超載作用下軟土地基承載力平板載荷試驗研究*

鞠紅 尹 張文龍

0 引言

地基承載力問題是土力學(xué)中一個重要的研究課題,在進行巖土工程設(shè)計、計算時,地基承載力是地基土的一個十分重要的性能指標(biāo),地基承載力的正確選取和評價,是保證地基基礎(chǔ)設(shè)計正確、合理的重要條件。確定地基承載力的方法一般有原位試驗法、理論計算法、規(guī)范表格法、經(jīng)驗法等。但現(xiàn)場平板荷載試驗法可以取得較精確可靠的地基承載力,并且具有直觀和可靠性高的特點,在原位測試中占有重要地位,往往成為其他方法的檢驗標(biāo)準(zhǔn)。

1 試驗方法及原理

平板載荷試驗相當(dāng)于在工程原位進行的縮尺原型試驗,即模擬建筑物地基土的受荷條件,比較直觀地反映地基土的變形特性?；A(chǔ)的埋置深度以及基礎(chǔ)寬度對地基承載力存在著影響,目前大部分平板載荷試驗通常是在基礎(chǔ)底面標(biāo)高處進行,為了滿足理論分析的半無限空間的表面邊界條件,規(guī)范規(guī)定試坑的坑底寬度至少為壓板寬度的3倍,從而盡量消除試坑四周超載對平板載荷試驗結(jié)果的影響,因此試驗得到的地基承載力并不包括基礎(chǔ)底面以上土層的超載作用。

但實際工程中基礎(chǔ)都是有一定埋深的,相當(dāng)一部分工程因為上部結(jié)構(gòu)抗拔和荷載偏心要求基礎(chǔ)埋置深度比較大,應(yīng)該考慮周邊土層超載的影響,將平板載荷試驗得到的承載力結(jié)果直接用于實際工程是偏小的,會對場地的承載力造成大量的浪費。因此本試驗通過對周圍考慮超載的平板載荷試驗進行研究,通過在相同地質(zhì)條件、同一埋置深度、試驗方法相同等條件下周邊存在超載和無超載的承載力的結(jié)果來研究基礎(chǔ)埋置深度對地基承載力大小的影響。

2 場地地質(zhì)條件及現(xiàn)場試驗研究

2.1 試驗場地概況

本試驗場地位于長江三角洲前緣,其地貌屬于沖積平原類型,場地地勢平坦,部分場地為原居民區(qū),從其地質(zhì)時代、成因類型、結(jié)構(gòu)特征、土性不同和物理力學(xué)性質(zhì)上的差異可劃分為9層和分屬不同層次的亞層,詳細地層分布如下:

第①1層素填土;第②層粉質(zhì)黏土;第③層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;第④層淤泥質(zhì)黏土;第⑤1層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土;第⑤3層粉質(zhì)黏土;第⑦層粉質(zhì)黏土夾粘質(zhì)粉土;第⑧層粉質(zhì)黏土。

2.2 試驗設(shè)計及設(shè)備布置

本次試驗反力裝置采用堆載反力梁系,反力裝置的安裝嚴格按照相關(guān)規(guī)范的具體要求實施。加載設(shè)備為油壓千斤頂,加荷量值的量測控制由一經(jīng)嚴格系統(tǒng)標(biāo)定的測力系統(tǒng)來實現(xiàn)。載荷板采用0.707 m×0.707 m正方形鋼板,面積為0.5 m2。載荷板的沉降量由四只對稱布置的大量程百分表量測,百分表通過磁性表座固定在基準(zhǔn)梁上。

本次平板載荷試驗個數(shù)為4個,編號分別為JZ1,JZ2,JZ3,JZ4,其中JZ1,JZ2為一組,基本位于場地的同一位置;JZ3,JZ4為一組,基本位于場地的同一位置。JZ1,JZ4兩點試驗無超載,JZ2,JZ3兩點通過在壓板四周設(shè)置1 m厚的砂包來模擬側(cè)向超載,超載范圍為1 m,用以研究超載對地基承載力的影響。

本場地大部分區(qū)域原為農(nóng)田,表面分布有一薄層耕植土,為了更能反映天然地基承載力的真實結(jié)果,將表面耕植土清除,再開挖試坑,試坑的平面尺寸為2.1 m×2.1 m,試坑開挖到②1層頂。根據(jù)現(xiàn)場開挖情況,對于本場地開挖深度大約為40 cm～50 cm。

另外為了保證上部堆載均勻,降低對試驗結(jié)果精度的影響,本試驗上部堆載采用充水的方法,試驗加載級數(shù)以及穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)等均按GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范的相關(guān)規(guī)定嚴格執(zhí)行。具體試驗平面布置示意圖如圖1所示。

3 試驗數(shù)據(jù)及結(jié)果分析

依據(jù)GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范中關(guān)于承載力特征值的判定要求:當(dāng)壓力—沉降曲線上極限荷載能確定,而其值不小于對應(yīng)比例極限的2倍時,可取比例極限;當(dāng)其值小于對應(yīng)比例極限的2倍時,可取極限荷載的1/2;當(dāng)壓力—沉降曲線為平緩的光滑曲線時,可按相對變形值,取s=0.01b所對應(yīng)的荷載值。本次兩組平板載荷試驗曲線均為平緩的光滑曲線,因此本次平板載荷試驗數(shù)據(jù)承載力、沉降分析統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

從表1可知,超載能大大提高天然地基的承載力,有超載的JZ2地基承載力設(shè)計值比未超載的JZ1提高約23%;有超載的JZ3地基承載力設(shè)計值比未超載的JZ4提高約38%。

表1 平板載荷試驗結(jié)果統(tǒng)計表

依據(jù)GB 50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范5.2.4條的規(guī)定,由載荷試驗確定的地基承載力特征值,尚應(yīng)進行深度和寬度修正。

針對本次試驗,周邊存在超載與不存在超載對比,需要進行深度修正,因此對于JZ1和 JZ4點來說,采用公式 fa=fak+ηdγm(d-0.5)進行計算。

其中,fa為修正后的地基承載力特征值;fak為不考慮基礎(chǔ)埋置深度的地基承載力特征值;ηd為深度修正系數(shù);γm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度;d為基礎(chǔ)埋置深度。針對本試驗 ηd取1.6,γm取18.5 kN/m3,d取1 m。

將ηd,γm分別代入公式計算,JZ1和JZ4平板載荷試驗進行深度修正后地基承載力特征值分別為76.8 kPa和58.8 kPa,與相應(yīng)位置處周圍存在超載情況下的JZ2,JZ3點試驗結(jié)果77 kPa,61 kPa相比可知,試驗結(jié)果與理論解還是相當(dāng)接近的,其中在承載力相對比較低的情況下周圍超載對承載力的提高作用相對更明顯一些。

為了研究同樣條件下周圍超載對沉降值的影響,分別將基本位于同一位置的JZ1,JZ2以及JZ3,JZ4點的 Q—s曲線進行對比,如圖2,圖3所示。

由圖2,圖3對比曲線可知,在荷載板周圍存在超載作用時,相同荷載作用下沉降值將會大大減小,主要是由于周圍超載存在限制了其下軟土層向四周擠出及周圍軟土向上鼓起,使軟土層需要較大的外荷載才能使其發(fā)生剪切變形,從而使同等荷載作用下的沉降大大減小,說明周圍存在超載對減小地基沉降有著明顯作用。

4 結(jié)語

通過現(xiàn)場試驗研究表明,周圍存在超載對提高地基承載力和減小沉降有著明顯作用。軟土地區(qū)周圍側(cè)荷載比較大時,軟土地基的破壞模式為刺入剪切破壞,地基承載力一般不允許有過大的不均勻沉降,同時由于周圍超載存在限制了其下軟土層向四周擠出及周圍軟土向上鼓起,從而大大減小了外荷載作用下的沉降值,使地基承載力得到明顯提高。本試驗驗證 了實際工程中如果基礎(chǔ)具有一定的埋置深度,根據(jù)平板載荷試驗得到的地基承載力結(jié)果會偏小,應(yīng)考慮進行深度修正后才能使用。

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