趙 鵬 趙守良 呂 超

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

地基土載荷試驗(yàn)的試驗(yàn)原理是將一定尺寸和幾何形狀(圓形或方形)的剛性板，安放在被測(cè)的地基持力層上，逐級(jí)增加荷載，并測(cè)得每一級(jí)荷載下的穩(wěn)定沉降，直至達(dá)到地基破壞標(biāo)準(zhǔn)，由此可得到荷載(p)-沉降(s)曲線(即p-s曲線)，參照典型的載荷試驗(yàn)p-s曲線的直線變形、剪切變形和破壞3個(gè)階段的內(nèi)在規(guī)律確定地基承載力，是一項(xiàng)使用最早、應(yīng)用最廣泛的原位試驗(yàn)方法，其優(yōu)點(diǎn)是：在目前按理論公式確定、按地基載荷試驗(yàn)確定、按地基規(guī)范承載力表確定和根據(jù)相鄰條件相似的建筑物經(jīng)驗(yàn)確定地基承載力的4種方法中，地基載荷試驗(yàn)確定的方法被認(rèn)為是確定地基承載力最可靠的方法。其缺點(diǎn)是：成本高，且耗時(shí)長(zhǎng)，對(duì)試驗(yàn)坑尺寸、實(shí)驗(yàn)人員熟練程度，以及試驗(yàn)時(shí)的天氣等都有嚴(yán)格的要求。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，在做有關(guān)既有地基載荷試驗(yàn)時(shí)，由于受既有建筑的影響，載荷試驗(yàn)的的缺點(diǎn)尤為凸顯，易產(chǎn)生不能滿足規(guī)范的無(wú)效試驗(yàn)，不得不增加試驗(yàn)點(diǎn)，增加了整個(gè)試驗(yàn)的經(jīng)濟(jì)和時(shí)間成本。

徐建平等[1]對(duì)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的承載力系數(shù)進(jìn)行擬合后，用灰色關(guān)聯(lián)理論對(duì)影響地基承載力的因素進(jìn)行分析研究，結(jié)果顯示各因素對(duì)地基承載力影響程度從大到小的排序?yàn)椋簝?nèi)摩擦角φ、土的重度γ、基礎(chǔ)的埋深d、基礎(chǔ)的寬度b、黏聚力c。既有地基在長(zhǎng)期荷載作用下，地基土壓密固結(jié)，地基承載力得以提高[2-3]，壓密固結(jié)的過(guò)程是壓密核內(nèi)孔隙水壓從正值趨近于0的過(guò)程,是壓密核抗力從小于外荷趨近于等于外荷的過(guò)程[4]，在既有地基承載力變化中，壓密效應(yīng)直接改變土的重度。地基承載力與土的重度關(guān)聯(lián)最大，即與土的密度關(guān)聯(lián)度最大(γ=ρg)。

以貴州某地基土承載試驗(yàn)為例，嘗試?yán)没疑P(guān)聯(lián)理論分析，通過(guò)與密度關(guān)聯(lián)度的大小，淘汰不合理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)組合，在不符合規(guī)范的要求下探討數(shù)據(jù)合理性的新方法，為現(xiàn)場(chǎng)條件復(fù)雜的既有地基載荷試驗(yàn)提供一種新的數(shù)據(jù)處理辦法，以供類似案例參考。

1 某既有地基載荷試驗(yàn)簡(jiǎn)介

1.1 試驗(yàn)過(guò)程

貴州某地分別于1971，1981，1986和1991年在天然的紅黏土地基上修建了層高、結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)形式基本相同的A，B，C，D 4座工業(yè)廠房。為了探究既有地基的持載時(shí)間和承載力的關(guān)系，對(duì)每個(gè)工業(yè)廠房選3個(gè)基礎(chǔ)進(jìn)行深層平板試驗(yàn)，試驗(yàn)方法采用慢速維持荷載法，通過(guò)基礎(chǔ)提供反力，儀器埋深在3.0 m左右(基礎(chǔ)底面往下1 m左右)，設(shè)計(jì)承載力按300 kPa計(jì)算，極限加載按600 kPa考慮，首級(jí)荷載80 kPa，以后每級(jí)加載40 kPa，共分14級(jí)加載，同一廠房依據(jù)已完成試驗(yàn)點(diǎn)的情況，可適當(dāng)調(diào)整首級(jí)荷載和每級(jí)加載大小，具體實(shí)施步驟按GB 50007-2011 《建筑地基設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》 附錄D實(shí)施要點(diǎn)進(jìn)行。另外還選取了以天然無(wú)荷載場(chǎng)地，進(jìn)行了淺層平板試驗(yàn)，試坑深度2 m，按經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)承載力165 kPa計(jì)算，極限加載按330 kPa考慮，首級(jí)荷載60 kPa，以后每級(jí)加載30 kPa，共分9級(jí)加載。步驟按GB 50007-2011 《建筑地基設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》 附錄C實(shí)施要點(diǎn)進(jìn)行。各廠房相對(duì)位置見圖1。

圖1 廠房相對(duì)位置圖

載荷試驗(yàn)為2015年4-7月，歷時(shí)3個(gè)月，前后分別完成了A，B，C，D廠房和天然場(chǎng)地的載荷試驗(yàn)。除天然場(chǎng)地外，試驗(yàn)期間適逢雨季，若試驗(yàn)時(shí)間安排不當(dāng)，雨水會(huì)從廠房外地表流入或地下滲入到試驗(yàn)基坑內(nèi)，影響現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)，另外，試驗(yàn)工作量較大，試驗(yàn)人員的熟練程度也對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果的可靠性產(chǎn)生影響。

1.2 試驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 載荷試驗(yàn)結(jié)果 kPa

GB 50007-2011 《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定平板載荷試驗(yàn)中“對(duì)同一土層參數(shù)統(tǒng)計(jì)的試驗(yàn)點(diǎn)不應(yīng)少于3點(diǎn)，當(dāng)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值的極差不超過(guò)平均值的30 %時(shí)，取平均值作為該土層的地基承載力特征值(fak)”，由表1可見，除天然場(chǎng)地外，各車間地基承載力特征值并不能滿足規(guī)范要求。

2 平板載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)灰色關(guān)聯(lián)分析

在進(jìn)行載荷試驗(yàn)的同時(shí)對(duì)各試驗(yàn)點(diǎn)的地基土進(jìn)行了物理指標(biāo)測(cè)定，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

表2 各廠房的物理指標(biāo)

表3 與地基承載力特征值關(guān)聯(lián)度大的組合

通過(guò)設(shè)置關(guān)聯(lián)度的大小，淘汰了多數(shù)的不合理組合，僅剩10組與密度關(guān)聯(lián)較大的數(shù)據(jù)，可推薦為該既有地基土載荷試驗(yàn)的較為合理的試驗(yàn)數(shù)據(jù)組合，在10組數(shù)據(jù)中，有1321，2123，2133和2331的排列組合密度與承載力特征值的關(guān)聯(lián)度為所有組合中最大的，結(jié)合壓密效應(yīng)的特點(diǎn)，本文推薦1321的承載力特征值組合為載荷試驗(yàn)的最終數(shù)據(jù)組合，見表4。

表4 地基承載力特征值推薦值 kPa

3 方法合理性分析

對(duì)既有建筑的研究成果表明，憑地區(qū)經(jīng)驗(yàn)考慮地基土的壓密效應(yīng)而適當(dāng)提高地基承載力，提高的幅度應(yīng)根據(jù)既有建筑基底平均壓力值、地基土類別、使用年限和當(dāng)?shù)爻墒旖?jīng)驗(yàn)來(lái)確定。當(dāng)無(wú)成熟經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可采用下列公式確定地基承載力：

原房屋修建時(shí)間為5～15年

fk=[R][1+(0.05～0.2)]

原房屋修建時(shí)間為15～25年

fk=[R][1+(0.15～0.3)]

原房屋修建時(shí)間為25～35年

fk=[R][1+(0.25～0.4)]

原房屋修建時(shí)間為35～50年

fk=[R][1+(0.35～0.5)]

式中：fk為原房屋增層后地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值；R為原房屋設(shè)計(jì)時(shí)采用的地基承載力值。

按照以上經(jīng)驗(yàn)公式，D廠房，C廠房，B廠房，A廠房的承載力分別為138～156，150～168，150～168，162～180 kPa(根據(jù)該地地勘報(bào)告R=120 kPa)，用內(nèi)插值的方法還可以得到圖2所示的變化規(guī)律。

圖2 承載力特征值的灰色關(guān)聯(lián)推薦值和經(jīng)驗(yàn)公式內(nèi)插值

由圖2可見，用經(jīng)驗(yàn)公式確定的地基承載力和通過(guò)灰色關(guān)聯(lián)處理篩選后的地基承載力，變化趨勢(shì)相似，側(cè)面反映了灰色關(guān)聯(lián)用作試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的合理性。另外，在系統(tǒng)理論中，系統(tǒng)分為黑色系統(tǒng)、白色系統(tǒng)和灰色系統(tǒng)。黑色系統(tǒng)信息缺乏，對(duì)系統(tǒng)各因素的確定關(guān)系并無(wú)定論；白色系統(tǒng)信息充實(shí)，系統(tǒng)各因素關(guān)系明確；而灰色系統(tǒng)介于白色系統(tǒng)和黑色系統(tǒng)之間，系統(tǒng)各因素的關(guān)系部分明確、部分不明確?？梢灾烙绊懙鼗休d力大小的所有因素構(gòu)成了一個(gè)灰色系統(tǒng)，我們能明確知道其大小和基礎(chǔ)尺寸，地基土的黏聚力、內(nèi)摩擦角和重度有關(guān)，但并不能明確還有哪些因素與它相關(guān)，哪些因素與它無(wú)關(guān)，具體的定量關(guān)系還需要借助經(jīng)驗(yàn)、規(guī)范等約束，才能最終確定地基承載力的大小，所以運(yùn)用灰色系統(tǒng)理論確定地基承載力是合理的。

4 結(jié)語(yǔ)

按照既有建筑地基承載力時(shí)間效應(yīng)主要是通過(guò)改變地基土密實(shí)程度的觀點(diǎn)，應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)理論處理不理想的既有地基的載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)，從而選取天然密度ρ與地基承載力特征值關(guān)聯(lián)度較高的幾組數(shù)據(jù)，作為計(jì)算地基承載力特征值的參考值，使得在不能滿足規(guī)范要求的情況下，也能提出相對(duì)可靠的既有地基土承載力特征值，該方法較為合理，能科學(xué)并有效地規(guī)避既有地基載荷試驗(yàn)中增補(bǔ)試驗(yàn)引起的經(jīng)濟(jì)成本高、耗時(shí)長(zhǎng)等缺點(diǎn)。為人們?cè)谇闆r較復(fù)雜的既有建筑地基做相關(guān)承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究中，對(duì)異常數(shù)據(jù)的分析、處理和實(shí)驗(yàn)方案優(yōu)化，提供了一條經(jīng)濟(jì)快捷且行之有效的途經(jīng)。

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