載荷試驗中承壓板尺寸效應研究

梁耀哲 王偉浩 張俊祿 丁永志

（1.河北省建筑科學研究院有限公司，河北 石家莊 050227；2.河北建研建筑設計有限公司，河北 石家莊 050021；3.石家莊市預制樁研究與應用技術創新中心，河北 石家莊 050021；4.建華建材（河北）有限公司，河北 邢臺 054100）

0 引言

高層建筑、橋梁和港口等都需要一個承載力高且變形小的地基環境。于是，衍生出水泥粉煤灰碎石樁法、石灰樁法、灰土擠密樁法等諸多地基處理方法[1]。就樁基礎而言，它們通過基礎本身以及樁周土的相互作用傳遞上部荷載，使自身可以承擔更大的荷載，同時擁有很好的抗傾覆穩定性。對樁基礎的評價，其承載能力是一個非常重要的指標。

載荷試驗是目前比較可靠的一種方法，它可以檢測地基的承載力，被引入各國的工程檢測規范之中。載荷試驗是在承壓板上通過逐級施加軸向力或水平力，然后監測檢測點的軸向位移或水平位移隨時間的變化情況，由此構成Q-S關系曲線（即荷載與位移的關系曲線），通過此曲線來確定相應的承載力特征和變形特征的方法。隨著工程技術的進步，它也分為淺層平板載荷試驗、深層平板載荷試驗、復合地基載荷試驗等多種試驗方法[2]。承壓板作為試驗過程中不可或缺的部分，它可以模擬地基與基礎之間的傳力設備，它的性質對于載荷試驗的準確結果起到了關鍵性作用。而承壓板的尺寸效應一直是影響試驗結果的一個因素，本文將研究載荷試驗中承壓板尺寸效應的研究現狀，同時結合實例展示尺寸效應的存在。

1 承壓板的尺寸效應研究

1.1 各國標準中承壓板尺寸要求的異同

我國國家標準中《巖土工程勘察規范》[GB 50021-2001（2009版）][3]、《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）[4]以及其他國家的標準[5]中關于承壓板的內容[6]匯總，見表1所示。

表1 各國的規范中承壓板面積要求對比

由表1 可以看出我國承壓板的類型建議為圓形，且在規范中對淺層和深層進行了劃分，在常見土質類型下給出承壓板尺寸的最小值或使用值，前蘇聯和美國標準中對承壓板尺寸給出了一定的尺寸范圍，歐盟和波蘭標準則給出了最小值。這看出美歐國家對于承壓板尺寸的應用給與了很大空間，對于承壓板尺寸的設計存在很大彈性，而在我國則要求較為嚴格一點，縮小了一定的范圍。上述現象的原因一方面是各國所處地理位置不盡相同，地質條件有所差距，試驗條件也是參差不齊，工程以及研究結果相差較大，一方面是各國對于規范的應用范圍存在差異，不同結構或工程對相同試驗的要求是不同的，同時，綜合的規范數量較少也會對結果分析造成影響。但這也激發各國學者對承壓板的尺寸效應與不同地質條件之間的關聯性進行探索。

1.2 承壓板尺寸效應的研究進展

承壓板屬于載荷試驗的一部分，它的不同形狀和面積條件會對下部結構的承載力和沉降位移產生不同影響。我國發展初期并未對承壓板予以重視，對承壓板的面積和尺寸等對承載力的影響均忽略不計。

在20世紀40年代，歐洲國家便已經對不同承壓板尺寸和沉降之間的關系進行了探索，得到了承壓板直徑在20~30cm 之間時沉降最小的結論，后續Camblefort給出承壓板尺寸應該大于30cm[7]。直到20 世紀70 年代左右，模型試驗的尺寸效應受到了廣泛應用和發展，到70 年代末期，王鍾琦[8]真正意義上提出了要考慮載荷板的尺寸效應，對于載荷試驗的技術，不能僅局限在設備和方法上的創新，還要從理論研究出發獲得從根本上指導載荷試驗的技術。相繼，陳宗岳[9]提到地基的承載力和變形與基礎的大小和形狀有關，所以現場載荷試驗僅用方板顯然是不夠全面的。此時我國的載荷試驗的承重板基本為30cm 或50cm 的方形板，局限性很大。國內外學者開始將不同尺寸和形狀的承壓板應用到載荷試驗中去，崔托維奇建議承壓板為方形時的邊長為45cm，圓形時的直徑為30~35cm。我國冶金部勘察系統結合大量實際工程數據，建議承壓板為方形時的邊長為50cm，圓形時的直徑為30cm。

1997 年，由蒙高頭[10]綜合前人經驗，提到承壓板是影響載荷試驗精度的因素之一，且沉降量隨著承壓板邊長的增加呈現一個凹形拋物線的形式，故沉降值存在一個最小值，對應的尺寸效應最小。結合鐵道系統在70 年代做的載荷板試驗，故提出承壓板面積的合理下限是1000cm2，合理的承壓板面積是1000~5000cm2。進入21 世紀初期，秦然等[11]、鄭剛等[12]、肖冰等[13]、王小明[14]和辛明靜等[15]學者對承壓板的尺寸效應和復合地基的承載力之間的關系和問題進行探討和說明，推動承壓板尺寸效應進入更多研究學者的視野，為后續的對于承壓板的尺寸效應的大范圍研究奠定了基礎。至2005 年，我國和德國的載荷板主要是30cm、50cm、76.2cm 3 種規格的載荷板，日本有30cm、40cm、75cm3種規格的載荷板[16]。對于3種尺寸承壓板的應用，其中對30cm 的使用，符合以往的大量數據、研究成果和實際工程實測，對76.2cm 的使用，根據表1 數據，可能是將其中對最大值有明確量化的美國標準作為依據，其最大面積對應的直徑當作實際應用中的最大直徑，對50cm 的使用，可能是根據我國現行規范中承壓板面積不小于0.25m2得到的。但從同時期的研究看出對于承壓板的形狀不僅僅只有圓形，尺寸也不僅僅局限在這3種，這說明對于實際工程而言，選擇合適的承壓板才能取得可靠的結果，這方面歐美國家較彈性的規范方法有一定可取性，但在綜合大量數據后，取得定量分析后，嚴格規范可以保證工程質量，所以對于大量試驗與數據的綜合和定量分析，也是未來探索的一個方向。

近幾年，由于有限元軟件的開發，對于不同承壓板尺寸對地基性質影響規律的研究更加深入，諸多學者基于不同的地質和工程條件，通過模型試驗[17]，以及數值模擬[18-21]軟件對承壓板的尺寸效應進行定性研究，其在減小研究成本的同時，也可對復雜的地質情況和承壓板的尺寸效應進行研究。

2 承壓板尺寸效應的應用分析

2.1 工程概況

以某住宅樓的實際工程為例，土層的主要類型及其主要參數分別為①雜填土，其重度為19kN/m3，泊松比為0.32，壓縮模量為7.5MPa，黏聚力為18kPa，內摩擦角為21°；②粉質黏土，其重度為19.5kN/m3，泊松比為0.31，壓縮模量為10.2MPa，黏聚力為28kPa，內摩擦角為22°；③粉質黏土，其重度為19.2kN/m3，泊松比為0.31，壓縮模量為9.2MPa，黏聚力為22kPa，內摩擦角為21°。

2.2 方案設計

根據《巖土工程勘察規范》[GB 50021-2001（2009版）]和《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2011）中要求，采用的承壓板面積為0.25m2，形狀分別為圓形與方形，分別進行載荷試驗，載荷分為6 級，分別為30kPa、60kPa、90kPa、120kPa、150kPa、160kPa。

2.3 結果分析

作兩種形狀的承壓板進行載荷試驗時的載荷與沉降變化曲線圖，如圖1所示。從圖1中可以看出同一面積的不同承壓板形狀所測的沉降值也不盡相同，前兩級荷載下方形板與圓形板的沉降差距不大，后四級荷載下方形板在各級荷載下的沉降量均比圓形板的沉降量小，其中方形板的最終沉降量為3.051mm，圓形板的最終沉降量為4.045mm，相對于方形板最終沉降量增幅為32.6%。這是由于圓形板邊緣的應力分布是均勻，更容易擴散，方形板因為四角的存在，應力集中較強，使加荷初期兩者沉降差距不大，隨著荷載與時間的增加，圓形板應力更容易發生擴散，使最終沉降量變大。這也說明了承壓板尺寸效應的存在。

圖1 載荷與沉降變化圖

載荷試驗加載過程中，在上部應力施加后，應力先以接觸面為基準，沿豎向和水平向逐漸擴大傳遞，到達某一深度時，水平方向上應力影響的范圍達到最大，然后繼續向下傳遞，直到豎向影響范圍達到最大，此時土中應力與上部荷載達到平衡。接觸面越大，地基中的應力和水平向（豎向）影響范圍也會相應增大，這也使地基沉降相應的增大。而應力擴散的范圍有可能僅包含了地基已經加固的區域，也有可能包含了加固區[22]以及下部的軟弱層，這其中得到的結果會造成試驗結果與實際有偏差。

3 結束語

（1）歐美國家對于承壓板尺寸的設計與應用有較大彈性，而我國的要求較為嚴格一點。

（2）對于承壓板尺寸效應的研究方興未艾，定性分析承壓板尺寸效應的研究較多，對于具體指標的量化以及依據仍需要進一步探索。

（3）相同面積條件下，圓形與方形承壓板的最終沉降量表現不同，圓形板相對于方形板最終沉降量增幅為32.6%，尺寸效應較明顯，故在實際工程中，仍需對承壓板的尺寸效應進行預估。