地基土的超固结特性对浅层平板载荷试验的影响*

汪智慧

(1.天津大学 建筑工程学院， 天津 300072；2.中国建筑东北设计研究院有限公司 基础设施事业部， 沈阳 110003)

地基土的超固结特性对浅层平板载荷试验的影响*

汪智慧1，2

(1.天津大学 建筑工程学院， 天津 300072；2.中国建筑东北设计研究院有限公司 基础设施事业部， 沈阳 110003)

浅层平板载荷试验是目前《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)[1]给出的测定地基承载力的方法.在地基土保持天然状态条件下，将一定尺寸和几何形状(圆形或方形)的刚性载荷板安放在被测的地基土上，逐级施加静荷载，并测得每一级荷载下的稳定沉降，直至达到终止加载为止，绘制荷载(p)-沉降(s)曲线(p-s曲线).根据试验结果可确定地基土的承载力及变形参数.

浅层平板载荷试验在工程中取得了广泛的应用，不仅用于天然土体地基的承载力检验，还可用于复合地基承载力的检验[2].国内外学者对其进行了研究，翟洪飞等[3]通过有限元计算，分析了载荷板尺寸效应对沉降量的影响，指出同一荷载作用下，承压板沉降量随着承压板尺寸的增大而非线性增加；陶玲等[4]对地基载荷试验及其成果分析中存在的问题进行了分析，指出选取承压板时需注意的问题，给出了压缩模量和变形模量的计算方法，并指出载荷试验的成果不能用于评价非均质地基土的均匀性；柳飞等[5-6]通过离心模型试验分析了砂土地基平板载荷试验中载荷板尺寸对地基承载力特征值的影响，并提出了载荷板尺寸效应的修正式和载荷板尺寸的换算式；陈照亮[7]通过承载力模型试验分析了相对密度对砂土地基平板载荷试验中载荷板尺寸效应的影响，认为载荷板尺寸效应与地基土的疏松程度有关；韩晓雷等[8]通过在强夯处理后的沙漠土体地基进行不同尺寸载荷板的平板载荷试验，提出了在同一判别标准下，0.315 m是承压板直径的界限值；肖兵等[9]认为复合地基静载荷试验中同样存在着载荷板尺寸效应.

由上述研究可知，浅层平板载荷试验存在尺寸效应，有些学者从不同方面做了研究，但是当基坑土体开挖后，坑底土处于超固结状态，对其进行浅层平板载荷试验的研究较少.本文分别采用不同形状、尺寸的载荷板对基坑底部中粗砂进行浅层平板载荷试验，分析了地基土应力历史对p-s曲线的影响，同时针对载荷板形状、尺寸对地基承载力的影响进行了研究.

1 场地条件

本文选择沈阳市某框剪结构写字楼作为工程案例.该项目地上48层，地下3层，底板埋深为18 m.根据勘察可知，水位埋深为8.5 m.地基土为中粗砂，岩土工程勘察报告对其描述如下：黄褐色、密实、饱和，主要由石英、长石组成，分选性一般，级配一般，混粒结构，含黏性土约20%～30%，其物理参数如表1所示.

表1 地基土物理参数Tab.1 Physical parameters for foundation soil

由表1可知，先期固结应力Pc为246 kPa，与此处深度及水位埋深信息较为一致.

2 浅层平板载荷试验方案

2.1 试验装置

在现场分别采用5种形状、尺寸的载荷板在同一标高处做平板载荷试验，共进行了5组试验，每组试验选取3个试验点进行.试验采用慢速维持荷载法，以堆载石块为反力，试验设备如下：

1) 压力源载.采用3 200 kN与320 kN千斤顶.

2) 反力构架.由4根钢梁与12块钢筋水泥块组成(水泥块规格为边长1.5 m的正方体).

3) 沉降观测装置.直径为0.6、0.8 m圆板采用4块量程为50 mm、精度为0.01 mm的大行程百分表，对称布置在圆形刚性载荷板进行量测，其余均采用2块量程为50 mm、精度为0.01 mm的大行程百分表，对称布置在刚性载荷板进行量测.

2.2 加载及稳定标准

加载及稳定标准如下：

1) 试坑宽度应不小于载荷板宽度的3倍，应保持土层的原状结构和天然湿度，在拟压表面用50 mm厚的中粗砂找平；

2) 为了更好地反应加载过程中沉降与荷载的关系，采用较小的分级加载量，每级加载量均为50 kPa，最大加载量为900 kPa；

3) 当连续两个小时每小时的沉降量小于0.1 mm时，认为沉降趋于稳定，可加载下一级荷载.

现场试验照片如图1所示.直接在坑底进行试验，虽然工作面位于基坑底部，但是试验方案依据文献[1]中附录C关于浅层平板载荷试验的规定实施，因此，本试验仍归类为浅层平板载荷试验.

图1 浅层平板载荷试验Fig.1 Shallow plate loading test

3 试验结果及分析

记录加载过程中每一级荷载下的稳定沉降值，直至达到终止加载为止，绘制p-s曲线，如图2所示.图2中b代表方形板的宽度，d代表圆形板的直径，其中，图2a给出了b为0.3 m、d为0.1、0.3 m时载荷板所得的p-s曲线，图2b给出了d为0.6、0.8 m时载荷板所得的p-s曲线.每一种载荷板均选择3个试验点进行试验，故可得3条p-s曲线，即1#～3#.

图2 浅层平板载荷试验p-s曲线Fig.2 p-s curves in shallow plate loading test

加载过程没有出现《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)附录C.0.5中需要终止加载的情形，各组试验均加载至900 kPa即停止试验.由图2可知，从曲线整体变化趋势上看，在荷载相同的情况下，随着承压板尺寸增大，其沉降变大，这是因为载荷板的荷载影响范围为1.5d(b)～2d(b)之间，随着载荷板尺寸增大，应力传递深度变长，激发出更深土体的沉降潜力.

3.1 载荷板形状及尺寸的影响

由图2可知，p-s曲线没有出现比例界限，也没有出现《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)附录C.0.5中的情形，因此，按照附录C.0.7第3款确定地基承载力，将沉降为0.01d(b)所对应的荷载值与最大加载量的一半进行对比，取二者的较小值作为地基承载力特征值.

按照上述方法可以确定各个试验点的地基承载力特征值，并计算各组试验的极差，如表2所示.由表2可知，各试验点实测结果的极差均小于平均值的30%，说明该场地地基土是比较均匀的，取其平均值作为每组试验的地基承载力特征值.

表2 各载荷板所得地基承载力特征值

Tab.2 Characteristic values of bearing capacity of foundation soil obtained by various loading plates

承压板尺寸m承压板面积m21#kPa2#kPa3#kPa极差kPa平均值kPab=0.30.0931032136555332d=0.10.0132430531619315d=0.30.0738134535736361d=0.60.2842243541817425d=0.80.504384284357440

将表2所列各组试验各个试验点所得地基承载力特征值绘制成曲线，如图3所示，其中，图3a为不同载荷板试验不同试验点的测试结果，图3b为数据处理后不同载荷板的最终地基承载力特征值.

图3 不同试验实测地基承载力特征值Fig.3 Characteristic values of bearing capacity of foundation soil measured with different tests

当采用圆形载荷板时，所测得结果随着载荷板直径的增大呈增大趋势，且趋向于收敛.其中，d为0.1～0.3 m的载荷板与d为0.6～0.8 m的载荷板所测得结果相比，实测值偏小18%～28%.结合工程经验，根据辽宁省地方技术标准《岩土工程勘察技术规程》(DB21/Tl 564.1-14-2007)可知，对于密实的中粗砂，其地基承载力特征值可以达到380～460 kPa.因此，d为0.1～0.3 m的载荷板试验结果偏于保守.此外，由图3可知，d为0.1～0.3 m的载荷板试验结果表现出了较高的离散性，其试验结果稳定性远不如d为0.6～0.8 m的载荷板.另一方面，载荷板尺寸越大，就越接近实际工程特性，但是若进一步增大载荷板尺寸，会对加载设备提出更高要求，且不易操作.因此，从地区经验、试验结果稳定性及操作便利性三个方面考虑，本文建议采用d为0.6～0.8 m的载荷板进行试验.

当分别采用边长和直径均为0.3 m的方形和圆形载荷板时，圆形载荷板所测得的地基承载力特征值较大.由于圆形载荷板符合轴对称的弹性理论解，《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)[10]推荐采用圆形载荷板进行试验.

3.2 地基土的超固结特性

按照所施加的荷载大小，p-s曲线可大致分为三个阶段：阶段1，荷载为50～200 kPa；阶段2，荷载为200～300 kPa；阶段3，荷载为300～900 kPa.

p-s曲线之所以出现上述特征，可从地基土的应力历史进行分析.在基坑土体开挖之前，地基土体受自重应力作用已完成固结，即为正常固结土，根据勘察报告可知其先期固结应力Pc为246 kPa.基坑开挖后，地基土体发生卸载，土体发生回弹变形，此时成为超固结土.在进行平板载荷试验时，当所施加荷载小于先期固结应力时，土体处于超固结状态，随着荷载增加，p-s曲线斜率逐步变缓，p-s曲线出现阶段1和阶段2的特征.由图2可知，勘察报告所提供的先期固结应力落在p-s曲线的阶段2中，即200～300 kPa，二者相互吻合.当所施加荷载大于先期固结应力时，地基土进入正常固结状态，p-s曲线体现出正常固结土的变形特性，即p-s曲线的阶段3的特征.

3.3 变形模量的计算

《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)给出了p-s曲线计算土体变形模量的方法，根据p-s曲线的初始直线段，按照半无限空间弹性理论进行计算，计算公式为

(1)

式中：E0为土体变形模量；I0为刚性载荷板形状系数，圆形板为0.785，方形板为0.886；μ为土体泊松比，砂土取0.3；D为载荷板直径或边长；p为p-s曲线线性段的压力；s为与p对应的沉降.由上文可知，基坑地基土的p-s曲线体现出超固结特性，p-s曲线初始段含有卸荷后的回弹变形，不适宜采用式(1)计算变形模量.

为了去除卸荷后再压缩的影响，对荷载大于Pc之后的直线段进行拟合，该拟合直线交于s轴，该点沉降为s0，对式(1)进行修正，变形模量计算公式为

(2)

以d=0.8 m圆形载荷板(1#试验点)的p-s曲线为例，直线段拟合后，得到s0=2.654 mm，如图4所示.取I0=0.785，μ=0.3，代入式(2)求得E0=49.8 MPa.采用同样方法对其他各组试验的p-s曲线进行处理，根据式(2)求得各自的变形模量E0，结果如表3所示.

图4 圆形载荷板的p-s曲线Fig.4 p-s curve of round loading plate

表3 各载荷板所得变形模量Tab.3 Deformation modulus obtained with various loading plates

由表3可知，当分别采用边长和直径均为0.3 m的方形和圆形载荷板时，圆形载荷板所测得的变形模量较大.由图3可知，d为0.1～0.3 m的载荷板试验结果表现出了较高的离散性，其试验结果稳定性远不如d为0.6～0.8 m的载荷板，尤其是d为0.1 m的载荷板三个试验点的试验结果极差远大于平均值的30%.当采用圆形载荷板时，所测得结果随着载荷板直径的增大呈增大趋势，其中，d为0.3 m的载荷板与d为0.8 m的载荷板所测得结果相比，实测值偏小约16%.

4 结 论

本文通过分析得出以下结论：

1) 在荷载相同的情况下，随着承压板尺寸增大，其沉降变大，所测得的地基承载力特征值逐步增大，并趋于收敛；d为0.1～0.3 m的载荷板试验结果偏于保守且离散性较高.从地区经验、试验结果稳定性及操作便利性三个方面考虑，本文建议采用d为0.6～0.8 m的载荷板进行试验.

2) 方形载荷板的宽度与圆形载荷板的直径相同时，圆形载荷板所测得的地基承载力特征值较大.建议按照《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)及《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)，采用圆形载荷板进行浅层平板载荷试验.

3) 基坑土体开挖后，地基土处于超固结状态.当所施加荷载小于先期固结应力时，随着荷载增加，p-s曲线斜率逐步变缓；当所施加荷载大于先期固结应力时，地基土进入正常固结状态，p-s曲线体现出正常固结土的变形特性.

4) 针对超固结土提出了修正的变形模量计算方法，通过计算发现在荷载相同的情况下，随着承压板尺寸增大，所测得的变形模量逐步增大；d为0.1～0.3 m的载荷板试验结果偏于保守且离散性较高.

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(责任编辑：钟 媛 英文审校：尹淑英)

Effect of over-consolidation characteristics of foundation soil on shallow plate loading test

WANG Zhi-hui1,2

(1.School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China;2.Infrastructure Division,China Northeast Architectural Design &Research Institute Co.Ltd.,Shenyang 110003,China)

In order to research the influence of shape and size of loading plate on the shallow plate loading test for the over-consolidated soil,the shallow plate loading test for the coarse-grained soil at the bottom of foundation pit was carried out through adopting the loading plates with different shape and size.The results show that a flat section appears near the preconsolidation pressure on the load-settlement curve.When the diameter of round loading plate is the same as the width of square loading plate,the characteristic value of bearing capacity of foundation soil,which is obtained with the round loading plate,is larger.With increasing the size of loading plate,the characteristic value of bearing capacity of foundation soil gradually increases and tends to be convergent.Compared with the experimental results of loading plate with the diameter between 0.1 m and 0.3 m,the experimental results of loading plate with the diameter between 0.6 m and 0.8 m have better stability.

shallow plate loading test;coarse-grained soil;over-consolidated soil;load-settlement curve;shape of loading plate;size of loading plate;characteristic value of bearing capacity of foundation soil;deformation modulus

2016-04-19.

国家自然科学基金资助项目(51204029).

汪智慧(1981-)，男，辽宁沈阳人，博士生，主要从事岩土与地下工程等方面的研究.

22 17∶39在中国知网优先数字出版.

http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20161222.1739.008.html

10.7688/j.issn.1000-1646.2017.02.19

TU 411

A

1000-1646(2017)02-0225-05