淺層載荷板試驗在基礎優化中應用研究

鄭 聰

(福建天正建筑工程施工圖審查事務有限公司 福建廈門 361000)

0 引言

福建沿海地區主要為巖漿巖分布地區，巖漿巖分布又以花崗巖為主，其風化巖和殘積土承載力的取值是一個非?！俺浴苯涷灥墓ぷ?，實際工程地勘報告所提供殘積土的變形模量和承載力特征值通常由修正后的標準貫入擊數通過公式推算[1]，并結合土工實驗經驗取值。如果當地經驗不足，應通過現場載荷試驗確定。福建省《建筑地基基礎技術規范》[2]第5.2.4條要求：地基基礎設計等級為甲級及缺乏經驗和地質條件復雜的乙級的天然地基承載力特征值應通過現場載荷試驗確定；廈門市住宅工程質量常見問題防治若干技術措施[3]在這方面更加嚴格：天然地基的承載力必須采用現場淺層平板載荷試驗進行檢驗；福建省建筑工程質量安全總站主編的《福建省建筑工程施工文件管理規程》[4]亦規定：設計有要求或協議有約定的，地基應進行承載力檢驗；顯然，載荷板試驗結果可以作為各種確定天然地基承載力方法的有益補充和終極手段，在各種原位測試中是最為可靠的。

福建省內的甲級天然基礎目前和廈門市住宅的天然基礎基本是按當地經驗值擬定天然地基的承載力特征值，然后再采用淺層載荷板試驗進行工程驗收檢測。當進行為設計提供依據的載荷試驗時，持力層應加載至極限狀態，其得出的持力層承載力特征值有可能高于經驗值，這就為基礎優化設計提供了空間。

基于此，本文擬以福建某工程為案例，通過其新舊兩種設計方案對比，探索淺層載荷板試驗在基礎優化中應用。

1 某住宅基礎優化案例

某住宅小區采用4層地下室，上部單體最高21層,持力層為④殘積黏性土。

1.1 場地工程地質狀況

地勘報告中，④殘積黏性土呈淺黃、褐黃等色，可塑～硬塑，飽和。成分由長石、石英砂粒粒及少量云母碎屑等組成，根據土工試驗顆分結果，殘積細粒土的天然含水量平均值為34.5%，塑限平均值為31.25%，液限平均值為41.33%，液性指數平均為0.31；其中大于2.00mm的顆粒含量小于5%，0.50～2mm的顆粒含量約為15.1～36.0%，0.25 mm～0.50mm的顆粒含量約為7.0～16.4%，0.075 mm～0.25 mm的顆粒含量約為3.0～9.9%，<0.075的顆粒含量約為46.0～68.9%。搖震反應無，干強度中等，韌性中等，光澤反應稍有光澤。原巖結構特征尚可辨認，母巖為花崗巖。該層在水平方向上風化程度較均一，但在垂直方向上風化程度則逐漸減弱、強度逐漸提高。實測標貫擊數為<30擊。基底下主要土層參數表和典型工程地質剖面圖分別如表1和圖1所示。

圖1 典型工程地質剖面圖

表1 基底下主要土層參數表

1.2 原基礎設計方案

經計算，主樓筏板基礎非地震工況的平均反力約420kPa,而殘積土承載力特征值僅200kPa,故主樓基礎采用長螺旋鉆成孔壓灌樁(CFG樁)復合地基方案。CFG樁樁身采用C35素砼，樁徑450mm，設計樁長約12m，樁持力層為土狀強風化花崗巖，要求處理后的復合地基承載力特征值不小于fspk=400kPa，并按1.5m正方形分布。

建設單位認為此方案工期較長且造價偏高，希望通過淺層載荷板試驗提高持力層承載力，盡量減少或取消CFG樁。

1.3 現場淺層載荷板試驗

試驗由安裝在地基頂面承載板的油壓千斤頂進行逐級加荷，千斤頂所需的反力由砼試塊堆重平臺承擔，地基沉降量由承載板4個角點對稱安裝的無線靜荷載實驗儀的位移傳感器測讀，承壓板面積：1.0m×1.0m。試驗加荷方式為慢速維持荷載法，委托的3個試驗點最大試驗荷載均為800kPa,取10級加載，每級荷載增量均為80Pa。

經檢測，試驗荷載達到720kPa時，沉降超過載荷板寬度的6%，取前一級荷載640kPa作為極限值，且變形值0.01b所對應的沉降皆大于極限值的一半，根據規范[5]第4.4.3條確定所檢的3個點天然地基承載力特征值均為320kPa，具體如表2所示。

表2 載荷板檢測結果

1.4 優化后的設計方案

從該工程基坑開挖后土層分布來看，其剩余殘積土層厚度較小，下臥巖土層為工程特性指標較好的全風化、強風化等花崗巖，主樓變形計算深度范圍內壓縮模量的當量值較大?，F取典型主樓筏板計算其沉降。

筏板尺寸14m×42m,按角點法計算筏板中心點總沉降量，其中b=7m，l=21m,l/b=3,全風化層面按基底2.8m,土狀強風化花崗巖層面按基底8.4m,分層厚度Δz取2.8m，壓縮模量按變形模量取值，P0=400-1×19-9×14=255 kPa,沉降量統計如表3所示。

表3 分層總和法計算地基沉降量

據表3可得總沉降量120.5mm,考慮沉降計算經驗系數Ф=0.592，實際沉降量S=0.592×120.5=71.3mm。

從計算結果可以看出，土層開挖深度較深，持力層前期固結壓力較大，主體對持力層實際的附加應力較小,實際附加應力產生的沉降滿足規范要求。構造上，通過主樓周邊設置沉降后澆帶可以進一步控制主樓與純地下室的沉降差。

結合沉降結果，確定地基承載力特征值按檢測報告取320kPa，并適當加大筏板以減少持力層附加應力，④殘積黏性土按純地下室的折算厚度修正后的承載力特征值基本能滿足設計要求。

由于花崗巖殘積土一般具有泡水后易軟化、崩解，使強度降低的不良特性，現場施工土層開挖時應采取措施避免擾動持力層并分塊及時澆筑混凝土墊層。

2 載荷板結果與標貫公式差異較大的原因分析

規范[1]提供了殘積土承載力特征值的驗計算如式(1)：

fak=11.97N′+87.37

(1)

查地勘報告中WK11和WK13的標貫分層統計結果并代入公式(1)可得表4：

表4 標貫分層統計表

從上述計算可以看出，同一土層不同深度的標貫亦有較大差異，按實際基底深度標貫推算的承載力特征值約為260kPa,載荷板實驗值與標貫計算值的比值320/260=1.23；地勘報告在擬定殘積土承載力特征值時綜合考慮土的物理力學指標和標貫結果，按經驗取值為200kPa，載荷板實驗值與地勘報告承載力參數的比值360/200=1.6。

實際上，載荷板實驗與標貫經驗公式有所差異是常見現象，但持力土層往往較厚，且由于勘察單位在作業時并不確定主體最終的基礎形式和持力層標高，地勘報告只能按均質土層進行簡化，當基礎持力層位于土層下部時，其結果就會出現較大偏差。

也許可以考慮：在主體設計單位確定了基礎之后，再反提給勘察單位，最后由勘察單位對承載力進行復核并確定是否需要變更。

3 載荷板試驗確定土層承載力時存在的問題和對策

福建地區花崗巖殘積土承載力有成熟的經驗，一般采用標準貫入試驗即可評價花崗巖殘積土的力學特性。從上述案例可知，為設計提供依據的載荷試驗的主要驅動力是建設方對經濟性的追求，實際上就是想要取得比地勘報告中經驗值更高的承載力特征值。

建設單位通常委托第三方檢測公司對指定點進行載荷板試驗，而檢測公司僅對指定點的載荷板試驗結果負責，這就造成設計單位直接使用載荷板試驗結果作為設計依據時可能存在安全隱患。

3.1 檢測點數量不足

規范[1]規定：載荷試驗每個場地不宜少于3個，當場地內巖土體不均時，應適當增加。

《高層建筑巖土工程勘察標準》[6]第8.2.3條對巖土體是否不均勻提出了量化指標，但不均勻程度與檢測點增加的數量沒有對應的關系。建設單位考慮經濟性和檢測進度，實際工程中可能存在場地面積大、主體單體很多而檢測數量仍然只有3個的情況。

對此，建議參考旋噴樁復合地基驗收的靜載做法增加試驗點?；谀壳皬秃系鼗o載試驗是按單體主樓下不少于3臺，筆者建議結合主樓數量考慮每棟主樓下選取1～3個試驗點(場地主樓數量少時取大值)。

3.2 檢測選點缺乏代表性

實際土層存在水平方向的不均勻，體現在同一土層不同區域的標準貫入度有所差異，甚至偏差很大。檢測方為滿足建設方需求，在選點時可能會特意選取標貫大的區域，而標貫越大、承載力越高，其檢測結果可能不具有代表性。

實際土層存在垂直方向的不均勻，體現在持力層下同一土層厚度可能差異很大。一般認為載荷板下應力的主要影響范圍為1.5～2倍承壓板直徑或寬度，當持力土層的下臥巖土層力學性能優于持力層，且持力土層厚度小于應力影響范圍時，可以取得較高的檢測結果。

因此，當建設方確定進行載荷板試驗時，建議設計單位提前介入檢測點選取，提高檢測點的代表性，不應放任檢測單位隨意選取，以避免后期設計確定承載力時過于被動。

3.3 第三方檢測公司的專業性可能不足

第三方檢測公司的專業能力參差不齊，由于檢測單位不對整體地基承載力負責，實際上也就不對后期的工程質量負責，再加上這類檢測缺乏監管，其結果的可靠性可能不足。

考慮到承載力提高改變了原勘察報告提供的土體力學性能，如取值不妥，將嚴重威脅結構安全，勘察單位不應置身事外，且勘察單位在載荷板試驗及持力層承載力取值上的專業性更不是檢測單位或設計單位可以替代的。

對此，建議此類結果應由勘察單位提供補充勘察資料，作為設計單位的設計依據，建設方不應撇開勘察單位，僅由檢測單位提供檢測數據作為設計依據。

3.4 深基坑回彈再壓縮的不利影響

多層地下室深基坑開挖后，基底持力層存在較大的坑底回彈。規范[2]規定的預壓荷載僅5%，且終止加載的條件為累計沉降量不小于承壓板邊寬或直徑的6%，假定承壓板直徑500，沉降超過30mm應終壓，其載荷板檢測結果可能偏小甚至嚴重不合理。

對于此類持力層，建議采用面積較大的承壓板或結合基坑開挖深度內土體的自重壓力(采用加權容重)適當提高預壓荷載，同時基礎設計應考慮回彈再壓縮可能產生的更大的不均勻沉降的不利影響。

4 結語

由于載荷板試驗確定土層承載力時存在不少問題，造成淺層載荷板試驗數據可靠性可能不足，勘察、設計單位應提前介入，以提高檢測數據質量。

目前，案例項目已快竣工，從反饋情況來看，沉降遠小于計算值?？梢钥闯?，以平板載荷試驗結果為依據，并提高地基承載力特征值來優化地基基礎設計是可行的。從沉降控制角度來看，此方法尤其適合于深基坑的超固結土層。