超载作用下软土地基承载力平板载荷试验研究*

鞠红 尹 张文龙

0 引言

地基承载力问题是土力学中一个重要的研究课题,在进行岩土工程设计、计算时,地基承载力是地基土的一个十分重要的性能指标,地基承载力的正确选取和评价,是保证地基基础设计正确、合理的重要条件。确定地基承载力的方法一般有原位试验法、理论计算法、规范表格法、经验法等。但现场平板荷载试验法可以取得较精确可靠的地基承载力,并且具有直观和可靠性高的特点,在原位测试中占有重要地位,往往成为其他方法的检验标准。

1 试验方法及原理

平板载荷试验相当于在工程原位进行的缩尺原型试验,即模拟建筑物地基土的受荷条件,比较直观地反映地基土的变形特性。基础的埋置深度以及基础宽度对地基承载力存在着影响,目前大部分平板载荷试验通常是在基础底面标高处进行,为了满足理论分析的半无限空间的表面边界条件,规范规定试坑的坑底宽度至少为压板宽度的3倍,从而尽量消除试坑四周超载对平板载荷试验结果的影响,因此试验得到的地基承载力并不包括基础底面以上土层的超载作用。

但实际工程中基础都是有一定埋深的,相当一部分工程因为上部结构抗拔和荷载偏心要求基础埋置深度比较大,应该考虑周边土层超载的影响,将平板载荷试验得到的承载力结果直接用于实际工程是偏小的,会对场地的承载力造成大量的浪费。因此本试验通过对周围考虑超载的平板载荷试验进行研究,通过在相同地质条件、同一埋置深度、试验方法相同等条件下周边存在超载和无超载的承载力的结果来研究基础埋置深度对地基承载力大小的影响。

2 场地地质条件及现场试验研究

2.1 试验场地概况

本试验场地位于长江三角洲前缘,其地貌属于冲积平原类型,场地地势平坦,部分场地为原居民区,从其地质时代、成因类型、结构特征、土性不同和物理力学性质上的差异可划分为9层和分属不同层次的亚层,详细地层分布如下:

第①1层素填土;第②层粉质黏土;第③层淤泥质粉质黏土;第④层淤泥质黏土;第⑤1层淤泥质粉质黏土;第⑤3层粉质黏土;第⑦层粉质黏土夹粘质粉土;第⑧层粉质黏土。

2.2 试验设计及设备布置

本次试验反力装置采用堆载反力梁系,反力装置的安装严格按照相关规范的具体要求实施。加载设备为油压千斤顶,加荷量值的量测控制由一经严格系统标定的测力系统来实现。载荷板采用0.707 m×0.707 m正方形钢板,面积为0.5 m2。载荷板的沉降量由四只对称布置的大量程百分表量测,百分表通过磁性表座固定在基准梁上。

本次平板载荷试验个数为4个,编号分别为JZ1,JZ2,JZ3,JZ4,其中JZ1,JZ2为一组,基本位于场地的同一位置;JZ3,JZ4为一组,基本位于场地的同一位置。JZ1,JZ4两点试验无超载,JZ2,JZ3两点通过在压板四周设置1 m厚的砂包来模拟侧向超载,超载范围为1 m,用以研究超载对地基承载力的影响。

本场地大部分区域原为农田,表面分布有一薄层耕植土,为了更能反映天然地基承载力的真实结果,将表面耕植土清除,再开挖试坑,试坑的平面尺寸为2.1 m×2.1 m,试坑开挖到②1层顶。根据现场开挖情况,对于本场地开挖深度大约为40 cm～50 cm。

另外为了保证上部堆载均匀,降低对试验结果精度的影响,本试验上部堆载采用充水的方法,试验加载级数以及稳定标准等均按GB 50007-2002建筑地基基础设计规范的相关规定严格执行。具体试验平面布置示意图如图1所示。

3 试验数据及结果分析

依据GB 50007-2002建筑地基基础设计规范中关于承载力特征值的判定要求:当压力—沉降曲线上极限荷载能确定,而其值不小于对应比例极限的2倍时,可取比例极限;当其值小于对应比例极限的2倍时,可取极限荷载的1/2;当压力—沉降曲线为平缓的光滑曲线时,可按相对变形值,取s=0.01b所对应的荷载值。本次两组平板载荷试验曲线均为平缓的光滑曲线,因此本次平板载荷试验数据承载力、沉降分析统计结果如表1所示。

从表1可知,超载能大大提高天然地基的承载力,有超载的JZ2地基承载力设计值比未超载的JZ1提高约23%;有超载的JZ3地基承载力设计值比未超载的JZ4提高约38%。

表1 平板载荷试验结果统计表

依据GB 50007-2002建筑地基基础设计规范5.2.4条的规定,由载荷试验确定的地基承载力特征值,尚应进行深度和宽度修正。

针对本次试验,周边存在超载与不存在超载对比,需要进行深度修正,因此对于JZ1和 JZ4点来说,采用公式 fa=fak+ηdγm(d-0.5)进行计算。

其中,fa为修正后的地基承载力特征值;fak为不考虑基础埋置深度的地基承载力特征值;ηd为深度修正系数;γm为基础底面以上土的加权平均重度;d为基础埋置深度。针对本试验 ηd取1.6,γm取18.5 kN/m3,d取1 m。

将ηd,γm分别代入公式计算,JZ1和JZ4平板载荷试验进行深度修正后地基承载力特征值分别为76.8 kPa和58.8 kPa,与相应位置处周围存在超载情况下的JZ2,JZ3点试验结果77 kPa,61 kPa相比可知,试验结果与理论解还是相当接近的,其中在承载力相对比较低的情况下周围超载对承载力的提高作用相对更明显一些。

为了研究同样条件下周围超载对沉降值的影响,分别将基本位于同一位置的JZ1,JZ2以及JZ3,JZ4点的 Q—s曲线进行对比,如图2,图3所示。

由图2,图3对比曲线可知,在荷载板周围存在超载作用时,相同荷载作用下沉降值将会大大减小,主要是由于周围超载存在限制了其下软土层向四周挤出及周围软土向上鼓起,使软土层需要较大的外荷载才能使其发生剪切变形,从而使同等荷载作用下的沉降大大减小,说明周围存在超载对减小地基沉降有着明显作用。

4 结语

通过现场试验研究表明,周围存在超载对提高地基承载力和减小沉降有着明显作用。软土地区周围侧荷载比较大时,软土地基的破坏模式为刺入剪切破坏,地基承载力一般不允许有过大的不均匀沉降,同时由于周围超载存在限制了其下软土层向四周挤出及周围软土向上鼓起,从而大大减小了外荷载作用下的沉降值,使地基承载力得到明显提高。本试验验证 了实际工程中如果基础具有一定的埋置深度,根据平板载荷试验得到的地基承载力结果会偏小,应考虑进行深度修正后才能使用。

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