基于原位测试的土地基承载力测量

　　摘 要：地基土的承载力对工程建设至关重要，文章以泉州地区地层为例，采用静力触探法和旁压测试法对地基土承载力进行试验。结果表明，通过试验确定的地基土能满足的设计要求，同时通过测试得到不同土层的化学构成及地质分布。

　　关键词：原位测试;地基承载力;静力触探法

　　地基土的承载力受多种因素影响，对地基土的承载力进行研究，对于基础工程在安全可靠的基础上，提高经济性起到极其重要作用。为了更好地分析确定各种地基荷的承载力，张争强(2015)论文分析了地基荷载测量试验与其他两种原位荷载试验不同方法地基承载的能力测量差异较大的主要原因，提出了地基荷载测量试验和原位数据采集整理的基本方法。根据理论推导和综合验算，孙宏伟(2017)等多位专家学者得出有关地基基层承载力埋深修正宽度系数的基本计算公式，即计算基础基层宽度和地基埋深[1]。张钦喜(2015)等几个人最后利用一种假定地基滑动的平面法成功推导了一种新的下方地基土体承载力计算公式，它不仅直接考虑了固体地基上方土的基础重力对下方地基土体承载力的直接贡献，同时它还考虑到了地基上方基础土体的地基粘聚力和地基抗弹性剪力的强度对上方地基土体承载力的直接贡献，使得的计算结果更加合理[2-3]。上述相关文献研究促进了我国地基建筑承载力问题研究的稳步发展。然而，这些试验研究没有充分考虑流体抽样尺寸扰动和流体荷载应力试验的流体尺寸扰动效应对流体承载力测量指标是否确定的直接影响。因此，如何直接确定建筑地基的地基承载力仍然一直是土力学研究中的一个重要难题。本研究则尝试通过试验的方式对地基的力学特性进行分析。

　　1 研究区域概况

　　选择的研究区域生态地貌简单，地势开闊，地形平坦，位于东南沿海地区。勘探点地面高程5～50m不等，根据现场地基层面钻探，选择地表至地下20m的土体作为勘探范围。在该范围内，土体结构丰富，主要由第四系全新世海积、冲洪积地层及中晚更新世残积土层，主要地层自上而下如下：

　　杂填土：杂色，稍湿-湿，稍密，主要由砂质粘性土、碎砖瓦砾等组成，局部含生活垃圾等杂物，层厚1.0～4.9m。

　　淤泥质土：灰色、深灰色，呈饱和、流塑状态，主要由粘粒、粉粒组成，局部夹薄层粉细砂，层厚2.00～10.30m，部分地段分布，海积成因。

　　中砂：灰色、深灰色等，呈饱和、稍密状态，主要由细粒、中粒砂组成，含泥5%～15%不等，层厚1.30～3.50m，部分地段分布。

　　粉质黏土：黄、褐、灰色等，呈湿、可塑偏软～可塑偏硬状态，主要由粘粒、粉粘和砂粒组成，含砂量10%～40%不等，层厚2.70～10.70m，冲洪积成因。

　　残积砂质黏性土：黄色、灰白、褐黄色等，呈湿、可塑～硬塑状态，主花岗岩风化残积而成的粘粒、粉粒及石英砂组成，石英砂砾含量40%～70%不等，层厚1.30～20.70m。

　　2 试验方法与步骤

　　2.1 静力触探法

　　2.1.1 基本原理

　　静力触探仪的作用原理是应用具有稳定压力的探头以恒定的速度进入被测土壤中，然后通过电子电路将钻头的电阻应变计显示在操作面板上。具体原理是采用功率应变电阻测试技术。大多数探针都使用这种方法。探针的空心圆柱上有两种桥型布置。第一种是半桥式。空心柱中有4个电阻应变片，其中两个是横向压缩，两个是垂直拉伸。在这种布置方式中，只有垂直受拉的电阻应变片处于工作状态，而侧向压缩下的应变片起到保持整体仪器处于平衡状态。第二种桥型装置是全桥式，在这种桥型布置中，不像半桥式的布置，其工作状态需要两组电阻感应器共同作用。如图1所示。

　　2.1.2 试验主要设备及试验步骤

　　(1)触探主机：触探主机主要包括液压式触探主机和机械式触探主机。两者之间的区别在于两者对土壤提供压力的方式不同。本文选用液压式触探主机主要是因为本次实验所需要的压力较大，机械式的难以满足本次实验需要。此外，液压式触探主机的携带方式简单，一般车辆即可满足转移需求，并且此次的实验地点位于西北地区，地形较复杂，采用车载的方式，适用于本次实验，大大降低了劳动强度。

　　(2)反力装置：因本次实验采用的液压式触探主机，所以反力装置通过运载车辆车体重量提供。

　　(3)实验准备阶段：首先要做的是根据实验地点详细的地质资料，选择符合各项实验条件的实验设备。当选定实验设备后，检查各项设备运行是否正常。

　　(4)实验开始阶段：将实验地点打理平整，确保实验环境条件稳定。在实验开始前，再次检查设备，确保设备无故障后，调整设备，固定反力装置(本实验选用车为反力装置)，连接量测仪器与传感器，开通电源，进行设备预热，正式开始实验。

　　(5)实验阶段：当探头伸入土层约1m后，等待探头温度降至土层温度，要先将仪器停止，待仪表归零后，继续进行实验，并在不同深度循环此操作;根据电子应变仪的数值变化，每下探10cm记录一次数据。

　　(6)实验后期：测试当触探达到实验要求的贯穿嵌入试验深度，圆锥形式触摸试探仪的最大倾斜度不应超过触探允许嵌入范围，当触探达到最大深度允许贯穿嵌入力时，应立即停止试验。

　　(7)试验结束阶段：拔出探杆，并将仪器全部恢复至初始状态。值得注意的是，在使用探头后，应立即对其进行清洗和上油保护。

　　2.2 旁压试验法

　　2.2.1 试验原理

　　旁压试验法的实验原理其实就是在实验前已经钻好的孔中，对孔壁施加一定的压力，根据压力和体积的变化，建立相应的实验曲线，如图2所示，一般情况下可将曲线细分为3段：

　　曲线AB段：在初始阶段，该阶段主要反映孔壁周围的土体被压缩的状况。

　　曲线BC段：处于准弹性阶段，该阶段，曲线近乎为直线，表示压力与体积线性相关。

　　曲线CD段：处于塑性阶段，该阶段，体积随压力的增加而增大，直到塑性体积达到最大值。

　　第一、二段曲线的临界压力斜率相当于临界初始的水平塑性压力斜率P0，第二、三段曲线的水平边界压力斜率相当于临界初始塑性的水平压力Pf，根据旁压剪切曲线中的标准水平弹性压力阶段(BC段)的边界压力斜率，由圆筒体的膨胀轴对称平面应变的水平弹性压力理论的解释可得到旁压模量EM和旁压剪切模量GM。

　　式中：μ表示土的泊松比;Vc表示旁压器的固有体积;V0表示与初始压力p0对应的体积;Vf表示与临塑压力pf 对应的体积;/表示旁压曲线直线段的斜率。

　　2.2.2 试验步骤

　　实验开始前，检查校准各项实验仪器。

　　(1)查询实验地点的环境资料和地层情况，确定测试位置和测量深度。

　　(2)检查实验仪器，确保正常。

　　(3)校準仪器。

　　(4)将探测仪器放入预钻孔中，并确保各控制仪器数值归零。

　　(5)实验阶段：以预先计算的压力的1/7，逐步对孔壁增加压力，每隔15s记录一次压力水位变化。

　　(6)实验结束后，若水位降至最大允许数值(s≤35cm)或压力达到仪器最大限定值，则实验终止。

　　3 试验测量结果

　　3.1 静力触探测试结果

　　3.1.1 摩阻比等系数确定

　　以ZK1(图1)作为实验点。静力触探试验设备选用车载CPT设备，探头布置方式选择双桥式，因为此实验需要同时测量锥尖阻力和侧摩阻力，各测点的摩阻比可按式(1)进行计算。

　　根据计算得到图3的结果。

　　3.1.2 地基承载力确定

　　根据锥尖阻力qc和地基承载力的经验公式(4)，进行了计算：

　　式中：f为地基承载力，kPa;qc为锥尖阻力，kPa

　　每层土层地基承载力的平均值可由公式(1)确定，如表1所示。

　　表1显示了各土层的地基承载力，为了保证通过旁压实验所得数据的准确性，需要结合室内土工实验数据进行分析。以2-1层为例，地基承载力平均值为181kPa，3-2层地基承载力平均值为305kPa。比对室内土工试验的统计数据，可以得出结论：土层中含水率与地基承载力呈负相关关系。

　　3.2 旁压试验结果处理及分析

　　3.2.1 旁压测试结果

　　测试地点选择ZK1，测试仪器选择最大探测深度25m，最大压力范围10000kPa的MENA压力计。图5为深度19处ZK1的压力计测试曲线。

　　4 结论

　　通过基于原位测试所确定的地基承载力，可得到相对可靠的地基承载力。利用摩阻比、锥尖阻力与地层埋深之间的关系对土层进行了划分，从而更详细准确查明地基土的分布情况。

　　参考文献

　　[1]孙宏伟.岩土工程进展与实践案例选编[J].岩土力学，2017，38(S1)：180.

　　[2]张钦喜，陶韬，王晓杰，等.钻孔灌注桩废弃泥浆处理的试验研究[A].中国土木工程学会土力学及岩土工程分会.中国土木工程学会第十二届全国土力学及岩土工程学术大会论文摘要集[C].中国土木工程学会土力学及岩土工程分会，2015.

　　[3]张争强.平板载荷试验确定承载力方法的研究[J].水利与建筑工程学报，2015(02)：41-43.

　　[4]王谦，王兰民，王峻，等.饱和黄土地震液化研究进展[J].地震工程与工程振动，2014， 34(S1)：898-903.

　　[5]黄强兵，康孝森，王启耀，等.山西吕梁黄土崩滑类型及发育规律[J].工程地质学报，24(01)：64-72.

　　[6]董林，严武建，夏坤，等.饱和黄土场地原位试验及液化势评价[J].震灾防御技术，2018，13(04)：950-958.

　　[7]李涛，霍九坤，贺鹏，等.支挡结构土压力计算研究综述[J].桂林理工大学学报，2017，37(01)：94-102.

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