗(yàn)并不能完全反映單樁及復(fù)合地基的承載力情況。基于此，馬克生等[10]指出，復(fù)合地基承載力的安全系數(shù)是很重要的，靜載荷試驗(yàn)?zāi)艽_保復(fù)合地基安全系數(shù)gt;2，但需探究如何能同時節(jié)約工程造價(jià)。張蕾[11]認(rèn)為單一的劃分標(biāo)準(zhǔn)并不能全面反映復(fù)合地基受力程度，可考慮降低安全系數(shù)?！督ㄖ鼗幚砑夹g(shù)規(guī)范》(JGJ 79—2012)[12]規(guī)定，利用靜載荷試驗(yàn)確定單樁承載力極限值時，可取樁頂總沉降為40 mm時對應(yīng)的荷載值。在試驗(yàn)條件受限，試驗(yàn)未達(dá)極限狀態(tài)時，目前已可通過灰色系統(tǒng)理論法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論法等方法預(yù)估極限值。但當(dāng)確定復(fù)合地基承載力時，規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)是：將加載極限的一半與s/b=0.006(s為承壓板沉降，b為載荷板寬度)時的荷載中的較小值定義為復(fù)合地基承載力特征值。顯然，當(dāng)試驗(yàn)未加載充分時，該方法無法反映復(fù)合地基承載力極限值，且此時確定的承載力安全儲備是不明確的，可能使復(fù)合地基的承載力安全儲備過大，導(dǎo)致工程造價(jià)上的浪費(fèi)。

通過對閩東地區(qū)某工廠的水泥土攪拌樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行分析，在試驗(yàn)未加載充分的情況下，利用灰色模型預(yù)測了單樁及復(fù)合地基的極限承載力。此外，將復(fù)合地基承載力極限值與特征值的比值定義為安全系數(shù)K，統(tǒng)計(jì)了同地區(qū)113組水泥土攪拌樁復(fù)合地基的靜載荷試驗(yàn)結(jié)果，總結(jié)出該地區(qū)復(fù)合地基承載力安全系數(shù)K的大小。最后，利用該工程的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了安全系數(shù)統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的可靠性。因此，該地區(qū)性K值可與靜載荷試驗(yàn)結(jié)合，近似計(jì)算復(fù)合地基極限承載力，一定程度上預(yù)測復(fù)合地基承載力極限值，以更好地了解復(fù)合地基承載力安全儲備，減少造價(jià)浪費(fèi)。

2 現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)分析

復(fù)合地基承載力特征值是水泥土攪拌樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)的重要依據(jù)，需通過現(xiàn)場單樁或多樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)確定。

2.1 工程實(shí)例

結(jié)合閩東地區(qū)某污水處理廠的現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行分析。為了確定復(fù)合地基承載力大小，同時檢驗(yàn)施工質(zhì)量，在復(fù)合地基施工完成一段時間后進(jìn)行現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)池體共4個，編號為池(a)—池(d)，池(a)選取4根樁，其余池體選取3根樁，共計(jì)13根樁。試驗(yàn)內(nèi)容包括單樁靜載荷試驗(yàn)和單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)。

該工廠坐落在深近60 m的軟基上，采用水泥土攪拌樁處理地基。施工采用強(qiáng)度等級為425#的普通硅酸鹽水泥，水泥摻入量為15%，水灰比為0.45。樁體直徑為0.5 m，樁長10 m，樁間距1.2 m或1.0 m。

規(guī)范[12]單樁豎向承載力特征值Ra的計(jì)算公式為

(1)

式中：up為樁的周長(m)；qsi為樁周第i(i=1,2，…，n)層土的側(cè)阻力特征值(kPa)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；lpi為樁長范圍內(nèi)第i層土的厚度(m)；αp為樁端端阻力發(fā)揮系數(shù)，可取0.4～0.6，應(yīng)按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定;qp為樁端端阻力特征值(kPa)，對于水泥攪拌樁取未經(jīng)修正的樁端地基土承載力特征值，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；Ap為樁的截面積(m2)。

同時，規(guī)范[12]規(guī)定計(jì)算單樁承載力特征值時,結(jié)果還需滿足

Ra=ηfcuAp。

(2)

式中：η為樁身強(qiáng)度折減系數(shù)，取0.25；fcu為與攪拌樁樁身水泥土配比相同的室內(nèi)加固土試塊，邊長為70．7 mm的立方體在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下90 d齡期的立方體抗壓強(qiáng)度平均值(kPa)。

由式(1)、式(2)可得到單樁承載力特征值的理論計(jì)算結(jié)果為95.23 kN。

復(fù)合地基承載力特征值fspk的計(jì)算公式為

(3)

式中：λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值；m為面積置換率；β為樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)，可按地區(qū)經(jīng)驗(yàn)取值；fsk為處理后樁間土承載力特征值。計(jì)算時，根據(jù)規(guī)范[12]，λ取1.0，β取0.1～0.4。為了安全起見，設(shè)計(jì)時β取低值。

各池的復(fù)合地基承載力特征值計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 初步設(shè)計(jì)確定的承載力特征值

2.2 單樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果與分析

設(shè)計(jì)文件規(guī)定單樁承載力特征值不應(yīng)小于60 kN，故將最大測試荷載設(shè)置為120 kN。測試時，由安裝在樁頂?shù)挠蛪呵Ы镯斶M(jìn)行逐級加荷，千斤頂所需的反力由混凝土預(yù)制塊堆重平臺承擔(dān)，千斤頂為QF50T型，樁頂沉降由對稱方向安裝的大量程百分表測讀。測試加荷方式為慢速維持荷載法，每級荷載增量為12 kN，最大測試荷載加至120 kN。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 單樁靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

從表2中可以看到，最大測試荷載作用下樁頂?shù)睦塾?jì)沉降最大值為17.70 mm，與規(guī)范規(guī)定的試驗(yàn)極限值40 mm相差較大，且沒有突增，可認(rèn)為滿足設(shè)計(jì)要求。

圖1為4組單樁靜載荷試驗(yàn)的Q-s(Q為荷載)曲線，由圖1可直觀看到，各樁變形緩慢，累計(jì)沉降均較小。

規(guī)范[12]中規(guī)定，當(dāng)Q-s曲線為緩變形時，取沉降s=40 mm時對應(yīng)荷載為單樁承載力極限值。由于工程實(shí)際的限制，本次試驗(yàn)僅加載至設(shè)計(jì)要求的極限荷載。為了深入了解單樁承載力極限值，可以對其進(jìn)行預(yù)測。國內(nèi)外預(yù)測單樁承載力極限值的方法分為模型方法和曲線擬合法，如指數(shù)模型[13]、雙曲線模型[13]、灰色模型[14-16]、剪切位移法等[17]。上述方法中，由于指數(shù)模型及灰色模型的相關(guān)研究較為豐富，實(shí)現(xiàn)也較為方便，故本文選取了指數(shù)模型及灰色模型對單樁承載力極限值進(jìn)行預(yù)測。根據(jù)MatLab編程及數(shù)據(jù)擬合計(jì)算后，將2種方法的計(jì)算結(jié)果對比分析，得到指數(shù)模型的變異系數(shù)為0.074，灰色模型的變異系數(shù)為0.055，因此最終取灰色模型的計(jì)算結(jié)果。

表4 復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果

(a)池(a)

(b)池(b)

(c)池(c)

(d)池(d)

注：虛線段為回彈曲線，下同

圖1各單樁靜載荷試驗(yàn)Q-s曲線

Fig.1Load-displacementcurvesforloadingtestofsinglepile

單樁極限力除以安全系數(shù)即可得到單樁承載力特征值[12]，將灰色預(yù)測得到的單樁極限承載力及相應(yīng)的單樁承載力特征值列于表3。

表3 灰色模型預(yù)測的單樁承載力

由表3可知，通過灰色模型預(yù)測得到的單樁承載力特征值最大為99 kN，最小為86 kN，除了最大值之外，其余結(jié)果均未達(dá)到單樁承載力特征值的理論計(jì)算結(jié)果95.23 kN。

2.3 復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)結(jié)果與分析

水泥土攪拌樁是一種低強(qiáng)度的柔性樁，在靜載試驗(yàn)中得到的復(fù)合地基Q-s曲線一般為緩變型。規(guī)范[12]根據(jù)相對變形，取s/b=0.006～0.008對應(yīng)的荷載作為復(fù)合地基承載力特征值，試驗(yàn)中取s/b=0.006作為標(biāo)準(zhǔn)。規(guī)范還規(guī)定按相對變形確定的承載力特征值不應(yīng)大于最大加載壓力的一半，故復(fù)合地基承載力特征值將取兩者中低值。

對4個池體的共計(jì)13個測樁分別進(jìn)行復(fù)合地基靜載荷測試，試驗(yàn)過程進(jìn)展順利，復(fù)合地基未達(dá)極限承載狀態(tài)。試驗(yàn)結(jié)果列于表4，為了了解復(fù)合地基承載力極限值，仍采用灰色模型得到復(fù)合地基承載力極限值，結(jié)果也列于表4中。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果作出的復(fù)合地基Q-s曲線見圖2。

由表4可以看到，4組復(fù)合地基載荷試驗(yàn)所得到的復(fù)合地基承載力特征值均達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。由圖2可知，復(fù)合地基載荷試驗(yàn)得到的Q-s曲線均為緩變型，承載力仍有發(fā)展空間。4個池體的復(fù)合地基承載力特征值分別取最大加載壓力的一半，得到池(a)—池(d)的復(fù)合地基承載力特征值分別為125，95，90，120 kPa。

(a)池(a)

(b)池(b)

(c)池(c)

(d)池(d)

圖2各單樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)Q-s曲線

Fig.2Load-displacementcurvesforloadingtestofcompositefoundation

2.4 討 論

表3反映了實(shí)測的水泥土攪拌樁單樁承載力特征值相對設(shè)計(jì)值低一些，可以看到，式(1)中單樁承載力特征值由樁側(cè)摩阻力和樁端端阻力貢獻(xiàn)，式(2)中則主要由材料強(qiáng)度控制。單樁承載力試驗(yàn)結(jié)果滿足式(1)的要求，而不滿足式(2)的要求，因此，使水泥土攪拌樁單樁承載力實(shí)測值小于設(shè)計(jì)值的原因，一方面，可以歸結(jié)為式(2)中樁身強(qiáng)度折減系數(shù)取值較大?！稄?fù)合地基技術(shù)規(guī)范》(GB/T 50783—2012)[18]中規(guī)定噴粉深攪法η可取0.20～0.30，噴漿深攪法η可取0.25～0.33。本文取值為0.25，可適當(dāng)降低。另一方面，由于樁長較長，攪拌樁施工過程也可能出現(xiàn)工藝問題，需要嚴(yán)格控制攪拌樁施工質(zhì)量。

試驗(yàn)表明復(fù)合地基承載力達(dá)到了要求。由于該工程下軟基深度很大，水泥土攪拌樁并未打穿淤泥質(zhì)土層，樁端承載條件較差。根據(jù)徐超等[19]的研究，深厚的軟基使樁體易向下刺入，樁間土的強(qiáng)度能得到較充分的發(fā)揮。故可認(rèn)為實(shí)際的樁間土承載力貢獻(xiàn)比理論計(jì)算大一些。樁間土承載力發(fā)揮系數(shù)β受樁端土層、樁長等因素的影響，要準(zhǔn)確計(jì)算出β有一定難度，可在設(shè)計(jì)中在0.1的取值基礎(chǔ)上進(jìn)行提高。此外，單樁承載力發(fā)揮系數(shù)可取大于1的系數(shù)。

通過對國內(nèi)部分復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的對比與總結(jié)[8-11,19-22]，發(fā)現(xiàn)在這些載荷試驗(yàn)中，也存在部分未加載充分的情況，此時復(fù)合地基承載力的確定具有不確定性，因此在復(fù)合地基設(shè)計(jì)之前，需要獲取同地區(qū)的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

3 安全系數(shù)K的確定

當(dāng)試驗(yàn)未能測得復(fù)合地基承載力極限值時，復(fù)合地基承載力的安全儲備是不明確的。本文將安全系數(shù)K定義為復(fù)合地基承載力極限值與特征值的比值，其中復(fù)合地基承載力極限值根據(jù)灰色模型預(yù)測得到，特征值按相對變形確定，即s/b=0.006的對應(yīng)荷載。K值能一定程度上反映復(fù)合地基承載力安全儲備的大小，確定了地區(qū)性的K值之后，當(dāng)載荷試驗(yàn)未達(dá)極限狀態(tài)時，即可通過按相對變形確定的承載力特征值乘以K，估算復(fù)合地基承載力極限值。

根據(jù)表4中復(fù)合地基承載力的極限值與特征值計(jì)算，得到K值，見表5。從表5中可知，池(a)和池(d)的K值相近，約為3.3；池(b)與池(c)的K在2.4左右。對比之后發(fā)現(xiàn)不同池體K值有所差異，這主要是由于各池的極限承載力的不同(置換率和載荷板尺寸造成了復(fù)合地基極限承載力的差異)。

表5 安全系數(shù)K的計(jì)算結(jié)果

當(dāng)數(shù)據(jù)量增多時，K值的規(guī)律可能會得到更好體現(xiàn)。因此另統(tǒng)計(jì)閩東地區(qū)5個試驗(yàn)區(qū)域共計(jì)113組復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，以了解該地區(qū)安全系數(shù)K的取值范圍，將K的統(tǒng)計(jì)結(jié)果列于表6。

從表6中可以看到，盡管水泥土攪拌樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)(如樁長、置換率等因素)、試驗(yàn)場地、試驗(yàn)條件有所差異，但113組復(fù)合地基載荷試驗(yàn)得到的安全系數(shù)K值較為相近，均值為2.84，方差為0.006 8。

表6 閩東地區(qū)113組復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)K值統(tǒng)計(jì)結(jié)果

在水泥土攪拌樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)中，樁的有效樁長是決定復(fù)合地基承載力的一個重要指標(biāo)。而在被統(tǒng)計(jì)的載荷試驗(yàn)中，水泥土攪拌樁的長度從6～17 m不等，較集中于9 m左右。根據(jù)相關(guān)研究[22-23]，水泥土攪拌樁作為摩擦樁的一種，當(dāng)樁的長度增大時，樁的承載力增長會越來越緩慢，即存在有效樁長。一般認(rèn)為，水泥土攪拌樁的有效樁長為10 m左右，8 m之前樁長對承載力的增長作用最為顯著。當(dāng)樁長小于有效樁長時，復(fù)合地基的承載力有提升空間；當(dāng)樁長大于該值時，復(fù)合地基承載力的提高則較不顯著。另一方面，影響水泥土攪拌樁復(fù)合地基承載力的另一因素——置換率，也有同樣規(guī)律，即存在一個合理置換率。一般認(rèn)為，該值在13%～20%范圍內(nèi)。當(dāng)實(shí)際置換率小于合理置換率時，承載力增加得較為明顯，而大于該值時增加速率減慢。

因此，同地區(qū)水泥土攪拌樁復(fù)合地基，當(dāng)樁長、面積置換率這些因素有所差異時，若設(shè)計(jì)樁長和置換率落在合理范圍內(nèi)，試驗(yàn)確定的K值仍是相近的，因此可認(rèn)為K值具有一定地區(qū)性。而在前文所結(jié)合的某工程實(shí)例中，所計(jì)算出的K值為3.24,2.36,2.44,3.36，均值為2.85，方差為0.27，其均值也落在統(tǒng)計(jì)結(jié)果之內(nèi)。故可認(rèn)為閩東地區(qū)復(fù)合地基承載力極限值和特征值的比值約為2.8，即K近似2.8，這一結(jié)果具有可靠性。當(dāng)試驗(yàn)未加載完全時，根據(jù)該值與利用相對變形確定的復(fù)合地基承載力特征值預(yù)估極限值可作為復(fù)合地基承載力的一種近似計(jì)算方法。需要指出的是，K值作為統(tǒng)計(jì)量，其精度還需要增加試驗(yàn)數(shù)據(jù)加以完善，同時也需要加載完全的復(fù)合地基載荷試驗(yàn)補(bǔ)充驗(yàn)證。本文方法可作為地區(qū)性復(fù)合地基承載力分析的一種輔助的近似計(jì)算。

4 結(jié) 論

(1)通過現(xiàn)場靜載荷試驗(yàn)確定的單樁及復(fù)合地基承載力特征值與初步設(shè)計(jì)的計(jì)算值有一定偏差。其中，單樁承載力特征值實(shí)測值小于設(shè)計(jì)值，復(fù)合地基承載力特征值實(shí)測值大于設(shè)計(jì)值。因此在計(jì)算參數(shù)的選取上，需要借鑒大量的地區(qū)相關(guān)試驗(yàn)。

(2)試驗(yàn)得到的水泥土攪拌樁復(fù)合地基的單樁及復(fù)合地基Q-s曲線均為緩變型。由于試驗(yàn)未加載充分，分別通過指數(shù)模型和灰色模型對承載力極限值進(jìn)行預(yù)測，并最終選擇變異系數(shù)較小的灰色模型對載荷試驗(yàn)Q-s曲線進(jìn)行擬合，預(yù)測了單樁及復(fù)合地基承載力極限值。

(3)根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，確定閩東地區(qū)復(fù)合地基承載力極限值與按相對變形確定的特征值之比為2.8，即安全系數(shù)K值為2.8。當(dāng)靜載荷試驗(yàn)未加載完全時，可根據(jù)該值對復(fù)合地基承載力極限值進(jìn)行預(yù)測。

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(編輯：羅 娟)

A Safety Reserve Index Evaluating the Bearing Capacity of Composite Foundation Based on Loading Test

LAI Xia-lei1,2，JIAN Wen-bin1,2

(1.College of Environment and Resources, Fuzhou University, Fuzhou 350108, China; 2. Institute of Geotechnical Engineering and Engineering Geology, Fuzhou University, Fuzhou 350108,China)

In some projects there are restrictions in static loading tests and thus the characteristic load bearing capacity is unable to be determined. Through analyzing a project of cement-soil pile composite foundation, the ultimate bearing capacity of the piles and composite foundation is predicted with “gray model” under limited test conditions. Meanwhile, the ratio of the bearing capacity to the characteristic bearing capacity determined from relative deformation is defined as safety reserve index “K”, and 113 groups of static loading test are analyzed to obtain theKvalue of this region. The statistical result is confirmed by the project. It should be noticed thatKis a regional and experiential value, and it can be used to predict the ultimate bearing capacity of cement-soil pile composite foundation based on the known bearing capacity determined by relative deformation.

cment-soil piles; static loading test; bearing capacity of composite foundation; safety reserve； gray model

10.11988/ckyyb.20160754 2017,34(11):66-71

2016-07-31；

2016-08-21

賴夏蕾(1992-)，女，福建龍巖人，碩士研究生，主要從事地基處理與地質(zhì)災(zāi)害研究，(電話)18218419013(電子信箱)15200718950@163.com。

簡文彬(1963-)，男，福建龍巖人，教授，博士，主要從事巖土工程與工程地質(zhì)教學(xué)與科研工作，(電話)13178116302(電子信箱)jwb@fzu.edu.cn。

TU447

A

1001-5485(2017)11-0066-06