某电厂工程地基承载力与深度修正系数的取值

戴洪军，刘益平，任治军

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

某电厂工程地基承载力与深度修正系数的取值

戴洪军，刘益平，任治军

(江苏省电力设计院，江苏 南京 211102)

在进行地基基础设计时，需要结合地基条件对承载力特征值进行深度与宽度的修正，而地基规范中提供的承载力修正系数针对性不强，在工程实践中应慎重采用。本文根据某电厂工程的浅层与深层平板载荷试验成果，并采用地基承载力的经验公式与理论公式进行承载力计算，通过综合分析各种承载力试验成果与计算结果，推荐了主要持力层的承载力特征值，在此基础上推算出持力层的深度修正系数。对比前期工程的平板载荷试验成果，进一步分析了影响地基承载力取值的主要因素，旨在为类似工程提供一些参考。

平板载荷试验；地基承载力；修正系数。

1 概述

《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)规定，地基承载力特征值可由载荷试验等方法综合确定，当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，从载荷试验或其它方法确定的地基承载力特征值，尚应进行修正。《建筑地基基础设计规范》中所给出的深度和宽度修正系数仅仅是一个经验统计值，修正公式也是一个半理论半经验公式，对于设计等级为甲级的建筑物而言，当采用天然地基设计方案时，有必要对场地内主要持力层的地基承载力特征值和深度修正系数作专门的研究。

文献[3]～文献[6]中给出了确定地基承载力的多种方法，对于重要工程的天然地基而言，一般可按以下四种方法综合确定：①根据浅层或深层平板载荷试验的成果；②根据物理力学指标查地方规范或参考手册中承载力表；③根据原位测试指标，采用地基承载力经验公式计算；④根据地基承载力理论公式计算。

2 工程概况

江苏国信集团某电厂位于连云港市境内，为2×1000MW机组“上大压小”工程，地貌单元为山前冲、洪积平原与海湾淤积平原的交替带，总体地形平坦，地基岩土层主要由第四系全新统堆积的人工填土和第四系中、上更新统洪积、坡积土层、前震旦系锦屏组花岗片麻岩组成。

根据勘测成果，上部地基岩土层工程性状较好，塔式锅炉房、煤仓间、汽机房及烟囱等地段均可采用层④黏土为持力层的天然地基方案。

层④的埋深一般为4～6 m，层厚一般为7 m～12m，其下部为全风化～中等风化的花岗片麻岩。

根据区域水文地质条件、含水层性质及地下水的埋藏条件，厂区浅部含水层的地下水类型为孔隙潜水和局部富集于黏土姜结石夹层中的上层滞水。

为了客观、准确地评价层④的地基承载力，充分发挥层④的承载性能，需对层④进行浅层和深层平板载荷试验。

试验方法均采用慢速维持荷载法加载，压板均采用φ798mm钢质荷载板，压板均安放在层④顶面下500 mm处，试验方法和步骤按照《建筑地基基础设计规范》中的要求执行。

3 浅层平板载荷试验

3组浅层平板载荷试验分别布置在烟囱、1＃冷却塔及1＃塔式锅炉房地段。试验总堆载量为500 kN。试验基坑底长约12m、宽约10 m、深度约5.5m。整个试验过程中天气晴朗，地下水位控制在试验面所处高程，基坑底面未浸水。

3组试验均加载到地基土层极限状态，在最大荷载作用下，沉降s急骤增大，且累计沉降量均大于48mm。3组载荷试验的结果见表1，经计算，层④黏土浅层平板载荷试验的地基承载力特征值为330kPa。

加荷级别ZHB3试验点沉降s /mm本级 累计 本级 累计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试验点沉降s /mm本级 累计 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：最后一级均未稳定，观测时间仅为10～30min。ZHB1试验点沉降s /mm 荷载P /kPa

4 深层平板载荷试验

3组深层平板载荷试验位置紧邻浅层平板载荷试验点。试验总堆载量为600kN。在挖孔深度离试验面约1m时，在孔壁四周开挖环形排水沟，以免地下水进入试坑对地基土产生软化作用。

3组试验均加载到地基土层极限状态，在最大荷载作用下，沉降s急骤增大且不能稳定，在10～20min内累计沉降量均大于48mm。3组载荷试验的结果见表2，经计算，层④黏土深层平板载荷试验的地基承载力特征值为443kPa。

5 地基承载力的综合确定

5.1 根据物理力学指标查规范确定

根据《南京地区建筑地基基础设计规范》(DGJ32/J 12-2005)附录F.0.2条的规定，当采用室内物理指标平均值确定地基承载力特征值时，应对承载力基本值乘以回归修正系数进行修正。

层④黏土的孔隙比e为0.710，该指标的变异系数为0.090，样本数量n为202；层④的液性指数IL为0.17，该指标的变异系数为0.257。

经查表计算，层④黏土的承载力特征值为265kPa。

根据规范[7]中附录F.0.3条的规定，可采用经杆长修正后的标准贯入锤击数标准值查表确定黏性土的地基承载力特征值。

层④黏土经杆长修正后的标准贯入锤击数标准值为21击，查表F.0.3-4，推算得到，层④黏土的承载力特征值约为365 kPa。

表2 各试验点深层平板载荷试验结果汇总加荷级别SHB3试验点沉降s /mm本级 累计 本级 累计 本级 累计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试验点沉降s /mm荷载P /kPa SHB2试验点沉降s /mm

5.2 地基承载力的经验公式计算

《工程地质手册》中给出了根据标准贯入试验锤击数计算地基承载力的经验公式，层④的地基承载力计算结果见表3。

表3 地基承载力计算值p 2 3.3N 0=p0= N−58 565 fk 1 7.4 8N=1 52.6+fk = 5 N +8.3经验公式 标贯击数/击 承载力计算值/kPa 26(未修正) 606 21 618 21 520 21 498 37注：p0为载荷试验比例界限；fk为地基承载力。

5.3 地基承载力的理论公式计算

5.3.1 临界荷载的计算

地基变形的剪切阶段也是土中塑性区范围随着荷载的增加而不断发展的阶段，土中塑性区开展到不同深度时所对应的荷载称之为临界荷载。

若基底下塑性区刚处于发展阶段，即Zmax=0，此时底压力p即为临塑荷载pcr，其计算公式为：

以ZHB1试验点处的地基土层作为计算初始条件，加权平均重度为16.5 kN/m3，埋深D=5.5m，层④的内摩擦角φq=12.2°，黏聚力Cq=53kPa。

代入上式计算得：Nq=1.96，Nc=4.44，pcr≈413kPa。

若基底下塑性区开展的深度Zmax=B/4 (B为基础宽度)，此时的基底压力p即为临界荷载p1/4，其计算公式为：

同样，以ZHB1试验点处的地基土层作为计算初始条件，加权平均重度 γm=16.5kN/m3，埋深D=5.5m，基底下层④的重力密度按浮重度考虑，γ=9.5 kN/m3，基础宽度假设为B=3m，层④的内摩擦角φq=12.2°，黏聚力Cq=53kPa。

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

5.3.2 极限承载力的计算

⑴ 普朗特尔地基极限承载力公式

普朗特尔根据极限平衡理论，推导出当不考虑土的重力，且假定基底面光滑无摩擦力时，置于地基表面的条形基础的极限荷载公式。雷斯诺在普朗特尔公式假定的基础上，推导出由超载q产生的极限荷载公式。泰勒在此基础上考虑滑动土体的重力，推导出以下的极限荷载公式：

计算参数同式⑵，代入式⑶计算得：Nγ=2.5，Nq=3.02， Nc=9.34； pu≈804 kPa，对应的pcr= pu/2≈402 kPa。

⑵ 太沙基地基极限承载力公式

太沙基根据极限平衡理论，假定基底面是粗糙的，具有很大的摩擦力，基底面形成一个刚性核，推导得到如下的极限荷载公式：

kγ为由土的重度引起的被动土压力系数，需根据滑动面的中心位置通过试算确定。

计算参数同式⑵，代入式⑷计算得：Nq=3.35，Nc=10.87；查太沙基公式极限承载力系数表得Nγ=1.46；代入式⑹得：pu≈901 kPa，对应的pcr=pu/2≈450 kPa。

5.4 地基承载力特征值的推荐

现将根据各种方法得到的层④地基承载力汇总于表4。由于依据标贯击数采用经验公式所得结果与载荷试验相差较大，在此不作综合取值。

表4 层④的地基承载力汇总

根据承载力汇总表所得结果，经综合分析，层④的地基承载力特征值可按320 kPa考虑，可进行深度和宽度修正；而考虑边载效应的层④地基承载力特征值可按430 kPa考虑，可进行宽度修正，但不能进行深度修正。

6 深度修正系数的计算

根据《建筑地基基础设计规范》中的规定，当基础宽度大于3 m或埋置深度大于0.5 m时，从载荷试验或其它方法确定的地基承载力特征值，尚应按下式进行修正：

式中各参数所表示的含意如规范中所述。试验场地的地下水类型主要为孔隙潜水，浅层平板载荷试验时采用明沟降水，试验区的地下水位基本控制在试验面所在高程处；深层平板载荷试验在离试验面1 m时，布置了环形排水沟，地下水位基本控制在距离试验面1 m的高程处。

根据规范规定，当地基承载力特征值按深层平板载荷试验确定时，深度修正系数ηd取0。

假定某设备的基础埋置于层④的顶部，现根据浅层及深层平板载荷试验的结果，对承载力特征值进行修正，如下面两个公式所示。

鉴于基础处于同一地基土层，且宽度与埋深一致，因此根据上述两式修正后的承载力特征值应相同，令 fa1= fa2，于是有：

将各组载荷试验点的计算参数代入式⑻，计算得到深度修正系数，见表5。

表5 深度修正系数计算

根据《建筑地基基础设计规范》中第5.2.4条的规定，人工填土的深度修正系数为1.0，e及IL均小于0.85的黏性土的深度修正系数为1.6。

由此可见，依据平板载荷试验结果计算得到的深度修正系数低于规范中提供的修正系数。

7 影响地基承载力取值的主要因素

7.1 前期工程的载荷试验成果

本工程六期扩建为2×330 MW机组，主厂房地基亦采用以层④黏土为持力层的天然地基。

在主厂房区域内-5～-6 m深度处做了3个点的浅层平板载荷试验，试验采用慢速维持荷载法进行，承压板的面积为0.25 m2，试验过程中保持压板下土体浸水，浸水面不超过承压板底面。

三个试验点p～s曲线平滑，均无明显的比例界线，曲线分别在660 kPa、540 kPa、600kPa时发生陡降。①试验点H1的极限荷载pu=600 kPa，fak=300 kPa，对应的沉降量为6.81 mm；②试验点H2的极限荷载pu=480 kPa，fak=240 kPa，对应的沉降量为3.70 mm；③试验点H3的极限荷载pu=540 kPa，fak=270 kPa，对应的沉降量为3.91 mm。

综合分析以上各试验点的成果，层④的地基土承载力特征值fak=270 kPa。

7.2 影响地基承载力取值的主要因素分析

对比前期工程与本期工程的浅层平板载荷试验成果，本期工程浅层平板载荷试验的层④地基承载力特征值的平均值为330 kPa，比六期工程的结果提高了22%以上。

从两次试验过程和试验方法来看，影响载荷试验结果的因素主要有：⑴六期工程载荷试验的压板面积为0.25 m2，比本期工程载荷试验的压板面积小了一倍，这与文献[5]中的观点是一致的；⑵在六期工程的载荷试验过程中，压板下的土体处于浸水状态，长时间的浸水可能导致地基土在受压状态下的结构破坏，尽管持力层是处于地下水位以下，但没有必要使其浸水，只需控制试验过程中试验面处于地下水水位以下，以反映持力层所处的客观情况，这与文献[3]中的论述相吻合。

在本工程中采用理论公式计算临塑荷载、临界荷载和极限荷载时，采用的内摩擦角和黏聚力为直接快剪指标的标准值，计算所得到的结果与深层平板载荷试验成果接近。

文献[8]结合上海地区以往的工程经验，对采用汉森公式计算地基极限承载力的安全度进行分析，认为采用直剪固结快剪试验峰值强度的8折值计算极限承载力与载荷试验结果一致性较好，并引入地基承载力修正系数ψ。文献[9]选取Terzaghi极限承载力公式、Hansen极限承载力公式以及临界承载力公式，并与合肥地区一系列平板载荷试验结果进行对比分析，建议持力层为黏土时选用70%的直剪固快峰值强度指标。而文献[10]认为在承载力计算时，所引用的土的抗剪强度指标应选择三轴压缩试验中的不固结不排水试验指标。

8 结语

依据浅层平板载荷试验成果和查规范承载力表所得结果，本工程中层④的地基承载力特征值可按320 kPa考虑，可进行深宽修正。

依据深层平板载荷试验成果和理论公式计算结果，考虑边载效应的层④地基承载力特征值可按430 kPa考虑，可进行宽度修正。

由载荷试验成果表明，层④黏土的地基承载力深度修正系数为1.38，低于规范中提供的修正系数1.6。

与前期工程的载荷试验成果相比，本期工程所采用的压板尺寸和对地下水的控制，更客观地反映了地基土层的承载性状，所得到的地基承载力特征值比前期工程提高了22%以上。

采用理论公式计算地基的临塑荷载和临界荷载时，剪切试验的指标对最终结果有直接影响，本工程中采用直接快剪指标更接近载荷试验的成果。

[1]GB50007-2002，建筑地基基础设计规范[S]．

[2]刘欣良，戴洪军，郭纪中．碎石类土地基承载力深度修正系数的探讨[J]．武汉大学学报，2006，39[S0]．

[3]钱家欢，殷宗泽．土工原理与计算(第二版) [M]．北京：中国水利水电出版社，2003．

[4]常士骠，张苏民，等．工程地质手册(第四版)[K]．北京：中国建筑工业出版社，2007.3．

[5]高大钊，袁聚云．土质学与土力学(第三版)[M]．北京：人民交通出版社．2008．

[6]顾晓鲁，钱鸿缙，等．地基与基础(第三版)[M]．北京：人民交通出版社，2003．

[7]DGJ32/J 12－2005，南京地区建筑地基基础设计规范[S]．

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[9]李镜培，陈乐意，梁发云．地基承载力理论计算公式在合肥地区适用性分析[J]．勘察科学技术，2009，(6)．

[10]毛群芳，徐四一．对天然地基承载力计算公式的理解和应用[J]．上海地质，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

戴洪军(1970-)，男，江苏扬州人，高级工程师，注册岩土工程师。