載荷試驗(yàn)中承壓板尺寸效應(yīng)研究

梁耀哲 王偉浩 張俊祿 丁永志

（1.河北省建筑科學(xué)研究院有限公司，河北 石家莊 050227；2.河北建研建筑設(shè)計(jì)有限公司，河北 石家莊 050021；3.石家莊市預(yù)制樁研究與應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心，河北 石家莊 050021；4.建華建材（河北）有限公司，河北 邢臺(tái) 054100）

0 引言

高層建筑、橋梁和港口等都需要一個(gè)承載力高且變形小的地基環(huán)境。于是，衍生出水泥粉煤灰碎石樁法、石灰樁法、灰土擠密樁法等諸多地基處理方法[1]。就樁基礎(chǔ)而言，它們通過(guò)基礎(chǔ)本身以及樁周土的相互作用傳遞上部荷載，使自身可以承擔(dān)更大的荷載，同時(shí)擁有很好的抗傾覆穩(wěn)定性。對(duì)樁基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)，其承載能力是一個(gè)非常重要的指標(biāo)。

載荷試驗(yàn)是目前比較可靠的一種方法，它可以檢測(cè)地基的承載力，被引入各國(guó)的工程檢測(cè)規(guī)范之中。載荷試驗(yàn)是在承壓板上通過(guò)逐級(jí)施加軸向力或水平力，然后監(jiān)測(cè)檢測(cè)點(diǎn)的軸向位移或水平位移隨時(shí)間的變化情況，由此構(gòu)成Q-S關(guān)系曲線（即荷載與位移的關(guān)系曲線），通過(guò)此曲線來(lái)確定相應(yīng)的承載力特征和變形特征的方法。隨著工程技術(shù)的進(jìn)步，它也分為淺層平板載荷試驗(yàn)、深層平板載荷試驗(yàn)、復(fù)合地基載荷試驗(yàn)等多種試驗(yàn)方法[2]。承壓板作為試驗(yàn)過(guò)程中不可或缺的部分，它可以模擬地基與基礎(chǔ)之間的傳力設(shè)備，它的性質(zhì)對(duì)于載荷試驗(yàn)的準(zhǔn)確結(jié)果起到了關(guān)鍵性作用。而承壓板的尺寸效應(yīng)一直是影響試驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)因素，本文將研究載荷試驗(yàn)中承壓板尺寸效應(yīng)的研究現(xiàn)狀，同時(shí)結(jié)合實(shí)例展示尺寸效應(yīng)的存在。

1 承壓板的尺寸效應(yīng)研究

1.1 各國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中承壓板尺寸要求的異同

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中《巖土工程勘察規(guī)范》[GB 50021-2001（2009版）][3]、《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）[4]以及其他國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)[5]中關(guān)于承壓板的內(nèi)容[6]匯總，見(jiàn)表1所示。

表1 各國(guó)的規(guī)范中承壓板面積要求對(duì)比

由表1 可以看出我國(guó)承壓板的類型建議為圓形，且在規(guī)范中對(duì)淺層和深層進(jìn)行了劃分，在常見(jiàn)土質(zhì)類型下給出承壓板尺寸的最小值或使用值，前蘇聯(lián)和美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)承壓板尺寸給出了一定的尺寸范圍，歐盟和波蘭標(biāo)準(zhǔn)則給出了最小值。這看出美歐國(guó)家對(duì)于承壓板尺寸的應(yīng)用給與了很大空間，對(duì)于承壓板尺寸的設(shè)計(jì)存在很大彈性，而在我國(guó)則要求較為嚴(yán)格一點(diǎn)，縮小了一定的范圍。上述現(xiàn)象的原因一方面是各國(guó)所處地理位置不盡相同，地質(zhì)條件有所差距，試驗(yàn)條件也是參差不齊，工程以及研究結(jié)果相差較大，一方面是各國(guó)對(duì)于規(guī)范的應(yīng)用范圍存在差異，不同結(jié)構(gòu)或工程對(duì)相同試驗(yàn)的要求是不同的，同時(shí)，綜合的規(guī)范數(shù)量較少也會(huì)對(duì)結(jié)果分析造成影響。但這也激發(fā)各國(guó)學(xué)者對(duì)承壓板的尺寸效應(yīng)與不同地質(zhì)條件之間的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行探索。

1.2 承壓板尺寸效應(yīng)的研究進(jìn)展

承壓板屬于載荷試驗(yàn)的一部分，它的不同形狀和面積條件會(huì)對(duì)下部結(jié)構(gòu)的承載力和沉降位移產(chǎn)生不同影響。我國(guó)發(fā)展初期并未對(duì)承壓板予以重視，對(duì)承壓板的面積和尺寸等對(duì)承載力的影響均忽略不計(jì)。

在20世紀(jì)40年代，歐洲國(guó)家便已經(jīng)對(duì)不同承壓板尺寸和沉降之間的關(guān)系進(jìn)行了探索，得到了承壓板直徑在20~30cm 之間時(shí)沉降最小的結(jié)論，后續(xù)Camblefort給出承壓板尺寸應(yīng)該大于30cm[7]。直到20 世紀(jì)70 年代左右，模型試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)受到了廣泛應(yīng)用和發(fā)展，到70 年代末期，王鍾琦[8]真正意義上提出了要考慮載荷板的尺寸效應(yīng)，對(duì)于載荷試驗(yàn)的技術(shù)，不能僅局限在設(shè)備和方法上的創(chuàng)新，還要從理論研究出發(fā)獲得從根本上指導(dǎo)載荷試驗(yàn)的技術(shù)。相繼，陳宗岳[9]提到地基的承載力和變形與基礎(chǔ)的大小和形狀有關(guān)，所以現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)僅用方板顯然是不夠全面的。此時(shí)我國(guó)的載荷試驗(yàn)的承重板基本為30cm 或50cm 的方形板，局限性很大。國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始將不同尺寸和形狀的承壓板應(yīng)用到載荷試驗(yàn)中去，崔托維奇建議承壓板為方形時(shí)的邊長(zhǎng)為45cm，圓形時(shí)的直徑為30~35cm。我國(guó)冶金部勘察系統(tǒng)結(jié)合大量實(shí)際工程數(shù)據(jù)，建議承壓板為方形時(shí)的邊長(zhǎng)為50cm，圓形時(shí)的直徑為30cm。

1997 年，由蒙高頭[10]綜合前人經(jīng)驗(yàn)，提到承壓板是影響載荷試驗(yàn)精度的因素之一，且沉降量隨著承壓板邊長(zhǎng)的增加呈現(xiàn)一個(gè)凹形拋物線的形式，故沉降值存在一個(gè)最小值，對(duì)應(yīng)的尺寸效應(yīng)最小。結(jié)合鐵道系統(tǒng)在70 年代做的載荷板試驗(yàn)，故提出承壓板面積的合理下限是1000cm2，合理的承壓板面積是1000~5000cm2。進(jìn)入21 世紀(jì)初期，秦然等[11]、鄭剛等[12]、肖冰等[13]、王小明[14]和辛明靜等[15]學(xué)者對(duì)承壓板的尺寸效應(yīng)和復(fù)合地基的承載力之間的關(guān)系和問(wèn)題進(jìn)行探討和說(shuō)明，推動(dòng)承壓板尺寸效應(yīng)進(jìn)入更多研究學(xué)者的視野，為后續(xù)的對(duì)于承壓板的尺寸效應(yīng)的大范圍研究奠定了基礎(chǔ)。至2005 年，我國(guó)和德國(guó)的載荷板主要是30cm、50cm、76.2cm 3 種規(guī)格的載荷板，日本有30cm、40cm、75cm3種規(guī)格的載荷板[16]。對(duì)于3種尺寸承壓板的應(yīng)用，其中對(duì)30cm 的使用，符合以往的大量數(shù)據(jù)、研究成果和實(shí)際工程實(shí)測(cè)，對(duì)76.2cm 的使用，根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，可能是將其中對(duì)最大值有明確量化的美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)作為依據(jù)，其最大面積對(duì)應(yīng)的直徑當(dāng)作實(shí)際應(yīng)用中的最大直徑，對(duì)50cm 的使用，可能是根據(jù)我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范中承壓板面積不小于0.25m2得到的。但從同時(shí)期的研究看出對(duì)于承壓板的形狀不僅僅只有圓形，尺寸也不僅僅局限在這3種，這說(shuō)明對(duì)于實(shí)際工程而言，選擇合適的承壓板才能取得可靠的結(jié)果，這方面歐美國(guó)家較彈性的規(guī)范方法有一定可取性，但在綜合大量數(shù)據(jù)后，取得定量分析后，嚴(yán)格規(guī)范可以保證工程質(zhì)量，所以對(duì)于大量試驗(yàn)與數(shù)據(jù)的綜合和定量分析，也是未來(lái)探索的一個(gè)方向。

近幾年，由于有限元軟件的開(kāi)發(fā)，對(duì)于不同承壓板尺寸對(duì)地基性質(zhì)影響規(guī)律的研究更加深入，諸多學(xué)者基于不同的地質(zhì)和工程條件，通過(guò)模型試驗(yàn)[17]，以及數(shù)值模擬[18-21]軟件對(duì)承壓板的尺寸效應(yīng)進(jìn)行定性研究，其在減小研究成本的同時(shí)，也可對(duì)復(fù)雜的地質(zhì)情況和承壓板的尺寸效應(yīng)進(jìn)行研究。

2 承壓板尺寸效應(yīng)的應(yīng)用分析

2.1 工程概況

以某住宅樓的實(shí)際工程為例，土層的主要類型及其主要參數(shù)分別為①雜填土，其重度為19kN/m3，泊松比為0.32，壓縮模量為7.5MPa，黏聚力為18kPa，內(nèi)摩擦角為21°；②粉質(zhì)黏土，其重度為19.5kN/m3，泊松比為0.31，壓縮模量為10.2MPa，黏聚力為28kPa，內(nèi)摩擦角為22°；③粉質(zhì)黏土，其重度為19.2kN/m3，泊松比為0.31，壓縮模量為9.2MPa，黏聚力為22kPa，內(nèi)摩擦角為21°。

2.2 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)《巖土工程勘察規(guī)范》[GB 50021-2001（2009版）]和《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2011）中要求，采用的承壓板面積為0.25m2，形狀分別為圓形與方形，分別進(jìn)行載荷試驗(yàn)，載荷分為6 級(jí)，分別為30kPa、60kPa、90kPa、120kPa、150kPa、160kPa。

2.3 結(jié)果分析

作兩種形狀的承壓板進(jìn)行載荷試驗(yàn)時(shí)的載荷與沉降變化曲線圖，如圖1所示。從圖1中可以看出同一面積的不同承壓板形狀所測(cè)的沉降值也不盡相同，前兩級(jí)荷載下方形板與圓形板的沉降差距不大，后四級(jí)荷載下方形板在各級(jí)荷載下的沉降量均比圓形板的沉降量小，其中方形板的最終沉降量為3.051mm，圓形板的最終沉降量為4.045mm，相對(duì)于方形板最終沉降量增幅為32.6%。這是由于圓形板邊緣的應(yīng)力分布是均勻，更容易擴(kuò)散，方形板因?yàn)樗慕堑拇嬖?，?yīng)力集中較強(qiáng)，使加荷初期兩者沉降差距不大，隨著荷載與時(shí)間的增加，圓形板應(yīng)力更容易發(fā)生擴(kuò)散，使最終沉降量變大。這也說(shuō)明了承壓板尺寸效應(yīng)的存在。

圖1 載荷與沉降變化圖

載荷試驗(yàn)加載過(guò)程中，在上部應(yīng)力施加后，應(yīng)力先以接觸面為基準(zhǔn)，沿豎向和水平向逐漸擴(kuò)大傳遞，到達(dá)某一深度時(shí)，水平方向上應(yīng)力影響的范圍達(dá)到最大，然后繼續(xù)向下傳遞，直到豎向影響范圍達(dá)到最大，此時(shí)土中應(yīng)力與上部荷載達(dá)到平衡。接觸面越大，地基中的應(yīng)力和水平向（豎向）影響范圍也會(huì)相應(yīng)增大，這也使地基沉降相應(yīng)的增大。而應(yīng)力擴(kuò)散的范圍有可能僅包含了地基已經(jīng)加固的區(qū)域，也有可能包含了加固區(qū)[22]以及下部的軟弱層，這其中得到的結(jié)果會(huì)造成試驗(yàn)結(jié)果與實(shí)際有偏差。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）歐美國(guó)家對(duì)于承壓板尺寸的設(shè)計(jì)與應(yīng)用有較大彈性，而我國(guó)的要求較為嚴(yán)格一點(diǎn)。

（2）對(duì)于承壓板尺寸效應(yīng)的研究方興未艾，定性分析承壓板尺寸效應(yīng)的研究較多，對(duì)于具體指標(biāo)的量化以及依據(jù)仍需要進(jìn)一步探索。

（3）相同面積條件下，圓形與方形承壓板的最終沉降量表現(xiàn)不同，圓形板相對(duì)于方形板最終沉降量增幅為32.6%，尺寸效應(yīng)較明顯，故在實(shí)際工程中，仍需對(duì)承壓板的尺寸效應(yīng)進(jìn)行預(yù)估。