一種平板載荷試驗反力裝置設計與應用

陳 松，溫小凡，林祺常

（1、廣州廣檢建設工程檢測中心有限公司 廣州 510405；2、廣東省建筑物健康監(jiān)測與安全預警工程技術研究中心 廣州 510405）

0 引言

建筑物地基承載力不足會引起失穩(wěn)破壞，嚴重時將導致建筑物整體傾覆、倒塌，因此確定真實的地基承載能力有著重要的意義。測定地基土承載力的原位測試方法主要包括圓錐動力觸探試驗、標準貫入試驗、靜力觸探試驗、平板載荷試驗、旁壓試驗以及扁鏟側脹試驗等，廣泛應用于地質勘查、地基土工程特性和承載力檢測［1-3］。其中平板載荷試驗是檢測天然土地基、處理土地基及復合地基承載力的一種可靠的檢測方法，通過對一定面積的承壓板上向地基土逐級施加荷載，測得地基土的壓力與變形特性。該方法對地基土擾動小，試驗環(huán)境與實際相符，測試成果準確、可靠，是世界各國用以確定地基承載力的最主要方法，也是驗證其他原位測試成果的基礎和標準［4］。

平板載荷試驗常用的反力加載方式分為壓重平臺反力法［5-6］和錨樁反力法［7-8］兩種，這兩種方法最大的區(qū)別在于提供反力的方式，錨樁法通過錨樁提供抗拔力代替堆重提供反力，其最大的優(yōu)勢就在于占地面積小，受場地限制程度小。市政管廊工程基槽開挖常采用明挖形式，該類工程對地基土承載力和差異沉降要求嚴格，地基基礎設計等級較高。根據《建筑地基基礎設計規(guī)范：GB 50007—2011》要求，需進行承載力平板載荷試驗，然而基槽往往呈狹窄條狀，傳統(tǒng)壓重平臺反力裝置因占地面積大，進退場困難，受現(xiàn)場吊裝設備受限等原因，不適宜用于此類工程，此時可采用錨樁法進行試驗。為充分利用現(xiàn)場條件，考慮采用基槽支護鋼板樁代替錨樁提供反力的思想，研發(fā)新型的平板載荷試驗裝置。

綜上所述，本文基于錨樁法思想，創(chuàng)新地提出了一種新型的平板載荷試驗裝置，該裝置由側部立式組件（鋼板樁）、型鋼反力架（工字鋼）、抗剪鋼肋及其連接、位移監(jiān)測裝置構成。試驗前設計驗算了該試驗裝置的鋼板樁抗拔力、工字鋼梁抗彎強度和焊縫抗剪強度。在廣州某市政綜合管廊工程的現(xiàn)澆管廊段基底的級配砂石換填地基開展現(xiàn)場試驗，通時監(jiān)控試驗過程中立式組件的上拔位移量，試驗驗證了該裝置的可行性和安全性。

1 錨樁反力試驗裝置

傳統(tǒng)錨樁反力試驗裝置如圖1所示。主要由反力系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和平板裝置等構成。反力系統(tǒng)含加載反力架（包含主梁和若干次梁），次梁架設于主梁上。試驗前，將反力錨樁、反力架和通過錨固裝置連接成整體，試驗加載過程中通過錨樁的抗拔力提供反力，克服千斤頂?shù)捻斏饔?。錨樁反力裝置克服了傳統(tǒng)壓重平臺反力裝置占地面積大、進場困難、造價高、場地適用性差等缺點，十分適用于進場條件受限、場地狹小和堆載空間不足的試驗環(huán)境。

圖1 錨樁反力裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Pressure-weight Platform Reaction Device

2 新型平板載荷試驗裝置

2.1 設計原理

傳統(tǒng)錨樁反力裝置需要配合錨樁使用，實際工程中，場地條件千變萬化，存在錨樁間距過大或者無錨樁可用的情況，為了克服不利的環(huán)境因素，基于錨樁法的工作原理，將錨樁法引用到平板載荷試驗中。本文基于錨樁法思想提出了一種新型的平板載荷試驗裝置，創(chuàng)新性地采用基坑支撐鋼板樁代替錨樁提供反力，如圖2 所示。該裝置需要利用基槽支撐鋼板樁作為側部立式組件，適用于有鋼板樁支護的管溝工程的地基平板載荷承載力檢測試驗。

圖2 新型平板載荷試驗裝置Fig.2 The New Flat-plate Load Test Device

該反力裝置系統(tǒng)主要由以下4 個部分組成：側部立式組件（鋼板樁）、型鋼反力架（H型）、抗剪鋼肋及其連接、鋼板樁上拔位移監(jiān)測裝置。具體安裝步驟為：①鋼板樁插入，兼支護溝槽和載荷試驗側部立式組件功能；②溝槽開挖至設計基底標高，選定檢測點位，鋪設找平砂墊層并安放合適尺寸的載荷板；③千斤頂放至荷載板中間部位作為荷載傳力裝置，保證在荷載板上軸心傳力；④吊裝合適的型鋼反力架，平面置于千斤頂中心對稱位置，梁底距千斤頂頂部為2～5 cm；⑤根據反力值，在型鋼端部上、下位置，各焊接合適尺寸的抗剪鋼肋于立式組件側面，焊縫要求為滿足設計剪切值；⑥試驗過程中，對側部立式組件的上拔位移進行監(jiān)測，同時監(jiān)視上部抗剪鋼肋焊縫是否脫落，保證試驗安全性。

2.2 設計計算分析

2.2.1 側部立式組件抗拔力驗算

溝槽兩側用作支護結構的兩排鋼板樁兼做為側部立式組件，在承受溝槽外側水、土壓力的同時，也為靜載試驗全過程提供反力。試驗所需反力全部由側部立式組件的抗拔力承擔。單根鋼板樁抗拔力包括鋼板樁與土的吸附力及鋼板樁與土的側面阻力，由于鋼板樁打樁過程會產生擠土效應，擠壓力影響系數(shù)范圍為0～7.6［9］，計算側面阻力時需考慮擠土效應。鋼板樁與土的吸附力計算如式⑴。

式中：U為鋼板樁的周長；L為鋼板樁的長度；τ為鋼板樁與各土層吸附力按土層厚度的加權平均值計算。土層靜吸附力常見取值如表1所示。

表1 土層靜吸附力取值τTab.1 Soil Static Adsorption Value τ （kPa）

鋼板樁與土的側面阻力Fs計算如式⑵。

式中：ea為作用在鋼板樁上的土壓力強度（視支護結構體系剛度和開挖速度等因素，采用主動和靜止土壓力強度之間的值），按?范圍內的土層厚度的加權平均值（N/mm）；B為鋼板樁的寬度；?為鋼板樁樁頂至坑底的長度；μ為鋼板樁與土的摩阻力系數(shù)，一般取0.35～0.4；1.2 為考慮了擠土效應引起的摩阻力影響給出的修正系數(shù)。

鋼板樁抗拔力Fg計算如式⑶。

側部立式組件數(shù)量n計算如式⑷。

式中：even(·)向上取偶數(shù)；F為試驗荷載最大值；1.2 為《組合鋼板樁基坑支護技術規(guī)程：T/ZS 0027-2018》要求的安全系數(shù)。

2.2.2 型鋼反力架抗彎強度驗算

試驗加載過程中，型鋼反力架會受到千斤頂?shù)膲毫?，同時受到兩端抗剪鋼肋的豎向約束。為保證試驗正常進行，型鋼反力架不能發(fā)生受彎破壞。試驗對型鋼反力鋼梁的撓度要求較低，故只對鋼梁進行抗彎強度驗算，根據鋼梁受力及約束裝置特點，假設該梁兩端簡支，中間受集中荷載。主平面內受彎的實腹構件，其抗彎強度應按式⑸驗算。

式中：Mx、My為繞x軸和y軸的彎矩（對工字形截面，x軸為強軸，y軸為弱軸）（N·mm）；Wnx、Wny為對x軸和y軸的凈截面抵抗矩（mm3）；γx、γy為截面塑性發(fā)展系數(shù)（對工字形截面γx=1.05，γy=1.20）；f為鋼材的抗彎強度設計值（N/mm2）。

2.2.3 焊縫抗剪強度驗算

本裝置抗剪鋼肋于反力架鋼梁端部上、下部位，與兩側鋼板樁側面進行焊接，上部抗剪鋼肋用于提供試驗時產生的剪力，下部鋼肋用于承托鋼梁自身的重力。試驗時為保證加載過程中型鋼兩端簡支的受力模型條件，需對限制鋼梁向上移動的上部抗剪鋼肋焊縫進行強度驗算，下部抗剪鋼肋承受反力架鋼梁自身重力，因荷載較小，本文對下部抗剪鋼肋不予詳細介紹。考慮到溝槽整體寬度較小，檢測點可延溝槽中心線布置，故可以假設千斤頂集中荷載分布在鋼梁1/2長度處，鋼梁兩端所受剪力相等。假設單個抗剪鋼肋所受荷載設計值為N，則需對正面角焊縫和側面角焊縫強度進行驗算。

《鋼結構設計標準：GB 50017—2017》［10］規(guī)定：在通過側面焊縫形心剪力作用下，側面角焊縫（作用平行于焊縫長度方向）強度驗算：側面角焊縫（作用平行于焊縫長度方向）：

式中：τf按焊縫有效截面計算，沿焊縫長度方向的剪應力（N/mm2）；he為斜角角焊縫的計算厚度（mm），當30°≤α≤60°或α＜30°時，斜角角焊縫計算厚度he應按現(xiàn)行國家標準《鋼結構焊接規(guī)范：GB 50661—2011》［11］的有關規(guī)定計算取值；N為單條側面角焊縫承受的剪切力；hf為焊腳尺寸；α為兩焊腳邊的夾角；lw為角焊縫的計算長度（mm），未設置引弧板，對每條焊縫取其實際長度減去2?f；fwf為角焊縫的縱向抗剪強度設計值（N/mm2）。

3 應用實例

為驗證新型平板載荷試驗反力裝置的實際工程應用效果，在廣州某市政綜合管廊工程的現(xiàn)澆管廊段基底的級配砂石換填地基上進行了該裝置的平板載荷試驗，現(xiàn)場試驗示意如圖3所示，該試驗目的為檢測淺部地基土層的承載力，為工程驗收提供依據。檢測環(huán)境為鋼板樁支護溝槽內，槽寬2.2 m，基坑深3.0 m，頂部設一道鋼管水平支撐，溝槽基本信息如表2所示，基坑剖面及分層示意如圖4 所示。由于現(xiàn)場條件限制，傳統(tǒng)壓重平臺反力試驗裝置無法實施，故采用新型平板載荷試驗裝置進行試驗。試驗前，根據工程信息對裝置主要構件和節(jié)點進行強度驗算。試驗過程中，采用靜力水準監(jiān)控裝置（見圖5）對鋼板樁豎向位移進行監(jiān)測，保證支護體系不因位移過大失效而影響基坑的安全使用。同時，在試驗過程中，加強對連接焊縫的觀察，出現(xiàn)異常及時采取補救措施。試驗過程依照《建筑地基基礎檢測規(guī)范：廣東省標準DBJ/T 15-60—2019》［12］“平板載荷試驗”要點中的有關規(guī)定進行。

表2 溝槽及地質基本信息Tab.2 Basic Information on Trenches and Geology

圖3 新型平板載荷試驗裝置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the New Plate Load Test Device

圖4 基坑剖面及分層示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Foundation Pit Profile and Stratification

圖5 靜力水準監(jiān)控裝置Fig.5 Static Level Monitoring Device

3.1 工程概況

該工程試驗點的地基承載力特征值為100 kPa，承壓板采用1 m2的剛性方板，最大試驗荷載均取設計承載力特征值的2 倍，按規(guī)范［12］要求反力平臺系統(tǒng)所需承受的總反力為1.2倍最大實驗值。反力平臺系統(tǒng)含2根反力梁，4條鋼板樁、8個抗剪鋼肋及相應數(shù)量的雙面角焊縫。平板載荷試驗點Y-14#的基本情況如下：地基設計標高為3.937 m，檢測標高為3.937 m，地基承載力特征值為100 kPa，最大試驗荷載為200 kN。

3.2 反力平臺系統(tǒng)設計

反力平臺系統(tǒng)設計基本信息如表3所示，基于4根PU400×100×10鋼板樁充當側部立式組件，樁長8 m，入土深5 m，單根抗拔力219.6 kN，驗算滿足最大試驗荷載要求?？辜翡摾邽?50×75×20三角形鋼板，焊縫尺寸lw=150 mm，?f=8 mm，采用E50手工焊（fwf=200 N/mm2），驗算后滿足。反力梁采用HN 450×200×9×14 型鋼，長度與溝槽寬度一致為2.2 m。鋼材Q345B（抗彎強度設計值f=305 N/mm2），驗算滿足

表3 反力平臺系統(tǒng)信息Tab.3 Reaction Platform System Information Sheet

3.3 試驗結果

平板載荷試驗結果如表4 所示，各試驗數(shù)據匯總表見及相應的P～s曲線和s～lgt曲線如圖6、圖7 所示。靜力水準監(jiān)控數(shù)據如表5所示，曲線如圖8所示。

表4 試驗結果一覽表Tab.4 List of Test Results

表5 靜力水準監(jiān)控數(shù)據Tab.5 Static Level Monitoring Data Sheet

圖6 P～s曲線Fig.6 P～s Curve

圖7 s～lgt曲線Fig.7 s～lgt Curve

圖8 靜力水準監(jiān)控數(shù)據曲線Fig.8 Static Level Monitoring Data Graph

檢測過程中，試驗裝置狀況良好，H 型反力鋼梁未出現(xiàn)過大的撓度變形，連接部位焊縫完整，無表面脫落等破壞征兆。靜力水準監(jiān)控結果顯示鋼板樁上拔最大位移為4.2 mm，殘余位移為2.0 mm 左右，側面印證了試驗過程中，鋼板樁對周圍土體造成的影響很小，基本不影響基坑支護結構的使用安全。

本次檢測最大試驗荷載為200 kPa（200 kN），在各級試驗荷載和最大試驗荷載作用下，承壓板沉降均能達到相對穩(wěn)定標準，未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，檢測結果滿足設計要求。

4 結論

⑴本文提出了一種新型的平板載荷試驗裝置，適用于市政和水利工程的基槽底的承載力檢測活動。為適應現(xiàn)場檢測環(huán)境，保證檢測工作的正常進行，采用側部立式組件的抗拔力代替實物堆載來提供反力，具有占地面積小、安裝便捷快速、成本低、可周轉使用及適應性強的優(yōu)點。

⑵在廣州某綜合市政管廊工程上應用該新裝置進行了平板載荷試驗。試驗前，對該裝置設計值進行了計算，對試驗裝置側部立式組件抗拔承載力、型鋼反力架抗彎強度及焊縫抗剪強度進行了驗算，驗證了裝置的可行性，試驗的成功也驗證了該裝置的可靠性。

⑶試驗過程中采用靜力水準監(jiān)控裝置對側部立式組件（鋼板樁）的豎向上拔位移進行了監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據顯示鋼板樁整體上拔位移較小，不影響基坑支護結構的使用安全。

⑷該裝置在應用于其他工程時，可根據試驗所需反力值大小靈活加減側部立式組件、反力架鋼梁和抗剪鋼肋及其連接件的數(shù)量，實現(xiàn)提供抗拔力的最優(yōu)設計，具有較好的實用性和靈活性。