戴洪軍，劉益平，任治軍

(江蘇省電力設(shè)計院，江蘇 南京 211102)

某電廠工程地基承載力與深度修正系數(shù)的取值

戴洪軍，劉益平，任治軍

(江蘇省電力設(shè)計院，江蘇 南京 211102)

在進(jìn)行地基基礎(chǔ)設(shè)計時，需要結(jié)合地基條件對承載力特征值進(jìn)行深度與寬度的修正，而地基規(guī)范中提供的承載力修正系數(shù)針對性不強(qiáng)，在工程實(shí)踐中應(yīng)慎重采用。本文根據(jù)某電廠工程的淺層與深層平板載荷試驗(yàn)成果，并采用地基承載力的經(jīng)驗(yàn)公式與理論公式進(jìn)行承載力計算，通過綜合分析各種承載力試驗(yàn)成果與計算結(jié)果，推薦了主要持力層的承載力特征值，在此基礎(chǔ)上推算出持力層的深度修正系數(shù)。對比前期工程的平板載荷試驗(yàn)成果，進(jìn)一步分析了影響地基承載力取值的主要因素，旨在為類似工程提供一些參考。

平板載荷試驗(yàn)；地基承載力；修正系數(shù)。

1 概述

《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007-2002)規(guī)定，地基承載力特征值可由載荷試驗(yàn)等方法綜合確定，當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3m或埋置深度大于0.5m時，從載荷試驗(yàn)或其它方法確定的地基承載力特征值，尚應(yīng)進(jìn)行修正?！督ㄖ鼗A(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中所給出的深度和寬度修正系數(shù)僅僅是一個經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計值，修正公式也是一個半理論半經(jīng)驗(yàn)公式，對于設(shè)計等級為甲級的建筑物而言，當(dāng)采用天然地基設(shè)計方案時，有必要對場地內(nèi)主要持力層的地基承載力特征值和深度修正系數(shù)作專門的研究。

文獻(xiàn)[3]～文獻(xiàn)[6]中給出了確定地基承載力的多種方法，對于重要工程的天然地基而言，一般可按以下四種方法綜合確定：①根據(jù)淺層或深層平板載荷試驗(yàn)的成果；②根據(jù)物理力學(xué)指標(biāo)查地方規(guī)范或參考手冊中承載力表；③根據(jù)原位測試指標(biāo)，采用地基承載力經(jīng)驗(yàn)公式計算；④根據(jù)地基承載力理論公式計算。

2 工程概況

江蘇國信集團(tuán)某電廠位于連云港市境內(nèi)，為2×1000MW機(jī)組“上大壓小”工程，地貌單元為山前沖、洪積平原與海灣淤積平原的交替帶，總體地形平坦，地基巖土層主要由第四系全新統(tǒng)堆積的人工填土和第四系中、上更新統(tǒng)洪積、坡積土層、前震旦系錦屏組花崗片麻巖組成。

根據(jù)勘測成果，上部地基巖土層工程性狀較好，塔式鍋爐房、煤倉間、汽機(jī)房及煙囪等地段均可采用層④黏土為持力層的天然地基方案。

層④的埋深一般為4～6 m，層厚一般為7 m～12m，其下部為全風(fēng)化～中等風(fēng)化的花崗片麻巖。

根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)條件、含水層性質(zhì)及地下水的埋藏條件，廠區(qū)淺部含水層的地下水類型為孔隙潛水和局部富集于黏土姜結(jié)石夾層中的上層滯水。

為了客觀、準(zhǔn)確地評價層④的地基承載力，充分發(fā)揮層④的承載性能，需對層④進(jìn)行淺層和深層平板載荷試驗(yàn)。

試驗(yàn)方法均采用慢速維持荷載法加載，壓板均采用φ798mm鋼質(zhì)荷載板，壓板均安放在層④頂面下500 mm處，試驗(yàn)方法和步驟按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中的要求執(zhí)行。

3 淺層平板載荷試驗(yàn)

3組淺層平板載荷試驗(yàn)分別布置在煙囪、1＃冷卻塔及1＃塔式鍋爐房地段。試驗(yàn)總堆載量為500 kN。試驗(yàn)基坑底長約12m、寬約10 m、深度約5.5m。整個試驗(yàn)過程中天氣晴朗，地下水位控制在試驗(yàn)面所處高程，基坑底面未浸水。

3組試驗(yàn)均加載到地基土層極限狀態(tài)，在最大荷載作用下，沉降s急驟增大，且累計沉降量均大于48mm。3組載荷試驗(yàn)的結(jié)果見表1，經(jīng)計算，層④黏土淺層平板載荷試驗(yàn)的地基承載力特征值為330kPa。

加荷級別ZHB3試驗(yàn)點(diǎn)沉降s /mm本級 累計 本級 累計0.19 0.19 0.51 0.51 0.77 0.96 0.71 1.22 0.79 1.75 1.26 2.48 ZHB2試驗(yàn)點(diǎn)沉降s /mm本級 累計 1 60 0.12 0.12 2 120 0.27 0.39 3 180 0.36 0.75 4 240 0.43 1.18 1.34 3.09 1.32 3.80 5 300 0.48 1.66 1.92 5.01 1.50 5.30 6 360 0.43 2.09 1.93 6.94 1.58 6.88 7 420 1.42 3.51 3.11 10.05 2.24 9.12 8 480 1.58 5.09 4.21 14.26 4.47 13.59 9 540 2.63 7.72 6.84 21.10 5.82 19.41 10 600 3.76 11.48 11.14 32.24 6.98 26.39 11 660 9.41 20.89 16.47 48.71 8.48 34.87 12 720 20.45 41.34 13.73 48.60 13 780 24.95 66.29 注：最后一級均未穩(wěn)定，觀測時間僅為10～30min。ZHB1試驗(yàn)點(diǎn)沉降s /mm 荷載P /kPa

4 深層平板載荷試驗(yàn)

3組深層平板載荷試驗(yàn)位置緊鄰淺層平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)總堆載量為600kN。在挖孔深度離試驗(yàn)面約1m時，在孔壁四周開挖環(huán)形排水溝，以免地下水進(jìn)入試坑對地基土產(chǎn)生軟化作用。

3組試驗(yàn)均加載到地基土層極限狀態(tài)，在最大荷載作用下，沉降s急驟增大且不能穩(wěn)定，在10～20min內(nèi)累計沉降量均大于48mm。3組載荷試驗(yàn)的結(jié)果見表2，經(jīng)計算，層④黏土深層平板載荷試驗(yàn)的地基承載力特征值為443kPa。

5 地基承載力的綜合確定

5.1 根據(jù)物理力學(xué)指標(biāo)查規(guī)范確定

根據(jù)《南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(DGJ32/J 12-2005)附錄F.0.2條的規(guī)定，當(dāng)采用室內(nèi)物理指標(biāo)平均值確定地基承載力特征值時，應(yīng)對承載力基本值乘以回歸修正系數(shù)進(jìn)行修正。

層④黏土的孔隙比e為0.710，該指標(biāo)的變異系數(shù)為0.090，樣本數(shù)量n為202；層④的液性指數(shù)IL為0.17，該指標(biāo)的變異系數(shù)為0.257。

經(jīng)查表計算，層④黏土的承載力特征值為265kPa。

根據(jù)規(guī)范[7]中附錄F.0.3條的規(guī)定，可采用經(jīng)桿長修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值查表確定黏性土的地基承載力特征值。

層④黏土經(jīng)桿長修正后的標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)標(biāo)準(zhǔn)值為21擊，查表F.0.3-4，推算得到，層④黏土的承載力特征值約為365 kPa。

表2 各試驗(yàn)點(diǎn)深層平板載荷試驗(yàn)結(jié)果匯總加荷級別SHB3試驗(yàn)點(diǎn)沉降s /mm本級 累計 本級 累計 本級 累計1 70 0.34 0.34 0.52 0.52 0.50 0.50 2 140 0.78 1.12 0.97 1.49 0.60 1.10 3 210 1.03 2.15 0.83 2.32 0.77 1.87 4 280 1.15 3.30 0.96 3.28 0.74 2.61 5 350 1.36 4.66 1.23 4.51 1.13 3.74 6 420 1.16 5.82 1.31 5.82 1.28 5.02 7 490 2.16 7.98 3.13 8.95 1.85 6.87 8 560 4.60 12.58 4.28 13.23 4.48 11.35 9 630 4.90 17.48 5.21 18.44 4.21 15.56 10 700 5.68 23.16 3.94 22.38 4.70 20.26 11 770 4.56 27.72 7.69 30.07 5.38 25.64 12 840 6.93 34.65 8.38 38.45 5.70 31.34 13 910 7.57 42.22 9.57 48.02 7.71 39.05 14 980 6.60 48.82 9.24 48.29 SHB1試驗(yàn)點(diǎn)沉降s /mm荷載P /kPa SHB2試驗(yàn)點(diǎn)沉降s /mm

5.2 地基承載力的經(jīng)驗(yàn)公式計算

《工程地質(zhì)手冊》中給出了根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)計算地基承載力的經(jīng)驗(yàn)公式，層④的地基承載力計算結(jié)果見表3。

表3 地基承載力計算值p 2 3.3N 0=p0= N?58 565 fk 1 7.4 8N=1 52.6+fk = 5 N +8.3經(jīng)驗(yàn)公式 標(biāo)貫擊數(shù)/擊 承載力計算值/kPa 26(未修正) 606 21 618 21 520 21 498 37注：p0為載荷試驗(yàn)比例界限；fk為地基承載力。

5.3 地基承載力的理論公式計算

5.3.1 臨界荷載的計算

地基變形的剪切階段也是土中塑性區(qū)范圍隨著荷載的增加而不斷發(fā)展的階段，土中塑性區(qū)開展到不同深度時所對應(yīng)的荷載稱之為臨界荷載。

若基底下塑性區(qū)剛處于發(fā)展階段，即Zmax=0，此時底壓力p即為臨塑荷載pcr，其計算公式為：

以ZHB1試驗(yàn)點(diǎn)處的地基土層作為計算初始條件，加權(quán)平均重度為16.5 kN/m3，埋深D=5.5m，層④的內(nèi)摩擦角φq=12.2°，黏聚力Cq=53kPa。

代入上式計算得：Nq=1.96，Nc=4.44，pcr≈413kPa。

若基底下塑性區(qū)開展的深度Zmax=B/4 (B為基礎(chǔ)寬度)，此時的基底壓力p即為臨界荷載p1/4，其計算公式為：

同樣，以ZHB1試驗(yàn)點(diǎn)處的地基土層作為計算初始條件，加權(quán)平均重度 γm=16.5kN/m3，埋深D=5.5m，基底下層④的重力密度按浮重度考慮，γ=9.5 kN/m3，基礎(chǔ)寬度假設(shè)為B=3m，層④的內(nèi)摩擦角φq=12.2°，黏聚力Cq=53kPa。

代入式⑵計算得：Nq=1.96，Nc=4.44，Nr=0.24； p1/4≈420 kPa。

5.3.2 極限承載力的計算

⑴ 普朗特爾地基極限承載力公式

普朗特爾根據(jù)極限平衡理論，推導(dǎo)出當(dāng)不考慮土的重力，且假定基底面光滑無摩擦力時，置于地基表面的條形基礎(chǔ)的極限荷載公式。雷斯諾在普朗特爾公式假定的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出由超載q產(chǎn)生的極限荷載公式。泰勒在此基礎(chǔ)上考慮滑動土體的重力，推導(dǎo)出以下的極限荷載公式：

計算參數(shù)同式⑵，代入式⑶計算得：Nγ=2.5，Nq=3.02， Nc=9.34； pu≈804 kPa，對應(yīng)的pcr= pu/2≈402 kPa。

⑵ 太沙基地基極限承載力公式

太沙基根據(jù)極限平衡理論，假定基底面是粗糙的，具有很大的摩擦力，基底面形成一個剛性核，推導(dǎo)得到如下的極限荷載公式：

kγ為由土的重度引起的被動土壓力系數(shù)，需根據(jù)滑動面的中心位置通過試算確定。

計算參數(shù)同式⑵，代入式⑷計算得：Nq=3.35，Nc=10.87；查太沙基公式極限承載力系數(shù)表得Nγ=1.46；代入式⑹得：pu≈901 kPa，對應(yīng)的pcr=pu/2≈450 kPa。

5.4 地基承載力特征值的推薦

現(xiàn)將根據(jù)各種方法得到的層④地基承載力匯總于表4。由于依據(jù)標(biāo)貫擊數(shù)采用經(jīng)驗(yàn)公式所得結(jié)果與載荷試驗(yàn)相差較大，在此不作綜合取值。

表4 層④的地基承載力匯總

根據(jù)承載力匯總表所得結(jié)果，經(jīng)綜合分析，層④的地基承載力特征值可按320 kPa考慮，可進(jìn)行深度和寬度修正；而考慮邊載效應(yīng)的層④地基承載力特征值可按430 kPa考慮，可進(jìn)行寬度修正，但不能進(jìn)行深度修正。

6 深度修正系數(shù)的計算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定，當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3 m或埋置深度大于0.5 m時，從載荷試驗(yàn)或其它方法確定的地基承載力特征值，尚應(yīng)按下式進(jìn)行修正：

式中各參數(shù)所表示的含意如規(guī)范中所述。試驗(yàn)場地的地下水類型主要為孔隙潛水，淺層平板載荷試驗(yàn)時采用明溝降水，試驗(yàn)區(qū)的地下水位基本控制在試驗(yàn)面所在高程處；深層平板載荷試驗(yàn)在離試驗(yàn)面1 m時，布置了環(huán)形排水溝，地下水位基本控制在距離試驗(yàn)面1 m的高程處。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)?shù)鼗休d力特征值按深層平板載荷試驗(yàn)確定時，深度修正系數(shù)ηd取0。

假定某設(shè)備的基礎(chǔ)埋置于層④的頂部，現(xiàn)根據(jù)淺層及深層平板載荷試驗(yàn)的結(jié)果，對承載力特征值進(jìn)行修正，如下面兩個公式所示。

鑒于基礎(chǔ)處于同一地基土層，且寬度與埋深一致，因此根據(jù)上述兩式修正后的承載力特征值應(yīng)相同，令 fa1= fa2，于是有：

將各組載荷試驗(yàn)點(diǎn)的計算參數(shù)代入式⑻，計算得到深度修正系數(shù)，見表5。

表5 深度修正系數(shù)計算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》中第5.2.4條的規(guī)定，人工填土的深度修正系數(shù)為1.0，e及IL均小于0.85的黏性土的深度修正系數(shù)為1.6。

由此可見，依據(jù)平板載荷試驗(yàn)結(jié)果計算得到的深度修正系數(shù)低于規(guī)范中提供的修正系數(shù)。

7 影響地基承載力取值的主要因素

7.1 前期工程的載荷試驗(yàn)成果

本工程六期擴(kuò)建為2×330 MW機(jī)組，主廠房地基亦采用以層④黏土為持力層的天然地基。

在主廠房區(qū)域內(nèi)-5～-6 m深度處做了3個點(diǎn)的淺層平板載荷試驗(yàn)，試驗(yàn)采用慢速維持荷載法進(jìn)行，承壓板的面積為0.25 m2，試驗(yàn)過程中保持壓板下土體浸水，浸水面不超過承壓板底面。

三個試驗(yàn)點(diǎn)p～s曲線平滑，均無明顯的比例界線，曲線分別在660 kPa、540 kPa、600kPa時發(fā)生陡降。①試驗(yàn)點(diǎn)H1的極限荷載pu=600 kPa，fak=300 kPa，對應(yīng)的沉降量為6.81 mm；②試驗(yàn)點(diǎn)H2的極限荷載pu=480 kPa，fak=240 kPa，對應(yīng)的沉降量為3.70 mm；③試驗(yàn)點(diǎn)H3的極限荷載pu=540 kPa，fak=270 kPa，對應(yīng)的沉降量為3.91 mm。

綜合分析以上各試驗(yàn)點(diǎn)的成果，層④的地基土承載力特征值fak=270 kPa。

7.2 影響地基承載力取值的主要因素分析

對比前期工程與本期工程的淺層平板載荷試驗(yàn)成果，本期工程淺層平板載荷試驗(yàn)的層④地基承載力特征值的平均值為330 kPa，比六期工程的結(jié)果提高了22%以上。

從兩次試驗(yàn)過程和試驗(yàn)方法來看，影響載荷試驗(yàn)結(jié)果的因素主要有：⑴六期工程載荷試驗(yàn)的壓板面積為0.25 m2，比本期工程載荷試驗(yàn)的壓板面積小了一倍，這與文獻(xiàn)[5]中的觀點(diǎn)是一致的；⑵在六期工程的載荷試驗(yàn)過程中，壓板下的土體處于浸水狀態(tài)，長時間的浸水可能導(dǎo)致地基土在受壓狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)破壞，盡管持力層是處于地下水位以下，但沒有必要使其浸水，只需控制試驗(yàn)過程中試驗(yàn)面處于地下水水位以下，以反映持力層所處的客觀情況，這與文獻(xiàn)[3]中的論述相吻合。

在本工程中采用理論公式計算臨塑荷載、臨界荷載和極限荷載時，采用的內(nèi)摩擦角和黏聚力為直接快剪指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)值，計算所得到的結(jié)果與深層平板載荷試驗(yàn)成果接近。

文獻(xiàn)[8]結(jié)合上海地區(qū)以往的工程經(jīng)驗(yàn)，對采用漢森公式計算地基極限承載力的安全度進(jìn)行分析，認(rèn)為采用直剪固結(jié)快剪試驗(yàn)峰值強(qiáng)度的8折值計算極限承載力與載荷試驗(yàn)結(jié)果一致性較好，并引入地基承載力修正系數(shù)ψ。文獻(xiàn)[9]選取Terzaghi極限承載力公式、Hansen極限承載力公式以及臨界承載力公式，并與合肥地區(qū)一系列平板載荷試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析，建議持力層為黏土?xí)r選用70%的直剪固快峰值強(qiáng)度指標(biāo)。而文獻(xiàn)[10]認(rèn)為在承載力計算時，所引用的土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)應(yīng)選擇三軸壓縮試驗(yàn)中的不固結(jié)不排水試驗(yàn)指標(biāo)。

8 結(jié)語

依據(jù)淺層平板載荷試驗(yàn)成果和查規(guī)范承載力表所得結(jié)果，本工程中層④的地基承載力特征值可按320 kPa考慮，可進(jìn)行深寬修正。

依據(jù)深層平板載荷試驗(yàn)成果和理論公式計算結(jié)果，考慮邊載效應(yīng)的層④地基承載力特征值可按430 kPa考慮，可進(jìn)行寬度修正。

由載荷試驗(yàn)成果表明，層④黏土的地基承載力深度修正系數(shù)為1.38，低于規(guī)范中提供的修正系數(shù)1.6。

與前期工程的載荷試驗(yàn)成果相比，本期工程所采用的壓板尺寸和對地下水的控制，更客觀地反映了地基土層的承載性狀，所得到的地基承載力特征值比前期工程提高了22%以上。

采用理論公式計算地基的臨塑荷載和臨界荷載時，剪切試驗(yàn)的指標(biāo)對最終結(jié)果有直接影響，本工程中采用直接快剪指標(biāo)更接近載荷試驗(yàn)的成果。

[1]GB50007-2002，建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]．

[2]劉欣良，戴洪軍，郭紀(jì)中．碎石類土地基承載力深度修正系數(shù)的探討[J]．武漢大學(xué)學(xué)報，2006，39[S0]．

[3]錢家歡，殷宗澤．土工原理與計算(第二版) [M]．北京：中國水利水電出版社，2003．

[4]常士驃，張?zhí)K民，等．工程地質(zhì)手冊(第四版)[K]．北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.3．

[5]高大釗，袁聚云．土質(zhì)學(xué)與土力學(xué)(第三版)[M]．北京：人民交通出版社．2008．

[6]顧曉魯，錢鴻縉，等．地基與基礎(chǔ)(第三版)[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[7]DGJ32/J 12－2005，南京地區(qū)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S]．

[8]李鏡培，侯勝男．上海地區(qū)天然地基極限承載力計算公式探討[J]．工程勘察，2009，(4)．

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[10]毛群芳，徐四一．對天然地基承載力計算公式的理解和應(yīng)用[J]．上海地質(zhì)，2003，3(87)．

Determination for Bearing Capacity and Depth Correction Factor of Foundation in One Power Plant

DAI Hong-jun, LIU Yi-ping, REN Zhi-jun
(Jiangsu Province Electric Power Design Institute, Nanjing 211102, China)

In the foundation design, the characteristic value of bearing capacity should be amended by depth and width linking with the ground condition, whereas the correction factor of bearing capacity should be adopted carefully in the project owing to its statistic property. According to the results of Shallow and Deep PLT , the characteristic value of bearing capacity is recommended for the bearing stratum, basing on comprehensive analysis for various testing results and the calculated outcomes derived from the empirical and theoretical formulas to the bearing capacity , herein the depth correction factor is deduced for the bearing stratum. Comparing with the PLT results of the projects in different phase, the primary factors are analyzed in determination for bearing capacity, it aims to provide some suggestions for similar projects.

plate loading test; bearing capacity of foundation; correction factor.

TU4

B

1671-9913(2010)06-0006-06

2010-07-06

戴洪軍(1970-)，男，江蘇揚(yáng)州人，高級工程師，注冊巖土工程師。