旁壓試驗(yàn)在天津地區(qū)確定地基土承載力的修正研究

劉 浩，張建根

（天津市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津市 300051）

0 引言

地基土承受荷載的能力稱為地基的承載力。在日?？辈煸O(shè)計(jì)工作中，是不可缺少的巖土計(jì)算、驗(yàn)算內(nèi)容。地基土承載力數(shù)值的準(zhǔn)確性決定著工程結(jié)構(gòu)是否安全，工程造價(jià)是否經(jīng)濟(jì)。

在研究地基土承載力的過程中，把地基土當(dāng)成理想彈塑性體，即當(dāng)應(yīng)力小于破壞應(yīng)力時(shí)，或者是應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到極限平衡條件之前，土為線彈性體；在達(dá)到破壞應(yīng)力之后，或達(dá)到極限平衡條件后，則為理想塑性體。

旁壓試驗(yàn)曲線與載荷試驗(yàn)曲線相似，反映出了土體隨著荷載的增大，逐漸被壓密，由彈性變形逐漸變?yōu)樗苄宰冃危M(jìn)而直至破壞。根據(jù)試驗(yàn)中極限壓力pL、臨塑壓力pf與初始壓力p0的差值乘以修正系數(shù)λ 或除以安全系數(shù)K 來確定承載力特征值。若采用《地基旁壓試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 69—2019）中推薦λ、K 值，會導(dǎo)致承載力特征值明顯偏離區(qū)域地基土經(jīng)驗(yàn)數(shù)值范圍。

現(xiàn)通過工程實(shí)例中旁壓試驗(yàn)成果與靜力觸探試驗(yàn)、物理性指標(biāo)查表法確定出的地基土承載力特征值對比分析，對修正系數(shù)λ、安全系數(shù)K 進(jìn)行修正，使旁壓試驗(yàn)確定的承載力特征值客觀、可靠。

1 各種確定承載力的試驗(yàn)方法

根據(jù)天津地方標(biāo)準(zhǔn)《天津市巖土工程技術(shù)規(guī)范》（DB/T 29-20—2017），地基土承載力已統(tǒng)一表述為承載力特征值。地基承載力特征值可由以下兩大類方式確定。

（1）載荷試驗(yàn)或其它原位測試（標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、動(dòng)力觸探試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)、靜力觸探等）、公式計(jì)算等方法結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)綜合確定。

（2）采用物理指標(biāo)確定地基土承載力，按統(tǒng)計(jì)修正后的物理指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)值，查表得到地基承載力特征值。查表法是以載荷試驗(yàn)為基礎(chǔ)，經(jīng)過大量的工程實(shí)踐而建立起的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系。

1.1 旁壓試驗(yàn)

1.1.1 基本原理

旁壓試驗(yàn)是一種原位測試手段，通過旁壓器對孔壁施加徑向壓力，使土體產(chǎn)生徑向變形，通過徑向壓力與變形的關(guān)系，測求地基土的原位力學(xué)狀態(tài)和力學(xué)參數(shù)。土體經(jīng)歷與測試探頭初始接觸，進(jìn)入彈性階段，進(jìn)而發(fā)展為塑性階段直至破壞?；痉从吵龅鼗猎谠紤?yīng)力狀態(tài)下的工程力學(xué)特性。

典型的旁壓曲線（壓力P～體積V）曲線如圖1 所示。

圖1 典型旁壓試驗(yàn)曲線圖

試驗(yàn)過程可分為3 個(gè)階段：

Ⅰ段（曲線AB），初步階段，反映孔壁擾動(dòng)土體的壓縮與恢復(fù)；

Ⅱ段（直線BC），似彈性階段，壓力與體積變化大致呈直線關(guān)系；

Ⅲ段（曲線CD），塑性階段，隨著壓力的增大，體積變化量逐漸增加，直至土體破壞。

1.1.2 承載力特征值的確定方法

（1）利用極限壓力pL確定：

當(dāng)極限壓力pL小于等于臨塑壓力pf的2 倍時(shí)，取極限壓力的二分之一，由式（1）確定承載力特征值。

式中：p0為初始壓力。

當(dāng)極限壓力pL大于等于臨塑壓力pf的2 倍時(shí)，由式（2）確定。

式中：K 為安全系數(shù)，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定。

（2）利用臨塑壓力pf確定：計(jì)算公式見式（3）。

式中：λ 為修正系數(shù)，根據(jù)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)確定；無經(jīng)驗(yàn)時(shí)，取0.7～1.0。

1.2 查表法

1.2.1 靜力觸探試驗(yàn)

靜力觸探試驗(yàn)是用靜力將探頭以1.2 m/min 的速率均勻壓入土中，以雙橋探頭為例，利用探頭內(nèi)錐頭、側(cè)壁的力傳感器，通過電子量測器將探頭所受貫入阻力記錄并傳輸至存儲設(shè)備中。試驗(yàn)可得到錐尖阻力qc、側(cè)壁摩阻力fs，進(jìn)一步可得到摩阻比Rf=fs/qc（%）。根據(jù)qc、Rf數(shù)值查閱經(jīng)驗(yàn)表格得到承載力特征值。

1.2.2 物理性指標(biāo)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗(yàn)得到的土體物理力學(xué)指標(biāo)孔隙比e、液性指數(shù)IL、天然含水率w、壓縮模量Es1-2可得到對應(yīng)土體的承載力特征值。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

位于天津市北辰區(qū)某深基坑工程，在建設(shè)場地內(nèi)布置鉆探孔采取原狀土樣進(jìn)行土工試驗(yàn)、現(xiàn)場靜力觸探試驗(yàn)孔，同時(shí)在鉆探取樣鉆孔旁進(jìn)行旁壓試驗(yàn)，共計(jì)完成6 個(gè)旁壓試驗(yàn)孔，試驗(yàn)深度20 m。

旁壓試驗(yàn)設(shè)備為APAGEO 梅納GA 型預(yù)鉆式旁壓儀，探頭為三腔式，探頭直徑為74 mm，測量腔長度為210 mm，容積為786 cm3。試驗(yàn)壓力由高壓氮?dú)馄刻峁?。各級壓力下的相對穩(wěn)定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)取1 min，加荷后15 s、30 s、60 s 測讀變形量。

靜力觸探試驗(yàn)采用雙橋探頭，貫入速率為0.8～1.2 m/min，每貫入0.1 m 記錄一次錐頭、側(cè)壁阻力數(shù)據(jù)。qc、fs數(shù)值由微電腦數(shù)據(jù)采集儀自動(dòng)采集存儲。

擬建場地試驗(yàn)測試深度范圍地基土的地質(zhì)單元?jiǎng)澐峙c分布情況見表1 所列。

表1 主要地基土分布情況簡表

依據(jù)不同工程地質(zhì)單元對室內(nèi)試驗(yàn)和原位試驗(yàn)得到的巖土參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，考慮到地基土層實(shí)際分布的變異性、試驗(yàn)結(jié)果的離散性，剔除異常數(shù)據(jù)。

各層地基土參與統(tǒng)計(jì)的旁壓試驗(yàn)測試點(diǎn)數(shù)量為：⑤黏土9 個(gè)；⑥粉質(zhì)黏土15 個(gè)；⑧1粉質(zhì)黏土6個(gè)；⑧2粉砂3 個(gè)；⑨1粉質(zhì)黏土2 個(gè)。

2.2 查表法確定承載力特征值

根據(jù)建設(shè)場地勘察報(bào)告成果，將各土層物理力學(xué)指標(biāo)、原位測試指標(biāo)統(tǒng)計(jì)平均值匯總于表2。

表2 地基土試驗(yàn)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)平均值表

2.3 旁壓試驗(yàn)確定承載力特征值

在該項(xiàng)目旁壓試驗(yàn)確定地基土承載力特征值fak過程中，分別采用了利用極限壓力pL確定及利用臨塑壓力pf確定的方法。依據(jù)《地基旁壓試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 69—2019）安全系數(shù)K 值取大值，黏性土取2.4；粉砂取3.6，經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)λ 取小值0.7。旁壓試驗(yàn)代表性成果曲線圖見圖2、圖3 所示。

圖2 11# 孔9 m 深度旁壓試驗(yàn)曲線圖

圖3 83# 孔15 m 深度旁壓試驗(yàn)曲線圖

2.4 承載力特征值對比

各土層根據(jù)相關(guān)物理性指標(biāo)孔隙比e、液性指數(shù)IL、天然含水率w；靜力觸探錐頭阻力qc、摩阻比Rf查表；旁壓試驗(yàn)極限壓力pL、臨塑壓力pf方式得到的承載力特征值，以及勘察報(bào)告中提供的承載力建議數(shù)值列于表3 中。

表3 地基土承載力特征值fak 一覽表 單位：kPa

以地基土分布層底深度高程大值為縱坐標(biāo)，以承載力特征值fak為橫坐標(biāo)，建立關(guān)系曲線，詳見圖4所示。

圖4 地基土承載力特征值曲線圖

2.5 成果分析

通過地基土承載力特征值曲線線型，旁壓試驗(yàn)、土工試驗(yàn)、靜力觸探等試驗(yàn)手段得到的承載力數(shù)值總體分布規(guī)律一致，承載力特征值隨地基土埋置深度的增加而增大。同時(shí)驗(yàn)證出了淺層地基土淺海相沉積⑥層粉質(zhì)黏土含水率w 較高、重度γ 較小、孔隙比e 較大、壓縮性較高，為相對軟弱地層，承載力數(shù)值較其上、下地層偏低。

擬建場地內(nèi)地基土黏性土孔隙比介于0.679～0.862，呈可塑、軟塑狀態(tài)，尤其⑧2粉砂、⑨1粉質(zhì)黏土埋置深度較深，沉積固結(jié)時(shí)間較長。旁壓曲線體積變形緩慢，通過作圖法確定極限壓力pL，極限壓力pL大于2 倍臨塑壓力pf，選用fak=（pL-p0）/K 計(jì)算承載力特征值。通過三種勘察手段的承載力曲線對比分析，依據(jù)《地基旁壓試驗(yàn)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 69—2019），⑤黏土推薦K 值偏大，⑧2粉砂、⑨1粉質(zhì)黏土推薦K 值偏小。參考土工試驗(yàn)、靜力觸探手段承載力數(shù)值，⑤黏土安全系數(shù)K 值乘以0.78 折減，旁壓試驗(yàn)極限壓力pL方式確定的承載力特征值修正后的數(shù)值為135 kPa；⑧2粉砂可提高安全系數(shù)K 值1.7倍；⑨1粉質(zhì)黏土的安全系數(shù)K 值提高2 倍，⑧2粉砂、⑨1粉質(zhì)黏土承載力特征值修正后的數(shù)值為232 kPa（⑧2粉砂）、190 kPa（⑨1粉質(zhì)黏土）。

（4）⑧1粉質(zhì)黏土由旁壓試驗(yàn)臨塑壓力pf方式確定的結(jié)果偏小，⑨1粉質(zhì)黏土的結(jié)果明顯偏大。根據(jù)勘察報(bào)告建議值及各手段曲線對⑧1粉質(zhì)黏土修正系數(shù)λ 調(diào)整為0.8，得到fak為140 kPa；⑨1粉質(zhì)黏土修正系數(shù)λ 原取值0.7 乘以0.65 進(jìn)行折減，得到fak為170 kPa。

修正后的承載力關(guān)系曲線見圖5 所示。

圖5 地基土修正后承載力特征值曲線圖

修正后的λ、K 值見表4 所列。

表4 λ、K 值修正表

3 結(jié)語

旁壓試驗(yàn)確定地基土承載力特征值數(shù)值分布規(guī)律基本與查表法相吻合，明顯反映出不同深度地基土的工程性質(zhì)?？辈靾?bào)告中經(jīng)綜合研判提供的承載力數(shù)值在滿足建設(shè)需要的前提下較為安全、可靠。

通過多種勘察手段的綜合對比分析，旁壓試驗(yàn)極限壓力pL法中，⑤黏土安全系數(shù)K 值乘以0.78 折減；⑧2粉砂可提高安全系數(shù)K 值1.6～1.8 倍；⑨1粉質(zhì)黏土的安全系數(shù)K 值提高1.7～2.5 倍。

在臨塑壓力pf法中，⑧1粉質(zhì)黏土修正系數(shù)λ 在規(guī)范推薦數(shù)值的基礎(chǔ)上提高為0.8；⑨1粉質(zhì)黏土修正系數(shù)λ 取值需要進(jìn)一步折減。修正后的旁壓試驗(yàn)承載力曲線線型與靜力觸探、土工試驗(yàn)規(guī)律性更加一致。

（3）在工程實(shí)踐中，應(yīng)采用多種勘察手段，綜合計(jì)算、評價(jià)、分析，相互印證，保證提供的計(jì)算參數(shù)具有客觀性、安全性及經(jīng)濟(jì)性。