淺層載荷板試驗(yàn)在基礎(chǔ)優(yōu)化中應(yīng)用研究

鄭 聰

(福建天正建筑工程施工圖審查事務(wù)有限公司 福建廈門(mén) 361000)

0 引言

福建沿海地區(qū)主要為巖漿巖分布地區(qū)，巖漿巖分布又以花崗巖為主，其風(fēng)化巖和殘積土承載力的取值是一個(gè)非常“吃”經(jīng)驗(yàn)的工作，實(shí)際工程地勘報(bào)告所提供殘積土的變形模量和承載力特征值通常由修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)通過(guò)公式推算[1]，并結(jié)合土工實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)取值。如果當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)不足，應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定。福建省《建筑地基基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》[2]第5.2.4條要求：地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)為甲級(jí)及缺乏經(jīng)驗(yàn)和地質(zhì)條件復(fù)雜的乙級(jí)的天然地基承載力特征值應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定；廈門(mén)市住宅工程質(zhì)量常見(jiàn)問(wèn)題防治若干技術(shù)措施[3]在這方面更加嚴(yán)格：天然地基的承載力必須采用現(xiàn)場(chǎng)淺層平板載荷試驗(yàn)進(jìn)行檢驗(yàn)；福建省建筑工程質(zhì)量安全總站主編的《福建省建筑工程施工文件管理規(guī)程》[4]亦規(guī)定：設(shè)計(jì)有要求或協(xié)議有約定的，地基應(yīng)進(jìn)行承載力檢驗(yàn)；顯然，載荷板試驗(yàn)結(jié)果可以作為各種確定天然地基承載力方法的有益補(bǔ)充和終極手段，在各種原位測(cè)試中是最為可靠的。

福建省內(nèi)的甲級(jí)天然基礎(chǔ)目前和廈門(mén)市住宅的天然基礎(chǔ)基本是按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值擬定天然地基的承載力特征值，然后再采用淺層載荷板試驗(yàn)進(jìn)行工程驗(yàn)收檢測(cè)。當(dāng)進(jìn)行為設(shè)計(jì)提供依據(jù)的載荷試驗(yàn)時(shí)，持力層應(yīng)加載至極限狀態(tài)，其得出的持力層承載力特征值有可能高于經(jīng)驗(yàn)值，這就為基礎(chǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了空間。

基于此，本文擬以福建某工程為案例，通過(guò)其新舊兩種設(shè)計(jì)方案對(duì)比，探索淺層載荷板試驗(yàn)在基礎(chǔ)優(yōu)化中應(yīng)用。

1 某住宅基礎(chǔ)優(yōu)化案例

某住宅小區(qū)采用4層地下室，上部單體最高21層,持力層為④殘積黏性土。

1.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)狀況

地勘報(bào)告中，④殘積黏性土呈淺黃、褐黃等色，可塑～硬塑，飽和。成分由長(zhǎng)石、石英砂粒粒及少量云母碎屑等組成，根據(jù)土工試驗(yàn)顆分結(jié)果，殘積細(xì)粒土的天然含水量平均值為34.5%，塑限平均值為31.25%，液限平均值為41.33%，液性指數(shù)平均為0.31；其中大于2.00mm的顆粒含量小于5%，0.50～2mm的顆粒含量約為15.1～36.0%，0.25 mm～0.50mm的顆粒含量約為7.0～16.4%，0.075 mm～0.25 mm的顆粒含量約為3.0～9.9%，<0.075的顆粒含量約為46.0～68.9%。搖震反應(yīng)無(wú)，干強(qiáng)度中等，韌性中等，光澤反應(yīng)稍有光澤。原巖結(jié)構(gòu)特征尚可辨認(rèn)，母巖為花崗巖。該層在水平方向上風(fēng)化程度較均一，但在垂直方向上風(fēng)化程度則逐漸減弱、強(qiáng)度逐漸提高。實(shí)測(cè)標(biāo)貫擊數(shù)為<30擊?；紫轮饕翆訁?shù)表和典型工程地質(zhì)剖面圖分別如表1和圖1所示。

圖1 典型工程地質(zhì)剖面圖

表1 基底下主要土層參數(shù)表

1.2 原基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

經(jīng)計(jì)算，主樓筏板基礎(chǔ)非地震工況的平均反力約420kPa,而殘積土承載力特征值僅200kPa,故主樓基礎(chǔ)采用長(zhǎng)螺旋鉆成孔壓灌樁(CFG樁)復(fù)合地基方案。CFG樁樁身采用C35素砼，樁徑450mm，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)約12m，樁持力層為土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，要求處理后的復(fù)合地基承載力特征值不小于fspk=400kPa，并按1.5m正方形分布。

建設(shè)單位認(rèn)為此方案工期較長(zhǎng)且造價(jià)偏高，希望通過(guò)淺層載荷板試驗(yàn)提高持力層承載力，盡量減少或取消CFG樁。

1.3 現(xiàn)場(chǎng)淺層載荷板試驗(yàn)

試驗(yàn)由安裝在地基頂面承載板的油壓千斤頂進(jìn)行逐級(jí)加荷，千斤頂所需的反力由砼試塊堆重平臺(tái)承擔(dān)，地基沉降量由承載板4個(gè)角點(diǎn)對(duì)稱安裝的無(wú)線靜荷載實(shí)驗(yàn)儀的位移傳感器測(cè)讀，承壓板面積：1.0m×1.0m。試驗(yàn)加荷方式為慢速維持荷載法，委托的3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)最大試驗(yàn)荷載均為800kPa,取10級(jí)加載，每級(jí)荷載增量均為80Pa。

經(jīng)檢測(cè)，試驗(yàn)荷載達(dá)到720kPa時(shí)，沉降超過(guò)載荷板寬度的6%，取前一級(jí)荷載640kPa作為極限值，且變形值0.01b所對(duì)應(yīng)的沉降皆大于極限值的一半，根據(jù)規(guī)范[5]第4.4.3條確定所檢的3個(gè)點(diǎn)天然地基承載力特征值均為320kPa，具體如表2所示。

表2 載荷板檢測(cè)結(jié)果

1.4 優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案

從該工程基坑開(kāi)挖后土層分布來(lái)看，其剩余殘積土層厚度較小，下臥巖土層為工程特性指標(biāo)較好的全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化等花崗巖，主樓變形計(jì)算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值較大?，F(xiàn)取典型主樓筏板計(jì)算其沉降。

筏板尺寸14m×42m,按角點(diǎn)法計(jì)算筏板中心點(diǎn)總沉降量，其中b=7m，l=21m,l/b=3,全風(fēng)化層面按基底2.8m,土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖層面按基底8.4m,分層厚度Δz取2.8m，壓縮模量按變形模量取值，P0=400-1×19-9×14=255 kPa,沉降量統(tǒng)計(jì)如表3所示。

表3 分層總和法計(jì)算地基沉降量

據(jù)表3可得總沉降量120.5mm,考慮沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Ф=0.592，實(shí)際沉降量S=0.592×120.5=71.3mm。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，土層開(kāi)挖深度較深，持力層前期固結(jié)壓力較大，主體對(duì)持力層實(shí)際的附加應(yīng)力較小,實(shí)際附加應(yīng)力產(chǎn)生的沉降滿足規(guī)范要求。構(gòu)造上，通過(guò)主樓周邊設(shè)置沉降后澆帶可以進(jìn)一步控制主樓與純地下室的沉降差。

結(jié)合沉降結(jié)果，確定地基承載力特征值按檢測(cè)報(bào)告取320kPa，并適當(dāng)加大筏板以減少持力層附加應(yīng)力，④殘積黏性土按純地下室的折算厚度修正后的承載力特征值基本能滿足設(shè)計(jì)要求。

由于花崗巖殘積土一般具有泡水后易軟化、崩解，使強(qiáng)度降低的不良特性，現(xiàn)場(chǎng)施工土層開(kāi)挖時(shí)應(yīng)采取措施避免擾動(dòng)持力層并分塊及時(shí)澆筑混凝土墊層。

2 載荷板結(jié)果與標(biāo)貫公式差異較大的原因分析

規(guī)范[1]提供了殘積土承載力特征值的驗(yàn)計(jì)算如式(1)：

fak=11.97N′+87.37

(1)

查地勘報(bào)告中WK11和WK13的標(biāo)貫分層統(tǒng)計(jì)結(jié)果并代入公式(1)可得表4：

表4 標(biāo)貫分層統(tǒng)計(jì)表

從上述計(jì)算可以看出，同一土層不同深度的標(biāo)貫亦有較大差異，按實(shí)際基底深度標(biāo)貫推算的承載力特征值約為260kPa,載荷板實(shí)驗(yàn)值與標(biāo)貫計(jì)算值的比值320/260=1.23；地勘報(bào)告在擬定殘積土承載力特征值時(shí)綜合考慮土的物理力學(xué)指標(biāo)和標(biāo)貫結(jié)果，按經(jīng)驗(yàn)取值為200kPa，載荷板實(shí)驗(yàn)值與地勘報(bào)告承載力參數(shù)的比值360/200=1.6。

實(shí)際上，載荷板實(shí)驗(yàn)與標(biāo)貫經(jīng)驗(yàn)公式有所差異是常見(jiàn)現(xiàn)象，但持力土層往往較厚，且由于勘察單位在作業(yè)時(shí)并不確定主體最終的基礎(chǔ)形式和持力層標(biāo)高，地勘報(bào)告只能按均質(zhì)土層進(jìn)行簡(jiǎn)化，當(dāng)基礎(chǔ)持力層位于土層下部時(shí)，其結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)較大偏差。

也許可以考慮：在主體設(shè)計(jì)單位確定了基礎(chǔ)之后，再反提給勘察單位，最后由勘察單位對(duì)承載力進(jìn)行復(fù)核并確定是否需要變更。

3 載荷板試驗(yàn)確定土層承載力時(shí)存在的問(wèn)題和對(duì)策

福建地區(qū)花崗巖殘積土承載力有成熟的經(jīng)驗(yàn)，一般采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)即可評(píng)價(jià)花崗巖殘積土的力學(xué)特性。從上述案例可知，為設(shè)計(jì)提供依據(jù)的載荷試驗(yàn)的主要驅(qū)動(dòng)力是建設(shè)方對(duì)經(jīng)濟(jì)性的追求，實(shí)際上就是想要取得比地勘報(bào)告中經(jīng)驗(yàn)值更高的承載力特征值。

建設(shè)單位通常委托第三方檢測(cè)公司對(duì)指定點(diǎn)進(jìn)行載荷板試驗(yàn)，而檢測(cè)公司僅對(duì)指定點(diǎn)的載荷板試驗(yàn)結(jié)果負(fù)責(zé)，這就造成設(shè)計(jì)單位直接使用載荷板試驗(yàn)結(jié)果作為設(shè)計(jì)依據(jù)時(shí)可能存在安全隱患。

3.1 檢測(cè)點(diǎn)數(shù)量不足

規(guī)范[1]規(guī)定：載荷試驗(yàn)每個(gè)場(chǎng)地不宜少于3個(gè)，當(dāng)場(chǎng)地內(nèi)巖土體不均時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加。

《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》[6]第8.2.3條對(duì)巖土體是否不均勻提出了量化指標(biāo)，但不均勻程度與檢測(cè)點(diǎn)增加的數(shù)量沒(méi)有對(duì)應(yīng)的關(guān)系。建設(shè)單位考慮經(jīng)濟(jì)性和檢測(cè)進(jìn)度，實(shí)際工程中可能存在場(chǎng)地面積大、主體單體很多而檢測(cè)數(shù)量仍然只有3個(gè)的情況。

對(duì)此，建議參考旋噴樁復(fù)合地基驗(yàn)收的靜載做法增加試驗(yàn)點(diǎn)。基于目前復(fù)合地基靜載試驗(yàn)是按單體主樓下不少于3臺(tái)，筆者建議結(jié)合主樓數(shù)量考慮每棟主樓下選取1～3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)(場(chǎng)地主樓數(shù)量少時(shí)取大值)。

3.2 檢測(cè)選點(diǎn)缺乏代表性

實(shí)際土層存在水平方向的不均勻，體現(xiàn)在同一土層不同區(qū)域的標(biāo)準(zhǔn)貫入度有所差異，甚至偏差很大。檢測(cè)方為滿足建設(shè)方需求，在選點(diǎn)時(shí)可能會(huì)特意選取標(biāo)貫大的區(qū)域，而標(biāo)貫越大、承載力越高，其檢測(cè)結(jié)果可能不具有代表性。

實(shí)際土層存在垂直方向的不均勻，體現(xiàn)在持力層下同一土層厚度可能差異很大。一般認(rèn)為載荷板下應(yīng)力的主要影響范圍為1.5～2倍承壓板直徑或?qū)挾?，?dāng)持力土層的下臥巖土層力學(xué)性能優(yōu)于持力層，且持力土層厚度小于應(yīng)力影響范圍時(shí)，可以取得較高的檢測(cè)結(jié)果。

因此，當(dāng)建設(shè)方確定進(jìn)行載荷板試驗(yàn)時(shí)，建議設(shè)計(jì)單位提前介入檢測(cè)點(diǎn)選取，提高檢測(cè)點(diǎn)的代表性，不應(yīng)放任檢測(cè)單位隨意選取，以避免后期設(shè)計(jì)確定承載力時(shí)過(guò)于被動(dòng)。

3.3 第三方檢測(cè)公司的專業(yè)性可能不足

第三方檢測(cè)公司的專業(yè)能力參差不齊，由于檢測(cè)單位不對(duì)整體地基承載力負(fù)責(zé)，實(shí)際上也就不對(duì)后期的工程質(zhì)量負(fù)責(zé)，再加上這類檢測(cè)缺乏監(jiān)管，其結(jié)果的可靠性可能不足。

考慮到承載力提高改變了原勘察報(bào)告提供的土體力學(xué)性能，如取值不妥，將嚴(yán)重威脅結(jié)構(gòu)安全，勘察單位不應(yīng)置身事外，且勘察單位在載荷板試驗(yàn)及持力層承載力取值上的專業(yè)性更不是檢測(cè)單位或設(shè)計(jì)單位可以替代的。

對(duì)此，建議此類結(jié)果應(yīng)由勘察單位提供補(bǔ)充勘察資料，作為設(shè)計(jì)單位的設(shè)計(jì)依據(jù)，建設(shè)方不應(yīng)撇開(kāi)勘察單位，僅由檢測(cè)單位提供檢測(cè)數(shù)據(jù)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。

3.4 深基坑回彈再壓縮的不利影響

多層地下室深基坑開(kāi)挖后，基底持力層存在較大的坑底回彈。規(guī)范[2]規(guī)定的預(yù)壓荷載僅5%，且終止加載的條件為累計(jì)沉降量不小于承壓板邊寬或直徑的6%，假定承壓板直徑500，沉降超過(guò)30mm應(yīng)終壓，其載荷板檢測(cè)結(jié)果可能偏小甚至嚴(yán)重不合理。

對(duì)于此類持力層，建議采用面積較大的承壓板或結(jié)合基坑開(kāi)挖深度內(nèi)土體的自重壓力(采用加權(quán)容重)適當(dāng)提高預(yù)壓荷載，同時(shí)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮回彈再壓縮可能產(chǎn)生的更大的不均勻沉降的不利影響。

4 結(jié)語(yǔ)

由于載荷板試驗(yàn)確定土層承載力時(shí)存在不少問(wèn)題，造成淺層載荷板試驗(yàn)數(shù)據(jù)可靠性可能不足，勘察、設(shè)計(jì)單位應(yīng)提前介入，以提高檢測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量。

目前，案例項(xiàng)目已快竣工，從反饋情況來(lái)看，沉降遠(yuǎn)小于計(jì)算值。可以看出，以平板載荷試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，并提高地基承載力特征值來(lái)優(yōu)化地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)是可行的。從沉降控制角度來(lái)看，此方法尤其適合于深基坑的超固結(jié)土層。