时间效应影响下既有建筑地基土压密的试验研究

李 平 盛志强

(中国建筑科学研究院有限公司地基基础研究所，北京 100013)

0 引言

对于既有建筑而言，建筑物在建成后的数年里，基底土在建筑物上部荷载的长期压力作用下，土体会产生一定的压缩固结效果，土体的物理力学性质发生变化，譬如压缩模量的提高，这样既有建筑在后续的增层改造，也就是基底压力增大的过程中，土体变形速率会出现相对变小的现象，这种压密效果的主要作用时间以及随时间的变化规律有待于进一步研究。本次试验对时间效应影响下地基土的压密进行进一步的分析研究[1-4]。

1 模型概况

1.1 试验场地情况

此次试验场地为室内试验坑，对试验坑内一定深度的土体进行了重新开挖回填夯实，保证回填时土体的均匀性。回填完成后土体进行了勘察取样，并进行了土工试验，土体的物理力学指标详见表1。

表1 物理力学指标统计表

此次研究对象主要针对低多层既有建筑的地基土的压密研究，因此试验模型主要模拟柱下独立基础，模型采用刚性基础板，其尺寸为1 200 mm×1 200 mm×300 mm。试验坑内的各个刚性基础板模型分布如图1所示。

1.2 试验方法

1)随着建筑物楼层的增加，对基底土的压力也随之增加，对于模型Ⅰ，根据GB 5007—2002建筑地基基础设计规范[5]中平板载荷试验的要求，模拟建筑物楼层增加荷载增加的工况，采用1 000 kN的千斤顶模拟柱下加载，加载到极限荷载fu，得到该模型的P—S曲线，如图2所示。根据P—S曲线，取该曲线的比例界限所对应的荷载为地基承载力特征值，即fak=110 kPa。

2)既有建筑在建成后的数年中，基底土会承受建筑物上部荷载相应的时间段，对于其他的刚性基础板模型Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ,Ⅵ,Ⅶ，模拟建筑物建成后不同时间段承受相同上部荷载的工况，根据GB 5007—2002建筑地基基础设计规范[5]中平板载荷试验的要求，千斤顶加荷至110 kPa，千斤顶提供荷载稳定在(110±2)kPa，然后维持荷载不变，各个模型维持荷载不变的时间分别为3 d,7 d,14 d,28 d,35 d,49 d，达到试验要求的天数后，千斤顶继续加载到极限荷载fu，得到了各个模型的P—S曲线，如图2所示。

2 基础板底和基础板外的土体位移

试验过程中为更方便的得到不同深度处的土体位移，采用了自有的刚性变形深标来测量。在每个基础板上设置4个测量点，分别测量基础板下-0.5 m,-1.0 m,-1.5 m,-2.0 m这4个深度处的土体位移。同时，在基础板外设置12个测量点，分别测量基础板外-0.5 m～-2.2 m深度范围内的土体位移。

2.1 基础板下的土体位移

模型Ⅰ、模型Ⅶ在不同荷载作用下不同深度的土层位移图如图3所示。图中的实线代表模型Ⅰ未持载工况下加载至极限荷载的土体位移，虚线代表模型Ⅶ维持110 kPa加载荷载49 d的工况下加载至极限荷载的土体位移。

2.2 基础板外的土体位移

根据图4中基础板外刚性深标的布置，对基础板外不同深度处的土层位移进行了测试，其不同荷载下不同深度的土层位移图如图4所示。图中的实线代表基础板外0.5 m深度处的土体位移，虚线代表基础板外2.2 m深度处的土体位移。

2.3 土体位移数据分析

通过图3,图4可以看出，在上部荷载作用下，基础板下1.5 m深度范围内、基础板外1.2 m范围内土体位移变化幅度较大，压密效应在这个深度和宽度范围内效果较明显[6]。

3 长期荷载下的土体位移和土压力

3.1 长期荷载作用下的土体位移

通过图2的P—S曲线可以看出模型在持载期间，会产生一定的沉降，持载时间最长的模型Ⅶ的位移随时间的变化曲线如图5所示。通过图5可以看出，模型Ⅶ在持载1周内沉降较大，后期模型沉降趋于平稳。

3.2 长期荷载作用下的土压力

试验中在基础板下埋设了一定数量的土压力盒，量程为0 MPa～0.5 MPa，用于研究长期压密效应下的基底反力分布。

通过土压力盒的测试，得到了相同荷载作用不同时间下基底压力的分布规律，如图6所示。从图中可以看出，基底反力在荷载作用1周时间内变化幅度较大，随着荷载作用时间的增加，变化幅度很小。

4 压缩模量和孔隙比的变化

试验模型在加载至极限荷载后，为进一步研究土体压密效应的作用效果，同时对基础板下和基础板外进行了勘察取样，并进行土工试验，对试验前后土体的物理力学指标进行了对比，图7为试验前后压缩模量Es、孔隙比e随深度的变化曲线。

通过图7可以看出，地基土在压密效应作用下一定深度处的孔隙比e、压缩模量Es等土工参数都有了一定的变化，且大致在1 m～1.5 m的深度范围内其变化比较明显，并随深度的增加其变化不大。

5 结论

1)通过不同模型试验得到的P—S曲线可以看出，随着相同荷载作用时间的增长，再加载后的土体相对变形幅度会越来越小，在一定时间内，地基土产生了“压密效应”，土性增强较快，是既有建筑地基承载力提高的关键因素。

2)对于低多层既有建筑柱下独立基础，土体压密效应主要集中在基础板中心下1.5 m深度范围内，基础板外1.2 m宽度范围内。

3)地基土在荷载长期作用下沉降及基底反力的变化主要集中在持载一周时间内，即土的压密效应主要作用在持载一周时间内。

4)地基土在荷载长期作用下，基底下1.5 m范围内的土的物理力学性质变化较大，压缩模量有明显提高，孔隙比也明显减小。