地基垫层厚度对地基承载力和变形模量的影响

李 智

(黑龙江农垦勘测设计研究院，黑龙江 哈尔滨 150000)

地基作为承受上部荷载的主要受力部分，其稳定性直接决定了建筑物的安全性，地基的极限承载力和变形模量直接反映了地基稳定性特点，近些年来，工程的安全建设和稳定运行已经成为评价项目可行性研究的最重要因素之一[1]。水利工程地基由于经常处于地下水位以下或地下水丰富的地区，导致地基土为软土的可能性较大，在软土地基上进行工程建设时为了施工方便，经常会人工铺设一定厚度、刚度较大的碎石或者是砂垫层[2]，由于铺设面积大，可以认为在地基上不制作了一层坚硬的防护层，工程上称为垫层，垫层在软弱地基上具有封闭效应[3]，有效的起到反压作用，强化地基的承载力，限制地基沉降，增加地基的变形模量等作用[4]。

为研究垫层厚度对地基承载力和变形模量的影响关系，国内外学者做了大量的研究[5- 7]，国外学者A.E。Cummings对圆形荷载作用下双层地基的应力特点进行了研究，提出了中心荷载点下的垂直应力随埋深的变化关系[8]；国内学者以唐建中对矩形荷载的双层地基进行了研究，王晓谋提出了竖向应力扩散的特点等相关研究[9]。目前，有关地基研究主要是对地基中应力分布特点进行了系统的研究，针对垫层厚度和刚度对地基承载力和变形模量中的研究却少有涉及，本文在现场地基承载力试验的基础上，对垫层厚度对地基承载力特征和变形特征进行了研究，为类似工程垫层厚度铺设提供依据。

1 工程概况

本场地选自某水利工程，距离海边大概5km，该陆地是由吹填深海中泥砂组成，由于地基形成方式特殊，导致该地地基土均匀性较差。地基土中填砂层主要以松散的中砂和粗砂为主，黏土层为软弱的塑形黏土，黏土中含有大量的细沙，且黏土中改质和镁质矿物成分较高。经过现场地质勘探，得到其地质报告结果如下：0～2m范围地层内以软弱黏土为主，黏土可塑性较大，黏土含沙量较高，颜色以灰白色为主；2～4m范围地层中混杂有大量的砂砾结构，其主要成分以中砂、粗砂为主，砂含量较高，达到45%左右；4～6m范围地层内以砂土混合物为主，黏性土可塑性非常明显；6～8m范围地层内以黏性土混合细砂为主，黏性土颜色主要呈现灰白色，状态处于可塑-硬塑之间；8～10m范围内主要以极细砂拌和黏性土为主要成分，部分土壤由黏性土向淤泥质土壤过度。

2 试验方案及计算原理

2.1 强夯场地处理

本次试验采用履带式强夯试验机，夯锤底部为圆形，质量16t，夯锤底部直径2.2m，最大落距20m，在试验场地设置垫层厚度为1.0m碎石进行夯击压实试验，碎石级配要求良好。重夯时采取间隔点夯法，先从中间开始夯击，夯锤能为2200kN·m，重锤夯击结束后进行场地回填，再进行夯击能为1000kN·m的满夯试验，最后平整场地至设计标高，然后在不同厚度垫层条件之下进行荷载堆积试验[10- 12]。

2.2 现场试验方案

在强夯地基上分别选取多块平整场地完成垫层厚度为0.2、0.7、1.2m的碎石垫层，然后在垫层上进行荷载试验，试验中选定荷载板面积为5.09m2(直径为2.55m)，荷载加载过程依据GB 50007《建筑地基基础设计规范》完成，现场基坑面积约5000m2，宽度大于压板直径3倍，现场试验加载为10级，最大加载量为400kPa，每级加载完成后间隔15min测定沉降量，然后继续增加下一级荷载，如无意外情况，则全部荷载加载完成为止，否则，提前终止加载试验，并得到地基承载力极限值[13- 15]。

2.3 变形模量计算

依据GB 50021—2001《岩土工程勘察规范》中对变形模量的计算方法，选定如下公式对现场地基变心模量进行计算：

E_0=0.785(1-μ2)Dp∕s

(1)

式中，E_0—地基的变形模量；μ—泊松比，对该项目而言取μ=0.3(下层黏土和上层砂土泊松比的平均值)；D—荷载板的直径，取2.55m；p—加载试验过程中地基承载力的比例极限；s—比例极限对应的沉降量，mm。

3 试验结果分析

3.1 试验测试结果

依据GB 50007试验操作规范，测得不同垫层厚度作用下分级荷载和地基位移之间的关系见表1。由表1中可以得出，地基竖向位移随着荷载的增加逐渐变大，垫层厚度越大，地基的变形量越小，垫层厚度能加强地基的稳定性。

3.2 垫层厚度对地基承载力的影响

依据GB 50007对地基加载试验中地基承载力计算原则有：在荷载试验中，当地基承载力出现明显的比例极限时，取该比例界限对应的承载力为地基承载力，当极限荷载能确定，取荷载极限值的一半为承载力标准值，当不能同时满足以上两点时，按地基竖向位移为承压板直径的6%时对应的荷载为承载力标准值。依据表1中地基变形与分级加载之间的关系，如图1所示。

图1 不同垫层厚度条件下分级加载曲线

由图1中可知，在地基上部荷载增加至极限荷载400kPa时，且p—s曲线上均出现了明显的比例界限值，因此认定比例界限点对应和荷载值即为地基极限承载力。分别对图1中不同垫层厚度地基分级加载曲线做分段处理，得到不同垫层厚度地基极限承载力见表2。由表2中可以看出，随着垫层厚度的增加，强夯地基极限承载力逐渐增大，出现这

表1 加载过程中荷载和变形值

注：位移为3个测试点平均值。

一现象主要是因为垫层的存在限制了地基下沉，而导致地基极限承载力变大。由表中可知，垫层厚度为0.7m和1.2m时，地基极限承载力较垫层厚度为0.2m时分别增加45%和72%。

表2 不同垫层厚度作用下地基极限承载力

3.3 垫层厚度对地基变形模量的影响

依据前文中对变形模量计算公式，分别对不同垫层厚度条件下强夯地基变形模量进行计算，见表3。利用表3垫层厚度与对应计算变形模量之间的关系，可以得到垫层厚度和变形模量之间的关系图，如图2所示。利用图1可以分别得到不同垫层厚度地基比例界限对应的地基位移，由此直接计算得到垫层厚度与变形模量之间的关系。由表3可知，强夯地基变形模量随着垫层厚度的增加逐渐增大，当垫层厚度为别0.2、0.7、1.2m时对应的地基变形模量分别为22、40、64MPa。由图3中垫层厚度与变形模量的关系，可以发现强夯地基变形模量与垫层厚度之间成线性增加关系。

垫层厚度与地基极限承载力和变形模量之间的关系存在明显的对应关系，即垫层厚度增加，地基极限承载力逐渐增大，且地基变形模量增大。由此可见，在地基表面增设垫层可以加强地基刚度，提高地基变形模量，约束地基变形，从而提升地基极限承载力，对于此工程，现场试验研究为该项目后期地基处理提供参考，同时增加垫层厚底以提升地基极限承载力也为类似工程提供经验和数据参考。

表3 不同垫层厚度条件下地基变形模量

图2 垫层厚度与变形模量之间的关系

4 结语

通过对现场强夯地基进行分级加载试验，讨论了不同垫层厚度对地基极限承载力和地基变形模量之间的关系，得到如下结论：

(1)随着垫层厚度的增加，地基极限承载力和变形模量均逐渐增大，当垫层厚度为0.2m时，地基极限承载力和变形模量分别为160kPa和22MPa，当垫层厚度增加至1.2m后，地基极限承载力和变形模量分别提升72%和191%。

(2)增设垫层的主要目的在于加强地基刚度，约束地基变形，从而提升地基极限承载力和变形模量。

(3)本文研究结果主要针对吹填深海中泥砂地基，可为类似地区工程提供理论支撑，但对于其它类型地基还需要作进一步的试验分析。