法國規(guī)范中旁壓實驗計算淺基礎(chǔ)承載力

王沈力 李偉利 賁 柯

(甘肅中建市政工程勘察設(shè)計研究院，甘肅蘭州 730000)

1 概述

旁壓試驗是一種現(xiàn)場土壤荷載試驗，借助一三腔探頭和可控壓力進行試驗。其方法是在土體里使一圓柱形探頭徑向擴張、膨脹，以確定根據(jù)程序?qū)ν寥兰虞d和徑向位移之間的關(guān)系，得到土壤旁壓極限壓力和旁壓模量，可以用來計算地基承載力。旁壓實驗適用于各種飽和或非飽和的原狀土，包括淤泥、軟粘土、粉土、砂土以及巖石;其同樣適用于回填材料或其他應(yīng)用于巖土工程的人工材料。但應(yīng)注意對于巖石地層，旁壓實驗僅適用于巖石飽和單軸抗壓強度小于5 MPa 的情況。法國規(guī)范中強調(diào)原位測試，特別是旁壓實驗，能夠直接用于計算地基承載力的方法僅旁壓實驗和靜力觸探實驗兩種。在工程實踐中梅納爾旁壓實驗應(yīng)用廣泛，其源自法國，經(jīng)過幾十年的積累，建立了大量旁壓極限壓力、旁壓模量與地基承載力，樁基極限摩阻力間的相關(guān)關(guān)系，在重要構(gòu)造物基礎(chǔ)設(shè)計中的地位是不可替代的。

2 方法原理

法國規(guī)范中旁壓實驗用于確定淺基礎(chǔ)地基承載力時豎向測點間距一般為1.0 m～2.0 m，測試深度不小于基底面以下1.5 倍基礎(chǔ)寬度。通過各測試點地基土的極限壓力Pl和旁壓模量Em，可確定不同水平級別地基土的力學(xué)性質(zhì)，通過由旁壓實驗確定承載力的關(guān)系公式計算得出地基承載力。

2.1 計算參數(shù)

旁壓實驗計算淺基礎(chǔ)地基承載力的公式中引入了當量限定壓力();當量嵌入高度(De)和承重系數(shù)(Kp)等參數(shù)，各參數(shù)定義及計算方法如下:

a.均勻地層:指基底面以下1.5B(B 為基礎(chǔ)寬度)深度范圍內(nèi)的地層由相同的土層或者性質(zhì)相互兼容的同一類型土層組成。這種情況如圖1 所示。如圖1 所示，根據(jù)各水平級別值，可擬合一條直線代表各深度凈極限壓力:

深度D～D+1.5B 范圍內(nèi)地層的當量限定壓力為:

其中，ze=D+

b.非均勻地層:指基礎(chǔ)底面以下1.5B 深度范圍內(nèi)的地層由不同類型或力學(xué)性質(zhì)不同的土層組成。這種情況如圖2 所示。

圖1 均勻地層計算剖面示意圖

圖2 非均勻地層計算剖面示意圖

如圖2 所示，在深度D～D+1.5B 范圍內(nèi)，地層的當量限定壓力為:

2)當量嵌入高度(De)。

當量嵌入高度De是常規(guī)計算參數(shù)。非承重土層的力學(xué)特性通常比承重土層的力學(xué)特性低(通常De＜D)，當考慮到這種情況時，要用到De參數(shù)計算土層的承重系數(shù)Kp，注意不要把嵌入高度De與基礎(chǔ)在土層中的高度D 相混淆。

旁壓實驗通過如下公式計算當量嵌入高度De:

3)承重系數(shù)(Kp)。

承重系數(shù)Kp是根據(jù)地層性質(zhì)、嵌入深度De、基礎(chǔ)寬度B 和長度L 來確定的地基土承載能力的綜合修正系數(shù)。

各類土層承重系數(shù)Kp計算公式如表1 所示。

表1 地基土承重系數(shù)計算公式表

2.2 計算方法

由旁壓實驗計算地基承載力時，首先通過計算確定當量限定壓力、當量嵌入高度De和承重系數(shù)Kp。

對于寬度為B，長度為L，埋深為D 的中心垂向荷載作用下的淺基礎(chǔ)，可以得到地基土極限承載力qu:

其中，γ 為基礎(chǔ)底面以上地基土容重。

極限承載力qu除以安全系數(shù)F 可得到地基容許承載力Qadm，安全系數(shù)可根據(jù)構(gòu)造物特征和重要性等級確定，一般情況下取安全系數(shù)F=3。

2.3 特殊條件下應(yīng)注意的問題

1)基礎(chǔ)在水平地層上承受集中傾斜荷載。當作用在基礎(chǔ)中心的應(yīng)力與垂直向夾角為δ 時，考慮到應(yīng)力的偏斜、土層的性質(zhì)和相應(yīng)的基礎(chǔ)埋深，Kp·數(shù)值需要乘以一個折減系數(shù)iδ，可按圖3 取值。

圖3 中粘土、沖積層、白堊系地層、泥灰?guī)r、鈣質(zhì)泥灰?guī)r及巖石折減系數(shù)iδ=Φ1(δ);砂土和礫石折減系數(shù)iδ=Φ2(δ)。

圖3 中De為當量嵌入高度，B 為基礎(chǔ)寬度。

2)基礎(chǔ)在水平地層上承受偏心荷載。當基礎(chǔ)存在偏心荷載時，應(yīng)計算出參與計算的寬度B':

用B'替代基礎(chǔ)寬度B，按照公式進行承載力計算。

圖3 各土層折減系數(shù)

3 典型算例

假設(shè)某淺基礎(chǔ)，寬度B=10 m，長度L=30 m，埋深D=2.0 m，基礎(chǔ)承受垂直向集中荷載，無偏心作用，地基屬非均勻地層。計算示意剖面如圖4 所示。

圖4 計算剖面示意圖

旁壓實驗自地面開始，測點間距為1.0 m，實驗數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 實驗數(shù)據(jù)表

根據(jù)表2 實驗結(jié)果，計算第②層粘土的承載力:

取2 m～10 m 旁壓極限壓力，計算其幾何平均數(shù)，即為第②層粘土的當量限定壓力。

當量嵌入高度計算中D=2.0 m，d=0 m。

第②層粘土屬A 類土，應(yīng)選取表1 中的第一個公式進行計算:

則極限承載力為:

取安全系數(shù)為3。

則地基容許承載力為:

4 結(jié)語

1)按照法國規(guī)范旁壓實驗計算地基承載力的方法所得的承載力值并非定值，其值與基礎(chǔ)長、寬及埋深相關(guān)。

2)旁壓實驗是一種原位土壤荷載實驗，能夠較為準確地反映原狀地層的力學(xué)性質(zhì)，法國規(guī)范中規(guī)定的承載力計算方法基于旁壓實驗，經(jīng)數(shù)十年工程經(jīng)驗積累，其計算公式較為完善，計算過程較為嚴謹，可靠度高。旁壓實驗由于其廣泛的適用性和較高的可靠性，在法國規(guī)范中應(yīng)用廣泛，而國內(nèi)旁壓實驗應(yīng)用不夠廣泛，其測試原理和計算方法值得國內(nèi)工程師學(xué)習(xí)借鑒。

3)通過該方法計算所得的地基承載力能夠較為準確地反映地基承載能力，為基礎(chǔ)設(shè)計人員提供可靠參考，一定程度上可以避免因過度保守而造成的浪費。

4)法國規(guī)范中每個單體構(gòu)造物均要求布置一定數(shù)量的旁壓實驗，用于確定每個地基承載力，考慮到了不同構(gòu)造物相同地基土的差異性，從而使基礎(chǔ)設(shè)計更加具有針對性，有別于我國勘察報告中通常是對同一層地基土整體進行評價，這點值得我國工程技術(shù)人員借鑒。

［1］EQUE 93—10—117C，土建工程基礎(chǔ)設(shè)計和計算的技術(shù)規(guī)定［S］.

［2］NF P 94—110，梅納爾旁壓實驗［S］.

［3］XP P 94—011，土壤的描述、鑒別和命名［S］.

［4］XP P 94—010，巖土工程勘察和實驗名詞、術(shù)語和符號匯編［S］.

［5］甘肅中建市政工程勘察設(shè)計研究院.阿爾及利亞CHERCHELL 繞城高速公路項目勘察報告［R］.2015.