摘 要：軟弱地基土層的極限承載力、允許承載力等工 程力學(xué)特性是設(shè)計大型隧道、船塢和橋梁基礎(chǔ)前必須解決的重要技術(shù)問題，本文結(jié)合浙江寧 波甬江隧道工程進行的平板靜載試驗，開展了具體的研究工作。
關(guān)鍵詞：淺層地基 平板 靜載 試驗 研究

1 前言

我國江浙地區(qū)皆為海相沉積層地表，由粘土、粘質(zhì)粉土和砂土組成，工程地質(zhì)條件較差。如 在此上建淺基礎(chǔ)的大型隧道、船塢及橋梁基礎(chǔ)，首先需研究基礎(chǔ)土壤的極限承載力、允許承 載力，以及不同荷載下基礎(chǔ)的相對穩(wěn)定沉降量及相應(yīng)的固結(jié)時間、地基土壤的變形模量值等 工程力學(xué)特性。現(xiàn)場平板靜力載荷試驗是取得基礎(chǔ)土壤工程力學(xué)特性的最好、最直接的方法 。國內(nèi)外工程設(shè)計人員在此方面已作了大量的試驗研究工作，如美國的卡爾·太沙基、俄羅 斯的普列斯·崔托維奇、我國的原冶金部等都對靜力載荷試驗作了大量研究，后者還制定了 試驗規(guī)程。但由于各地地質(zhì)情況不同，結(jié)構(gòu)物的類型、尺寸不同，故所用承壓板的大小不同 ，試驗結(jié)果也就不盡相同。本文通過在浙江寧波甬江隧道工程中對鋼筋混凝土管段預(yù)制場土 塢的一次靜力載荷試驗，分析研究了軟弱地基土層的極限承載力、允許承載力等工程力學(xué)特 性，進一步了解軟弱地基經(jīng)開挖后基礎(chǔ)土壤的承載情況，并以此來豐富此項研究工作。

2 平板靜力載荷試驗

2.1 試驗設(shè)備
試驗設(shè)備由承壓板、加載裝置及沉降觀測裝置三部分組成。
2.1.1 承壓板
承壓板面積大小對試驗土基的沉降量和極限承載力均有一定的影響。美國卡爾·太沙基、俄 羅斯普列斯·崔托維奇、我國原冶金部所作不同面積承壓板的對比試驗表明：當(dāng)承壓板邊長 B值小于30cm時，土基沉降S值將隨邊長B值減小而增大；當(dāng)B值大于30cm時，土基沉降S值將 隨B值增加而增大。并且當(dāng)承壓板邊長B大于5m后，土基沉降S值將不隨B值增加而增大。根據(jù) 現(xiàn)場實際情況和有關(guān)規(guī)定，本次試驗采用的承壓板為100×100cm方形承壓板。?
2.1.2 加荷裝置
考慮到土壤沉降量，承壓板到載荷臺之間應(yīng)有足夠的沉降高度以防意外情況。試驗中設(shè)計了 90cm高的載荷鋼質(zhì)臺架，并為保持均勻沉降，在載荷臺上設(shè)置了東南西北四個放大的沉降觀 測臂（如圖1），放大率為3倍。載荷承臺邊長200×200cm，中間放置每塊重310～530kg的鋼 錠，作為載荷試驗的主荷載，邊緣30cm周圈設(shè)置總重為2t、單重為50kg的小鐵塊，作為調(diào)整 載荷重心的平衡錘，控制承壓板的傾斜度。

圖1 試驗現(xiàn)場布置圖

2.1.3 沉降觀測裝置?
在載荷臺沉降觀測臂的對應(yīng)位置設(shè)置固定的沉降觀測臺座，通過磁性臺座及電阻式線位傳感 器在控制室內(nèi)用應(yīng)變儀觀測載荷臺的沉降量，分別計算出AC沉降線及BD沉降線中心的沉降量 ，其平均值即為承壓板的沉降量。?
2.2 試驗方法
2.2.1 加載重量設(shè)計
根據(jù)本工程地質(zhì)原位測試報告， 用美國太沙基經(jīng)驗公式
Pu=(1.2CNe+rDfNq)B2，預(yù)估載荷試驗土壤的極限承載力Pu=284.2kPa(29t/m2)，按每級荷載增量為1/10的極限 承載力施加荷重，即每級可施加3t，待前級荷載沉降速率達到相對穩(wěn)定后再加下級荷載。
2.2.2 沉降量觀測方法
采用相對穩(wěn)定法，自加荷開始按10、10、10、15、15、30、60min的時間間隙觀測沉降量， 以后每隔60min觀測一次，直到60min的沉降量不大于0.1mm為止。按A、B、C、D 四個測點的沉降記錄值分別計算AC沉降線中心處的沉降量及BD沉降線中心處的沉降量，取這 兩個中心沉降量的平均值作為承壓板的沉降量。
2.3 試驗結(jié)果
預(yù)估土壤極限承載能力為284.2kPa(29t/m2)，每次加荷采用2t到3t。試驗實際加載10 次，歷時15天，總載荷重量P值已達到232.11kPa(23.68t/m2)，土壤未發(fā)生整體剪切破壞 ，但此時地基土壤發(fā)生了較大的壓縮變形，總沉降量S值達到264.127mm，根據(jù)試驗中各級荷 載的實際重量P值及相應(yīng)的相對穩(wěn)定沉降量S值，繪制P～S關(guān)系曲線（如圖2所示）。從P～S 曲線上看，曲線沒有明顯的轉(zhuǎn)折點，整個變形過程是隨著荷載增加土體產(chǎn)生壓縮變形。如果 試驗中繼續(xù)加載，地基土壤還能承受，只是產(chǎn)生更大的壓縮變形，故繼續(xù)加載的實用意義不大。

圖2 P～S關(guān)系曲線

3 試驗結(jié)果分析

3.1 從P～S曲線確定比例界限壓力Pcr和極限壓力Pu
根據(jù)P～S曲線可明顯地看到基礎(chǔ)土壤應(yīng)力應(yīng)變成線形關(guān)系的彈性變形范圍很小，從曲線中可 明顯發(fā)現(xiàn)，呈現(xiàn)直線段的轉(zhuǎn)折點在20kPa處，所以可以認為基礎(chǔ)土壤的臨塑荷載（比較界 限 壓力）Pcr=20kPa。隨后基礎(chǔ)土壤就進入彈塑性變形范圍，隨著荷載的增加P～S曲線呈曲線 狀，當(dāng)荷載P值增加到90kPa后，現(xiàn)場可發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)邊緣處的土壤開始有隆起和出現(xiàn)裂縫，說明 基礎(chǔ)土壤已呈現(xiàn)局部剪切破壞區(qū)（塑性破壞區(qū)），隨P值繼續(xù)增加到108kPa，基礎(chǔ)邊緣局部 剪切破壞區(qū)的范圍并無明顯發(fā)展，但S值與P值則呈線形關(guān)系遞增。P～S的這種線形關(guān)系一直 保持到P值達232kPa試驗結(jié)束。此現(xiàn)象可以清楚地說明基礎(chǔ)土壤的剪切破壞區(qū)只是發(fā)生在臺 座邊緣的局部范圍，土壤內(nèi)部沒有出現(xiàn)連續(xù)的滑動面，隨著荷載P值的增加，臺座隨著土壤 的壓縮垂直地向下沉降，預(yù)計最后將因基礎(chǔ)側(cè)面附近的垂直剪切破壞而破壞。?
因P～S曲線并無出現(xiàn)表示基礎(chǔ)土壤發(fā)生破壞的轉(zhuǎn)折點，確定基礎(chǔ)土壤極限壓力只能按總沉降 量等于加荷承壓板寬度的1/10時的P值為標(biāo)準，則Pu=109kPa。
3.2 確定地基土壤允許承載力［P］
(1)根據(jù)極限壓力法

［P］＝Pu/Fs

式中，F(xiàn)s為安全因素，取用2.5，?
故［P］＝109/2.5＝43.6kPa?
(2)按P～S曲線沉降量為承壓板0.02B時所對應(yīng)的P值為允許承載力［P］值：

［P］＝P0.02B＝45kPa

3.3 根據(jù)P～S曲線計算土壤變形模量
土壤變形模量是隨著地基承受的壓力變化的，根據(jù)原水利部電力部1988年頒布的土工試驗規(guī) 程，其規(guī)律為：

E?0=0.95 (1-μ?2)B〖SX(〗P〖〗S〖SX)〗?

式中：E0--試驗土層的變形模量，kPa；
P--荷載，kPa；?〖KG*2〗
S--對應(yīng)于施加荷載的沉降量，cm；
B--承壓板的邊長，B=100cm；
μ--泊桑比，μ=0.5。
現(xiàn)計算出P～S曲線上P值在150kPa以內(nèi)的E?0值，并繪制變化曲線(見圖3)。

圖3 P～E?0關(guān)系曲線

3.4 利用原位測試P～S曲線成果預(yù)估實際構(gòu)造物的地基沉降
利用原位載荷試驗P～S曲線來計算實際構(gòu)造物的地基變形是工程上迫切希望解決的問題，但 由于影響構(gòu)造物地基變形的因素中，既有承壓板幾何尺寸的因素，又有基礎(chǔ)下土壤物理性質(zhì) 的因素，所以要利用一條地面淺層平板載荷試驗的P～S曲線來明確地解答實際構(gòu)造物的沉降 量數(shù)值十分困難，只能根據(jù)有關(guān)資料預(yù)估出地基的沉降量。?
本次試驗場是隧道工程鋼筋混凝土管段預(yù)制場，實際構(gòu)造物為沉箱管段，尺寸為寬度B=12m ，長度L=85m。根據(jù)工程地質(zhì)資料，基礎(chǔ)表層有1m深的淤泥層，下臥3.5m亞粘土、5m淤泥質(zhì) 粘土，中間夾有砂質(zhì)土，再向下為具有較好工程特性的土壤。
(1)假定地基為半無限均質(zhì)粘性土，管段制作期沉降量的尺度影響為：

Sj=S′（BT/B）

式中：Sj--管段基礎(chǔ)的預(yù)估沉降量，cm；
S′--與基礎(chǔ)底面壓力值相一致的荷?載級下的沉降量，cm；
BT--管段短邊寬度，cm；
B--P～S曲線承壓板寬度，cm。

可計算出S?j=S′1200/100=12S′，即管段的實際沉降量將是同級荷載下P～S曲線上沉降量 的12倍。?
(2)假定地基為半無限均質(zhì)砂性土，管段制作期沉降量的尺度影響如下：

可算出Sj=S′(1200/100)2/(130/1230)2=1.6S′，即管段的實際沉降量將是同級荷載 下P～S曲線上沉降量的1.6倍。
(3)假定地基為半無限砂性、粘性土混合體，由于實際地基為粘性土、砂性土的分層狀土質(zhì) ，故可將二種土質(zhì)的沉降影響疊加后混合考慮 ，可采用下式計算沉降量的尺度影響：?

（12S’+1.6S’)/2=6.8S’

即管段的實際沉降量將是同級荷載下P～S曲線上沉降量的6.8倍。?

4 討論

由不同假定得出的預(yù)估沉降量差距十分顯著，而可能的最終沉降量數(shù)值是工程設(shè)計的一個關(guān) 鍵控制因素，如按現(xiàn)在計算出的用靜載荷試驗（B=1m寬的方形板）P～S曲線上相對應(yīng)的S值 增大6.8倍來預(yù)估同級荷載條件下實際管段沉降量數(shù)值是否足夠，亦就變成一個關(guān)鍵性的問 題，由此有必要對基礎(chǔ)寬度B與地基沉降量的關(guān)系作深入分析討論：?
砂土地基沉降量受基礎(chǔ)寬度影響是有限度的。基礎(chǔ)寬度B反映靈敏的區(qū)段是B= 0.3～3.0m ，在這個尺度范圍內(nèi)沉降量可有三倍的變化，即當(dāng)同級荷載時用B=0.3m的基礎(chǔ)做試驗所得P ～S曲線來反映B=3m的基礎(chǔ)的沉降量可有三倍的增量，這種增量到B無窮時亦只有四倍。按同 現(xiàn)在一樣用B=1m寬承壓板所得P～S曲線來計算B值增加的影響較小，即當(dāng)B 值增加到1000倍時沉降量的增加亦只能達到1.69倍。?
粘土地基沉降量受基礎(chǔ)寬度影響的數(shù)值，就現(xiàn)有經(jīng)驗公式來分析它的影響是同寬度B值成 正比關(guān)系，但這種線形正比關(guān)系究竟能保持到什么范圍？是否亦應(yīng)是一個 有趨于穩(wěn)定界限的影響因素？這還應(yīng)在今后的工程實踐中進行必要的觀測研究。根據(jù)有關(guān)粘 土地基上方形基礎(chǔ)和條形基礎(chǔ)在同級荷載條件下沉降量與地基寬度B的關(guān)系數(shù)值計算資料 ，可以得到沉箱管段基礎(chǔ)為12m的粘性土沉降量將為本試驗B=1m寬承壓 板所得P～S曲線上同級荷載的5～8倍，所以前述的6.8倍的增值系數(shù)是合理的。