深大沉井基礎基底承載力現場試驗研究

周和祥，馬建林，李軍堂，楊柏，張凱

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深大沉井基礎基底承載力現場試驗研究

周和祥1，馬建林1，李軍堂2，楊柏1，張凱1

(1. 西南交通大學 土木工程學院，四川 成都 610031；2. 中鐵大橋局集團有限公司，湖北 武漢 430050)

針對至今尚未解決的深層土體承載能力現場試驗確定問題，依托滬通長江大橋主墩深大沉井基礎的建設，利用自行研發的深厚土層高壓防水自穩型荷載測試裝置，開展現場載荷試驗，獲得了沉井底部土層荷載-沉降曲線。試驗結果表明：沉井底部土層極限承載力大于6.5 MPa。在此基礎上，借助現有理論分析得出相應地基土體的變形模量為12.69 MPa，地基系數為36.79 MN/m3。與現行《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》相比較，地基承載力現場實測值比以安全系數2推算得到的規范值大15.3%。該測試裝置的研發和試驗結果的獲得，為深基礎基底土體承載力的現場測試提供了可靠的測試方法和設備，對于深基礎設計計算理論的完善、相關規范的修訂和施工工藝的優化等具有重要意義。

深層土體；沉井；承載力；高壓防水；自穩；荷載測試裝置；載荷試驗

隨著我國建設事業的蓬勃發展，跨江跨海大橋、高層和超高層建筑、高速公路和高速鐵路工程大量興建，深基礎得到了廣泛應用，沉井基礎作為深基礎的主要形式之一，獲得了突破性的發展[1?4]。地基承載力是沉井設計計算中的重要指標之一?，F有的理論和數值分析方法能夠較為準確地計算淺基礎承載能力，但是對于深基礎地基承載力的計算卻難以得到一個可靠滿意的結果，現場試驗是最為可靠的解決辦法。大型沉井基礎承載力高，不宜采用靜載法[5]和自平衡法[6]等直接對原型基礎進行現場試驗的方法，可采用原位測試法。與其他原位測試方法相比，載荷試驗是地基受力的模擬，既可以檢測承載力，又可以了解地基變形特性，被認為是檢驗地基承載力是否滿足工程要求的最可靠方 法[7]，吳銀柱等[8?9]在深層平板載荷試驗裝置研發方面做了相關研究，目前已有報道的平板載荷試驗最深能達到30.7 m[9]，但許多大型沉井基礎基底深度均遠遠超過了這一數值，且沉井常常處于深水環境中，現有的載荷試驗方法和裝置均不適用?？偟膩碚f，對于大型沉井基礎而言，目前還找不到一個較好的現場試驗方法。工程實踐中通常參考規范[10]，即利用深度和寬度的修正經驗公式對基本承載力進行修正得到容許承載力，而該經驗修正公式是在總結大量埋深不超過6 m的平板載荷試驗結果的基礎之上并參考國外規范總結得到的，實質上仍適用于淺基礎的情況。因此，規范在深度修正系數上的取值較為保守，并且規定若實際基礎深度超過40 m時，計算深度仍取40 m，這也是在沒有實測資料的情況下，在設計計算中為了保守而不得已采取的辦法。顯然，其科學性、合理性和可靠性將受到質疑。鑒于目前不少沉井基礎的持力層深度超過了40 m深，為此研制了一種深厚土層高壓防水自穩型荷載測試裝置，通過利用該裝置對沉井底部土層進行載荷試驗，獲得了荷載?沉降曲線。該測試裝置能夠在高土層壓力和深水壓力環境中使用，且具備自穩能力，抗傾覆能力強，測試精度高，不受測深影響。該測試裝置的研發，從現場試驗方面解決了確定大型沉井基礎基底承載力過程中遇到的關鍵問題，對于此類深大基礎的設計計算理論的完善、相關規范的修訂和施工工藝的優化具有重要意義。

1 深厚土層高壓防水自穩型荷載測試裝置

1.1 主要結構與組成

深厚土層高壓防水自穩型荷載測試裝置主要由荷載?沉降測試箱、混凝土自穩塊、加載控制系統和采集裝置等組成，如圖1所示。荷載?沉降測試箱是整套設備的核心，主要由荷載承壓板、液壓千斤頂、位移?傾角采集設備和抗高壓密封防水箱體等組成。荷載?沉降測試箱和混凝土自穩塊埋置在地下，加載控制系統與采集裝置放置在地面上。

單位：mm

1.2 主要特點

本荷載測試裝置傳感器主要有位移傳感器和傾角傳感器。位移傳感器安裝在箱體與承壓板之間，用于測量在荷載作用下基底土層沉降位移數據，傾角傳感器安裝在箱體側壁，用于測量荷載測試裝置的傾角。根據千斤頂施加的荷載和承壓板面積算出通過承壓板施加到基底土層的荷載值，并結合位移傳感器和傾角傳感器采集的數據，即可得到基底土層的荷載?沉降曲線，為進一步分析提供科學數據。

荷載測試裝置主要有以下幾個特點：

1) 耐受高土層壓力和深水壓力

該荷載測試裝置整體處于密封狀態，僅承壓板作為一個相對獨立的部件，可以在液壓機構的驅動下運動。荷載?沉降測試箱采用圓形箱體并在其周邊設置肋板，可以增強箱體強度和抗壓能力，保證其能夠在高土層壓力和深水壓力環境中正常工作。另外，混凝土自穩塊不僅可以平衡穩定荷載-沉降測試箱，還具有增加測試裝置耐壓能力的作用。

2) 具備自穩能力

在荷載?沉降測試箱周圍澆筑混凝土自穩塊，荷載?沉降測試箱、混凝土自穩塊具有對稱結構，其對稱軸重合。澆筑了混凝土自穩塊后的測試裝置，其穩定性和抗傾覆能力大大提高。同時，在自穩塊底部施做一圈鋼裙邊，可有效防止封底混凝土流入承壓板下部影響測試效果?；炷磷苑€塊建議采用圓臺形，具體的形狀、大小和重量可以根據沉井底部土層的性質、需要施加的荷載大小、測試裝置的放置位置等情況綜合分析確定。

3) 測試精度高，且不受測深的影響

采用(N≥1)臺液壓千斤頂作為動力裝置，N臺千斤頂沿承壓板對稱軸均勻分布，可以對承壓板施加均勻的壓力，有利于提高測量精度。另外，測試裝置為獨立的裝置，在沉井封底時被整體澆筑固定到封底混凝土中，與現有的深層平板載荷試驗測試裝置相比，該測試裝置在測試位移時不需要采用傳力柱將承壓板位移傳到地表，直接利用測試裝置上安裝的位移傳感器進行測試即可，這樣不僅避免了因傳力柱變形和彎曲導致的誤差，提高了測試精度，而且取消了傳力柱，利用防護膠管引出高壓油管和信號線對測試設備進行控制與測試，使得測試裝置不受測深的影響。

該套裝置的基本特點可歸納為：能夠在高土層壓力和深水壓力環境中使用，且具備自穩能力，抗傾覆能力強，測試精度高，不受深度影響等特點。

1.3 主要結構參數與性能指標

1) 結構參數

承壓板：圓形，面積0.5 m2；千斤頂：額定推力3 000 kN；油泵：額定壓力25 MPa；位移傳感器：最大量程200 mm；傾角傳感器：最大量程±30°，軸測量。

2) 性能指標

荷載測量精度：0.03%(F.S)，荷載最小分辨率：0.001 MPa；位移測量精度：0.5%(F.S)，位移最小分辨率：0.01 mm；傾角測量精度：0.05%(F.S)，傾角最小分辨率：0.001°。

3) 適用范圍與適用條件

適用范圍：所有沉井基礎均適用，特別適用于在水中修建的深大沉井基礎。

適用條件：測試深度0~100 m以上；測試水壓0~4 MPa。

2 現場試驗

依托滬通長江大橋建設項目，在主墩沉井基礎選取4-4井孔位置進行現場推出試驗，主墩采用倒圓角的矩形沉井基礎，底部為鋼殼沉井，上部為混凝土沉井，總高105 m，其中鋼沉井高50 m，平面尺寸86.9 m×58.7 m，倒圓角半徑5.95 m。河床高程?17.6 m，一般沖刷線?34.4 m，沉井底面高程 ?97 m。

試驗的時間節點如下：

2016年3月14日，測試裝置順利下放到位；2016年3月23日，井孔完成封底工作；2017年6月15日完成推出試驗。

荷載測試裝置下放井孔位置如圖2所示。

2.1 測試裝置的下放及前期測試

測試裝置正式吊裝下放前，應先進行試吊以檢查測試裝置的凌空姿態，并對井孔內泥面進行整平。完成試吊和整平工作后即可將測試裝置吊裝下放至沉井底面標高位置。下放時應同時采用2臺吊機進行操作，在一臺下放測試裝置的同時，另一臺同步下放防護膠管，下放全過程實時監測測試裝置的傾角，直至下放至指定深度，荷載?沉降測試箱著床前根據測試裝置傾角讀數多次調整位置直至水平。防護膠管從保護塊引出水平延伸至沉井側壁，并繼續沿側壁向沉井頂端延伸，最終從承臺穿出，沿程長度約150 m，如圖3所示。

圖2 荷載測試裝置下放井孔位置示意圖

圖3 荷載測試裝置布置圖

2.2 推出試驗步驟

從荷載?沉降測試箱著床后到進行推出試驗，中間經過了14個月以上的上部結構施工作業時間，此時可認為荷載-沉降測試箱平板以下擾動土體的強度已基本恢復，具備了進行載荷試驗的條件。

1) 試驗設備

荷載?沉降測試箱推出試驗設備由網絡采集儀、多通道液壓控制系統、單通道傾角測試模塊和單通道土壓力測試模塊等設備組成，如表1所示。液壓控制系統采用YF-Ⅱ/25?4型多通道液壓站，有2路手動壓力輸出通道，通過手動操作液壓控制系統進行加載，同時使用網絡采集儀采集位移值，使用單通道土壓力測試模塊測量土壓力，單通道傾角測試模塊測量傾角。

表1 試驗專用儀器設備

2) 試驗步驟

試驗加載方式采用分級維持荷載沉降相對穩定法(常規慢速法)，加載分級進行，每一級加載量為250~500 kPa。每級荷載施加后，分別間隔5，5，10和10 min測讀1次沉降，以后間隔15 min測讀1次沉降，當連續2 h每小時沉降量小于等于0.1 mm時，可認為沉降已達相對穩定標準，施加下一級 荷載。

當出現下列情況之一時，可終止試驗：

①總推出量達到荷載?沉降測試箱最大推 出量；

②推出荷載達到最大推出荷載，本次試驗最大推出荷載為6.5 MPa；

③本級荷載的沉降量大于前一級荷載沉降量的5倍，荷載?沉降曲線出現明顯陡降；

④在某級荷載下24 h沉降速率不能達到相對穩定標準。

3 數據處理與對比分析

3.1 p-s曲線分析

推出試驗曲線如圖4所示。

在試驗荷載由0加至最大荷載6.5 MPa過程中，曲線近似呈2段直線型。第1階段荷載≤1.5 MPa，此階段最大沉降為1.200 mm，土體發生線彈性變形，曲線斜率很?。坏?階段荷載1.5 MPa＜≤6.5 MPa，此階段最大沉降為137.099 mm，曲線斜率相對變大，但仍呈現線性變化的性質。整條曲線沒有象征破壞荷載臨近的拐點出現。

分析地基土的應力歷史可知，在沉井吸泥下沉前，荷載-沉降測試箱處地基土在土體自重應力等前期壓力作用下完成了固結過程，此時地基土為正常固結~超固結土。沉井吸泥下沉到位后，沉井底部土體發生卸載回彈，土體應力狀態進入卸荷回彈階段。進行推出試驗時，當施加荷載小于前期固結壓力時，沉井底部土體處于超固結的卸荷?重復加載狀態(第1階段)，曲線呈現出近似于水平的線彈性特性。當施加荷載大于前期固結壓力時，沉井底部土體進入正常固結狀態(第2階段)，曲線呈現出斜率較大的線性特性。

圖4 荷載-沉降測試箱推出試驗p-s曲線圖

由實測曲線可知，當加載至試驗最大值6.5 MPa時，基底土體還處于線性變形階段，未發生破壞。可知，基底土體的極限承載力應大于6.5 MPa。

通過試驗得到的地基土體承載力較高，這主要是由于沉井底部土體工程力學性質好，位置足夠深，天然結構性強，所受周圍土體圍壓大，土體不易壓縮，上部沉井底面面積和剛度大，不易形成整體剪切破壞面的緣故。這也如實反映了沉井底部土體的實際工作狀態和受荷特點。

3.2 變形模量與地基系數計算

這里借用《巖土工程勘察規范》[11]計算主墩沉井4-4井孔基底土體變形模量和地基系數。

深層平板載荷試驗的變形模量0(MPa)可按下式計算：

地基系數0可按下式計算：

式中：為承壓板直徑或邊長，m；為曲線線性段的壓力，kPa；為與對應的沉降，mm；為與試驗深度土類有關的系數，按《巖土工程勘察規范》中10.2.5選取。

和應為曲線線性變形階段的壓力和變形。由于超固結階段的地基沉降不足1%，所以和都應以增量形式，從正常固結階段曲線 取值。

正常固結階段Δ=5 000 kPa，Δ=135.90 mm，=0.8m，取0.431，分別代入式(1)與式(2)得0= 12.69 MPa，0=36.79 MN/m3。

3.3 試驗結果與理論計算方法及規范對比

借用《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》計算沉井基礎的容許承載力，并與試驗結果進行對比分析。根據地勘報告資料取用參數如表2所示。

表2 地勘參數取值表

根據《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》，當基礎的寬度大于2 m或基礎底面的埋置深度大于3 m，且/≤4時，地基的容許承載力可按式(3) 計算：

式中：[]為地基的容許承載力，kPa；0為地基的基本承載力，kPa，這里取值為500 kPa；為基礎的短邊寬度，m，大于10 m時，按10 m計算，這里取值為10 m；為基礎底面的埋置深度，m，這里取值為40 m；1為基底以下持力層土的天然容重，kN/m3，如持力層在水面以下，且為透水者，應采用浮重，這里取值為10.2 kN/m3；2為基底以上土的天然容重的平均值，kN/m3，如持力層在水面以下，且為透水者，水中部分應采用浮重，如為不透水者，無論基底以上土中部分土的透水性質如何，應采用飽和重度，這里取值為10.1 kN/m3；1和2為寬度和深度修正系數，按持力層土確定，按《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》中4.1.3選取，這里1取值為3，2取值為5.5。

通過式(3)計算得到沉井基礎的容許承載力為2 819 kPa。若取安全系數為2，可推得極限承載力為5 638 kPa，如表3所示。

與現行《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》相比較，地基極限承載力現場實測值比以安全系數2推算得到的規范值大15.3%。

表3 試驗結果與設計計算理論對比表

4 結論

1) 深厚土層高壓防水自穩型荷載測試裝置能夠在高土層壓力和深水壓力環境中使用，且具備自穩能力，抗傾覆能力強，測試精度高，不受測深影響。該測試裝置的研發和成功應用，解決了深基礎基底土體承載力現場試驗確定這一關鍵問題，對深大基礎的設計計算理論的完善、相關規范的修訂和施工工藝的優化具有重要意義。

2) 試驗得到曲線近似呈2段直線型。當施加荷載小于前期固結壓力時，沉井底部土體處于超固結的卸荷?重復加載狀態，曲線呈現出近似于水平的線彈性特性。當施加荷載大于先期固結壓力時，沉井底部土體進入正常固結狀態，曲線呈現出斜率較大的線性特性。

3) 從現場試驗曲線得知，沉井底部土體的極限承載力大于6 500 kPa。在此基礎上計算得到變形模量0=12.69 MPa和地基系數0=36.79 MN/m3。

4) 與《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》計算值相比，現場試驗所得到的地基極限承載力比規范值大15.3%。

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Field test study on bearing capacity of subsoil under the deep caisson foundation

ZHOU Hexiang1, MA Jianlin1, LI Juntang2, YANG Bai1, ZHANG Kai1

(1. School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2. China Railway Major Bridge Engineering Group Co., Ltd, Wuhan 430050, China)

In order to solve the problem of determining the bearing capacity of deep soil by field test, a high pressure waterproof self-stabilizing load testing device was used, which was developed by the tester particularly for field load experiment, to test subsoil under deep foundation in the construction of main pier deep open caisson of Hutong Changjiang River Bridge. The soil load-settlement curve of the subsoil under caisson was obtained. It is found that the ultimate bearing capacity of the subsoil under deep foundation is greater than 6.5 MPa, from which it can be derived the deformation modulus of foundation is 12.69 MPa and foundation coefficient is 36.79 MN/m3. Compared with Design Specification for Foundation and Foundation of Railway Bridge and Culvert, the measured value of bearing capacity is 15.3% more than the standard value which takes safety coefficient of 2. The found and testing device provide a reliable test method and equipment for the field test of bearing capacity of subsoil under deep foundation. It is of great significance to perfect the design and calculation theory, relevant specification and construction process of deep foundation.

deep soil; caisson; bearing capacity; high pressure waterproof; self-stabilizing; load testing device; load test

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.01.011

TU413.4

A

1672 ? 7029(2019)01 ? 0079 ? 06

2018?01?04

國家重點研發計劃項目( 2016YFC0802203-1)；中國鐵路總公司科技研究開發計劃項目( 2013G001-A-2)

馬建林(1958?)，男，四川樂山人，教授，從事橋梁深大基礎工程、邊坡穩定與支擋結構工程研究；E?mail：majianlin01@126.com

(編輯 涂鵬)