地基土承載力特征值檢測方法與取值研究

鄧少權(quán)

（東莞市建設(shè)工程檢測中心，廣東 東莞 523809）

0 引言

隨著建筑物的高度、跨度、重量的不斷增加，地基基礎(chǔ)的安全穩(wěn)定性受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注和重視，尤其是地基土承載力特征值的準確性，直接關(guān)乎到整個建筑物的安穩(wěn)。因此，如何優(yōu)化對地基土承載力特征值正確取值和驗證工作迫在眉睫。

地基土承載力特征值的大小不僅與土質(zhì)息息相關(guān)，還取決于基礎(chǔ)的設(shè)計型式、埋置深度、地下水位高低、荷載作用等因素。而勘察初期，基礎(chǔ)尺寸與上部荷載尚未明確，所以地勘報告中提供的承載力特征值應(yīng)進行修正和現(xiàn)場原位測試驗證，才能進行后續(xù)施工，采取合適的檢測方法確定承載力特征值變得尤為重要。

1 特征值檢測方法

1.1 壓板檢測

壓板荷載試驗是一項應(yīng)用廣泛、結(jié)果可靠的原位試驗方法，該試驗是通過搭設(shè)堆載平臺為反力裝置，在一定尺寸的剛性承壓板上采用千斤頂分級施加荷載，檢測每級荷載作用下地基土隨壓力而產(chǎn)生的沉降，可較準確地測出地基的承載力。檢測結(jié)果因未考慮基礎(chǔ)類型和埋置深度，所以最后數(shù)值應(yīng)進行修正處理。該檢測項目的實施內(nèi)容主要如下。

1）適用范圍。天然地基和人工地基。

2）試驗要點。工程施工前的地基驗收檢測的壓板試驗（土層）最大試驗荷載不小于設(shè)計承載力特征值的 2 倍，巖石地基不小于 3 倍；承壓板的面積應(yīng)結(jié)合土質(zhì)情況綜合計算；加載方式應(yīng)采用慢速維持荷載法；點位試驗標高與基礎(chǔ)底設(shè)計標高一致，當有地下水時，應(yīng)先進行降水處理，再安裝儀器設(shè)備，待地下水位恢復后才能開機檢測；承壓板、壓重平臺、基準樁的間距應(yīng)符合規(guī)范要求；荷載加壓要滿足承壓板沉降相對穩(wěn)定標準；終止加載和特征值判定應(yīng)滿足規(guī)范要求。

3）影響因素。承壓板的面積、檢測點位標高 、設(shè)備運行情況、天氣等。

4）結(jié)果修正。按 GB 50007－2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》計算公式修正。

式中：fa為修正后的地基承載力特征值；fak為地基承載力特征值；ηb、ηd為基礎(chǔ)寬度和埋置深度的修正系數(shù)；rm為基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度；b、d為基礎(chǔ)寬度和埋置深度。

1.2 室內(nèi)檢測與特征值計算

通過對地基土芯樣進行室內(nèi)試驗，測試出基礎(chǔ)底面以上土層的加權(quán)平均重度、內(nèi)摩擦角、粘聚力等土性參數(shù)。依據(jù)塑性狀態(tài)或極限狀態(tài)公式，通過理論公式計算法求出地基土承載力特征值。

1）按塑性狀態(tài)計算，特征值求解公式如下。

式中：fa為地基承載力特征值；ck、φk為黏聚力和內(nèi)摩擦角標準值。

2）按極限狀態(tài)計算，特征值求解公式如下。

式中：fu為極限承載力；Nc、Nb、Nd為承載力系數(shù)；εd、εd、εb為基礎(chǔ)形狀系數(shù)。

以上公式中的符號定義詳見《工程地質(zhì)手冊》（第五版）第四篇地基評價與計算。

1.3 標準貫入法

標貫試驗采用 63.5 kg 的穿心錘按照規(guī)定的落距（76 cm）沿著觸探桿自由下落，記錄貫入器的錘擊數(shù)，通過查表或插入法計算出地基土承載力的特征值，用來判定土層性質(zhì)。采用標貫試驗評價或確定地基承載力是個相對較復雜的問題，涉及的不確定性因素太多。因此，該試驗結(jié)果一般用于參考對比，不宜直接作為唯一判定值。該檢測項目內(nèi)容如下。

1）適用范圍。粉土、砂土和黏性土。

2）試驗要點。先鉆進至需要進行試驗的土層標高以上約 15 cm，清孔后再換標準貫入器，以 15～30 擊/分鐘的貫入速度打入試驗土層中，做好擊數(shù)記錄；將初次打入 15 cm 的擊數(shù)不計，繼續(xù)貫入土中 30 cm 的錘擊數(shù)N作為試驗結(jié)果。若土層較密實，可用下列計算公式換算。

式中：n為實際錘擊數(shù)；?S為對應(yīng)貫入量。

3）影響因素。觸探桿長度和垂直度、土的自重壓力影響、地下水影響。

4）結(jié)果修正。桿長修正可通過查找相關(guān)規(guī)范，通過公式N′=αN修正；修正后的數(shù)值可評價砂土、粉土的密實度（見表 1）和黏性土的狀態(tài)。

表1 天然狀態(tài)砂土密實度分類

1.4 動力觸探

動力觸探試驗是地質(zhì)勘察中常見的一種土質(zhì)工程特性的測試手段。該檢測是根據(jù)土質(zhì)密實度，利用規(guī)定質(zhì)量的落錘，將標準尺寸、標準形狀的探頭打入土中，并記錄錘擊數(shù)，用來判定土層工程物理性質(zhì)。動力觸探試驗可分為輕型、重型、超重型三種類別，操作方法類似，主要區(qū)別在于錘重、落距、探桿直徑不同。該檢測項目的內(nèi)容如下。

1）適用范圍。輕型觸探試驗適用于黏性土、粉土、粉砂、細砂等地基；重型觸探試驗適用于碎石土、砂土、黏性土等地基；超重型觸探試驗適用于軟巖、碎石土等地基。

2）試驗要點。動力觸探試驗應(yīng)采用自由落錘；地面上觸桿高度應(yīng)≤1.5 m，并防止偏心、傾斜和搖晃；每貫入 1 m，探桿轉(zhuǎn)動一圈半。

3）影響因素。錘重、落距、探桿垂直度。

1.5 靜力觸探

靜力觸探試驗是以靜壓力將圓錐形探頭按設(shè)定速率勻速壓入土中，測量其貫入阻力（包括錐尖阻力、側(cè)壁摩阻力或摩阻比），并按其所受阻力大小劃分土層，通過計算確定土的工程性質(zhì)。靜力觸探試驗野外現(xiàn)場操作簡單、方便、測試時間短，在地勘中廣泛采用。該檢測項目的內(nèi)容如下。

1）適用范圍。適用于軟土、黏土、粉土、砂類土及含少量碎石的土層。

2）試驗要點。探桿長度應(yīng)超過測試孔深 2.0 m；反力應(yīng)大于預估的最大貫入阻力；探頭應(yīng)在標定期內(nèi)，均勻垂直壓入；終止貫入應(yīng)符合規(guī)范要求。

3）影響因素。桿長、反力、探頭、操作。

2 工程實例

某工程為多層住宅，基礎(chǔ)型式為獨立基礎(chǔ)，地質(zhì)情況如表 2 所示，地下水位在持力層以下，分別擬將 3 種不同土層作持力層，用多種檢測方法測試對應(yīng)持力層承載力特征值，總結(jié)出各檢測方法的適用范圍和工程定位。

表2 工程地質(zhì)特征表

2.1 擬持力層為砂土層時

1）根據(jù)表 3 的P-s曲線數(shù)據(jù)（加載后 5 級）確定。

表3 壓板檢測 P-s 曲線表

曲線比例界限為 240 kPa；加壓至 480 kPa，承壓板周圍土體明顯擠出，取前一級荷載為極限荷載，其一半為 210 kPa；特征值取兩者較小值，即fa=210 kPa。

2）根據(jù)室內(nèi)土工試驗數(shù)據(jù)確定。根據(jù)土工試驗測得ck=15kPa、φk=22°、rm=19 kN/m3、e=0.984。

結(jié)合理論公式求得：fa=189 kPa。

3）根據(jù)標貫試驗數(shù)據(jù)確定。修正后的試驗錘擊數(shù)N=18.6，通過查表和內(nèi)插法求得fa=240 kPa。

4）根據(jù)動力觸探試驗數(shù)據(jù)確定。采用重型圓錐動力觸探，通過查表和內(nèi)插法測得fa=235 kPa。

5）根據(jù)靜力觸探試驗數(shù)據(jù)確定。fa=40Ps+70 =207 kPa。

根據(jù)以上結(jié)果匯總?cè)绫?4 所示。

表4 砂土層不同檢測方法測試數(shù)據(jù)對比

對于砂土，通過數(shù)據(jù)分析可知：壓板檢測結(jié)果基本能真實反映持力層的承載力特性，影響因素較少（除天氣、地下水位等）；砂土的室內(nèi)試驗結(jié)果偏差較大，主要在于取樣、封樣、運輸?shù)冗^程會對樣品產(chǎn)生擾動，破壞樣品結(jié)構(gòu)，導致試驗結(jié)果存在非規(guī)律性差異。室內(nèi)試驗結(jié)合理論計算的結(jié)果可作為參考數(shù)值，為其他檢測方法測試結(jié)果起到比對驗證作用；動力觸探和標貫試驗宜使用套管檢測，否則易產(chǎn)生塌孔、清底渣困難，造成試驗結(jié)果偏大；在砂性土中，只要控制好設(shè)備不偏位，靜力觸探檢測數(shù)據(jù)較真實，試驗結(jié)果與壓板檢測數(shù)據(jù)相近，可作為確定性結(jié)果。

2.2 擬持力層為黏土層時

依照砂土計算過程，將計算結(jié)果匯總?cè)绫?5 所示。

表5 黏土層不同檢測方法測試數(shù)據(jù)對比

對于黏土，通過數(shù)據(jù)分析可知：壓板檢測與動探、靜探檢測結(jié)果相差較小，而室內(nèi)試驗和標貫測試檢測離散型相對較大。可選壓板檢測、動探、靜力觸探為特征值檢測首選方法，用室內(nèi)試驗計算法和標貫試驗做對比。

2.3 擬持力層為強風化巖層時

依照砂土計算過程，將計算結(jié)果匯總?cè)绫?6 所示。

表6 強風化巖層不同檢測方法測試數(shù)據(jù)對比

對于強風化巖，壓板檢測與動探檢測結(jié)果較接近，而室內(nèi)試驗和標貫測試結(jié)果具有較大離散型，靜探結(jié)果偏差最大。可選壓板、動探檢測為特征值檢測首選方法，用室內(nèi)試驗計算法和標貫試驗做對比，靜力觸探測試強風化巖結(jié)果精確度較低，建議慎選。

3 結(jié)語

1）通過不同檢測方法的對比分析，壓板檢測結(jié)果可靠，適用范圍廣，其結(jié)果可作為工程設(shè)計與驗收標準。該結(jié)果未考慮建筑物的重量、基礎(chǔ)型式和埋置深度等，所以設(shè)計時應(yīng)選用修正后的特征值。因場地原因，無法開展壓板檢測時，宜采用適合相應(yīng)土質(zhì)的檢測方法。

2）地基土承載力的各種檢測方法的測定結(jié)果均不同，可借鑒本論文實例總結(jié)，對各值進行評估和取舍，比如壓板檢測對于軟土、填土應(yīng)合理選擇承壓板和反力裝置，避免引起非試驗位移；室內(nèi)試驗樣品在切取、封樣、運輸、試驗方法等方面影響較大，其結(jié)果可做參考；標準貫入試驗在不同土層中會出現(xiàn)結(jié)果離散型較大，宜對比后選取；動力觸探應(yīng)控制好影響因素，可作為壓板替選方案；靜力觸探結(jié)果與土質(zhì)均勻性、夾層厚度、設(shè)備精度有關(guān)，對于砂土、黏性土測試結(jié)果較準，對于風化巖層或有孤石土層宜慎重選擇。 Q