既有建筑物增層地基承載力確定方法淺析

【摘 要】文章結(jié)合工程實例對既有建筑物地基承載力進(jìn)行試驗研究。研究表明：既有建筑物地基土具有超固結(jié)土的性質(zhì)，不宜通過以往經(jīng)驗來衡量，應(yīng)在滿足建筑物安全的前提下，應(yīng)通過室內(nèi)試驗和原位測試，經(jīng)濟(jì)、合理地選擇準(zhǔn)確、可靠的地基土承載力特征值。

【關(guān)鍵詞】既有建筑物地基；超固結(jié)土；地基承載力

1. 前言

（1）既有建筑物直接增層具有節(jié)約土地，節(jié)省投資等優(yōu)點被廣泛的用于城市改造工程建設(shè)中。直接增層需要解決的主要解決問題是上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)及地基承載力的鑒定，其中地基承載力的確定是增層改造的關(guān)鍵。

（2）為建筑物增層或增載而進(jìn)行的巖土工程勘察的目的，是查明地基土的實際承載能力，從而確定是否尚有潛力可以進(jìn)行增層和加載。因為建筑物的使用年限不同，原有建筑物勘察時評價地基承載力采用的規(guī)范和擬增層建筑物勘察時評價承載力的方法可能不同，所以增層勘察時地基承載力應(yīng)以現(xiàn)行的國家和地方標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。而實際工作中設(shè)計方多根據(jù)經(jīng)驗將承載力提高10%～20%作為增層后的地基承載力使用，或根據(jù)建筑物的沉降變形資料、上部結(jié)構(gòu)剛性情況查表確定。但是地基土承載力表只是建立在數(shù)理統(tǒng)計基礎(chǔ)上的，表中的承載力只是復(fù)合一定安全保證概率的數(shù)值，并不直接反映地基土的承載力和變形特征。而地基土承載力表的使用是有條件的；巖土工程師應(yīng)充分了解最終的控制與衡量條件是建筑物的容許變形 ，所以增層、增載所需的地基承載力潛力是不宜通過查以往有關(guān)的承載力表的辦法來衡量的。原位測試和室內(nèi)試驗的測試成果能比較直接地反映地基土的承載力和變形特性，能直接顯示土的應(yīng)力～應(yīng)變的變化、發(fā)展關(guān)系和有關(guān)的力學(xué)特性點。是確定既有建筑物增層地基承載力的比較可靠的方法。在既有建筑物結(jié)構(gòu)剛度和抗震性能滿足增層條件下，本文通過工程實例，對既有地基地基承載力的確定方法進(jìn)行了探討。

2. 工程實例

某單位辦公樓，2層框架結(jié)構(gòu)，鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深2.0m，基礎(chǔ)底面積1.5×2.0m。平均基底壓力130KPa。已建成時間8年，擬增加二層，增層后要求地基承載力160KPa。

2.1 室內(nèi)試驗。

（1）本次勘察布設(shè)探槽3個，在基底下1.5倍范圍內(nèi)用環(huán)刀采取Ⅰ級原狀土樣，采取土樣做常規(guī)物理力學(xué)試驗及高壓固結(jié)試驗。與原勘察報告試驗結(jié)果對比后見表1 。對表中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)各層土在上部荷載的作用下均發(fā)生了排水固結(jié)，含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)減小。而干重度、壓縮模量增大。

（2）工程中采用六個環(huán)刀樣進(jìn)行了高壓固結(jié)試驗。先期固結(jié)壓力的解譯采用經(jīng)典的卡薩格蘭德作圖法確定。求得土層的先期固結(jié)壓力Pc為131KPa。大于該深度土層的上覆自重應(yīng)力。說明該層土為超固結(jié)土。Pc值與基底壓力Pk大致相當(dāng)。在抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的選用上，考慮土體受到在上部荷載作用在現(xiàn)有的應(yīng)力體系平衡并基本上完全固結(jié)，而由于增層施工造成的荷載會很快施加，土體形成不排水情況。故剪切方法采用固結(jié)不排水剪。更符合實際情況。考慮到土在剪切過程中性狀和抗剪強(qiáng)度在一定程度上受到應(yīng)力歷史的影響，在固結(jié)排水試驗中，需用各向等壓的周圍壓力бc來代替和模擬歷史上曾對試樣所施加的先期固結(jié)壓力，對試樣進(jìn)行預(yù)固結(jié)。本次試驗中預(yù)固結(jié)壓力取130KPa，預(yù)固結(jié)后，剪切時施加的第一級固結(jié)壓力Δб3均應(yīng)大于130KPa.，使試驗點處于正常壓密狀態(tài)。此時得到的強(qiáng)度包線才能顯示正常壓密狀態(tài)土的強(qiáng)度隨上覆有效壓力變化的規(guī)律。根據(jù)室內(nèi)六組三軸壓縮試驗的結(jié)果，得到抗剪強(qiáng)度指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值Ccu為22KPa。cu為12°根據(jù)地基基礎(chǔ)規(guī)范中根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)確定地基承載力特征值。采用理論公式計算法fa=Mbγb +Mdγm d + McCk=0.23×18.8×1.5+1.94×18.8×2.0+4.42×22=170KPa。

2.2 載荷試驗。

（1）平板載荷試驗是在一定面積的承壓板上向地基土逐漸施加荷載， 測求地基土的壓力與變形特性的原位測試方法。由于具有直接直觀準(zhǔn)確的特點， 作為一種主要的原位測試手段， 在地基勘察中得到了廣泛應(yīng)用， 國家及各地區(qū)的地基規(guī)范規(guī)程中根據(jù)土工試驗指標(biāo)及其它原位測試指標(biāo)， 利用表格或經(jīng)驗公式確定地基承載力均是以與載荷試驗成果對比而得。為避免影響建筑物的正常使用和保證原建筑物的安全，載荷試驗是從既有建筑物的基礎(chǔ)的外側(cè)向基礎(chǔ)下挖探槽，并以基礎(chǔ)的中心線為中心，寬800mm，深2.00 m，采用0.80×0.80m2的方形承壓板。試驗方法按規(guī)范進(jìn)行。試驗點曲線見圖1。根據(jù)該試驗點的P～S曲線特征。依據(jù)規(guī)范按相對變形取值（對應(yīng)的沉降值取S=8mm） ， 對應(yīng)的承載力特征值為 298KPa．共檢測3個點， 極差滿足規(guī)范要求， 平均值為285KPa ， 因此， 可取值為285KPa 。可以看出， 該值與由土工試驗和原位測試得到的地基承載力差別很大。分析其原因，是既有建筑地基土具有超固結(jié)土性質(zhì)，土的應(yīng)力歷史不同， 載荷試驗所得到的p-s曲線與正常固結(jié)土很大差異，根據(jù)文獻(xiàn)1研究成果，如采用正常固結(jié)地基土的p-s曲線取值方式，會造成承載力偏大，容易產(chǎn)生安全隱患。

圖1 P-S曲線

（2）仔細(xì)分析后受力過程可分為3個階段。

第一階段：試驗探槽開挖前， 基底土受先期固結(jié)壓力作用（既有建筑物基底壓力），第二階段探槽開挖后， 地基土所受豎向應(yīng)力解除， 地基土發(fā)生回彈。第三階段，施加附加應(yīng)力。隨著載荷試驗逐級加載， 地基土再壓縮，隨著荷載的增加， 地基土壓縮速度逐漸變緩，最后趨于水平，當(dāng)加載量達(dá)到土體的先期固結(jié)壓力后， 土體發(fā)生欠固結(jié)沉降。是地基土卸荷～回彈～受力～再固結(jié)的過程。曲線平緩， 接近直線， 說明地基土在附加應(yīng)力達(dá)到先期固結(jié)壓力前， 其回彈再壓縮的變形量很小， 甚至趨于零，出現(xiàn)所謂的“壓密效應(yīng)” 分析其機(jī)理， 可以認(rèn)為土體充分固結(jié)后， 在其主壓縮層內(nèi)的土體剛度增加， 在繼續(xù)增加荷載的某一應(yīng)力段內(nèi)， 該部分土體變形減小， 傳至下臥土體的應(yīng)力范圍增大，應(yīng)力減小， 使下臥土層變形減小。點b所對應(yīng)的荷載可作為判斷地基土先期固結(jié)壓力。b點所對應(yīng)的荷載為130KPa， 這與原勘察報告中在該深度范圍內(nèi)通過室內(nèi)高壓固結(jié)試驗試驗得到的先期固結(jié)壓力和既有建筑物的基底壓力接近。bc段才是超固結(jié)土的正常壓縮曲線， 其變化特點真實反映了超固結(jié)土的承載力性狀，根據(jù)文獻(xiàn)1研究成果，取值時將超固土載荷試驗曲線上的坐標(biāo)原點移至b點對應(yīng)于先期固結(jié)壓力， 再按正常固結(jié)土試驗曲線求地基承載力特征值為168KPa，由于試驗條件與規(guī)范1的要求不一致，在非標(biāo)準(zhǔn)條件下進(jìn)行，承壓板周圍存在超載，大小約等于既有建筑物基底壓力加上基底以上土的重度，假設(shè)增層后建筑物的埋深和基寬不發(fā)生變化，地基土受力條件與基本與此時載荷試驗條件相同，故此條件下得到地基土承載力特征值可做設(shè)計值使用。無需深寬修正，此數(shù)值與理論公式計算和原位測試得到的數(shù)值基本一致。

3. 結(jié)語

（1）既有地基土因受上部荷載的作用，產(chǎn)生排水固結(jié)。地基土承載力有所提高，提高的幅度與基底壓力、基礎(chǔ)寬度、建成時間、原地基土性質(zhì)有關(guān)。不宜通過以往查承載力表的方法來衡量。

（2）既有地基應(yīng)先通過室內(nèi)試驗，判斷其是否具有超固結(jié)土的性質(zhì)，采用理論計算法時，剪切方法采用三軸試驗中的固結(jié)排水剪。載荷試驗要按照超固結(jié)土在非標(biāo)準(zhǔn)條件進(jìn)行承載力取值。

參考文獻(xiàn)

［1］ 周斌，張可能，劉源.超固結(jié)土平板載荷試驗與承載力取值分析［J］. 工程地質(zhì)學(xué)報， 1004－9665/2008/16-0161-03.

［2］ 滕延京， 李欽銳， 李勇.既有地基地基基礎(chǔ)工作性狀試驗研究［A］. 蘭州大學(xué)學(xué)報， 0455－2059（2011）-0243-04.

［3］ 中國建筑科學(xué)研究院. GB 50007－2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范［S］. 北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2012.

［4］ 李廣信.巖土工程50講.人民交通出版社， 2010.2第二版.

［5］ 常士驃主編.工程地質(zhì)手冊. 中國建筑工業(yè)出版社， 1990.11.第三版.

［6］ 建設(shè)部綜合勘察研究院. GB 50021－2001（2009年版） 巖土工程勘察規(guī)范［S］.北京： 中國建筑工業(yè)出版社， 2009.