中法地勘的地基承載力對(duì)比探究

仲 良 高 宇

(上海水業(yè)設(shè)計(jì)工程有限公司，上海 200082)

1 概述

地基承載力是土建工程中對(duì)巖土地質(zhì)情況反映的重要參數(shù)。目前，在估算地基承載力時(shí)，主要基于以下三種方法：理論公式、承載力經(jīng)驗(yàn)表和原位測(cè)試。理論公式的基礎(chǔ)一般也是以室內(nèi)或原位試驗(yàn)資料來(lái)進(jìn)行計(jì)算，而作為巖土勘察工程的重要組成部分，實(shí)際上室內(nèi)試驗(yàn)存在著許多局限和問(wèn)題。室內(nèi)土樣的應(yīng)力狀態(tài)與原位應(yīng)力狀態(tài)不同，試驗(yàn)結(jié)果本身就存在一定的誤差，而各個(gè)土工實(shí)驗(yàn)室水平參差不齊，可能無(wú)法保證試驗(yàn)的質(zhì)量。相對(duì)于室內(nèi)試驗(yàn)而言，原位測(cè)試技術(shù)具有更貼近實(shí)際的優(yōu)勢(shì)。首先，原位試驗(yàn)都是在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，不需要進(jìn)行采樣，直接測(cè)定巖土力學(xué)性質(zhì)，對(duì)于土體的擾動(dòng)要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于室內(nèi)試驗(yàn)，因此原位測(cè)試可以更真實(shí)地反映出巖土的實(shí)際參數(shù)和性質(zhì)，測(cè)試結(jié)果也就更接近于實(shí)際情況，更有利于后續(xù)工程的設(shè)計(jì)和施工。目前常用的有靜力觸探、旁壓試驗(yàn)、動(dòng)力觸探、波速試驗(yàn)、載荷試驗(yàn)等，可以參考具體的工程情況靈活應(yīng)用，不同試驗(yàn)的搭配組合可以得出不同的工程參數(shù)。

巖土體的工程評(píng)價(jià)是復(fù)雜的，是基于大量的試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)及工程應(yīng)用才能較為準(zhǔn)確地得出。我國(guó)技術(shù)規(guī)范是大量工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的成果，而工程經(jīng)驗(yàn)是有一定的適用范圍和局限性的。我國(guó)的巖土勘察報(bào)告中運(yùn)用最多的原位測(cè)試是靜力觸探法和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算得到地基承載力。歐洲規(guī)范多是推薦性的，對(duì)工程技術(shù)人員只是參考指導(dǎo)作用。法國(guó)規(guī)范中強(qiáng)調(diào)原位測(cè)試，特別是旁壓實(shí)驗(yàn)，能夠直接用于計(jì)算地基承載力的方法僅旁壓實(shí)驗(yàn)和靜力觸探實(shí)驗(yàn)兩種。在工程實(shí)踐中梅納爾旁壓實(shí)驗(yàn)應(yīng)用廣泛，建立了大量旁壓極限壓力、旁壓模量與地基承載力，樁基極限摩阻力間的相關(guān)關(guān)系[1]。

我國(guó)巖土規(guī)范對(duì)地基承載力確定方法的規(guī)定也是此三種，但具體公式與歐洲規(guī)范有所不同，且法國(guó)規(guī)范更貼近使用原位試驗(yàn)的結(jié)果。

2 地基承載力的理論研究

1)我國(guó)規(guī)范中的理論計(jì)算地基承載力基本假定為地基土為彈性體，局部出現(xiàn)塑性區(qū)開(kāi)展的最大深度為基礎(chǔ)寬度的1/4。歐洲規(guī)范推薦采用的太沙基極限承載力計(jì)算方法基本假定地基土為剛塑體，適用于豎向及傾斜荷載，剛塑體處于極限平衡狀態(tài)，最終采用的地基承載力取值通過(guò)不同的安全系數(shù)來(lái)確定[3]。

2)對(duì)于原位試驗(yàn)，靜動(dòng)力觸探在我國(guó)的《巖土工程勘察規(guī)范》中已有比較詳細(xì)的說(shuō)明，且已逐步與國(guó)際接軌，例如10.4.1條圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)的條文說(shuō)明“重型重力觸探是應(yīng)用最廣泛的一種，其規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)與國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)一致”[4]。但由于我國(guó)對(duì)于探頭傳感器的革新較少，仍以單橋探頭和雙橋探頭為主，造成了國(guó)際學(xué)術(shù)交流上的困難。而且與發(fā)達(dá)國(guó)家在理論研究、應(yīng)用范圍等技術(shù)層面上的差距仍然很大。而法國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、日本等多國(guó)已經(jīng)創(chuàng)立了一套完整的旁壓試驗(yàn)及結(jié)果應(yīng)用方法，旁壓試驗(yàn)也成為了測(cè)定巖土體力學(xué)性質(zhì)的主要手段。預(yù)鉆式旁壓儀適用于各種地層，從軟土層到致密堅(jiān)硬土層，甚至在軟巖地層都有著很好的應(yīng)用[5]。旁壓試驗(yàn)引進(jìn)到國(guó)內(nèi)的時(shí)間很早，但其應(yīng)用價(jià)值并未引起廣泛重視，對(duì)其理論方面投入的研究也較少,尚未建立起一個(gè)完整的試驗(yàn)及結(jié)果應(yīng)用方法。

3)實(shí)際上由于我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施及大量土建項(xiàng)目在海外的開(kāi)展，尤其是非洲等采用歐洲規(guī)范體系的國(guó)家，我國(guó)的地勘水平需要加大發(fā)展力度去與國(guó)際接軌，才能更好的服務(wù)于世界各國(guó)的建設(shè)工程。國(guó)內(nèi)有很多企業(yè)公司已經(jīng)開(kāi)始嘗試：例如基于梅納爾旁壓試驗(yàn)得到的參數(shù)去進(jìn)行橋梁樁基計(jì)算[6]、地基土沉降計(jì)算[7]、淺基礎(chǔ)地基承載力計(jì)算[1]等；而我公司承接的喀麥隆雅溫得市供水工程也涉及到了法國(guó)的地質(zhì)勘查。下面通過(guò)對(duì)工程地質(zhì)的勘察結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，得出適合工程使用的地質(zhì)參數(shù)。

3 工程概況

喀麥隆政府決定在薩納加河上新建一座300 000 m3/d的飲用水處理廠及管網(wǎng)配套工程以滿足雅溫得，OBALA，BATCHENGA和附近居民用水及工業(yè)用水。區(qū)內(nèi)地層主要有：剛果克拉通(剛果穩(wěn)定地塊)的太古代基底和新太古代～新元古代基底、新元古代泛非覆蓋層、泛非洲后期覆蓋層及第四系地層。工程區(qū)位于新元古代泛非洲覆蓋層之上，屬于雅溫得組地層。根據(jù)中方地勘說(shuō)明各地層現(xiàn)分述如下：

剛果克拉通(剛果穩(wěn)定地塊)：

太古代基底：巖性為變粒片麻巖系統(tǒng)、片狀角巖、紫蘇花崗閃長(zhǎng)巖、紋長(zhǎng)二長(zhǎng)巖。太古代侵入巖：巖性為殘斑狀黑云母—角閃石黑云母花崗閃長(zhǎng)巖、核狀細(xì)粒紫蘇黑云母花崗閃長(zhǎng)巖。新太古代～新元古代基底：巖性為鐵英～石英片麻巖系統(tǒng)——片狀角巖、變余糜棱巖、鐵英巖等。

新元古代泛非洲覆蓋層：

雅溫得地層：巖性為(雙云母、重熔混合)片麻巖、(含雙云母、石榴石、藍(lán)晶石、十字石)云母片巖、石英質(zhì)片巖或白云母—綠泥石片巖(膜片鑒定為云母長(zhǎng)英質(zhì)變晶糜棱巖)。

泛非洲后期覆蓋層：

白堊系～上第三系火山堆積地層，主要為礫石及角礫熔巖。第四系地層：河相沉積、殘坡積沉積以及海濱沉積[8]。

4 地質(zhì)勘察方法對(duì)比

我國(guó)地勘采用了常規(guī)物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)、顆粒分析試驗(yàn)、巖石單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、直接剪切試驗(yàn)巖土參數(shù)如表1所示(僅列出部分參數(shù))。

表1 中方巖土設(shè)計(jì)參數(shù)建議值表

其參數(shù)已經(jīng)可以滿足國(guó)內(nèi)設(shè)計(jì)要求，而法國(guó)監(jiān)理對(duì)國(guó)內(nèi)的地質(zhì)勘察不能完全采納，提出需再進(jìn)行按法國(guó)地勘要求的勘察。故將施工圖勘察再次委托給喀麥隆國(guó)家實(shí)驗(yàn)室INFRA-SOL完成。

喀麥隆國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了重型動(dòng)力觸探儀鉆探，旁壓鉆探，人工探井，分類試驗(yàn)。中法鉆探孔見(jiàn)圖1 ，首先從鉆孔的點(diǎn)上來(lái)看：圖1中SPDL為法標(biāo)勘察的孔點(diǎn)，鉆孔數(shù)量相對(duì)于國(guó)內(nèi)勘測(cè)鉆孔少很多，主要是由于法勘用來(lái)輔助法國(guó)監(jiān)理用于審核圖紙用，故測(cè)孔較少。SPDL5,SPDL8,SPDL9,SPDL11均為重型動(dòng)力觸探，SPDL2采用的是旁壓鉆探。由動(dòng)力觸探得到的土壤的允許應(yīng)力見(jiàn)表2，表2給出了每個(gè)鉆探根據(jù)其深度得出的土壤允許應(yīng)力σadm(單位：巴)，1巴相當(dāng)于100 kPa。類似于國(guó)內(nèi)的地基承載力。

表2 法方房屋基礎(chǔ)允許應(yīng)力(σadm)

旁壓試驗(yàn)結(jié)果顯示研究區(qū)域的下層土主要由堅(jiān)硬、密實(shí)、超固結(jié)黏土和紅土硬殼組成，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

5 中法承載力對(duì)比

中勘3208號(hào)測(cè)孔與法勘的SPDL11測(cè)孔基本位于同一點(diǎn)，中勘3207號(hào)測(cè)孔與法勘的SPDL8測(cè)孔基本位于同一點(diǎn)。故對(duì)此地基承載力進(jìn)行詳細(xì)分析，按每隔2 m深度取承載力分析。中勘地層剖面見(jiàn)圖2。

表3 法方規(guī)范下旁壓試驗(yàn)結(jié)果

中國(guó)規(guī)范需對(duì)承載力進(jìn)行修正，按地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范，修正，基礎(chǔ)寬度b取3，γm取18 kN/m3，ηd取1.2～1.5；法勘采用允許應(yīng)力評(píng)價(jià)承載力，單位均換算為kPa。中法地基承載力對(duì)比見(jiàn)表4。

表4 中法地基承載力對(duì)比

6 結(jié)論與展望

工程中中勘地基承載力隨地層加深而逐漸增大，而法勘提出的承載力是存在局部減小的情況，即埋深越深并不能提供更大的允許應(yīng)力，也就是說(shuō)明中勘可能對(duì)下部的地層存在判斷有誤的情況?？偟膩?lái)看中勘的承載力是比法勘更保守一些，也與文獻(xiàn)中的計(jì)算結(jié)果類似，承載力計(jì)算值基本接近但我國(guó)規(guī)范計(jì)算值偏低[3]。實(shí)際上法勘的計(jì)算結(jié)果并不能完全應(yīng)用于中國(guó)的上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，故在此承載力的對(duì)比僅是作為一個(gè)兩種規(guī)范間的參考。

考慮出現(xiàn)差異的原因：中國(guó)規(guī)范采用的是深度的修正計(jì)算來(lái)推測(cè)實(shí)際地層的承載力，屬于偏理論解，且根據(jù)地層不同采用的承載力特征值直接代表了整層的土層；法勘采用實(shí)際所在位置的實(shí)測(cè)值，并對(duì)土層的各個(gè)深度均進(jìn)行了承載力推測(cè)，與中國(guó)規(guī)范的土層分層再計(jì)算有所區(qū)別，從而帶來(lái)了一定偏差；另外兩方的試驗(yàn)方式的區(qū)別也是承載力結(jié)果差異的原因。

伴隨著一帶一路政策的開(kāi)展，中國(guó)有更多的企業(yè)走向國(guó)際，中國(guó)的地質(zhì)勘查水平需要越加國(guó)際化和通用化，故需要更加注重地質(zhì)原位試驗(yàn)，多學(xué)習(xí)西方先進(jìn)技術(shù)，并多加運(yùn)用到國(guó)內(nèi)國(guó)際項(xiàng)目中，成為自身技術(shù)發(fā)展的手段。