超大面積復合地基堆載試驗

陸偉崗， 周 偉，沈錦儒

(江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

超大面積復合地基堆載試驗

陸偉崗， 周 偉，沈錦儒

(江蘇省電力設計院，江蘇 南京 211102)

某工程樁墊復合地基大面積堆載試驗，因面積巨大不可能采用剛性壓板。利用2m厚的砂墊層，既可作為試驗荷載施于地基上，又可作為柔性壓板來逐級施加荷載。這樣的靜載荷試驗不可能做到破壞，荷載與沉降的關系曲線也不會出現(xiàn)拐點，可用分析各主要部件的安全系數(shù)來確定承載力特征值。持力層承載力特征值fspk可以采用振沖法復合地基承載力特征值的公式驗算。

樁墊復合地基；承載力特征值；安全系數(shù)。

1 概述

2008年8～10月，江蘇某發(fā)電廠一期工程進行了大直徑圓形煤倉地基處理的堆載試驗。試驗工作在 “樁墊復合地基”上進行。試驗結果表明樁墊復合地基的承載力遠高于原地基土，完全能滿足在其上堆煤20 m高的要求。復合地基中的砂墊層起了比較明顯的作用。筆者曾撰文分別對樁墊復合地基中砂墊層的擴散作用進行理論研究和定量分析，并提出了相應的計算公式。因受篇幅限制，未對超大面積靜載荷試驗的承載力特征值的確定進行探討。本文將就此問題展開探討，不妥之處望讀者不吝賜教。

2 試驗概況

2.1 試驗區(qū)的地質條件

根據(jù)地基土層的類別、成因、埋深及性狀特征，可將本次勘探深度范圍內試驗場的地基土劃分成21個巖土體單元，現(xiàn)將上部20 m左右深度內的土層自上而下簡述如下。

層 1-1雜填土：黃褐色、灰褐色，以粉質粘土混多量碎石、磚瓦、水泥塊等建筑垃圾為主，結構松散，為新近堆積而成，承載力特征值fak=70 kPa。

層1-2 沖填土：黃色、黃灰色，以粉砂為主，混少量腐殖物及碎石等建筑垃圾，固結時間短，結構松散，為新近沖填而成，承載力特征值fak=40 kPa。

層①素填土：主要由黃褐色、灰黃色粉質粘土組成，混少量粉土或粉砂，一般為未經(jīng)碾壓－稍經(jīng)壓實，密實度為松散－稍密，承載力特征值fak=90 kPa。

層②粉質粘土：黃褐色、灰黃色、褐灰色，等級中－輕，很濕，可塑－軟塑，承載力特征值fak=80 kPa，壓縮模量Es1-2=5 MPa。

層③粉土夾粉質粘土：粉土為灰色、褐灰色，局部灰黃色，等級中－重，很濕，稍密，；粉質粘土為灰色、褐灰色，等級中，很濕，軟塑，承載力特征值fak=70 kPa，壓縮模量Es1-2=5 MPa。

層④淤泥質粉質粘土：灰色、灰褐色，等級中，飽和，流塑，承載力特征值fak=60 kPa，壓縮模量Es1-2=3.5 MPa。

層⑤粉土：灰色、灰褐色，等級中，飽和，稍密，承載力特征值fak=120 kPa，壓縮模量Es1-2=4.5 MPa。

層⑥粉質粘土夾粉土：粉質粘土為灰色，灰褐色，等級中，飽和，軟塑－流塑；粉土為灰色，灰褐色，等級中－輕，很濕，稍密，承載力特征值fak=80 kPa，壓縮模量Es1-2=4.5 MPa。

層⑦粉土：灰色、灰褐色、青灰色，等級中，飽和，稍密，局部巖性接近粉砂，承載力特征值fak=130 kPa，壓縮模量Es1-2=6 MPa。

層⑧粉質粘土夾粉土：粉質粘土為灰色、灰褐色，等級中，飽和，軟塑；粉土為灰色，灰褐色，等級中－輕，很濕，稍密，承載力特征值fak=90 kPa，壓縮模量Es1-2=3.5 MPa。

2.2 試驗區(qū)的布置

試驗場布置在圓形煤場的中心處，試驗場的中心與圓形煤場的中心重合。

由上述各層土的承載力特征值和壓縮模量可知天然地基不能滿足堆煤20 m的要求，必須進行地基處理。經(jīng)過多方案比選，結合過去的經(jīng)驗，試驗采用滿堂疏樁加樁帽的方案。疏樁采用φ600×110高強預應力混凝土管樁，在管樁上設置混凝土樁帽，樁帽尺寸為1.5 m×1.5 m，厚0.7 m。在樁帽頂面標高處滿鋪砂石，以求將部分堆載集中到樁帽上，一方面可減少樁間土的負荷，同時又可降低圓形煤場環(huán)基下管樁受影響的程度。試驗區(qū)布置了7套管樁及樁帽，呈六邊形布置(圖1)。

圖1 試驗區(qū)樁的布置平面圖

砂墊層的厚度為2 m，即標高1.4 m至標高3.4 m均為砂墊層。其上鋪設了厚鋼板，砂墊層的擴散作用被鋼板阻隔而切斷，鋼板上的砂不再是墊層的一部分，只起配重作用。堆載是臺階狀的，標高3.4 m以上的配重是在直徑為7.5 m的圓形面積范圍內，每邊收縮了1 m(圖2)。考慮到鋪設了厚鋼板和砂層的擴散作用，擬簡化為均布荷載。

圖2 堆載設計圖

2.3 測試元件的布置

試驗內容較多，布設的元件甚多，限于篇幅，本文僅關注砂墊層及樁間土中的土壓力盒及預應力管樁樁身的應變片。在砂墊層中標高2.4 m、1.5 m兩處各埋設了20個土壓力盒，其平面位置見圖3。樁身應變片布置見圖4。標高0.2 m、－9.2 m、－20.2 m樁間土中土壓力盒布置見圖5。

圖3 砂墊層中土壓力盒布置圖

圖5 標高0.2 m、－9.2 m、－20.2 m土壓力盒布置圖

2.4 靜載荷試驗的目的

此次超大面積7樁復合地基靜載荷試驗的目的較多，如：了解堆煤區(qū)樁土分擔比例及其在深度方向上的變化、邊樁側土的水平向壓力及其沿深度方向的變化、堆煤區(qū)不同平面位置和深度的水平、豎向位移等，更主要的是要獲得“樁墊復合地基”的承載力特征值及傳遞到樁間土的壓應力是否超過其承載力特征值。本文只對“樁墊復合地基”的承載力特征值及安全度進行探討。

2.5 7樁復合地基靜載荷試驗的特點

本次靜載荷試驗與通常的地基靜載荷試驗有諸多不同。

(1)面積巨大，圓形堆載直徑達9.5 m，面積達70.88 m2，不可能制作如此大直徑的剛性壓板；為了達到試驗諸多目的，也不能采用采用單樁復合地基壓板做試驗。

(2)荷載的施加沒有遵循慢速維持荷載法，但與快速法還有一些不同。大面積堆載過程的速度不是太快，每級荷載堆置完成后維持2.0 h左右就基本達到穩(wěn)定標準。

(4)由于靜載荷試驗沒有做到破壞，沒有出現(xiàn)極限狀態(tài)，最終加載量能否作為地基承載力的特征值？其安全系數(shù)究竟是多大？這些問題都是值得深入探討的。

圖6 沉降觀測點布置平面圖

3 樁、土應力實測值

3.1 中、邊樁的軸力

樁帽以上砂墊層中只在標高2.4 m、1.5 m層中埋設了土壓力盒，標高1.4 m的樁土應力值只能依靠標高2.4 m、1.5 m層土應力實測值進行推算。經(jīng)整理后將中樁、邊樁軸力分別列于表1、表2。

表1 中樁軸力NZ (單位：kN)

表2 邊樁軸力Nb (單位：kN)

3.2 樁間土的應力

各級荷載作用下的各層位樁間土實測應力值列于表3。

表3 各級荷載作用下各層位樁間土應力

4 試驗成果分析

4.1 復合地基承載力特征值

在地基土上進行靜載荷試驗的目的之一就是要確定地基的承載力特征值。通常是依靠荷載Q與沉降s的關系曲線來判定。現(xiàn)將上層鋼筒上(測點1)和配重上部的混凝土塊上(測點2)各四個沉降點的觀測數(shù)據(jù)平均后列于表4。從表中可見測點1的平均沉降值遠小于測點2，究其原因可能是因為鋼護筒的豎向剛度較大，它的正下方是剛性樁的承臺，樁的沉降較小，致使鋼護筒的沉降偏小。

表4 測點1、2各級荷載沉降記錄

將表4中的數(shù)據(jù)繪制荷載Q與沉降s的散點圖(圖5)。用最小二乘法對其作一次線性回歸分析后可得沉降s與荷載Q之間的線性方程式如下：

測點1平均沉降s=0.781Q，相關系數(shù)r=0.981。

測點2平均沉降s=2.976Q，相關系數(shù)r=0.985。

用上面兩個方程式繪制的沉降s與荷載Q曲線示于圖7中。從圖7中曲線的線型看，尚處于比例界限內。若用國家標準(《建筑地基處理技術規(guī)范》JGJ79－2002)規(guī)定的相對變形值法來確定特征值，該規(guī)范規(guī)定復合地基確定特征值的最小相對變形值是攪拌樁法的0.006，表4中最大加載量作用下的累計沉降值為s=40.2 mm，其相對變形值為40.2/9500=0.0042＜0.006。因此本次載荷試驗的承載力特征值初步定為197.5 kPa是可以接受的。

總的來說，學生閱讀素養(yǎng)的培養(yǎng)不是一朝一夕可以做到的，需要語文教師在進行閱讀教學時能把控學生的閱讀方向，能為學生提供閱讀策略，并能給出一定的閱讀建議，提高學生閱讀的效率與興趣。在具體的教學實踐中，如何提高名著導讀教學的實效，切實培養(yǎng)學生良好的閱讀習慣，是我們廣大語文教學工作者需要不斷努力的方向，是我們語文教師不斷追求的教學目標，應該從學生與教師兩方面入手，共同提高學生名著閱讀的效率與質量。

圖7 靜載荷試驗Q－s曲線圖

4.2 復合地基的安全系數(shù)

因為靜載荷沒有做到破壞，Q－s曲線也沒有出現(xiàn)拐點，而是以最終加載量作為特征值，其安全系數(shù)究竟有多大是個未知數(shù)。為了獲取樁墊復合地基的安全系數(shù)，可以從組成復合地基的各個部件逐一分析。它們是樁、樁帽、砂墊層和樁間土。樁與樁帽(承臺)本身的結構強度及其安全系數(shù)，本文不予討論，只討論樁、樁間土和砂墊層地基承載力的安全系數(shù)。

(1)樁

從試驗可知樁身軸力最大值發(fā)生在中樁，其值達2031.5 kN(見表1)。加上標高－9.2 m至－12.1 m(中性點)間的負摩阻力產生的下拉荷載14 kN，合計為2045.5 kN，原體試驗得到基樁承載力特征值為2284 kN(只計樁中性點以下樁側摩阻力和樁底端承力)，可見組成樁墊復合地基部件之一的樁，其安全系數(shù)大于2。

(2)樁間土

土壓力盒只埋于標高1.5 m層，實測該層土的土壓力平均值為107.2 kPa。通過推算得到標高1.4 m層樁間土的土壓力平均值為106.2 kPa，此值已大于該層土的承載力特征值fak=80 kPa，樁間土的安全系數(shù)為2×80/106.2=1.51，顯然樁間土實際承載力fa必然大于80 kPa。換言之樁間土承載力應該進行修正，若按文獻[3]公式(5.2.4)計算：

式中各符號的意義見文獻[3]。修正后的承載力特征值fa仍然小于106.2 kPa較多。若按土的抗剪強度指標確定地基承載力特征值，即按文獻[3]公式(5.2.5)計算：

可得該層土的fa=107.0 kPa，高于實測值。式中各符號的意義見文獻[3]。基底下9.5 m深度內各層土的層厚、重度及抗剪強度指標標準值列于表5。

表5 基底下9.5 m深度內各層土的抗剪強度指標標準值

現(xiàn)以兩個公式計算結果的平均值計，則該層土的fa=100.0 kPa，略低于實測值。根據(jù)以上分析可認為樁間土的安全系數(shù)為2×100/106.2=1.88，比規(guī)定的安全系數(shù)2低了6%，所以復合地基承載力特征值必須低于197.5 kPa。

(3)復合地基

取樁和樁間土兩者安全系數(shù)中的較小者應該是合理而安全的，197.5×1.88/2=185.6 kPa。以185 kPa為樁墊復合地基承載力特征值。

樁墊復合地基中的砂墊層下持力層承載力特征值fspk可以采用振沖法復合地基承載力特征值的公式驗算。

式中：n為樁土應力比；m為復合地基置換率；fa為經(jīng)深度、寬度修正后的樁間土承載力特征值， kPa。

樁土應力比n可通過靜載荷試驗獲得，也可按文獻[2]中的公式計算。本次試驗持力層標高(1.4 m)處的樁土應力比的計算值與實測值曲線繪于圖9。荷載Q=14 MPa時的樁土應力比實測值與計算值分別為n=4.87和n=4.89，兩者基本相等。

已知本次試驗的m=0.222，fa=100 kPa，以實測的樁土應力比計算可得：

與上述結果185 kPa相差+0.5%。

圖9 持力層標高處樁土壓力比n曲線圖

5 結論

(1)樁墊復合地基的砂墊層具有明顯的反向擴散作用，使樁帽上產生一個倒置的四方棱臺，擴大了承受荷載的面積，將約50%的上部荷載集中到四方棱臺后直接傳遞到樁帽上，大大減少了傳到樁間土上的應力，充分體現(xiàn)了此類復合地基的優(yōu)點。

(2)通過對復合地基強度安全系數(shù)的分析可知，當安全系數(shù)為2時，本次靜載荷試驗得到的樁墊復合地基承載力特征值為185 kPa。

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Heap Load Test of the Composite Foundation for Super Large Area

LU Wei-gang,ZHOU Wei,SHEN Jin-ru
(Jiangsu Province Electric Power Design Institute,Nanjing 211102,China)

Some engineering pile-cushion large area composite foundation heap load test，because of a very large area,so can't use rigid bearing plate. Using 2m thick sand cushion layer,can be used as the test load applied on the foundation,and can be used as flexible bearing plate step by step loading. The static load test not possible to be damaged,there will not be a turning point on the relationship between load and settlement curve. May use analysis the safety coefficient of major parts to determine the pile-cushion composite foundation bearing capacity characteristic value. Bearing stratum bearing capacity characteristic value fspkmay checking computation using calculation formula of vibro-replacement stone column.

pile-cushion composite foundation; eigenvalue of load capacity; safety factor.

TU4

B

1671-9913(2017)05-0005-06

2016-05-06

陸偉崗(1980- )，男，江蘇蘇州人，工程師，從事電力工程巖土監(jiān)、檢測及研究工作。