李仁平

（三峽大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖北 宜昌 443002）

地基土淺層平板載荷試驗(yàn)常用于檢驗(yàn)和確定淺部地基土層承壓板下附加應(yīng)力影響范圍內(nèi)地基的承載力特征值和變形模量，且被認(rèn)為是試驗(yàn)結(jié)果最準(zhǔn)確、最可靠的測(cè)試方法，被列入各國(guó)地基規(guī)范或規(guī)定中［1］.

但載荷試驗(yàn)使用的壓板尺寸一般較小，基礎(chǔ)的實(shí)際尺寸往往較大，在利用載荷試驗(yàn)成果估算地基沉降時(shí)如何考慮基礎(chǔ)的尺寸效應(yīng)是值得研究的課題.Terzaghi和Peck依據(jù)砂土地基上的載荷試驗(yàn)成果與基礎(chǔ)實(shí)測(cè)資料，得到以下經(jīng)驗(yàn)公式:

式中，B為圓形基礎(chǔ)的直徑或方形基礎(chǔ)的邊長(zhǎng)（m）；B1為承壓板的標(biāo)準(zhǔn)尺寸，為0.305m（1ft）；S為基礎(chǔ)的實(shí)際沉降量（cm）；S1－B1＝0.305m承壓板的沉降（cm）.

Bazaraa（1967）［2］對(duì)式（1）作了一些修改，結(jié)果為:

通過上式可直接確定砂土地基中基礎(chǔ)的實(shí)際沉降值.

Briaud和Gibbens［3］在砂土地基中進(jìn)行了一系列方形基礎(chǔ)的加載試驗(yàn)，試驗(yàn)基礎(chǔ)尺寸在1.0～3.0 m之間，李仁平［4］依據(jù)修正弦線模量法，利用1m基礎(chǔ)的荷載沉降曲線確定地基土在不同附加應(yīng)力水平的非線性修正弦線模量，進(jìn)而利用該模量按分層總和法預(yù)測(cè)其他尺寸基礎(chǔ)的沉降，預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果誤差均在10%以內(nèi).本文對(duì)上述各基礎(chǔ)的加載試驗(yàn)成果做進(jìn)一步的分析研究.

1 試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)條件

試驗(yàn)場(chǎng)地位于德克薩斯州A＆M大學(xué)河濱校區(qū)國(guó)家?guī)r土試驗(yàn)站，基礎(chǔ)厚度為1.5m，埋深0.75m，地下水位埋深4.9m.場(chǎng)地地基土層為均質(zhì)的中等密實(shí)含泥細(xì)砂，其粒徑基本為0.05～0.5mm，在基礎(chǔ)底面以下5m深度范圍之內(nèi)的平均粒徑為D50＝0.2mm，土層大致分布情況如圖1所示.

圖1 土層分布情況

場(chǎng)地的原位測(cè)試結(jié)果如下:SPT（標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)）每0.3m平均標(biāo)貫擊數(shù)為18擊（如圖2所示），CPT（靜力觸探試驗(yàn)）錐尖阻力為6MPa，PMT（旁壓試驗(yàn)）測(cè)得的極限荷載為800kPa，PMT模量值為8.5 MPa，DMT（扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)）模量值為30MPa，鉆孔剪切試驗(yàn)測(cè)得土體內(nèi)摩擦角為32°，地基土體容重為15.5kN／m3，而后Briaud和Gibbens對(duì)該場(chǎng)地砂土地基中的5個(gè)擴(kuò)展混凝土淺基礎(chǔ)進(jìn)行了一系列加載試驗(yàn)，各基礎(chǔ)尺寸、基礎(chǔ)厚度及埋深見表1，現(xiàn)場(chǎng)原位測(cè)試點(diǎn)位置及基礎(chǔ)分布位置如圖3所示.

表1 建造后的基礎(chǔ)尺寸數(shù)據(jù)

各基礎(chǔ)每級(jí)加載荷載為極限荷載預(yù)估值的1／10，持續(xù)30min.

2 基礎(chǔ)加載試驗(yàn)曲線的歸一化分析

采用修正模量法的計(jì)算結(jié)果表明，所有不同尺寸基礎(chǔ)在沉降25mm和150mm對(duì)應(yīng)荷載的試驗(yàn)值和計(jì)算值之間的誤差均在10%以內(nèi)（3m基礎(chǔ)取2組試驗(yàn)結(jié)果的均值），各基礎(chǔ)的荷載沉降試驗(yàn)曲線均與計(jì)算曲線相吻合（如圖4所示）［4］.

圖4 基礎(chǔ)加載與穩(wěn)定沉降的實(shí)測(cè)及計(jì)算曲線

依據(jù)5個(gè)不同尺寸基礎(chǔ)的荷載與沉降的關(guān)系曲線，將沉降量除以基礎(chǔ)寬度做無量綱化，得到歸一化的關(guān)系曲線，如圖5所示.從圖中可以看出不同基礎(chǔ)尺寸的荷載與相對(duì)沉降曲線基本上是重合的.產(chǎn)生這種歸一化現(xiàn)象的原因可依據(jù)修正弦線模量法從理論上作出解釋.

圖5 荷載與基礎(chǔ)相對(duì)沉降的歸一化曲線

焦五一［5］提出了依據(jù)載荷試驗(yàn)曲線確定地基土在不同附加應(yīng)力水平下弦線模量 的計(jì)算公式，李仁平［4］采用弦線模量法計(jì)算1m基礎(chǔ)的沉降曲線，發(fā)現(xiàn)沉降計(jì)算結(jié)果偏大，說明弦線模量值偏小，采用修正弦線模量法可以得到與試驗(yàn)曲線完全吻合的沉降曲線，由此反求獲得的不同應(yīng)力水平的弦線模量修正系數(shù)介于0.22～0.54之間.依據(jù)荷載試驗(yàn)曲線確定的地基土修正弦線模量方程為

上式可以轉(zhuǎn)換為

3 地基土隨深度的沉降規(guī)律

依據(jù)Briaud和 Gibbens［6］對(duì)基礎(chǔ)下埋深0.5B、1.0B及2.0B所做的分層土實(shí)測(cè)沉降數(shù)據(jù)及分析，可以總結(jié)出如下結(jié)論:

（1）約占地基總沉降78%的沉降量發(fā)生在1.0B深度范圍內(nèi)，1.0B深度以下土層產(chǎn)生的沉降量占11%～30%，平均占22%，而2.0B深度以下的土層產(chǎn)生的沉降量約占0～10%，平均占3.2%.

（2）分層土的沉降在總沉降中所占的比例不僅與荷載的大小有關(guān)，還與基礎(chǔ)尺寸的大小有關(guān)（如圖6所示）.

圖6 基礎(chǔ)沉降為0.05B時(shí)地基沉降隨相對(duì)深度的關(guān)系

（3）土層應(yīng)變的大小變化規(guī)律是除了靠近基礎(chǔ)底面的區(qū)域以外，應(yīng)變隨深度增加而減小，由于基礎(chǔ)底面不是光滑的，有一定的粗糙度，靠近基礎(chǔ)底面的地基土的應(yīng)變反而減?。ㄈ鐖D7所示）.

圖7 分層土相對(duì)應(yīng)變隨相對(duì)深度的關(guān)系

修正模量法在計(jì)算分層土的沉降時(shí)主要考慮的是荷載大小（附加應(yīng)力）對(duì)土體非線性變形特性的影響，并沒有考慮基礎(chǔ)底面粗糙度對(duì)基礎(chǔ)下地基土側(cè)向變形的約束作用，因此，也難以對(duì)基礎(chǔ)下附近各分層土的壓縮量做出準(zhǔn)確預(yù)測(cè).

4 結(jié) 論

（1）修正弦線模量是依據(jù)載荷試驗(yàn)曲線，以各級(jí)荷載下地基的沉降變形均與試驗(yàn)曲線相吻合為條件反求獲得的變形參數(shù)，是一種非線性的等效變形模量，其值隨附加應(yīng)力水平的增加而減小，同一地基依據(jù)不同尺寸壓板或基礎(chǔ)加載試驗(yàn)成果確定的地基土修正模量是相同的，這與不同尺寸基礎(chǔ)加載試驗(yàn)獲得的荷載沉降曲線的歸一化現(xiàn)象相吻合.

（2）不同尺寸基礎(chǔ)沉降的尺寸效應(yīng)在均質(zhì)地基中表現(xiàn)為荷載與相對(duì)沉降（S／B）曲線的歸一化.

（3）采用修正弦線模量法計(jì)算地基各級(jí)荷載下的總沉降能夠獲得可靠的結(jié)果，但無法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)基礎(chǔ)底面附近地基分層土的應(yīng)變，原因在于該方法未考慮基礎(chǔ)底面粗糙度對(duì)土體側(cè)向變形約束的影響.

［1］JGJ72－2004.高層建筑巖土工程勘察規(guī)程［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［2］Bazaraa.Use of the Standard Penetration Test for Estimating Settlement of Shallow Foundations on Sand［M］.PhD thesis，University of Illinois，USA，1967.

［3］Jean－Louis Briaud，Robert Gibbens.Predicted and Measured Behavior of Five Spread Footings on Sand:Results of a Spread Footing Prediction Symposium［M］.American Society of Civil Engineers:Geotechnical Special Publication，1994.

［4］李仁平，羅 勉.采用修正弦線模量法預(yù)測(cè)基礎(chǔ)的非線性沉降［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，32（1）:41－45.

［5］焦五一.地基變形的新參數(shù)－－弦線模量的原理和應(yīng)用［J］.水文地質(zhì)與工程地質(zhì)，1982（1）:30－33.

［6］Jean－Louis Briaud，Robert Gibbens.Behavior of Five Large Spread Footings in Sand［J］.Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，ASCE，1999（9）:787－796.