基于原位測試的土地基承載力測量

康金春 王江堤

摘 要：地基土的承載力對工程建設(shè)至關(guān)重要，文章以泉州地區(qū)地層為例，采用靜力觸探法和旁壓測試法對地基土承載力進(jìn)行試驗(yàn)。結(jié)果表明，通過試驗(yàn)確定的地基土能滿足的設(shè)計要求，同時通過測試得到不同土層的化學(xué)構(gòu)成及地質(zhì)分布。

關(guān)鍵詞：原位測試;地基承載力;靜力觸探法

中圖分類號：TU473 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1001-5922（2021）05-0107-04

Measurement of Bearing Capacity of Foundation Based on

In-situ Test

Kang Jinchun， Wang Jiangdi

（Fujian Geotechnical Engineering Investigation and Research Institute Co.， Ltd.， Quanzhou 362000，China）

Abstract：The bearing capacity of foundation soil is very important to engineering construction. Taking the stratum in Quanzhou area as an example， this paper uses static cone penetration method and side pressure test method to test the bearing capacity of foundation soil. The results show that through experiments， the determined foundation soil can meet the design requirements， and at the same time， the chemical composition and geological distribution of different soil layers can be obtained through testing.

Key words：in-situ test; bearing capacity of foundation; static penetration method

地基土的承載力受多種因素影響，對地基土的承載力進(jìn)行研究，對于基礎(chǔ)工程在安全可靠的基礎(chǔ)上，提高經(jīng)濟(jì)性起到極其重要作用。為了更好地分析確定各種地基荷的承載力，張爭強(qiáng)（2015）論文分析了地基荷載測量試驗(yàn)與其他兩種原位荷載試驗(yàn)不同方法地基承載的能力測量差異較大的主要原因，提出了地基荷載測量試驗(yàn)和原位數(shù)據(jù)采集整理的基本方法。根據(jù)理論推導(dǎo)和綜合驗(yàn)算，孫宏偉（2017）等多位專家學(xué)者得出有關(guān)地基基層承載力埋深修正寬度系數(shù)的基本計算公式，即計算基礎(chǔ)基層寬度和地基埋深[1]。張欽喜（2015）等幾個人最后利用一種假定地基滑動的平面法成功推導(dǎo)了一種新的下方地基土體承載力計算公式，它不僅直接考慮了固體地基上方土的基礎(chǔ)重力對下方地基土體承載力的直接貢獻(xiàn)，同時它還考慮到了地基上方基礎(chǔ)土體的地基粘聚力和地基抗彈性剪力的強(qiáng)度對上方地基土體承載力的直接貢獻(xiàn)，使得的計算結(jié)果更加合理[2-3]。上述相關(guān)文獻(xiàn)研究促進(jìn)了我國地基建筑承載力問題研究的穩(wěn)步發(fā)展。然而，這些試驗(yàn)研究沒有充分考慮流體抽樣尺寸擾動和流體荷載應(yīng)力試驗(yàn)的流體尺寸擾動效應(yīng)對流體承載力測量指標(biāo)是否確定的直接影響。因此，如何直接確定建筑地基的地基承載力仍然一直是土力學(xué)研究中的一個重要難題。本研究則嘗試通過試驗(yàn)的方式對地基的力學(xué)特性進(jìn)行分析。

1 研究區(qū)域概況

選擇的研究區(qū)域生態(tài)地貌簡單，地勢開闊，地形平坦，位于東南沿海地區(qū)?？碧近c(diǎn)地面高程5～50m不等，根據(jù)現(xiàn)場地基層面鉆探，選擇地表至地下20m的土體作為勘探范圍。在該范圍內(nèi)，土體結(jié)構(gòu)豐富，主要由第四系全新世海積、沖洪積地層及中晚更新世殘積土層，主要地層自上而下如下：

雜填土：雜色，稍濕-濕，稍密，主要由砂質(zhì)粘性土、碎磚瓦礫等組成，局部含生活垃圾等雜物，層厚1.0～4.9m。

淤泥質(zhì)土：灰色、深灰色，呈飽和、流塑狀態(tài)，主要由粘粒、粉粒組成，局部夾薄層粉細(xì)砂，層厚2.00～10.30m，部分地段分布，海積成因。

中砂：灰色、深灰色等，呈飽和、稍密狀態(tài)，主要由細(xì)粒、中粒砂組成，含泥5%～15%不等，層厚1.30～3.50m，部分地段分布。

粉質(zhì)黏土：黃、褐、灰色等，呈濕、可塑偏軟～可塑偏硬狀態(tài)，主要由粘粒、粉粘和砂粒組成，含砂量10%～40%不等，層厚2.70～10.70m，沖洪積成因。

殘積砂質(zhì)黏性土：黃色、灰白、褐黃色等，呈濕、可塑～硬塑狀態(tài)，主花崗巖風(fēng)化殘積而成的粘粒、粉粒及石英砂組成，石英砂礫含量40%～70%不等，層厚1.30～20.70m。

2 試驗(yàn)方法與步驟

2.1 靜力觸探法

2.1.1 基本原理

靜力觸探儀的作用原理是應(yīng)用具有穩(wěn)定壓力的探頭以恒定的速度進(jìn)入被測土壤中，然后通過電子電路將鉆頭的電阻應(yīng)變計顯示在操作面板上。具體原理是采用功率應(yīng)變電阻測試技術(shù)。大多數(shù)探針都使用這種方法。探針的空心圓柱上有兩種橋型布置。第一種是半橋式?？招闹杏?個電阻應(yīng)變片，其中兩個是橫向壓縮，兩個是垂直拉伸。在這種布置方式中，只有垂直受拉的電阻應(yīng)變片處于工作狀態(tài)，而側(cè)向壓縮下的應(yīng)變片起到保持整體儀器處于平衡狀態(tài)。第二種橋型裝置是全橋式，在這種橋型布置中，不像半橋式的布置，其工作狀態(tài)需要兩組電阻感應(yīng)器共同作用。如圖1所示。

2.1.2 試驗(yàn)主要設(shè)備及試驗(yàn)步驟

（1）觸探主機(jī)：觸探主機(jī)主要包括液壓式觸探主機(jī)和機(jī)械式觸探主機(jī)。兩者之間的區(qū)別在于兩者對土壤提供壓力的方式不同。本文選用液壓式觸探主機(jī)主要是因?yàn)楸敬螌?shí)驗(yàn)所需要的壓力較大，機(jī)械式的難以滿足本次實(shí)驗(yàn)需要。此外，液壓式觸探主機(jī)的攜帶方式簡單，一般車輛即可滿足轉(zhuǎn)移需求，并且此次的實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于西北地區(qū)，地形較復(fù)雜，采用車載的方式，適用于本次實(shí)驗(yàn)，大大降低了勞動強(qiáng)度。

（2）反力裝置：因本次實(shí)驗(yàn)采用的液壓式觸探主機(jī)，所以反力裝置通過運(yùn)載車輛車體重量提供。

（3）實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段：首先要做的是根據(jù)實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)詳細(xì)的地質(zhì)資料，選擇符合各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)條件的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。當(dāng)選定實(shí)驗(yàn)設(shè)備后，檢查各項(xiàng)設(shè)備運(yùn)行是否正常。

（4）實(shí)驗(yàn)開始階段：將實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)打理平整，確保實(shí)驗(yàn)環(huán)境條件穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)開始前，再次檢查設(shè)備，確保設(shè)備無故障后，調(diào)整設(shè)備，固定反力裝置（本實(shí)驗(yàn)選用車為反力裝置），連接量測儀器與傳感器，開通電源，進(jìn)行設(shè)備預(yù)熱，正式開始實(shí)驗(yàn)。

（5）實(shí)驗(yàn)階段：當(dāng)探頭伸入土層約1m后，等待探頭溫度降至土層溫度，要先將儀器停止，待儀表歸零后，繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在不同深度循環(huán)此操作;根據(jù)電子應(yīng)變儀的數(shù)值變化，每下探10cm記錄一次數(shù)據(jù)。

（6）實(shí)驗(yàn)后期：測試當(dāng)觸探達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求的貫穿嵌入試驗(yàn)深度，圓錐形式觸摸試探儀的最大傾斜度不應(yīng)超過觸探允許嵌入范圍，當(dāng)觸探達(dá)到最大深度允許貫穿嵌入力時，應(yīng)立即停止試驗(yàn)。

（7）試驗(yàn)結(jié)束階段：拔出探桿，并將儀器全部恢復(fù)至初始狀態(tài)。值得注意的是，在使用探頭后，應(yīng)立即對其進(jìn)行清洗和上油保護(hù)。

2.2 旁壓試驗(yàn)法

2.2.1 試驗(yàn)原理

旁壓試驗(yàn)法的實(shí)驗(yàn)原理其實(shí)就是在實(shí)驗(yàn)前已經(jīng)鉆好的孔中，對孔壁施加一定的壓力，根據(jù)壓力和體積的變化，建立相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)曲線，如圖2所示，一般情況下可將曲線細(xì)分為3段：

曲線AB段：在初始階段，該階段主要反映孔壁周圍的土體被壓縮的狀況。

曲線BC段：處于準(zhǔn)彈性階段，該階段，曲線近乎為直線，表示壓力與體積線性相關(guān)。

曲線CD段：處于塑性階段，該階段，體積隨壓力的增加而增大，直到塑性體積達(dá)到最大值。

第一、二段曲線的臨界壓力斜率相當(dāng)于臨界初始的水平塑性壓力斜率P0，第二、三段曲線的水平邊界壓力斜率相當(dāng)于臨界初始塑性的水平壓力Pf，根據(jù)旁壓剪切曲線中的標(biāo)準(zhǔn)水平彈性壓力階段（BC段）的邊界壓力斜率，由圓筒體的膨脹軸對稱平面應(yīng)變的水平彈性壓力理論的解釋可得到旁壓模量EM和旁壓剪切模量GM。

式中：μ表示土的泊松比;Vc表示旁壓器的固有體積;V0表示與初始壓力p0對應(yīng)的體積;Vf表示與臨塑壓力pf 對應(yīng)的體積;/表示旁壓曲線直線段的斜率。

2.2.2試驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)開始前，檢查校準(zhǔn)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)儀器。

（1）查詢實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)的環(huán)境資料和地層情況，確定測試位置和測量深度。

（2）檢查實(shí)驗(yàn)儀器，確保正常。

（3）校準(zhǔn)儀器。

（4）將探測儀器放入預(yù)鉆孔中，并確保各控制儀器數(shù)值歸零。

（5）實(shí)驗(yàn)階段：以預(yù)先計算的壓力的1/7，逐步對孔壁增加壓力，每隔15s記錄一次壓力水位變化。

（6）實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，若水位降至最大允許數(shù)值（s≤35cm）或壓力達(dá)到儀器最大限定值，則實(shí)驗(yàn)終止。

3 試驗(yàn)測量結(jié)果

3.1 靜力觸探測試結(jié)果

3.1.1 摩阻比等系數(shù)確定

以ZK1（圖1）作為實(shí)驗(yàn)點(diǎn)。靜力觸探試驗(yàn)設(shè)備選用車載CPT設(shè)備，探頭布置方式選擇雙橋式，因?yàn)榇藢?shí)驗(yàn)需要同時測量錐尖阻力和側(cè)摩阻力，各測點(diǎn)的摩阻比可按式（1）進(jìn)行計算。

根據(jù)計算得到圖3的結(jié)果。

3.1.2 地基承載力確定

根據(jù)錐尖阻力qc和地基承載力的經(jīng)驗(yàn)公式（4），進(jìn)行了計算：

式中：f為地基承載力，kPa;qc為錐尖阻力，kPa

每層土層地基承載力的平均值可由公式（1）確定，如表1所示。

表1顯示了各土層的地基承載力，為了保證通過旁壓實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，需要結(jié)合室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。以2-1層為例，地基承載力平均值為181kPa，3-2層地基承載力平均值為305kPa。比對室內(nèi)土工試驗(yàn)的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可以得出結(jié)論：土層中含水率與地基承載力呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

3.2 旁壓試驗(yàn)結(jié)果處理及分析

3.2.1 旁壓測試結(jié)果

測試地點(diǎn)選擇ZK1，測試儀器選擇最大探測深度25m，最大壓力范圍10000kPa的MENA壓力計。圖5為深度19處ZK1的壓力計測試曲線。

4 結(jié)論

通過基于原位測試所確定的地基承載力，可得到相對可靠的地基承載力。利用摩阻比、錐尖阻力與地層埋深之間的關(guān)系對土層進(jìn)行了劃分，從而更詳細(xì)準(zhǔn)確查明地基土的分布情況。

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