超大面积复合地基堆载试验

陆伟岗， 周 伟，沈锦儒

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

超大面积复合地基堆载试验

陆伟岗， 周 伟，沈锦儒

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

某工程桩垫复合地基大面积堆载试验，因面积巨大不可能采用刚性压板。利用2m厚的砂垫层，既可作为试验荷载施于地基上，又可作为柔性压板来逐级施加荷载。这样的静载荷试验不可能做到破坏，荷载与沉降的关系曲线也不会出现拐点，可用分析各主要部件的安全系数来确定承载力特征值。持力层承载力特征值fspk可以采用振冲法复合地基承载力特征值的公式验算。

桩垫复合地基；承载力特征值；安全系数。

1 概述

2008年8～10月，江苏某发电厂一期工程进行了大直径圆形煤仓地基处理的堆载试验。试验工作在 “桩垫复合地基”上进行。试验结果表明桩垫复合地基的承载力远高于原地基土，完全能满足在其上堆煤20 m高的要求。复合地基中的砂垫层起了比较明显的作用。笔者曾撰文分别对桩垫复合地基中砂垫层的扩散作用进行理论研究和定量分析，并提出了相应的计算公式。因受篇幅限制，未对超大面积静载荷试验的承载力特征值的确定进行探讨。本文将就此问题展开探讨，不妥之处望读者不吝赐教。

2 试验概况

2.1 试验区的地质条件

根据地基土层的类别、成因、埋深及性状特征，可将本次勘探深度范围内试验场的地基土划分成21个岩土体单元，现将上部20 m左右深度内的土层自上而下简述如下。

层 1-1杂填土：黄褐色、灰褐色，以粉质粘土混多量碎石、砖瓦、水泥块等建筑垃圾为主，结构松散，为新近堆积而成，承载力特征值fak=70 kPa。

层1-2 冲填土：黄色、黄灰色，以粉砂为主，混少量腐殖物及碎石等建筑垃圾，固结时间短，结构松散，为新近冲填而成，承载力特征值fak=40 kPa。

层①素填土：主要由黄褐色、灰黄色粉质粘土组成，混少量粉土或粉砂，一般为未经碾压－稍经压实，密实度为松散－稍密，承载力特征值fak=90 kPa。

层②粉质粘土：黄褐色、灰黄色、褐灰色，等级中－轻，很湿，可塑－软塑，承载力特征值fak=80 kPa，压缩模量Es1-2=5 MPa。

层③粉土夹粉质粘土：粉土为灰色、褐灰色，局部灰黄色，等级中－重，很湿，稍密，；粉质粘土为灰色、褐灰色，等级中，很湿，软塑，承载力特征值fak=70 kPa，压缩模量Es1-2=5 MPa。

层④淤泥质粉质粘土：灰色、灰褐色，等级中，饱和，流塑，承载力特征值fak=60 kPa，压缩模量Es1-2=3.5 MPa。

层⑤粉土：灰色、灰褐色，等级中，饱和，稍密，承载力特征值fak=120 kPa，压缩模量Es1-2=4.5 MPa。

层⑥粉质粘土夹粉土：粉质粘土为灰色，灰褐色，等级中，饱和，软塑－流塑；粉土为灰色，灰褐色，等级中－轻，很湿，稍密，承载力特征值fak=80 kPa，压缩模量Es1-2=4.5 MPa。

层⑦粉土：灰色、灰褐色、青灰色，等级中，饱和，稍密，局部岩性接近粉砂，承载力特征值fak=130 kPa，压缩模量Es1-2=6 MPa。

层⑧粉质粘土夹粉土：粉质粘土为灰色、灰褐色，等级中，饱和，软塑；粉土为灰色，灰褐色，等级中－轻，很湿，稍密，承载力特征值fak=90 kPa，压缩模量Es1-2=3.5 MPa。

2.2 试验区的布置

试验场布置在圆形煤场的中心处，试验场的中心与圆形煤场的中心重合。

由上述各层土的承载力特征值和压缩模量可知天然地基不能满足堆煤20 m的要求，必须进行地基处理。经过多方案比选，结合过去的经验，试验采用满堂疏桩加桩帽的方案。疏桩采用φ600×110高强预应力混凝土管桩，在管桩上设置混凝土桩帽，桩帽尺寸为1.5 m×1.5 m，厚0.7 m。在桩帽顶面标高处满铺砂石，以求将部分堆载集中到桩帽上，一方面可减少桩间土的负荷，同时又可降低圆形煤场环基下管桩受影响的程度。试验区布置了7套管桩及桩帽，呈六边形布置(图1)。

图1 试验区桩的布置平面图

砂垫层的厚度为2 m，即标高1.4 m至标高3.4 m均为砂垫层。其上铺设了厚钢板，砂垫层的扩散作用被钢板阻隔而切断，钢板上的砂不再是垫层的一部分，只起配重作用。堆载是台阶状的，标高3.4 m以上的配重是在直径为7.5 m的圆形面积范围内，每边收缩了1 m(图2)。考虑到铺设了厚钢板和砂层的扩散作用，拟简化为均布荷载。

图2 堆载设计图

2.3 测试元件的布置

试验内容较多，布设的元件甚多，限于篇幅，本文仅关注砂垫层及桩间土中的土压力盒及预应力管桩桩身的应变片。在砂垫层中标高2.4 m、1.5 m两处各埋设了20个土压力盒，其平面位置见图3。桩身应变片布置见图4。标高0.2 m、－9.2 m、－20.2 m桩间土中土压力盒布置见图5。

图3 砂垫层中土压力盒布置图

图5 标高0.2 m、－9.2 m、－20.2 m土压力盒布置图

2.4 静载荷试验的目的

此次超大面积7桩复合地基静载荷试验的目的较多，如：了解堆煤区桩土分担比例及其在深度方向上的变化、边桩侧土的水平向压力及其沿深度方向的变化、堆煤区不同平面位置和深度的水平、竖向位移等，更主要的是要获得“桩垫复合地基”的承载力特征值及传递到桩间土的压应力是否超过其承载力特征值。本文只对“桩垫复合地基”的承载力特征值及安全度进行探讨。

2.5 7桩复合地基静载荷试验的特点

本次静载荷试验与通常的地基静载荷试验有诸多不同。

(1)面积巨大，圆形堆载直径达9.5 m，面积达70.88 m2，不可能制作如此大直径的刚性压板；为了达到试验诸多目的，也不能采用采用单桩复合地基压板做试验。

(2)荷载的施加没有遵循慢速维持荷载法，但与快速法还有一些不同。大面积堆载过程的速度不是太快，每级荷载堆置完成后维持2.0 h左右就基本达到稳定标准。

(4)由于静载荷试验没有做到破坏，没有出现极限状态，最终加载量能否作为地基承载力的特征值？其安全系数究竟是多大？这些问题都是值得深入探讨的。

图6 沉降观测点布置平面图

3 桩、土应力实测值

3.1 中、边桩的轴力

桩帽以上砂垫层中只在标高2.4 m、1.5 m层中埋设了土压力盒，标高1.4 m的桩土应力值只能依靠标高2.4 m、1.5 m层土应力实测值进行推算。经整理后将中桩、边桩轴力分别列于表1、表2。

表1 中桩轴力NZ (单位：kN)

表2 边桩轴力Nb (单位：kN)

3.2 桩间土的应力

各级荷载作用下的各层位桩间土实测应力值列于表3。

表3 各级荷载作用下各层位桩间土应力

4 试验成果分析

4.1 复合地基承载力特征值

在地基土上进行静载荷试验的目的之一就是要确定地基的承载力特征值。通常是依靠荷载Q与沉降s的关系曲线来判定。现将上层钢筒上(测点1)和配重上部的混凝土块上(测点2)各四个沉降点的观测数据平均后列于表4。从表中可见测点1的平均沉降值远小于测点2，究其原因可能是因为钢护筒的竖向刚度较大，它的正下方是刚性桩的承台，桩的沉降较小，致使钢护筒的沉降偏小。

表4 测点1、2各级荷载沉降记录

将表4中的数据绘制荷载Q与沉降s的散点图(图5)。用最小二乘法对其作一次线性回归分析后可得沉降s与荷载Q之间的线性方程式如下：

测点1平均沉降s=0.781Q，相关系数r=0.981。

测点2平均沉降s=2.976Q，相关系数r=0.985。

用上面两个方程式绘制的沉降s与荷载Q曲线示于图7中。从图7中曲线的线型看，尚处于比例界限内。若用国家标准(《建筑地基处理技术规范》JGJ79－2002)规定的相对变形值法来确定特征值，该规范规定复合地基确定特征值的最小相对变形值是搅拌桩法的0.006，表4中最大加载量作用下的累计沉降值为s=40.2 mm，其相对变形值为40.2/9500=0.0042＜0.006。因此本次载荷试验的承载力特征值初步定为197.5 kPa是可以接受的。

总的来说，学生阅读素养的培养不是一朝一夕可以做到的，需要语文教师在进行阅读教学时能把控学生的阅读方向，能为学生提供阅读策略，并能给出一定的阅读建议，提高学生阅读的效率与兴趣。在具体的教学实践中，如何提高名著导读教学的实效，切实培养学生良好的阅读习惯，是我们广大语文教学工作者需要不断努力的方向，是我们语文教师不断追求的教学目标，应该从学生与教师两方面入手，共同提高学生名著阅读的效率与质量。

图7 静载荷试验Q－s曲线图

4.2 复合地基的安全系数

因为静载荷没有做到破坏，Q－s曲线也没有出现拐点，而是以最终加载量作为特征值，其安全系数究竟有多大是个未知数。为了获取桩垫复合地基的安全系数，可以从组成复合地基的各个部件逐一分析。它们是桩、桩帽、砂垫层和桩间土。桩与桩帽(承台)本身的结构强度及其安全系数，本文不予讨论，只讨论桩、桩间土和砂垫层地基承载力的安全系数。

(1)桩

从试验可知桩身轴力最大值发生在中桩，其值达2031.5 kN(见表1)。加上标高－9.2 m至－12.1 m(中性点)间的负摩阻力产生的下拉荷载14 kN，合计为2045.5 kN，原体试验得到基桩承载力特征值为2284 kN(只计桩中性点以下桩侧摩阻力和桩底端承力)，可见组成桩垫复合地基部件之一的桩，其安全系数大于2。

(2)桩间土

土压力盒只埋于标高1.5 m层，实测该层土的土压力平均值为107.2 kPa。通过推算得到标高1.4 m层桩间土的土压力平均值为106.2 kPa，此值已大于该层土的承载力特征值fak=80 kPa，桩间土的安全系数为2×80/106.2=1.51，显然桩间土实际承载力fa必然大于80 kPa。换言之桩间土承载力应该进行修正，若按文献[3]公式(5.2.4)计算：

式中各符号的意义见文献[3]。修正后的承载力特征值fa仍然小于106.2 kPa较多。若按土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值，即按文献[3]公式(5.2.5)计算：

可得该层土的fa=107.0 kPa，高于实测值。式中各符号的意义见文献[3]。基底下9.5 m深度内各层土的层厚、重度及抗剪强度指标标准值列于表5。

表5 基底下9.5 m深度内各层土的抗剪强度指标标准值

现以两个公式计算结果的平均值计，则该层土的fa=100.0 kPa，略低于实测值。根据以上分析可认为桩间土的安全系数为2×100/106.2=1.88，比规定的安全系数2低了6%，所以复合地基承载力特征值必须低于197.5 kPa。

(3)复合地基

取桩和桩间土两者安全系数中的较小者应该是合理而安全的，197.5×1.88/2=185.6 kPa。以185 kPa为桩垫复合地基承载力特征值。

桩垫复合地基中的砂垫层下持力层承载力特征值fspk可以采用振冲法复合地基承载力特征值的公式验算。

式中：n为桩土应力比；m为复合地基置换率；fa为经深度、宽度修正后的桩间土承载力特征值， kPa。

桩土应力比n可通过静载荷试验获得，也可按文献[2]中的公式计算。本次试验持力层标高(1.4 m)处的桩土应力比的计算值与实测值曲线绘于图9。荷载Q=14 MPa时的桩土应力比实测值与计算值分别为n=4.87和n=4.89，两者基本相等。

已知本次试验的m=0.222，fa=100 kPa，以实测的桩土应力比计算可得：

与上述结果185 kPa相差+0.5%。

图9 持力层标高处桩土压力比n曲线图

5 结论

(1)桩垫复合地基的砂垫层具有明显的反向扩散作用，使桩帽上产生一个倒置的四方棱台，扩大了承受荷载的面积，将约50%的上部荷载集中到四方棱台后直接传递到桩帽上，大大减少了传到桩间土上的应力，充分体现了此类复合地基的优点。

(2)通过对复合地基强度安全系数的分析可知，当安全系数为2时，本次静载荷试验得到的桩垫复合地基承载力特征值为185 kPa。

[1]葛小丰，等.江苏国信靖江发电厂一期工程大面积堆载桩土荷载分担试验报告[R].南京：江苏省电力设计院， 2009.

[2]韦 华，沈锦儒，何小飞.探析桩垫复合地基中砂垫层的扩散作用[J].勘察科学技术，2014，(193).

[3]GB50007－2011， 建筑地基基础设计规范[S].

[4]龚晓南.复合地基理论及工程应用[M].北京：中国工业建筑出版社.2002.

[5]徐宏跃，周明琪，楼小明.带承台单桩及其复合地基承台效应的静载试验研究[J].岩土工程学报，2011，33(supp2)

[6]DB33/1051－2008，复合地基技术规程[S].

[7]JGJ94－2008，J793－2008 建筑桩基技术规范[S].

[8]王幼青，张克绪，朱藤明.桩－承台－地基土相互作用试验研究[J].哈尔滨建筑大学学报，1998，3(2).

[9]刘志祥，李夕兵.充填体变形的混沌时序重构与神经网络预测[J].矿冶工程， 2005，25(1).

Heap Load Test of the Composite Foundation for Super Large Area

LU Wei-gang,ZHOU Wei,SHEN Jin-ru
(Jiangsu Province Electric Power Design Institute,Nanjing 211102,China)

Some engineering pile-cushion large area composite foundation heap load test，because of a very large area,so can't use rigid bearing plate. Using 2m thick sand cushion layer,can be used as the test load applied on the foundation,and can be used as flexible bearing plate step by step loading. The static load test not possible to be damaged,there will not be a turning point on the relationship between load and settlement curve. May use analysis the safety coefficient of major parts to determine the pile-cushion composite foundation bearing capacity characteristic value. Bearing stratum bearing capacity characteristic value fspkmay checking computation using calculation formula of vibro-replacement stone column.

pile-cushion composite foundation; eigenvalue of load capacity; safety factor.

TU4

B

1671-9913(2017)05-0005-06

2016-05-06

陆伟岗(1980- )，男，江苏苏州人，工程师，从事电力工程岩土监、检测及研究工作。