地基承载力试验过程

地基承载力是指地基土单位面积上承受荷载的能力.这里所谓的能力是指地基土体在荷载作用下保证强度和稳定、地基不产生过大沉降或不均匀沉降.地基基础设计中,确定地基承载力是满足地基土强度和稳定性、并确保具有足够安全度这一基本要求的首要工作.确定合适的地基承载力是一个非常重要和复杂的问题.一方面,地基承载力不仅与土的物理力学性质有关,而且与基础的形式、埋深、底面积、结构特点和施工等因素有关;另一方面,从设计的角度,确定合适的地基承载力需要综合考虑经济性和安全性双重因素.地基承载力设计值过小,地基土体不能充分发挥其承载性能、不经济,地基承载力取值偏大则不安全.

目前,在地基基础设计中,确定地基承载力的方法主要有以下三项:

(1)确定地基承载力,按原位测试方法直接确定地基承载力.

(2)确定地基承载力,按经验方法确定地基承载力.

(3)确定地基承载力,按地基土的强度理论确定地基承载力.

3．4．1 根据原位测试确定承载力特征值

建设场地对地基土体进行原位测试是确定地基承载力最直接有效的方法.目前,用于评价地基承载力的原位测试手段较多,主要有载荷试验、旁压试验、触探试验等.其中,载荷试验被认为是确定地基承载力的原位测试方法中最直接可信的方法.

(1)载荷试验确定地基承载力.地基土载荷试验是工程地质勘察工作中的一项原位测试.载荷试验包括浅层平板载荷试验、深层平板试验及螺旋板载荷试验.浅层平板载荷试验适用于3m以内、无地下水地基,深层平板载荷试验适用于3m以下、无地下水地基,螺旋板载荷试验适用于有地下水的地基.

由载荷试验得到的典型地基土p－s曲线,反映了地基变形自开始加载至地基破坏过程,其先后经历三个变形阶段,即弹性变形阶段、塑性变形阶段和破坏阶段.根据p－s曲线的形态及地基土在荷载作用下的变形特征,从经济性和安全性的双重角度,得出了依据实测p－s曲线确定地基承载力特征值的方法和规定.《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)规定,浅层平板载荷试验在某一级荷载作用下,应满足下列情况之一时,认为地基达到破坏,可终止加载:

①承压板周围的土明显地侧向挤出.

②沉降s急骤增大,p－s曲线出现陡降段.

③在某一级荷载下,24h内沉降速率不能达到稳定标准.

④沉降量与承压板宽度或直径之比大于或等于0．06.

当满足以上前三种情况之一时,其对应的前一级荷载可取为极限荷载.则依据上述破坏标准,可得到完整p－s曲线(图3．13).《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)给出的依据p－s曲线确定地基承载力特征值的方法如下:

①当p－s曲线上有明显的比例界限时,取该比例界限所对应的荷载值.

②当极限荷载小于对应比例界限的荷载值的2倍时,取极限荷载值的一半.

③当不能按②要求确定,当承压板面积为0．25~0．5m2时,可取s/b＝(0．01~0．015)(b为承压板宽度或直径)所对应的荷载,但其值不应大于最大加载量的一半.

图3．13 载荷试验p－s曲线

按上述方法确定地基承载力时,同一土层参加统计的试验点不应少于3点,各试验实测值的极差不得超过其平均值的30％,实测地基承载力特征值应取其平均值.

载荷试验的优点是压力的影响深度可过1．5~2倍承压板宽度,故能较好地反映天然土体的压缩性.对于成分或结构很不均匀的土层,如杂填土、裂隙土、风化岩等,它能显出用别的方法所难以代替的作用;其缺点是试验工作量和费用较大,时间较长.

(2)按照静力、动力触探确定承载力.原位测试方法除载荷试验外,还有动力触探、静力触探、十字板剪切试验和旁压试验等方法.动力触探有轻型、重型和超重型三种.静力触探有单桥和双桥探头两种.各地应以载荷试验数据为基础,积累和建立相应的测试数据与土的承载力之间的相关关系.这种相关关系具有地区性、经验性,对于大量建设的丙级建筑的地基基础来说非常适用、经济,对于设计等级为甲、乙级建筑的地基基础,应按确定承载力特征值的多种方法综合确定.

3．4．2 地基承载力修正

理论分析和工程实践均证明,基础的埋深和基底尺寸均影响着地基承载力.所以,根据载荷试验或触探试验等原位测试、经验值等方法确定的承载力特征值,在地基基础设计中,应考虑基础埋深效应和基底尺寸效应.

当基础宽度大于3m或埋置深度大于0．5m时,从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值,尚应按下式修正:

fa＝fak＋ηbγ(b－3)＋ηdγm(d－0．5) 　(3-5)

式中 fa——修正后的地基承载力特征值(k Pa);

fak——地基承载力特征值(k Pa),可由载荷试验或其他原位测试,并结合工程实践经验等方法综合确定;

ηb、ηd——基础宽度和埋深的地基承载力修正系数,按基底下土的类别查表3．8取值;

b——基础底面宽度(m),当基础底面宽度小于3m时按3m取值,大于6m时按6m取值;

d——基础埋置深度(m),宜自室外地面标高算起.在填方整平地区,可自填土地面标高算起,但填土在上部结构施工后完成时,应从天然地面标高算起.对于地下室,如采用箱形基础或筏形基础时,基础埋置深度自室外地面标高算起;当采用独立基础或条形基础时,应从室内地面标高算起;

γ——基础底面以下土的重度(k N/m3),地下水位以下取浮重度;

γm——基础底面以上土的加权平均重度(k N/m3),位于地下水位以下的土层取有效重度.

表3．8 承载力修正系数

续表

3．4．3 根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007－2011)确定承载力特征值

从典型p—s曲线可以看出,地基土在逐级加载至破坏的过程中,地基土可承受的荷载存在一个相当大的范围.土力学中的临塑荷载、临界荷载和极限荷载定义了地基土在不同变形状态下承受荷载的能力.极限荷载是地基出现整体破坏时所能承受的荷载.显然,以此作为地基承载力特征值毫无安全度可言;临塑荷载是地基刚要出现塑性区时对应的荷载,以此作为地基承载力又过于保守.实践证明,地基中出现一定小范围的塑性区,对于建筑物的安全并无妨碍.这里提到的小范围塑性区一般认为其塑性区最大深度不大于基础宽度的1/4.因此,选择临界荷载作为地基承载力特征值是合适的,应符合经济和安全的双重要求.《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)即采用以P1/4为基础的理论公式.

当偏心距(e)小于或等于0．033倍基础底面宽度时,根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值可按下式计算,并应满足变形要求:

fa＝Mbγb＋Mdγmd＋Mcck 　(3-6)

式中 fa——由土的抗剪强度指标确定的地基承载力特征值(k Pa);

b——基础底面宽度(m),大于6m时按6m取值,对于砂土小于3m时按3m取值;

d——基础埋置深度(m);

ck——基底下一倍短边宽度的深度范围内土的黏聚力标准值(k Pa);

Mb、Md、Mc——承载力系数,按表3．9取值.

表3．9 承载力系数

【例3-2】 某场地地基土为粗砂,厚度2．0m,重度为19．6k N/m3,饱和重度为20．0k N/m3,载荷试验确定地基承载力特征值fak＝240k Pa,粗砂以下为粉土,重度为18．6k N/m3,饱和重度为19．0k N/m3,黏聚力ck＝16k Pa,内摩擦角φ＝22°,地下水位2．4m处,此处要修建基础底面尺寸为2．5m×2．8m,试确定当基础埋深分别为0．8m和3．0m时持力层的承载力特征值.

【解】 (1)基础埋深0．8m.持力层为粗砂,因基础埋深0．8m＞0．5m,需进行修正,查表3．8得ηb＝3．0、ηd＝4．4,根据公式3-5得

fa＝fak＋ηbγ(b－3)＋ηdγm(d－0．5)

＝240＋3．0×19．6×(3．0－3．0)＋4．4×19．6×(0．8－0．5)

＝266(k Pa)

(2)基础埋深3．0m.持力层为粉土,此时题目为已知土的力学指标,可根据式(3-6)来确定地基承载力特征值.由内摩擦角φ＝22°,查表3．9得Mb＝0．61、Md＝3．44、Mc＝6．04.由于基础底面以下有地下水,取有效重度,基础底面以上有两层土,取平均重度,得:

γ′＝19．0－10＝9．0(k N/m3)

γm＝(19．6×2＋18．6×0．4＋9．0×0．6)/3．0＝17．3(k N/m3)

根据式(3-6),得

fa＝Mbγb＋Mdγmd＋Mcck

＝0．61×9．0×2．5＋3．44×17．3×3．0＋6．04×16

＝289(k Pa)