靜力觸探技術(shù)在中華長城博物館土地基承載力評估中的應(yīng)用

郭麗麗（中國建筑材料工業(yè)地質(zhì)勘查中心山西總隊，山西 太原 030000）

土地基承載力是其所承受的荷載力，土地基受到建筑物壓力后，其所受到的荷載增加易導(dǎo)致地基發(fā)生形變，從而影響建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，也從基礎(chǔ)上影響建筑物的造型設(shè)計和分布情況。因此，在建筑開工擬建之前需對其建筑區(qū)域的土地基承載力進(jìn)行計算并依據(jù)其承載力設(shè)計建筑結(jié)構(gòu)和地基開挖位置[1]。靜力觸控技術(shù)是一種原位測試技術(shù)，其利用壓力裝置將觸控探頭壓入地基土層內(nèi)，然后計算其壓入土層的貫入阻力后，依據(jù)土層的變形模量、容許承載力等參數(shù)，對壓力裝置的貫入阻力展開回歸分析，獲得天然地基的承載力。靜力觸控技術(shù)適用于黏性、砂性以及粉狀的地基承載力測量，其在測量時具備快速、精確等優(yōu)點[2]。靜力觸控技術(shù)可實現(xiàn)地基土層的劃分,計算土層工程性質(zhì)指標(biāo),以及計算地基單樁的承載力等，其在工程建筑領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。靜力觸控技術(shù)在應(yīng)用過程中，其探頭若受到阻力，其靜力觸探的曲線則出現(xiàn)變化，因此其在勘測地下空洞情況較為精準(zhǔn)。依據(jù)靜力觸控技術(shù)的特點，本文將其應(yīng)用在擬建中華長城博物館過程中，應(yīng)用其對中華長城博物館地基承載力展開計算。由此提出靜力觸探技術(shù)在中華長城博物館土地基承載力評估中的應(yīng)用方法，為中華長城博物館項目建設(shè)提供指導(dǎo)性的承載力建議，以保障其施工順利進(jìn)行。

1 基于靜力觸探技術(shù)的博物館土地基承載力評估方法

1.1 工程概況

擬建中華長城博物館（園）項目建設(shè)場地位于山西省忻州市忻府區(qū)。擬建場地南側(cè)緊臨橋西街，西側(cè)為忻州現(xiàn)代雙語學(xué)校，東側(cè)為七一路。本工程擬建建（構(gòu)）筑物主要包括中華長城博物館、門衛(wèi)、休息亭及小型垃圾轉(zhuǎn)運站。中華長城博物館基本參數(shù)具體情況見表1。

表1 中華長城博物館（園）項目建筑基本參數(shù)

1.2 使用靜力觸控技術(shù)確定地基土承載力

目前大型建筑工程的地基土承載力均是使用靜力觸控技術(shù)來測量的，在使用靜力觸控技術(shù)測量中華長城博物館土地基承載力時，需先計算地基的允許承載力[3]。由于中華長城博物館土地基的沉降并未超過20m，使用Boules方法計算其地基允許承載力，表達(dá)公式如下：

式中alloable-表示地基允許承載力；

N55-表示55%能量穿的SPT標(biāo)貫值；B-表示地基基礎(chǔ)寬度；Df-表示地基基礎(chǔ)埋深。

1.3 單樁承載力估算與地基液化判別

使用靜力觸控技術(shù)測量土地基承載力時，僅對一個小直徑地基樁進(jìn)行貫入實驗即可[4-5]。按照相關(guān)建筑地基技術(shù)規(guī)章制度，計算中華長城博物館單樁豎向極限承載力，其表達(dá)公式如下：

式中Quk-表示單樁豎向極限承載力數(shù)值；

βi-表示第層土樁的側(cè)阻力綜合修正系數(shù)；

α-表示樁端阻力修正系數(shù)；

fsi-表示側(cè)阻力數(shù)值；

u-表示經(jīng)驗系數(shù)；

li-表示第i個單樁的高度；

qc-表示靜力觸控的探頭阻力。

結(jié)合公式（2）結(jié)果，對中華長城博物館的地基土液化進(jìn)行判別，此時需使用單橋的靜力觸控探測方式。令du表示非液化土層厚度；αp表示土性綜合影響系數(shù)，依據(jù)中華長城博物館建設(shè)位置的基礎(chǔ)壓力、埋深等數(shù)據(jù)，建立其地基土液化判別公式如下：

式中qccr-表示中華長城博物館地基土液化判別結(jié)果；

qco-表示靜力觸控裝置阻力基準(zhǔn)數(shù)值；

dw-表示液化土層厚度。

1.4 土地承載力指標(biāo)選取

對中華長城博物館的單樁承載力和地基液化進(jìn)行估算和判別完成后，需選取當(dāng)前土地承載力指標(biāo)參數(shù)[6-12]，以便于后續(xù)建設(shè)作參考。在選用土地承載力指標(biāo)時，根據(jù)指標(biāo)性質(zhì)，建立土地承載力指標(biāo)選取公式。令φk表示土壤指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值；φm表示土壤指標(biāo)平均值，則土地承載力指標(biāo)計算公式如下：

式中γS-表示統(tǒng)計修正系數(shù)；

n-表示統(tǒng)計頻數(shù)；

δ-表示變異系數(shù)；

1.5 測量方法與過程

1.5.1 勘探點位測設(shè)及標(biāo)高測量

勘探點位采用南方S82-T型GPS-RTK儀器測放于實地，并實測了各勘探點地面高程。平面位置偏差小于0.25m，標(biāo)高偏差小于±5cm。

1.5.2 鉆（掘）探與取樣

（1）鉆探：依據(jù)鉆孔操作規(guī)范，使用工程鉆機在地基水位以上粉土、粉質(zhì)黏土進(jìn)行回轉(zhuǎn)鉆進(jìn)，然后采用單動三重管全斷面取樣器采取土樣。

（2）掘探：自地表下1.5m開始，每0.8m位置處采取土樣，其不擾動樣規(guī)格Φ120mm×150mm，土樣質(zhì)量等級為Ⅰ級。

1.5.3 原位測試

標(biāo)準(zhǔn)貫入測試：按照標(biāo)準(zhǔn)錘重量和落差，采用自動脫鉤的自由落錘法進(jìn)行錘擊，每一主要土層的標(biāo)貫擊數(shù)不少于8次。

1.5.4 壓縮試驗

對所有不擾動土樣均進(jìn)行了壓縮固結(jié)試驗，各深度段的試驗壓力見表2。

表2 壓縮固結(jié)試驗壓力參數(shù)

2 試驗分析

由于建筑物地表覆蓋的非液化土層對其地基穩(wěn)定性影響較少，因此在僅針對中華長城博物館土地基的濕陷性粉土和粉土為重點研究區(qū)域。測試得到中華長城博物館土地基的各層地基土標(biāo)貫試驗指標(biāo)結(jié)果，如表3所示。

表3 中華長城博物館土地基的各層地基土標(biāo)貫試驗指標(biāo)

分析表3可知，中華長城博物館土地基的濕陷性粉土垂直分布區(qū)域較大，因此將其從上到下劃分為兩層，位于濕陷性粉土下方為粉土。第②層濕陷性粉土和第③層濕陷性粉土雖然土類型完全相同，但其分布位置不同其標(biāo)貫擊數(shù)的最大數(shù)值相差達(dá)到了15擊/30cm，變異系數(shù)則相差0.083，說明越靠近底面的濕陷性粉土承載力越強，而第④層的粉土實測標(biāo)貫擊數(shù)的最大值則與第③層濕陷性粉土相差不大，但其變異系數(shù)則與第②層濕陷性粉土較為接近，說明其承載力與第②層濕陷性粉土差不多。綜上所述，第②層濕陷性粉土和第④層的粉土承載力較強。

給出中華長城博物館基底各土層不同試驗壓力下對應(yīng)的平均孔隙比結(jié)果如表4所示。

表4 中華長城博物館基底土層不同試驗壓力下對應(yīng)的平均孔隙比

分析表4可知，中華長城博物館基底土層在不同壓力情況下的平均空隙比均隨著壓力增加而降低。其中第②層和第③層的平均孔隙比數(shù)值在壓力為300kPa時的數(shù)值為無，說明其當(dāng)前承載力已經(jīng)達(dá)到最大極限，而第④層的粉土的平均孔隙比則繼續(xù)呈現(xiàn)下降趨勢，說明其承載力還具備一定效應(yīng)。

按照平均孔隙比數(shù)值繪制中華長城博物館基底下各土層的綜合壓縮曲線，結(jié)果如圖1所示。

分析圖1可知，中華長城博物館基底下各土層的綜合壓縮曲線也是隨著壓力增加而降低。其中，第③層土層的綜合壓縮曲線隨著壓力增加下降幅度較大，而第②層和第④層的綜合壓縮曲線下降幅度較為緩慢，但第④層的綜合壓縮數(shù)值整體高于第②層，第②層在壓力為50kPa之前時，其綜合壓縮曲線下降較為迅速。

依據(jù)上述試驗結(jié)果，給出中華長城博物館土地基的承載力特征和承載力建議值，結(jié)果如表5所示。

圖1中華長城博物館基底下各土層的綜合壓縮曲線

表5 中華長城博物館土地基的承載力特征和承載力建議值

分析表5可知，中華長城博物館土地基的第④層在其結(jié)構(gòu)內(nèi)的承載力數(shù)值最大，剩下依次是第③層和第②層，其原因在于第③層和第②層土壤類型為濕陷性粉土，其內(nèi)部水分較多，影響土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而第④層則為粉土，含水量較少，其不易被壓縮，因此，其承載力建議值較大。

3 結(jié)語

本文研究靜力觸探技術(shù)在中華長城博物館土地基承載力評估中的應(yīng)用，從實驗角度驗證了其應(yīng)用效果。經(jīng)過實驗驗證，利用靜力觸探技術(shù)可獲得中華長城博物館土地基的各層地基土標(biāo)貫試驗指標(biāo)，從該指標(biāo)內(nèi)分析其承載力情況；也可有效獲得中華長城博物館土地基不同層的受壓力時的平均孔隙比和綜合壓縮曲線情況，從中可清楚呈現(xiàn)地基的承載力變化情況，并且依據(jù)其孔隙比以及壓縮曲線變化數(shù)值，有效為中華長城博物館土地基承載力提供了建議數(shù)值。