旁壓試驗在天津地區確定地基土承載力的修正研究

劉 浩，張建根

（天津市政工程設計研究總院有限公司，天津市 300051）

0 引言

地基土承受荷載的能力稱為地基的承載力。在日常勘察設計工作中，是不可缺少的巖土計算、驗算內容。地基土承載力數值的準確性決定著工程結構是否安全，工程造價是否經濟。

在研究地基土承載力的過程中，把地基土當成理想彈塑性體，即當應力小于破壞應力時，或者是應力狀態達到極限平衡條件之前，土為線彈性體；在達到破壞應力之后，或達到極限平衡條件后，則為理想塑性體。

旁壓試驗曲線與載荷試驗曲線相似，反映出了土體隨著荷載的增大，逐漸被壓密，由彈性變形逐漸變為塑性變形，進而直至破壞。根據試驗中極限壓力pL、臨塑壓力pf與初始壓力p0的差值乘以修正系數λ 或除以安全系數K 來確定承載力特征值。若采用《地基旁壓試驗技術標準》（JGJ/T 69—2019）中推薦λ、K 值，會導致承載力特征值明顯偏離區域地基土經驗數值范圍。

現通過工程實例中旁壓試驗成果與靜力觸探試驗、物理性指標查表法確定出的地基土承載力特征值對比分析，對修正系數λ、安全系數K 進行修正，使旁壓試驗確定的承載力特征值客觀、可靠。

1 各種確定承載力的試驗方法

根據天津地方標準《天津市巖土工程技術規范》（DB/T 29-20—2017），地基土承載力已統一表述為承載力特征值。地基承載力特征值可由以下兩大類方式確定。

（1）載荷試驗或其它原位測試（標準貫入試驗、動力觸探試驗、旁壓試驗、靜力觸探等）、公式計算等方法結合工程實踐經驗綜合確定。

（2）采用物理指標確定地基土承載力，按統計修正后的物理指標標準值，查表得到地基承載力特征值。查表法是以載荷試驗為基礎，經過大量的工程實踐而建立起的經驗關系。

1.1 旁壓試驗

1.1.1 基本原理

旁壓試驗是一種原位測試手段，通過旁壓器對孔壁施加徑向壓力，使土體產生徑向變形，通過徑向壓力與變形的關系，測求地基土的原位力學狀態和力學參數。土體經歷與測試探頭初始接觸，進入彈性階段，進而發展為塑性階段直至破壞。基本反映出地基土在原始應力狀態下的工程力學特性。

典型的旁壓曲線（壓力P～體積V）曲線如圖1 所示。

圖1 典型旁壓試驗曲線圖

試驗過程可分為3 個階段：

Ⅰ段（曲線AB），初步階段，反映孔壁擾動土體的壓縮與恢復；

Ⅱ段（直線BC），似彈性階段，壓力與體積變化大致呈直線關系；

Ⅲ段（曲線CD），塑性階段，隨著壓力的增大，體積變化量逐漸增加，直至土體破壞。

1.1.2 承載力特征值的確定方法

（1）利用極限壓力pL確定：

當極限壓力pL小于等于臨塑壓力pf的2 倍時，取極限壓力的二分之一，由式（1）確定承載力特征值。

式中：p0為初始壓力。

當極限壓力pL大于等于臨塑壓力pf的2 倍時，由式（2）確定。

式中：K 為安全系數，根據地區經驗確定。

（2）利用臨塑壓力pf確定：計算公式見式（3）。

式中：λ 為修正系數，根據地區經驗確定；無經驗時，取0.7～1.0。

1.2 查表法

1.2.1 靜力觸探試驗

靜力觸探試驗是用靜力將探頭以1.2 m/min 的速率均勻壓入土中，以雙橋探頭為例，利用探頭內錐頭、側壁的力傳感器，通過電子量測器將探頭所受貫入阻力記錄并傳輸至存儲設備中。試驗可得到錐尖阻力qc、側壁摩阻力fs，進一步可得到摩阻比Rf=fs/qc（%）。根據qc、Rf數值查閱經驗表格得到承載力特征值。

1.2.2 物理性指標

根據室內土工試驗得到的土體物理力學指標孔隙比e、液性指數IL、天然含水率w、壓縮模量Es1-2可得到對應土體的承載力特征值。

2 工程實例

2.1 工程概況

位于天津市北辰區某深基坑工程，在建設場地內布置鉆探孔采取原狀土樣進行土工試驗、現場靜力觸探試驗孔，同時在鉆探取樣鉆孔旁進行旁壓試驗，共計完成6 個旁壓試驗孔，試驗深度20 m。

旁壓試驗設備為APAGEO 梅納GA 型預鉆式旁壓儀，探頭為三腔式，探頭直徑為74 mm，測量腔長度為210 mm，容積為786 cm3。試驗壓力由高壓氮氣瓶提供。各級壓力下的相對穩定時間標準取1 min，加荷后15 s、30 s、60 s 測讀變形量。

靜力觸探試驗采用雙橋探頭，貫入速率為0.8～1.2 m/min，每貫入0.1 m 記錄一次錐頭、側壁阻力數據。qc、fs數值由微電腦數據采集儀自動采集存儲。

擬建場地試驗測試深度范圍地基土的地質單元劃分與分布情況見表1 所列。

表1 主要地基土分布情況簡表

依據不同工程地質單元對室內試驗和原位試驗得到的巖土參數進行統計，考慮到地基土層實際分布的變異性、試驗結果的離散性，剔除異常數據。

各層地基土參與統計的旁壓試驗測試點數量為：⑤黏土9 個；⑥粉質黏土15 個；⑧1粉質黏土6個；⑧2粉砂3 個；⑨1粉質黏土2 個。

2.2 查表法確定承載力特征值

根據建設場地勘察報告成果，將各土層物理力學指標、原位測試指標統計平均值匯總于表2。

表2 地基土試驗指標統計平均值表

2.3 旁壓試驗確定承載力特征值

在該項目旁壓試驗確定地基土承載力特征值fak過程中，分別采用了利用極限壓力pL確定及利用臨塑壓力pf確定的方法。依據《地基旁壓試驗技術標準》（JGJ/T 69—2019）安全系數K 值取大值，黏性土取2.4；粉砂取3.6，經驗修正系數λ 取小值0.7。旁壓試驗代表性成果曲線圖見圖2、圖3 所示。

圖2 11# 孔9 m 深度旁壓試驗曲線圖

圖3 83# 孔15 m 深度旁壓試驗曲線圖

2.4 承載力特征值對比

各土層根據相關物理性指標孔隙比e、液性指數IL、天然含水率w；靜力觸探錐頭阻力qc、摩阻比Rf查表；旁壓試驗極限壓力pL、臨塑壓力pf方式得到的承載力特征值，以及勘察報告中提供的承載力建議數值列于表3 中。

表3 地基土承載力特征值fak 一覽表 單位：kPa

以地基土分布層底深度高程大值為縱坐標，以承載力特征值fak為橫坐標，建立關系曲線，詳見圖4所示。

圖4 地基土承載力特征值曲線圖

2.5 成果分析

通過地基土承載力特征值曲線線型，旁壓試驗、土工試驗、靜力觸探等試驗手段得到的承載力數值總體分布規律一致，承載力特征值隨地基土埋置深度的增加而增大。同時驗證出了淺層地基土淺海相沉積⑥層粉質黏土含水率w 較高、重度γ 較小、孔隙比e 較大、壓縮性較高，為相對軟弱地層，承載力數值較其上、下地層偏低。

擬建場地內地基土黏性土孔隙比介于0.679～0.862，呈可塑、軟塑狀態，尤其⑧2粉砂、⑨1粉質黏土埋置深度較深，沉積固結時間較長。旁壓曲線體積變形緩慢，通過作圖法確定極限壓力pL，極限壓力pL大于2 倍臨塑壓力pf，選用fak=（pL-p0）/K 計算承載力特征值。通過三種勘察手段的承載力曲線對比分析，依據《地基旁壓試驗技術標準》（JGJ/T 69—2019），⑤黏土推薦K 值偏大，⑧2粉砂、⑨1粉質黏土推薦K 值偏小。參考土工試驗、靜力觸探手段承載力數值，⑤黏土安全系數K 值乘以0.78 折減，旁壓試驗極限壓力pL方式確定的承載力特征值修正后的數值為135 kPa；⑧2粉砂可提高安全系數K 值1.7倍；⑨1粉質黏土的安全系數K 值提高2 倍，⑧2粉砂、⑨1粉質黏土承載力特征值修正后的數值為232 kPa（⑧2粉砂）、190 kPa（⑨1粉質黏土）。

（4）⑧1粉質黏土由旁壓試驗臨塑壓力pf方式確定的結果偏小，⑨1粉質黏土的結果明顯偏大。根據勘察報告建議值及各手段曲線對⑧1粉質黏土修正系數λ 調整為0.8，得到fak為140 kPa；⑨1粉質黏土修正系數λ 原取值0.7 乘以0.65 進行折減，得到fak為170 kPa。

修正后的承載力關系曲線見圖5 所示。

圖5 地基土修正后承載力特征值曲線圖

修正后的λ、K 值見表4 所列。

表4 λ、K 值修正表

3 結語

旁壓試驗確定地基土承載力特征值數值分布規律基本與查表法相吻合，明顯反映出不同深度地基土的工程性質。勘察報告中經綜合研判提供的承載力數值在滿足建設需要的前提下較為安全、可靠。

通過多種勘察手段的綜合對比分析，旁壓試驗極限壓力pL法中，⑤黏土安全系數K 值乘以0.78 折減；⑧2粉砂可提高安全系數K 值1.6～1.8 倍；⑨1粉質黏土的安全系數K 值提高1.7～2.5 倍。

在臨塑壓力pf法中，⑧1粉質黏土修正系數λ 在規范推薦數值的基礎上提高為0.8；⑨1粉質黏土修正系數λ 取值需要進一步折減。修正后的旁壓試驗承載力曲線線型與靜力觸探、土工試驗規律性更加一致。

（3）在工程實踐中，應采用多種勘察手段，綜合計算、評價、分析，相互印證，保證提供的計算參數具有客觀性、安全性及經濟性。