工程地質(zhì)勘察中地基承載力確定方法評述

周恒

摘 要： 為了確保地基在載荷作用下不會引起剪切破壞，導(dǎo)致地基過度變形影響建筑物的正常使用，因此，合理確定地基的承載力非常重要。本文對常見的地基承載力原位測試方法以及理論進行了分析。研究表明;地基土質(zhì)存在不確定性，用不同方法確定的承載力值有很大差異，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同土的工作狀態(tài)選擇不同的地基承載力確定方法。載荷試驗適用于大部分土地基，但是需注意平板載荷試驗的承壓板面積應(yīng)大于0.25m2，對于軟土，承壓板面積應(yīng)大于0.5m2;靜力觸探試驗主要適用于粘性土、粉土和中等密實度以下的砂土，對于含較多碎石、礫石和很密實的砂土不適用;標(biāo)準貫入試驗對可能液化的砂土、粉土不適用，對于粘性土而言，當(dāng)錘擊數(shù)小于17時，運用插值法求得的地基承載力要比標(biāo)準貫入經(jīng)驗公式確定的地基承載力要小，反之則要大;理論公式對抗剪強度指標(biāo)c、φ的精度要求較高。

關(guān)鍵詞： 工程地質(zhì)勘察;地基承載力;原位測試;理論公式

【中圖分類號】K826.16???? 【文獻標(biāo)識碼】A???? 【文章編號】1674-3733（2020）17-0008-02

1 引言

地基承載力是指在強度、變形和穩(wěn)定性可以滿足設(shè)計要求的條件下，地基土承受載荷的能力[1-2]。附加應(yīng)力導(dǎo)致地基土變形并且建筑物沉降，如果土體中某個點的剪切應(yīng)力等于該點下地基土的剪切強度，則該點將達到臨界平衡，并發(fā)生剪切破壞。在確定地基的承載力時，必須滿足以下兩個條件：變形和強度同時滿足規(guī)范規(guī)定的要求。確定地基的承載力時應(yīng)考慮以下因素[3-4]：（1）土的物理力學(xué)性質(zhì)，地基土的物理性質(zhì)直接影響承載力。（2）地基土的堆積年代及其成因。地質(zhì)對地基工程性能的影響是顆粒組成、顆粒形狀、礦物組成，化學(xué)組成和成巖程度的函數(shù)，堆積時間越長，承載力一般就越高。（3）地下水。當(dāng)?shù)叵滤仙龝r，土體的自然重度變?yōu)橛行е囟龋瑥亩鄳?yīng)地降低了承載能力。此外，地下水的升降會影響地基的變形，濕陷性黃土與水接觸時會塌陷，膨脹土在失去水分時會收縮，遇水時會膨脹吧，這些都會影響承載力。（4）荷載作用方向。載荷的作用方向嚴重影響基礎(chǔ)的承載力，而傾斜載荷是不利的因素。通過上述分析可知，合理確定計算地基承載力的方法對于項目的經(jīng)濟效益和安全性至關(guān)重要。

2 原位測試方法

原位測試是在沒有或基本沒有干擾的情況下對土體進行測試，以獲得土層的物理力學(xué)指標(biāo)，該測試可以在場地上進行，而無需抽樣，這樣可以減少壓力，避免在運輸過程中樣品碰撞[5]。通常用于確定地基承載力的原位測試包括現(xiàn)場載荷試驗、標(biāo)準貫入試驗和靜力觸探試驗。每種方法都有其優(yōu)勢和局限性。因此，分析每種試驗方法的優(yōu)缺點，確定適用范圍并選擇科學(xué)、經(jīng)濟的試驗方法非常重要。

2.1 現(xiàn)場載荷試驗。

現(xiàn)場載荷試驗是在剛性承壓板上施加載荷和測量設(shè)備，通過承壓板逐漸加載測量地基土的壓力和變形特性。確定地基土的承載力及其沉降值的理想方法是執(zhí)行與基礎(chǔ)大小相同的承壓板測試，但是，對于大面積的筏式和箱形基礎(chǔ)，此方法可能不切實際，因為測試尺寸與實際基礎(chǔ)尺寸有很大不同，并且應(yīng)力分布和破壞模式也有很大差異。為了避免試坑底部的土體受到擾動而破壞原有的結(jié)構(gòu)，應(yīng)在承壓板下鋪小于20cm厚的中粗砂作墊層;同時，平板載荷試驗的承壓板面積應(yīng)大于0.25m2，對于軟土，為防止在加荷過程中發(fā)生傾斜，承壓板面積應(yīng)大于0.5m2。

2.1.1 載荷試驗確定地基承載力。

在載荷試驗中，土體發(fā)生破壞時，沉降迅速增加，土體被側(cè)向推出。因此，如果滿足以下兩個條件中的任何一個，則在任何給定的荷載下，都被視為破壞，相應(yīng)的荷載是極限荷載：（1）承壓板周圍的土體被擠壓;（2）沉降-載荷曲線急劇下降。《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001）[6]規(guī)定：載荷試驗應(yīng)設(shè)置在典型的部位，每個場地至少有3個測試點，如果現(xiàn)場地基土不是均質(zhì)的，應(yīng)適當(dāng)增加測試點，每次試驗的測量值范圍不得超過平均值的30%，平均值就是地基承載力特征值。

工程實踐表明，基礎(chǔ)的埋深、形狀和大小對地基的承載力有重要影響，載荷試驗在特定條件下完成，試驗結(jié)果直接用于工程實踐。在工程實踐中，通常使用經(jīng)驗校正方法來研究實際基礎(chǔ)埋深和基礎(chǔ)寬度對基礎(chǔ)承載力的影響?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）[7]采用以下公式進行地基承載力的修正：

2.1.2 載荷試驗存在的問題

載荷試驗被認為是測試地基承載力的最可靠方法，但是由于成本高昂，存在如下問題：

（1）測點問題。測試位置選擇仍然存在隨機性，無法準確評估項目的施工質(zhì)量，并且在代表性場地中選擇適當(dāng)數(shù)量的測量點來突出關(guān)鍵點并反映項目的整體質(zhì)量水平很重要。

（2）承壓板剛度問題。未能選擇合理的承壓板剛度會嚴重影響測量數(shù)據(jù)的可靠性和實際結(jié)構(gòu)模擬的合理性。

（3）地基的尺寸效應(yīng)，承壓板的面積通常比實際地基的面積小得多。在剛性承壓板邊緣的下方，地基土體的塑性區(qū)域很容易發(fā)展并形成連續(xù)的滑動表面，從而導(dǎo)致破壞。因此，載荷試驗的影響范圍小于對實際基礎(chǔ)對深度的影響范圍，并且測得的極限承載力小于地基的實際承載力。

（4）測試加載速率與施工速度不匹配。施工過程是分階段的加載過程，此過程非常緩慢，并且與加載測試機制完全不同。與建筑施工荷載相比，載荷試驗對地基土有一定“沖擊效應(yīng)”。

（5）土層的分布通常沿深度不同，此時載荷試驗將受到限制。

（6）設(shè)備較重、技術(shù)要求、測試周期長，在地基處理過程中無法檢查施工質(zhì)量，無法綜合評價地基處理的效果。

可以看出，上述差異不可避免地引起測試值與地基承載力的實際值之間的偏差。

2.2 靜力觸探試驗。

靜力觸探試主要適用于粘性土、粉土和中等密實度以下的砂土，對于含較多碎石、礫石和很密實的砂土不適用[6]。

由于探頭的阻力直接反映了土的強度，因此貫入阻力ps通常與地基承載力的特性值有關(guān)，可以根據(jù)貫入阻力確定計地基承載力特征值。靜力觸探技術(shù)具有高精度、經(jīng)濟性和連續(xù)性等優(yōu)點，廣泛用于地層巖性變化很大的復(fù)雜地區(qū)和難以獲得原狀土樣的飽和砂土和的軟粘土地基的勘察。

2.2.1 靜力觸探的經(jīng)驗公式

使用靜力觸探試驗確定地基的承載力會導(dǎo)致土體在沒有壓密的情況下就發(fā)生剪切破壞。當(dāng)使用靜力觸探試驗確定地基的承載力時，應(yīng)仔細考慮土體質(zhì)量差異的影響。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第4版）[8]，使用靜力觸探確定地基承載力的經(jīng)驗公式為：

2.2.2 靜力觸探試驗存在的問題。

靜力觸探試驗成功應(yīng)用受到工程勘察界的廣泛關(guān)注，靜力觸探具有探查和測試能力強、連續(xù)、高速、高效、多功能、測試數(shù)據(jù)準確性高等優(yōu)點。但是，靜力觸探試驗也有一些主要局限性：

（1）作為一種測試手段，靜力觸探只能通過直接作用于土層來描述土的性狀。

（2）在施工過程中，土體應(yīng)力條件很復(fù)雜，只能測量貫入阻力，這是一個綜合指標(biāo)，但不能測量某些物理參數(shù)，例如密度、壓縮模量和抗剪強度。

（3）很難貫入碎石類土的土體，并且經(jīng)常有必要將鉆探結(jié)合起來完成勘測任務(wù)。

2.3 標(biāo)準貫入試驗。

標(biāo)準貫入試驗是使用錘擊的動能（錘重63.5kg±0.5kg，落距76cm±2cm）將特定規(guī)格的貫入器打入土體中，根據(jù)貫入阻力來區(qū)分土層變化和工程特性的現(xiàn)場測試方法。貫入阻力用貫入器穿透土壤30cm的錘擊數(shù)N來表示，稱為標(biāo)準貫入擊數(shù)。除砂土外，還可用于粘土和軟巖，貫入器可以攜帶受干擾的土樣來進行相關(guān)的室內(nèi)測試。

2.3.1 標(biāo)準貫入試驗的經(jīng)驗公式。

標(biāo)準貫入試驗對可能液化的砂土、粉土不適用，在進行標(biāo)準貫入試驗之前，需要判別土體液化的可能性。在工程實踐中，通過大量標(biāo)準貫入試驗積累更多的測試數(shù)據(jù)以及在貫入測試結(jié)果與強度之間找到更可靠的關(guān)系是非常有意義的。根據(jù)《工程地質(zhì)手冊》（第4版）[8]，地基承載力的標(biāo)準值是根據(jù)標(biāo)準貫入數(shù)確定的，可以按照下式計算：

此外，對于粘性土而言，可以根據(jù)錘擊數(shù)查表采用插值法進行地基承載力的估算，見表1所示。插值法與標(biāo)準貫入經(jīng)驗公式的比較見圖1所示，從圖中可以知道，當(dāng)N小于17時，運用插值法求得的地基承載力要比標(biāo)準貫入經(jīng)驗公式確定的地基承載力要小，反之則要大。

2.3.2 標(biāo)準貫入試驗存在的問題。

使用標(biāo)準貫入測試結(jié)果時，應(yīng)該注意以下問題：

（1）有許多因素會影響標(biāo)準貫擊數(shù)，這可能會導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)較大差異，并可能導(dǎo)致承載力取值出現(xiàn)偏差，測試重現(xiàn)性很差。

（2）工程應(yīng)用中不能僅基于單個孔的標(biāo)準貫擊數(shù)來確定設(shè)計參數(shù)。

3 理論公式

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）[7]可知，可以根據(jù)土的抗剪強度指標(biāo)確定地基承載力特征值，可按下式計算：

使用公式（4）計算地基的承載力對c和φ的精度要求較高，并且試驗方法必須與土的性狀相適應(yīng)。

4 結(jié)論

通過以上分析表明，地基土質(zhì)存在不確定性，用不同方法確定的承載力值有很大差異，應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同土的工作狀態(tài)選擇不同的地基承載力確定方法。載荷試驗適用于大部分土地基，但是需注意平板載荷試驗的承壓板面積應(yīng)大于0.25m2，對于軟土，為防止在加載過程中發(fā)生傾斜，承壓板面積應(yīng)大于0.5m2;靜力觸探試驗主要適用于粘性土、粉土和中等密實度以下的砂土，對于含較多碎石、礫石和很密實的砂土不適用;標(biāo)準貫入試驗對可能液化的砂土、粉土不適用;理論公式對抗剪強度指標(biāo)c、φ的精度要求較高。

參考文獻

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[6] 《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2001），中國建筑工業(yè)出版社.

[7] 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011），中國建筑工業(yè)出版社.

[8] 《工程地質(zhì)手冊》（第4版），中國建筑工業(yè)出版社，1992.