三種原位試驗(yàn)檢測方法的運(yùn)用條件及成果應(yīng)用

劉 洋 冷慧陽

(大連理工現(xiàn)代工程檢測有限公司，遼寧大連 116023)

1 概述

建筑場地，除首先在設(shè)計(jì)擬建筑物之前進(jìn)行地勘外，還要根據(jù)擬建建筑的需求進(jìn)行現(xiàn)場的原位試驗(yàn)檢測，以根據(jù)建筑場地的承載力、變形參數(shù)、場地的均勻性評價(jià)建筑地基的適應(yīng)性、經(jīng)濟(jì)性和施工可行性。

通常完成上述擬建筑物地基的評價(jià)，常采用原位平板載荷試驗(yàn)、圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)及標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，結(jié)合室內(nèi)土工試驗(yàn)來完成。

2 三種原位試驗(yàn)檢測的適用條件［1］

1)平板靜載荷試驗(yàn)。平板靜載荷試驗(yàn)分淺層平板載荷試驗(yàn)、深層平板載荷試驗(yàn)和巖石平板載荷試驗(yàn)。本次僅討論淺層平板載荷試驗(yàn)。地基土淺層平板載荷試驗(yàn)可適用于確定淺部地基土層的承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)的承載力及變形參數(shù)。淺層平板載荷試驗(yàn)適合檢測天然地基、人工地基、復(fù)合地基承載力及變形參數(shù)。2)圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)。圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)包括輕型動(dòng)力觸探、重型動(dòng)力觸探和超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)。輕型圓錐動(dòng)力觸探主要適用于填土、砂土、粉土、粘性土;重型圓錐動(dòng)力觸探主要適用于砂土、中密以下的碎石土、極軟巖;超重型圓錐動(dòng)力觸探主要適用于密實(shí)和很密實(shí)的碎石土、軟巖、極軟巖。圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)指標(biāo)可進(jìn)行力學(xué)分層，評定土的均勻性和物理性質(zhì)(狀態(tài)、密實(shí)度)，土的強(qiáng)度、變形參數(shù)、地基承載力、單樁承載力，查明土洞、滑動(dòng)面、軟硬土層界面，檢測地基土處理效果等。3)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)適用于砂土、粉土和一般粘性土。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)N值，可對砂土、粉土、粘性土的物理狀態(tài)、土的強(qiáng)度、變形參數(shù)、地基承載力、單樁承載力、砂土和粉土的液化、成樁的可靠性等做出評價(jià)。

3 淺層平板載荷試驗(yàn)、圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)的資料整理及成果應(yīng)用

3．1 淺層平板載荷試驗(yàn)

地基土淺層平板載荷試驗(yàn)適用于確定淺部地基土層的承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)的承載力和變形參數(shù)［2］。

淺層平板載荷試驗(yàn)的承載力確定見GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄C。淺層平板載荷試驗(yàn)要點(diǎn)規(guī)定很清楚:C．0．8規(guī)定同一土層參加統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)不應(yīng)少于三點(diǎn)，各試驗(yàn)實(shí)測值的極差不得超過其平均值的30%，取此平均值作為該土層的地基承載力特征值fak，如果超過30%，規(guī)范沒有下文，這時(shí)可考慮去掉高測試值再進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(此時(shí)參加統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)不得少于3點(diǎn)，若不足應(yīng)增加試驗(yàn)點(diǎn)數(shù))直到實(shí)測值的極差不超過其平均值的30%時(shí)，取平均值作為該土層的地基承載力特征值fak。

淺層平板載荷試驗(yàn)成果應(yīng)用:

1)為設(shè)計(jì)提供承載力。

當(dāng)給出地基土承載力特征值fak后設(shè)計(jì)可按式(1)修正:

其中，fa為修正后的地基承載力特征值，kPa;fak為試驗(yàn)給定的地基承載力特征值，kPa;ηb，ηd分別為基礎(chǔ)寬度和埋置深度的地基承載力修正系數(shù)，按GB 50007-2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范表5．2．4承載力修正系數(shù)取值;γ為基礎(chǔ)底面以下土的重度，kN/m3;b為基礎(chǔ)底面寬度，當(dāng)基礎(chǔ)底面寬度小于3 m時(shí)，按3 m取值，大于6 m時(shí)按6 m取值;γm為基礎(chǔ)底面以上的加權(quán)平均重度，kN/m3，位于地下水位以下的土層取有效重度;d為基礎(chǔ)埋置深度，m，基礎(chǔ)埋置深度按規(guī)范取值。

2)為設(shè)計(jì)提供變形模量。

淺層平板載荷試驗(yàn)的變形模量E0(MPa)，可按式(2)計(jì)算:

其中，I0為剛性承壓板的形狀系數(shù)，圓板取0．785，方形板取0．886;μ 為土的泊松比(碎石土取 0．27，砂土取 0．30，粉土取0．35，粉質(zhì)粘土取 0．38，粘土取 0．42);d 為承壓板直徑或邊長，m;P為P—S曲線線性段的壓力，kPa;S為與P對應(yīng)的沉降，mm。

3)為設(shè)計(jì)提供基床系數(shù)。

基準(zhǔn)基床系數(shù)用邊長30 cm的方形承壓板載荷試驗(yàn)直接測定:

其中，KV為基準(zhǔn)基床系數(shù)，kN/m;P/S為P—S曲線直線段的斜率，P—S曲線無直線段時(shí)，P取臨塑荷載的一半，kPa，S為相應(yīng)于P值的沉降值，m。

由于正常的平板載荷試驗(yàn)承壓板尺寸不足，標(biāo)準(zhǔn)的30 cm方板可經(jīng)下式換算出基準(zhǔn)基床系數(shù):

其中，KV1為按承壓板實(shí)際尺寸(b＞300 mm)按式(3)計(jì)算出的基準(zhǔn)基床系數(shù);b為載荷試驗(yàn)承壓板的邊長或直徑。

設(shè)計(jì)或委托方常提出通過平板載荷試驗(yàn)給出的成果除要求的承載力外，還要給出地基土的壓縮模量Es。壓縮模量Es是在有側(cè)限的條件下得出的，只能在試驗(yàn)室內(nèi)通過壓縮試驗(yàn)得出，在現(xiàn)場的平板載荷試驗(yàn)是得不出Es的。因此有人就通過Es與E0的理論關(guān)系推導(dǎo)計(jì)算出Es值提供給設(shè)計(jì)(或甲方)，這顯然違背了試驗(yàn)檢測的原則，即試驗(yàn)檢測報(bào)告中不能提供理論推導(dǎo)的數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)成果。

對于軟弱土進(jìn)行加固處理后的復(fù)合地基，在試驗(yàn)檢測時(shí)，承壓板尺寸有一定限制，在給試驗(yàn)結(jié)果時(shí)要考慮一定的折減。

由于復(fù)合地基設(shè)置了增強(qiáng)體，與地基共同作用提高承載力，減少地基變形。復(fù)合地基載荷試驗(yàn)的壓板面積有限，考慮到大面積荷載的長期作用結(jié)果與小面積短時(shí)荷載作用的試驗(yàn)結(jié)果有一定的差異，故需要對載荷板尺寸限制。條形基礎(chǔ)和獨(dú)立基礎(chǔ)復(fù)合地基載荷試驗(yàn)板寬度的確定宜考慮面積置換率和褥墊層厚度，基礎(chǔ)寬度不大時(shí)應(yīng)取基礎(chǔ)寬度;基礎(chǔ)寬度較大，試驗(yàn)條件達(dá)不到時(shí)應(yīng)取較深厚褥墊層。

3．2 圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)

圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)的成果應(yīng)用，基于長期大量試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的積累與多種方法的比對試驗(yàn)的結(jié)果的基礎(chǔ)之上，具有經(jīng)驗(yàn)型的實(shí)用價(jià)值。一般圓錐動(dòng)力觸探數(shù)據(jù)量較大，應(yīng)通過具有一定置信區(qū)間的統(tǒng)計(jì)方法得出場地分層貫入指標(biāo)，即場地分層(或分段)的錘擊數(shù)代表值。

每一觸探孔擊數(shù)分土層或分段(按擊數(shù)大小分段)進(jìn)行統(tǒng)計(jì):

觸探擊數(shù)平均值:

其中，n為統(tǒng)計(jì)個(gè)數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)差:

變異系數(shù):

修正系數(shù):

標(biāo)準(zhǔn)擊數(shù)(置信度95%):

場地分層統(tǒng)計(jì):

每層土的代表錘擊數(shù):

其中，n為參加統(tǒng)計(jì)的孔數(shù);Ni(63．5)為同一土層(或分段)標(biāo)準(zhǔn)擊數(shù)。

標(biāo)準(zhǔn)差:

變異系數(shù):

由上可知，在置信度95%的情況下得出每層土的代表擊數(shù)N來確定地層土的有關(guān)參數(shù);如果在整個(gè)場地內(nèi)同一層土厚度不均，則每層土的代表擊數(shù)按厚度加權(quán)平均計(jì)算:

其中，Hi為每個(gè)觸探孔土層厚度;Ni(63．5)為每個(gè)觸探孔分層(或分段)標(biāo)準(zhǔn)擊數(shù);n為參加統(tǒng)計(jì)的觸探孔數(shù)。

圓錐動(dòng)力觸探成果常用于下面幾個(gè)方面:

1)評價(jià)場地地基土的均勻性。

a．場地土在深度上的均勻性。

根據(jù)圓錐動(dòng)力觸探擊數(shù)隨深度的H—N曲線圖(或直方圖)的變化程度及每層土的標(biāo)準(zhǔn)擊數(shù)及標(biāo)準(zhǔn)差變異系數(shù)的大小，一般來說，標(biāo)準(zhǔn)差值越大，變異系數(shù)亦越大，當(dāng)變異系數(shù)大于0．4時(shí)，可以認(rèn)定土層的密實(shí)度是不均勻的。

b．整個(gè)場地的均勻性(平面均勻性)。

場地平面均勻性:對于大型油罐及采用柱下獨(dú)立基礎(chǔ)的建筑最易發(fā)生不均勻沉降造成事故的不少。除考慮H—N直方圖外，主要考慮場地分層統(tǒng)計(jì)的結(jié)果式(9)，式(10)計(jì)算出的標(biāo)準(zhǔn)差、變異系數(shù)的大小，當(dāng)變異系數(shù)大于0．4時(shí)，可認(rèn)為場地土層密實(shí)度不均勻，在地基處理時(shí)要注意。

2)根據(jù)場地的貫入的代表擊數(shù)N63．5或N120，對場地碎石土的密實(shí)度進(jìn)行評價(jià)，見表1。

表1 場地碎石土密實(shí)度評價(jià)

3)根據(jù)各層土的標(biāo)準(zhǔn)錘擊數(shù)N63．5或N120值可直接查有關(guān)手冊或DB 21/907-2005建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄F的相關(guān)表格，可得到承載力、變形模量、內(nèi)摩擦角等。

3．3 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)是一種特殊的動(dòng)力觸探試驗(yàn)，廣泛用于現(xiàn)場原位測試。它適用于砂土、粉土、一般粘性土等。它是將一定規(guī)格的標(biāo)準(zhǔn)貫入器打入土中15 cm后，開始記錄每打入10 cm的錘擊數(shù)。累計(jì)打入30 cm的錘擊數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)值用N表示。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理時(shí)一般不考慮側(cè)阻影響。作桿長修正時(shí)應(yīng)根據(jù)建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系時(shí)的具體情況確定。比如評定砂土、粉土液化時(shí)不需修正。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)記錄，繪制N隨深度Z的變化曲線(直方圖)。依據(jù)N值在深度上的標(biāo)號，對土層的N值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。統(tǒng)計(jì)各層平均值時(shí)應(yīng)剔除個(gè)別異常值。

標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)N值的應(yīng)用:

1)判別砂土的密實(shí)度，查相關(guān)表;2)評定粘性土的稠度狀態(tài)，查相關(guān)表;3)確定砂土與粘性土的承載力，查相關(guān)表;4)評定土的變形參數(shù)，查相關(guān)表;5)判別砂土、粉土的液化。

當(dāng)場地20 m深范圍內(nèi)，有飽和砂土、粉土?xí)r應(yīng)當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)方法，對液化土通過錘擊貫入數(shù)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)錘擊數(shù)臨界值:

其中，Ncr為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值;N0為液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值(見表2);ds為飽和土標(biāo)準(zhǔn)貫入點(diǎn)深度，m;dw為地下水位，m;ρc為粘粒含量百分率，當(dāng)小于3或?yàn)樯巴習(xí)r，應(yīng)采用3;β為調(diào)整系數(shù)，設(shè)計(jì)地震第一組取0．80，第二組取0．95，第三組取 1．05。

表2 液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值

綜合劃分地基的液化等級:

其中，ILE為液化指數(shù);n為在判別深度范圍內(nèi)一個(gè)鉆孔標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)的總數(shù);Ni，Ncri分別為i點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)的實(shí)測值和臨界值。當(dāng)實(shí)測值大于臨界值時(shí)應(yīng)取臨界值;當(dāng)只需要判別15 m范圍以內(nèi)的液化時(shí)，15 m以下的實(shí)測值可按臨界值采用;di為i點(diǎn)所代表的土層厚度，m，可采用與該標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)相鄰的上、下兩標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)點(diǎn)深度差的一半，但上界不高于地下水深度，下界不深于液化深度;wi為i土層單位土層厚度的層位影響權(quán)函數(shù)，m-1。當(dāng)該層中點(diǎn)深度不大于5 m時(shí)應(yīng)采用10，等于20 m時(shí)應(yīng)采用0，5 m～20 m時(shí)應(yīng)按內(nèi)插法取值。

4 結(jié)語

淺層平板載荷試驗(yàn)適用于測定承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)巖土的承載力和變形模量;圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)分為輕型、重型和超重型，根據(jù)不同的巖土特性選擇對應(yīng)的觸探類型;標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)適用于砂土、粉土和一般粘性土。

［1］GB 50021-2001，巖土工程勘察規(guī)范(2009版)［S］．

［2］GB 50007-2011，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］．