一種新型平板載荷儀在地基承載力檢測(cè)中的應(yīng)用

曾挺，孔祥美，房若季，朱佩寧，宋亞亞

（1．廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司汕頭供電局，廣東汕頭， 515041；2．廣東天信電力工程檢測(cè)有限公司，廣東廣州，510663）

0 引言

本文結(jié)合某500kV變電站工程實(shí)例，利用一種新型平板載荷儀，采用多種檢測(cè)方法對(duì)壓實(shí)填土的均勻性、承載力進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

1 常見的處理土地基檢測(cè)方法

1.1 平板載荷試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)是一種應(yīng)用最為廣泛的地基承載力原位測(cè)試方法。它是對(duì)地基表面逐級(jí)增加豎向壓力，測(cè)量其沉降隨時(shí)間的變化，以確定其承載能力與變性參數(shù)的試驗(yàn)方法，分為淺層平板載荷試驗(yàn)、深層平板載荷試驗(yàn)、復(fù)合地基平板載荷試驗(yàn)。平板載荷試驗(yàn)適用于檢測(cè)天然地基、處理土地基、復(fù)合地基及全風(fēng)化巖、強(qiáng)風(fēng)化巖與破碎巖巖石地基的承載力和變性參數(shù)，大直徑樁的樁端土層的承載力可采用深層平板載荷試驗(yàn)確定。平板載荷試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果最為直觀準(zhǔn)確，但其試驗(yàn)時(shí)間較長(zhǎng)，試驗(yàn)成本高，且對(duì)于一些復(fù)雜狹小場(chǎng)地適用范圍受限。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)是判定土的物理力學(xué)特性的一種原位測(cè)試方法，它是用標(biāo)準(zhǔn)重量的重錘以為一定的高度自由落下，將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的貫入器打入土中一定的深度，通過(guò)記錄的錘擊數(shù)查規(guī)范來(lái)推定土的承載力，是一種間接推定土體承載力的方法。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)適用于推定砂土、粉土、黏性土等天然地基或處理土地基承載力，也可用于評(píng)價(jià)旋噴樁、水泥攪拌樁等復(fù)合地基增強(qiáng)提的施工質(zhì)量，其優(yōu)點(diǎn)是操作簡(jiǎn)單，對(duì)場(chǎng)地的適用性強(qiáng)，可以評(píng)價(jià)深部土層的承載力。

1.3 圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)

與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)相似，圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)亦是將標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的圓錐形探頭貫入土中，通過(guò)查詢相關(guān)規(guī)范推定地基承載力，其適用于推定天然地基或處理土地基承載力，評(píng)價(jià)復(fù)合地基增強(qiáng)體施工質(zhì)量。圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)分為輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)、超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)三種，可根據(jù)需要評(píng)價(jià)的土體性質(zhì)選擇合適的試驗(yàn)方法。其優(yōu)點(diǎn)為操作簡(jiǎn)單費(fèi)用低，試驗(yàn)數(shù)據(jù)可囊括整個(gè)土層，一般與標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)配合使用。

圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)同時(shí)具備勘探和測(cè)試的雙重作用。以穿心重錘的重量和提舉高度差異為基準(zhǔn)進(jìn)行分類，國(guó)內(nèi)常用的重錘質(zhì)量主要有10公斤、64公斤和120公斤，對(duì)應(yīng)的初探試驗(yàn)稱之為輕型動(dòng)力初探試驗(yàn)、重型動(dòng)力初探試驗(yàn)、超重型動(dòng)力初探試驗(yàn)。輕型的動(dòng)力初探試驗(yàn)一般使用在粘性土、粉性土中，常用來(lái)檢測(cè)淺基礎(chǔ)地基承載力和基坑驗(yàn)槽。重型動(dòng)力初探試驗(yàn)一般較常用于砂土、沙礫亂石混土。超重型動(dòng)力初探試驗(yàn)一般適用于礫卵石土層。

總起來(lái)說(shuō)，圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)主要適用于粘性土層、粉土層和砂土層土質(zhì)。

1.4 靜力觸探試驗(yàn)

靜力觸探試驗(yàn)，是通過(guò)靜壓力把呈圓錐形的探頭以固定速度推進(jìn)土基中。過(guò)程中監(jiān)測(cè)其貫入阻力，并以圓錐形探頭過(guò)程中所受到的阻力大小為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行土層的劃分，從而明確土層的工程性質(zhì)。靜力觸探試驗(yàn)是施工前地質(zhì)勘查中經(jīng)常使用的一種原位測(cè)試手段，其主要適用于砂性土層、粘性土層、粉土層等。

靜力觸探試驗(yàn)中使用較多的儀器是J-3型儀器,而使用較多的設(shè)備則由觸反力裝置、探頭、探主機(jī)、探桿和承載力測(cè)量設(shè)備構(gòu)成, 還包括其它類型設(shè)備、配套使用的工具等。

在具體的試驗(yàn)進(jìn)行上，首先把試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行平整,確定孔位對(duì)準(zhǔn),然后使用下錨器把反力裝置地錨旋轉(zhuǎn)進(jìn)入土層之中。然后進(jìn)行測(cè)量設(shè)備的安裝調(diào)試，進(jìn)行正式貫入操作,直至進(jìn)入相對(duì)硬土層的深度滿足工程設(shè)計(jì)要求。

1.5 鉆芯法

鉆芯法適用于復(fù)合地基增強(qiáng)體質(zhì)量檢測(cè)與巖石地基性狀檢測(cè)，判定復(fù)合地基增強(qiáng)體的樁長(zhǎng)、樁身強(qiáng)度、樁身完整性、持力層巖土性狀等。與平板載荷試驗(yàn)相比，鉆芯法不受場(chǎng)地條件的限制，檢測(cè)時(shí)間較短，可以直觀表現(xiàn)樁的施工質(zhì)量，根據(jù)多年工程實(shí)踐來(lái)看，采用鉆芯法檢測(cè)深層攪拌樁等復(fù)合地基增強(qiáng)體是比較成功的。

1.6 瑞雷波法

瑞雷波法在復(fù)雜大面積場(chǎng)地檢測(cè)中廣泛應(yīng)用。目前瑞雷波正演模擬方法主要有 Thomson_uhaskell法、δ矩陣法、ABO 法等。瑞雷波法具有經(jīng)濟(jì)快速、適用性強(qiáng)、場(chǎng)地影響小等優(yōu)點(diǎn)。

瑞雷波法也被稱作面波法，在具體實(shí)現(xiàn)上，其激發(fā)、接收和識(shí)別較為復(fù)雜。測(cè)量瑞雷波的速度對(duì)測(cè)定巖土的力學(xué)參數(shù)具有十分重要的意義，可用于獲得巖土的彈性力學(xué)數(shù)據(jù)、表層地質(zhì)的結(jié)構(gòu)等等。瑞雷波探測(cè)作為近年來(lái)新興的土層勘查方法，相比于傳統(tǒng)的勘測(cè)方法重在接收和識(shí)別，較為先進(jìn)。但是瑞雷波檢測(cè)大多是基于對(duì)原始信號(hào)的直接處理，缺乏深度的信號(hào)加工分析能力，因此對(duì)檢測(cè)結(jié)果的處理方法以及檢測(cè)精度還有待進(jìn)一步提高。

1.7 室內(nèi)土工試驗(yàn)

土工試驗(yàn)主要是測(cè)定土的物理、力學(xué)、化學(xué)和其它工程性質(zhì)，用于巖土工程設(shè)計(jì)、施工控制、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)等，主要試驗(yàn)指標(biāo)包含土的基本物理性質(zhì)、土的壓縮性、土體強(qiáng)度、土體滲透性等。

在土層工程勘探工作中，室內(nèi)土工試驗(yàn)是十分重要的一部分。以工程建設(shè)的具體要求為準(zhǔn)，試驗(yàn)操作人員通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化儀器的使用，在嚴(yán)格遵循標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)規(guī)程下，針對(duì)多種試驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)收集，為工程施工提供可靠的物理性能參數(shù)。這些數(shù)據(jù)可以作為設(shè)計(jì)人員進(jìn)行建筑工程的設(shè)計(jì)和材料選擇的依據(jù)。

由于存在土層本身的不均勻，取樣、運(yùn)輸過(guò)程中的擾動(dòng)，試驗(yàn)設(shè)備本身誤差，試驗(yàn)人員操作誤差，試驗(yàn)人員理論和實(shí)操素質(zhì)詫異等，室內(nèi)土工試驗(yàn)中測(cè)試的結(jié)果往往存在一定的不準(zhǔn)確性。這些不準(zhǔn)確性將會(huì)影響到工程設(shè)計(jì)的質(zhì)量。因此在進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)時(shí)，要充分注意以上問(wèn)題，盡最大可能保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

2 一種新型平板載荷儀介紹

平板載荷試驗(yàn)是檢測(cè)地基承載力最有效的方法，試驗(yàn)通常采用慢速維持荷載法，耗時(shí)最短達(dá)到20多小時(shí)，且每個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)須至少配備專業(yè)1名試驗(yàn)員，對(duì)于大型重要工程，檢測(cè)數(shù)量較多，歷時(shí)較長(zhǎng)，采用人工記錄和加荷方式，需要試驗(yàn)人員太多，或試驗(yàn)工期延長(zhǎng)。鑒于此，嘗試研究一種新型平板載荷儀，將自動(dòng)采集系統(tǒng)及模塊、新型變形和壓力測(cè)量傳感裝置、數(shù)據(jù)有線或無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行集成創(chuàng)新，在滿足規(guī)范的前提下，可一人同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)試驗(yàn)，采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，減少專業(yè)試驗(yàn)人員，以提高工效、節(jié)省人力資源、減少工期。

該新型無(wú)線平板載荷儀主要用于地基平板載荷試驗(yàn)，相對(duì)于傳統(tǒng)儀器其優(yōu)勢(shì)在于：基于藍(lán)牙4.0通信協(xié)議現(xiàn)實(shí)主機(jī)與傳感器的一對(duì)多連接配對(duì)；通信連接穩(wěn)定、可視條件下傳輸距離可達(dá)60米，超低功耗的設(shè)計(jì)使得傳感器的續(xù)航時(shí)間達(dá)到6個(gè)月，極大程度上解決了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)接線雜亂無(wú)序的問(wèn)題。該系統(tǒng)由主機(jī)、無(wú)線數(shù)字位移傳感器和無(wú)線壓力測(cè)試儀組成，儀器主機(jī)見圖1。

圖1 新型無(wú)線平板載荷儀

該系統(tǒng)采用了純數(shù)字無(wú)線物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，配以自主研發(fā)的通訊協(xié)議，保證了主機(jī)與傳感器間的通信穩(wěn)定和安全。主機(jī)材質(zhì)采用強(qiáng)化塑膠，一體化設(shè)計(jì)，表面涂有微晶涂層，配備10.1寸超大高亮1920*1080高分辨率屏幕，顯示效果盡善盡美。主機(jī)搭載八核MSM8939處理器，3G/32G內(nèi)存，各種操作順暢無(wú)阻。存儲(chǔ)容量可擴(kuò)展到最大128G，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)海量存儲(chǔ)。另外，主機(jī)采用高容量電池，續(xù)航時(shí)間可達(dá)8小時(shí)。

為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)上傳功能，主機(jī)已實(shí)現(xiàn)4G全網(wǎng)通/WiFi聯(lián)網(wǎng)，自帶GPS定位功能，實(shí)現(xiàn)真正的測(cè)點(diǎn)定位。傳感器采用超低功耗設(shè)計(jì)，理論續(xù)航時(shí)間可達(dá)6個(gè)月，其與主機(jī)采用無(wú)線連接通信方式。另外，采集軟件可自動(dòng)更新，能夠適配各種最新出臺(tái)的規(guī)范。

3 工程應(yīng)用

為了進(jìn)一步驗(yàn)證并完善該新型無(wú)線平板載荷儀的實(shí)用性與適用性，將該儀器用于汕頭某500kV變電站三通一平工程的回填碾壓地基承載力檢測(cè)中，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)，對(duì)該工程回填碾壓地基的處理效果進(jìn)行了驗(yàn)收檢測(cè)與評(píng)價(jià)。

圖2 Y1試驗(yàn)點(diǎn)的p-s曲線與s-lgt曲線

表1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2.10-2.40 32 32.0 B2 10.004.50-4.80 42 38.6 6.90-7.20 34 30.0 8.95-7.25 39 32.0 33.1 全風(fēng)化花崗巖層2.10-2.40 25 25.0 B3 10.0030.3 全風(fēng)化花崗巖層4.50-4.80 33 30.4 6.90-7.20 41 36.1 9.30-9.60 36 29.5

表2 重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)可知，該新型無(wú)線平板載荷儀操作簡(jiǎn)單，適用性強(qiáng)，具有數(shù)據(jù)采集精度高、遠(yuǎn)程控制數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳、電池續(xù)航能力大等優(yōu)點(diǎn)，具有很大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

平板載荷試驗(yàn)的應(yīng)力影響深度大約為2倍的壓板寬度，主要是對(duì)淺部土層地基承載力進(jìn)行測(cè)試評(píng)價(jià)；標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)與重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)試驗(yàn)準(zhǔn)確性沒有平板載荷試驗(yàn)的準(zhǔn)確性高，但其可由上至下連續(xù)大深度范圍內(nèi)判定地基土承載力。因此將該三種方法結(jié)合使用可以準(zhǔn)確的對(duì)整個(gè)土層地基承載力進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)判定。針對(duì)本工程的回填碾壓地基，結(jié)合三種試驗(yàn)方法檢測(cè)結(jié)果，該壓實(shí)填土在檢測(cè)深度范圍內(nèi)的地基承載力特征值滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

（1）該新型平板載荷儀具有實(shí)時(shí)傳輸、一對(duì)多連接配對(duì)、定位精確、續(xù)航能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的實(shí)用性與適用性。（2）平板載荷試驗(yàn)、標(biāo)貫取土試驗(yàn)、重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)相互結(jié)合的檢測(cè)方案可較好的對(duì)土層地基承載力進(jìn)行綜合判定評(píng)價(jià)。