陳 松，溫小凡，林祺常

（1、廣州廣檢建設(shè)工程檢測中心有限公司 廣州 510405；2、廣東省建筑物健康監(jiān)測與安全預(yù)警工程技術(shù)研究中心 廣州 510405）

0 引言

建筑物地基承載力不足會(huì)引起失穩(wěn)破壞，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致建筑物整體傾覆、倒塌，因此確定真實(shí)的地基承載能力有著重要的意義。測定地基土承載力的原位測試方法主要包括圓錐動(dòng)力觸探試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)、平板載荷試驗(yàn)、旁壓試驗(yàn)以及扁鏟側(cè)脹試驗(yàn)等，廣泛應(yīng)用于地質(zhì)勘查、地基土工程特性和承載力檢測［1-3］。其中平板載荷試驗(yàn)是檢測天然土地基、處理土地基及復(fù)合地基承載力的一種可靠的檢測方法，通過對(duì)一定面積的承壓板上向地基土逐級(jí)施加荷載，測得地基土的壓力與變形特性。該方法對(duì)地基土擾動(dòng)小，試驗(yàn)環(huán)境與實(shí)際相符，測試成果準(zhǔn)確、可靠，是世界各國用以確定地基承載力的最主要方法，也是驗(yàn)證其他原位測試成果的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)［4］。

平板載荷試驗(yàn)常用的反力加載方式分為壓重平臺(tái)反力法［5-6］和錨樁反力法［7-8］兩種，這兩種方法最大的區(qū)別在于提供反力的方式，錨樁法通過錨樁提供抗拔力代替堆重提供反力，其最大的優(yōu)勢(shì)就在于占地面積小，受場地限制程度小。市政管廊工程基槽開挖常采用明挖形式，該類工程對(duì)地基土承載力和差異沉降要求嚴(yán)格，地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)較高。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范：GB 50007—2011》要求，需進(jìn)行承載力平板載荷試驗(yàn)，然而基槽往往呈狹窄條狀，傳統(tǒng)壓重平臺(tái)反力裝置因占地面積大，進(jìn)退場困難，受現(xiàn)場吊裝設(shè)備受限等原因，不適宜用于此類工程，此時(shí)可采用錨樁法進(jìn)行試驗(yàn)。為充分利用現(xiàn)場條件，考慮采用基槽支護(hù)鋼板樁代替錨樁提供反力的思想，研發(fā)新型的平板載荷試驗(yàn)裝置。

綜上所述，本文基于錨樁法思想，創(chuàng)新地提出了一種新型的平板載荷試驗(yàn)裝置，該裝置由側(cè)部立式組件（鋼板樁）、型鋼反力架（工字鋼）、抗剪鋼肋及其連接、位移監(jiān)測裝置構(gòu)成。試驗(yàn)前設(shè)計(jì)驗(yàn)算了該試驗(yàn)裝置的鋼板樁抗拔力、工字鋼梁抗彎強(qiáng)度和焊縫抗剪強(qiáng)度。在廣州某市政綜合管廊工程的現(xiàn)澆管廊段基底的級(jí)配砂石換填地基開展現(xiàn)場試驗(yàn)，通時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)過程中立式組件的上拔位移量，試驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的可行性和安全性。

1 錨樁反力試驗(yàn)裝置

傳統(tǒng)錨樁反力試驗(yàn)裝置如圖1所示。主要由反力系統(tǒng)、加壓系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和平板裝置等構(gòu)成。反力系統(tǒng)含加載反力架（包含主梁和若干次梁），次梁架設(shè)于主梁上。試驗(yàn)前，將反力錨樁、反力架和通過錨固裝置連接成整體，試驗(yàn)加載過程中通過錨樁的抗拔力提供反力，克服千斤頂?shù)捻斏饔?。錨樁反力裝置克服了傳統(tǒng)壓重平臺(tái)反力裝置占地面積大、進(jìn)場困難、造價(jià)高、場地適用性差等缺點(diǎn)，十分適用于進(jìn)場條件受限、場地狹小和堆載空間不足的試驗(yàn)環(huán)境。

圖1 錨樁反力裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of the Pressure-weight Platform Reaction Device

2 新型平板載荷試驗(yàn)裝置

2.1 設(shè)計(jì)原理

傳統(tǒng)錨樁反力裝置需要配合錨樁使用，實(shí)際工程中，場地條件千變?nèi)f化，存在錨樁間距過大或者無錨樁可用的情況，為了克服不利的環(huán)境因素，基于錨樁法的工作原理，將錨樁法引用到平板載荷試驗(yàn)中。本文基于錨樁法思想提出了一種新型的平板載荷試驗(yàn)裝置，創(chuàng)新性地采用基坑支撐鋼板樁代替錨樁提供反力，如圖2 所示。該裝置需要利用基槽支撐鋼板樁作為側(cè)部立式組件，適用于有鋼板樁支護(hù)的管溝工程的地基平板載荷承載力檢測試驗(yàn)。

圖2 新型平板載荷試驗(yàn)裝置Fig.2 The New Flat-plate Load Test Device

該反力裝置系統(tǒng)主要由以下4 個(gè)部分組成：側(cè)部立式組件（鋼板樁）、型鋼反力架（H型）、抗剪鋼肋及其連接、鋼板樁上拔位移監(jiān)測裝置。具體安裝步驟為：①鋼板樁插入，兼支護(hù)溝槽和載荷試驗(yàn)側(cè)部立式組件功能；②溝槽開挖至設(shè)計(jì)基底標(biāo)高，選定檢測點(diǎn)位，鋪設(shè)找平砂墊層并安放合適尺寸的載荷板；③千斤頂放至荷載板中間部位作為荷載傳力裝置，保證在荷載板上軸心傳力；④吊裝合適的型鋼反力架，平面置于千斤頂中心對(duì)稱位置，梁底距千斤頂頂部為2～5 cm；⑤根據(jù)反力值，在型鋼端部上、下位置，各焊接合適尺寸的抗剪鋼肋于立式組件側(cè)面，焊縫要求為滿足設(shè)計(jì)剪切值；⑥試驗(yàn)過程中，對(duì)側(cè)部立式組件的上拔位移進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)監(jiān)視上部抗剪鋼肋焊縫是否脫落，保證試驗(yàn)安全性。

2.2 設(shè)計(jì)計(jì)算分析

2.2.1 側(cè)部立式組件抗拔力驗(yàn)算

溝槽兩側(cè)用作支護(hù)結(jié)構(gòu)的兩排鋼板樁兼做為側(cè)部立式組件，在承受溝槽外側(cè)水、土壓力的同時(shí)，也為靜載試驗(yàn)全過程提供反力。試驗(yàn)所需反力全部由側(cè)部立式組件的抗拔力承擔(dān)。單根鋼板樁抗拔力包括鋼板樁與土的吸附力及鋼板樁與土的側(cè)面阻力，由于鋼板樁打樁過程會(huì)產(chǎn)生擠土效應(yīng)，擠壓力影響系數(shù)范圍為0～7.6［9］，計(jì)算側(cè)面阻力時(shí)需考慮擠土效應(yīng)。鋼板樁與土的吸附力計(jì)算如式⑴。

式中：U為鋼板樁的周長；L為鋼板樁的長度；τ為鋼板樁與各土層吸附力按土層厚度的加權(quán)平均值計(jì)算。土層靜吸附力常見取值如表1所示。

表1 土層靜吸附力取值τTab.1 Soil Static Adsorption Value τ （kPa）

鋼板樁與土的側(cè)面阻力Fs計(jì)算如式⑵。

式中：ea為作用在鋼板樁上的土壓力強(qiáng)度（視支護(hù)結(jié)構(gòu)體系剛度和開挖速度等因素，采用主動(dòng)和靜止土壓力強(qiáng)度之間的值），按?范圍內(nèi)的土層厚度的加權(quán)平均值（N/mm）；B為鋼板樁的寬度；?為鋼板樁樁頂至坑底的長度；μ為鋼板樁與土的摩阻力系數(shù)，一般取0.35～0.4；1.2 為考慮了擠土效應(yīng)引起的摩阻力影響給出的修正系數(shù)。

鋼板樁抗拔力Fg計(jì)算如式⑶。

側(cè)部立式組件數(shù)量n計(jì)算如式⑷。

式中：even(·)向上取偶數(shù)；F為試驗(yàn)荷載最大值；1.2 為《組合鋼板樁基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程：T/ZS 0027-2018》要求的安全系數(shù)。

2.2.2 型鋼反力架抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算

試驗(yàn)加載過程中，型鋼反力架會(huì)受到千斤頂?shù)膲毫?，同時(shí)受到兩端抗剪鋼肋的豎向約束。為保證試驗(yàn)正常進(jìn)行，型鋼反力架不能發(fā)生受彎破壞。試驗(yàn)對(duì)型鋼反力鋼梁的撓度要求較低，故只對(duì)鋼梁進(jìn)行抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算，根據(jù)鋼梁受力及約束裝置特點(diǎn)，假設(shè)該梁兩端簡支，中間受集中荷載。主平面內(nèi)受彎的實(shí)腹構(gòu)件，其抗彎強(qiáng)度應(yīng)按式⑸驗(yàn)算。

式中：Mx、My為繞x軸和y軸的彎矩（對(duì)工字形截面，x軸為強(qiáng)軸，y軸為弱軸）（N·mm）；Wnx、Wny為對(duì)x軸和y軸的凈截面抵抗矩（mm3）；γx、γy為截面塑性發(fā)展系數(shù)（對(duì)工字形截面γx=1.05，γy=1.20）；f為鋼材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）。

2.2.3 焊縫抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算

本裝置抗剪鋼肋于反力架鋼梁端部上、下部位，與兩側(cè)鋼板樁側(cè)面進(jìn)行焊接，上部抗剪鋼肋用于提供試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生的剪力，下部鋼肋用于承托鋼梁自身的重力。試驗(yàn)時(shí)為保證加載過程中型鋼兩端簡支的受力模型條件，需對(duì)限制鋼梁向上移動(dòng)的上部抗剪鋼肋焊縫進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算，下部抗剪鋼肋承受反力架鋼梁自身重力，因荷載較小，本文對(duì)下部抗剪鋼肋不予詳細(xì)介紹?？紤]到溝槽整體寬度較小，檢測點(diǎn)可延溝槽中心線布置，故可以假設(shè)千斤頂集中荷載分布在鋼梁1/2長度處，鋼梁兩端所受剪力相等。假設(shè)單個(gè)抗剪鋼肋所受荷載設(shè)計(jì)值為N，則需對(duì)正面角焊縫和側(cè)面角焊縫強(qiáng)度進(jìn)行驗(yàn)算。

《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)：GB 50017—2017》［10］規(guī)定：在通過側(cè)面焊縫形心剪力作用下，側(cè)面角焊縫（作用平行于焊縫長度方向）強(qiáng)度驗(yàn)算：側(cè)面角焊縫（作用平行于焊縫長度方向）：

式中：τf按焊縫有效截面計(jì)算，沿焊縫長度方向的剪應(yīng)力（N/mm2）；he為斜角角焊縫的計(jì)算厚度（mm），當(dāng)30°≤α≤60°或α＜30°時(shí)，斜角角焊縫計(jì)算厚度he應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)焊接規(guī)范：GB 50661—2011》［11］的有關(guān)規(guī)定計(jì)算取值；N為單條側(cè)面角焊縫承受的剪切力；hf為焊腳尺寸；α為兩焊腳邊的夾角；lw為角焊縫的計(jì)算長度（mm），未設(shè)置引弧板，對(duì)每條焊縫取其實(shí)際長度減去2?f；fwf為角焊縫的縱向抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）。

3 應(yīng)用實(shí)例

為驗(yàn)證新型平板載荷試驗(yàn)反力裝置的實(shí)際工程應(yīng)用效果，在廣州某市政綜合管廊工程的現(xiàn)澆管廊段基底的級(jí)配砂石換填地基上進(jìn)行了該裝置的平板載荷試驗(yàn)，現(xiàn)場試驗(yàn)示意如圖3所示，該試驗(yàn)?zāi)康臑闄z測淺部地基土層的承載力，為工程驗(yàn)收提供依據(jù)。檢測環(huán)境為鋼板樁支護(hù)溝槽內(nèi)，槽寬2.2 m，基坑深3.0 m，頂部設(shè)一道鋼管水平支撐，溝槽基本信息如表2所示，基坑剖面及分層示意如圖4 所示。由于現(xiàn)場條件限制，傳統(tǒng)壓重平臺(tái)反力試驗(yàn)裝置無法實(shí)施，故采用新型平板載荷試驗(yàn)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)前，根據(jù)工程信息對(duì)裝置主要構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。試驗(yàn)過程中，采用靜力水準(zhǔn)監(jiān)控裝置（見圖5）對(duì)鋼板樁豎向位移進(jìn)行監(jiān)測，保證支護(hù)體系不因位移過大失效而影響基坑的安全使用。同時(shí)，在試驗(yàn)過程中，加強(qiáng)對(duì)連接焊縫的觀察，出現(xiàn)異常及時(shí)采取補(bǔ)救措施。試驗(yàn)過程依照《建筑地基基礎(chǔ)檢測規(guī)范：廣東省標(biāo)準(zhǔn)DBJ/T 15-60—2019》［12］“平板載荷試驗(yàn)”要點(diǎn)中的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。

表2 溝槽及地質(zhì)基本信息Tab.2 Basic Information on Trenches and Geology

圖3 新型平板載荷試驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Schematic Diagram of the New Plate Load Test Device

圖4 基坑剖面及分層示意圖Fig.4 Schematic Diagram of Foundation Pit Profile and Stratification

圖5 靜力水準(zhǔn)監(jiān)控裝置Fig.5 Static Level Monitoring Device

3.1 工程概況

該工程試驗(yàn)點(diǎn)的地基承載力特征值為100 kPa，承壓板采用1 m2的剛性方板，最大試驗(yàn)荷載均取設(shè)計(jì)承載力特征值的2 倍，按規(guī)范［12］要求反力平臺(tái)系統(tǒng)所需承受的總反力為1.2倍最大實(shí)驗(yàn)值。反力平臺(tái)系統(tǒng)含2根反力梁，4條鋼板樁、8個(gè)抗剪鋼肋及相應(yīng)數(shù)量的雙面角焊縫。平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)Y-14#的基本情況如下：地基設(shè)計(jì)標(biāo)高為3.937 m，檢測標(biāo)高為3.937 m，地基承載力特征值為100 kPa，最大試驗(yàn)荷載為200 kN。

3.2 反力平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

反力平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)基本信息如表3所示，基于4根PU400×100×10鋼板樁充當(dāng)側(cè)部立式組件，樁長8 m，入土深5 m，單根抗拔力219.6 kN，驗(yàn)算滿足最大試驗(yàn)荷載要求?？辜翡摾邽?50×75×20三角形鋼板，焊縫尺寸lw=150 mm，?f=8 mm，采用E50手工焊（fwf=200 N/mm2），驗(yàn)算后滿足。反力梁采用HN 450×200×9×14 型鋼，長度與溝槽寬度一致為2.2 m。鋼材Q345B（抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f=305 N/mm2），驗(yàn)算滿足

表3 反力平臺(tái)系統(tǒng)信息Tab.3 Reaction Platform System Information Sheet

3.3 試驗(yàn)結(jié)果

平板載荷試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示，各試驗(yàn)數(shù)據(jù)匯總表見及相應(yīng)的P～s曲線和s～lgt曲線如圖6、圖7 所示。靜力水準(zhǔn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)如表5所示，曲線如圖8所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果一覽表Tab.4 List of Test Results

表5 靜力水準(zhǔn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)Tab.5 Static Level Monitoring Data Sheet

圖6 P～s曲線Fig.6 P～s Curve

圖7 s～lgt曲線Fig.7 s～lgt Curve

圖8 靜力水準(zhǔn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)曲線Fig.8 Static Level Monitoring Data Graph

檢測過程中，試驗(yàn)裝置狀況良好，H 型反力鋼梁未出現(xiàn)過大的撓度變形，連接部位焊縫完整，無表面脫落等破壞征兆。靜力水準(zhǔn)監(jiān)控結(jié)果顯示鋼板樁上拔最大位移為4.2 mm，殘余位移為2.0 mm 左右，側(cè)面印證了試驗(yàn)過程中，鋼板樁對(duì)周圍土體造成的影響很小，基本不影響基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用安全。

本次檢測最大試驗(yàn)荷載為200 kPa（200 kN），在各級(jí)試驗(yàn)荷載和最大試驗(yàn)荷載作用下，承壓板沉降均能達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，檢測結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

⑴本文提出了一種新型的平板載荷試驗(yàn)裝置，適用于市政和水利工程的基槽底的承載力檢測活動(dòng)。為適應(yīng)現(xiàn)場檢測環(huán)境，保證檢測工作的正常進(jìn)行，采用側(cè)部立式組件的抗拔力代替實(shí)物堆載來提供反力，具有占地面積小、安裝便捷快速、成本低、可周轉(zhuǎn)使用及適應(yīng)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

⑵在廣州某綜合市政管廊工程上應(yīng)用該新裝置進(jìn)行了平板載荷試驗(yàn)。試驗(yàn)前，對(duì)該裝置設(shè)計(jì)值進(jìn)行了計(jì)算，對(duì)試驗(yàn)裝置側(cè)部立式組件抗拔承載力、型鋼反力架抗彎強(qiáng)度及焊縫抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了驗(yàn)算，驗(yàn)證了裝置的可行性，試驗(yàn)的成功也驗(yàn)證了該裝置的可靠性。

⑶試驗(yàn)過程中采用靜力水準(zhǔn)監(jiān)控裝置對(duì)側(cè)部立式組件（鋼板樁）的豎向上拔位移進(jìn)行了監(jiān)測，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示鋼板樁整體上拔位移較小，不影響基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的使用安全。

⑷該裝置在應(yīng)用于其他工程時(shí)，可根據(jù)試驗(yàn)所需反力值大小靈活加減側(cè)部立式組件、反力架鋼梁和抗剪鋼肋及其連接件的數(shù)量，實(shí)現(xiàn)提供抗拔力的最優(yōu)設(shè)計(jì)，具有較好的實(shí)用性和靈活性。