浅层地基上平板静力载荷试验研究

浅层地基上平板静力载荷试验研究

  更新时间：2005-11-6 摘 要：软弱地基土层的极限承载力、允许承载力等工 程力学特性是设计大型隧道、船坞 和桥梁基础前必须解决的重要技术问题，本文结合浙江宁 波甬江隧道工程进行的平板静载 试验，开展了具体的研究工作。

关键词：浅层地基 平板 静载 试验 研究

1 前言 我国江浙地区皆为海相沉积层地表， 由粘土、 粘质粉土和砂土组成， 工程地质条件较差。 如 在此上建浅基础的大型隧道、船坞及桥梁基础，首先需研究基础土壤的极限承载力、允 许承 载力，以及不同荷载下基础的相对稳定沉降量及相应的固结时间、地基土壤的变形模 量值等 工程力学特性。现场平板静力载荷试验是取得基础土壤工程力学特性的最好、最直 接的方法 。国内外工程设计人员在此方面已作了大量的试验研究工作，如美国的卡尔·太 沙基、俄罗 斯的普列斯·崔托维奇、我国的原冶金部等都对静力载荷试验作了大量研究， 后者还制定了 试验规程。但由于各地地质情况不同，结构物的类型、尺寸不同，故所用承 压板的大小不同 ，试验结果也就不尽相同。本文通过在浙江宁波甬江隧道工程中对钢筋混 凝土管段预制场土 坞的一次静力载荷试验，分析研究了软弱地基土层的极限承载力、允许 承载力等工程力学特 性，进一步了解软弱地基经开挖后基础土壤的承载情况，并以此来丰 富此项研究工作。

 2 平板静力载荷试验 2.1 试验设备 试验设备由承压板、加载装置及沉降观测装置三部分组成。 2.1.1 承压板 承压板面积大小对试验土基的沉降量和极限承载力均有一定的影响。 美国卡尔· 太沙基、 俄 罗斯普列斯·崔托维奇、我国原冶金部所作不同面积承压板的对比试验表明：当承压板 边长 B 值小于 30cm 时，土基沉降 S 值将随边长 B 值减小而增大；当 B 值大于 30cm 时， 土基沉降 S 值将 随 B 值增加而增大。并且当承压板边长 B 大于 5m 后，土基沉降 S 值将不 随 B 值增加而增大。 根据 现场实际情况和有关规定， 本次试验采用的承压板为 100×100cm 方形承压板。? 2.1.2 加荷装置 考虑到土壤沉降量， 承压板到载荷台之间应有足够的沉降高度以防意外情况。 试验中设 计了 90cm 高的载荷钢质台架， 并为保持均匀沉降， 在载荷台上设置了东南西北四个放大的 沉降观 测臂（如图 1） ，放大率为 3 倍。载荷承台边长 200×200cm，中间放置每块重 310～ 530kg 的钢 锭，作为载荷试验的主荷载，边缘 30cm 周圈设置总重为 2t、单重为 50kg 的小 铁块，作为调整 载荷重心的平衡锤，控制承压板的倾斜度。 图 1 试验现场布置图 2.1.3 沉降观测装置? 在载荷台沉降观测臂的对应位置设置固定的沉降观测台座， 通过磁性台座及电阻式线位 传感 器在控制室内用应变仪观测载荷台的沉降量，分别计算出 AC 沉降线及 BD 沉降线中 心的沉降量 ，其平均值即为承压板的沉降量。? 2.2 试验方法 2.2.1 加载重量设计 根据本工程地质原位测试报告， 用美国太沙基经验公式 Pu=(1.2CNe+rDfNq)B2，预估载荷试验土壤的极限承载力 Pu=284.2kPa(29t/m2)，按每级荷载 增量为 1/10 的极限 承载力施加荷重，即每级可施加 3t，待前级荷载沉降速率达到相对稳定 后再加下级荷载。 2.2.2 沉降量观测方法 采用相对稳定法，自加荷开始按 10、10、10、15、15、30、60min 的时间间隙观测沉 降量， 以后每隔 60min 观测一次，直到 60min 的沉降量不大于 0.1mm 为止。按 A、B、C、 D 四个测点的沉降记录值分别计算 AC 沉降线中心处的沉降量及 BD 沉降线中心处的沉降 量，取这 两个中心沉降量的平均值作为承压板的沉降量。 2.3 试验结果 预估土壤极限承载能力为 284.2kPa(29t/m2)， 每次加荷采用 2t 到 3t。 试验实际加载 10 次， 历时 15 天，总载荷重量 P 值已达到 232.11kPa(23.68t/m2)，土壤未发生整体剪切破坏 ，但 此时地基土壤发生了较大的压缩变形， 总沉降量 S 值达到 264.127mm， 根据试验中各级荷 载 的实际重量 P 值及相应的相对稳定沉降量 S 值，绘制 P～S 关系曲线（如图 2 所示） 。从 P～ S 曲线上看，曲线没有明显的转折点，整个变形过程是随着荷载增加土体产生压缩变形。 如果 试验中继续加载，地基土壤还能承受，只是产生更大的压缩变形，故继续加载的实用 意义不大。 图 2 P～S 关系曲线

3 试验结果分析 3.1 从 P～S 曲线确定比例界限压力 Pcr 和极限压力 Pu 根据 P～S 曲线可明显地看到基础土壤应力应变成线形关系的弹性变形范围很小，从曲 线中可 明显发现， 呈现直线段的转折点在 20kPa 处， 所以可以认为基础土壤的临塑荷载 （比 较界 限 压力）Pcr=20kPa。随后基础土壤就进入弹塑性变形范围，随着荷载的增加 P～S 曲线呈曲线 状，当荷载 P 值增加到 90kPa 后，现场可发现基础边缘处的土壤开始有隆起和 出现裂缝， 说明 基础土壤已呈现局部剪切破坏区 （塑性破坏区） 随 P 值继续增加到 108kPa， ， 基础边缘局部 剪切破坏区的范围并无明显发展，但 S 值与 P 值则呈线形关系递增。P～S 的这种线形关系一直 保持到 P 值达 232kPa 试验结束。此现象可以清楚地说明基础土壤的 剪切破坏区只是发生在台 座边缘的局部范围，土壤内部没有出现连续的滑动面，随着荷载 P 值的增加，台座随着土壤 的压缩垂直地向下沉降，预计最后将因基础侧面附近的垂直剪 切破坏而破坏。? 因 P～S 曲线并无出现表示基础土壤发生破坏的转折点，确定基础土壤极限压力只能按 总沉降 量等于加荷承压板宽度的 1/10 时的 P 值为标准，则 Pu=109kPa。 3.2 确定地基土壤允许承载力〔P〕 (1)根据极限压力法 〔P〕＝Pu/Fs 式中，Fs 为安全因素，取用 2.5，? 故〔P〕＝109/2.5＝43.6kPa ? (2)按 P～S 曲线沉降量为承压板 0.02B 时所对应的 P 值为允许承载力〔P〕值： 〔P〕＝P0.02B＝45kPa 3.3 根据 P～S 曲线计算土壤变形模量 土壤变形模量是随着地基承受的压力变化的，根据原水利部电力部 1988 年颁布的土工 试验规 程，其规律为： E ? 0=0.95 (1-μ? 2)B〖SX(〗P〖〗S〖SX)〗? 式中：E0--试验土层的变形模量，kPa； P--荷载，kPa；?〖KG*2〗 S--对应于施加荷载的沉降量，cm； B--承压板的边长，B=100cm； μ--泊桑比，μ=0.5。 现计算出 P～S 曲线上 P 值在 150kPa 以内的 E ? 0 值，并绘制变化曲线(见图 3)。 图 3 P～E ? 0 关系曲线 3.4 利用原位测试 P～S 曲线成果预估实际构造物的地基沉降 利用原位载荷试验 P～S 曲线来计算实际构造物的地基变形是工程上迫切希望解决的问 题，但 由于影响构造物地基变形的因素中，既有承压板几何尺寸的因素，又有基础下土壤 物理性质 的因素，所以要利用一条地面浅层平板载荷试验的 P～S 曲线来明确地解答实际 构造物的沉降 量数值十分困难，只能根据有关资料预估出地基的沉降量。? 本次试验场是隧道工程钢筋混凝土管段预制场，实际构造物为沉箱管段，尺寸为宽度 B=12m ， 长度 L=85m。 根据工程地质资料， 基础表层有 1m 深的淤泥层， 下卧 3.5m 亚粘土、 5m 淤泥质 粘土，中间夹有砂质土，再向下为具有较好工程特性的土壤。 (1)假定地基为半无限均质粘性土，管段制作期沉降量的尺度影响为： Sj=S′（BT/B） 式中：Sj--管段基础的预估沉降量，cm； S′--与基础底面压力值相一致的荷?载级下的沉降量，cm； BT--管段短边宽度，cm； B--P～S 曲线承压板宽度，cm。 可计算出 S ? j=S′1200/100=12S′，即管段的实际沉降量将是同级荷载下 P～S 曲线 上沉降量 的 12 倍。? (2)假定地基为半无限均质砂性土，管段制作期沉降量的尺度影响如下： 可算出 Sj=S′(1200/100)2/(130/1230)2=1.6S′，即管段的实际沉降量将是同级荷载 下 P～S 曲线上沉降量的 1.6 倍。 (3)假定地基为半无限砂性、粘性土混合体，由于实际地基为粘性土、砂性土的分层状 土质 ，故可将二种土质的沉降影响叠加后混合考虑 ，可采用下式计算沉降量的尺度影响： ? （12S’+1.6S’)/2=6.8S’ 即管段的实际沉降量将是同级荷载下 P～S 曲线上沉降量的 6.8 倍。? 4 讨论 由不同假定得出的预估沉降量差距十分显著， 而可能的最终沉降量数值是工程设计的一 个关 键控制因素，如按现在计算出的用静载荷试验（B=1m 宽的方形板）P～S 曲线上相对 应的 S 值 增大 6.8 倍来预估同级荷载条件下实际管段沉降量数值是否足够，亦就变成一个 关键性的问 题，由此有必要对基础宽度 B 与地基沉降量的关系作深入分析讨论：? 砂土地基沉降量受基础宽度影响是有限度的。基础宽度 B 反映灵敏的区段是 B= 0.3～ 3.0m ，在这个尺度范围内沉降量可有三倍的变化，即当同级荷载时用 B=0.3m 的基础做试 验所得 P ～S 曲线来反映 B=3m 的基础的沉降量可有三倍的增量，这种增量到 B 无穷时亦 只有四倍。按同 现在一样用 B=1m 宽承压板所得 P～S 曲线来计算 B 值增加的影响较小， 即当 B 值增加到 1000 倍时沉降量的增加亦只能达到 1.69 倍。? 粘土地基沉降量受基础宽度影响的数值，就现有经验公式来分析它的影响是同宽度 B 值成 正比关系， 但这种线形正比关系究竟能保持到什么范围？是否亦应是一个 有趋于稳定 界限的影响因素？这还应在今后的工程实践中进行必要的观测研究。根据有关粘 土地基上 方形基础和条形基础在同级荷载条件下沉降量与地基宽度 B 的关系数值计算资料 ，可以得 到沉箱管段基础为 12m 的粘性土沉降量将为本试验 B=1m 宽承压 板所得 P～S 曲线上同级 荷载的 5～8 倍，所以前述的 6.8 倍的增值系数是合理的 本 文 来 自 ： 中 国 路 桥 网 （ www. ） ， 原 文 地 址 ： http://www./Article/Technique/daolu/200511/2082.html