广西水运工程地基承载力检测方法探讨

张　标，陈李红，刘姝麟

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



广西水运工程地基承载力检测方法探讨

张标，陈李红，刘姝麟

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

张标(1989—)，硕士，主要从事岩土工程和港口结构工程的研究工作;

陈李红(1985—)，主要从事水运工程实体结构检测和内审工作；

刘姝麟(1988—)，硕士，主要从事码头后方陆域检测和混凝土防腐材料研究工作。

摘要：广西沿海工程地基多为清淤吹填砂和回填开山土形成，常用的检测方法是标准贯入试验和浅层载荷板试验。文章分析了标准贯入试验的影响因素并验证经验公式的适用性，探讨了浅层平板载荷试验的压板尺寸和反力平台的影响，研究适用于广西水运工程的地基承载力检测方法。

关键词：水运工程；地基承载力；检测方法；标准贯入试验；平板载荷试验

0引言

随着广西北部湾港建设的推进，水运工程项目日渐增多，后方陆域地基处理技术越来越受到重视。前人的研究领域集中在地基处理的机理及适用性分析，对地基处理后的效果研究尚不多见。由于地基是多相组成，本身具有复杂性，相关的计算理论并不完善，地基处理后的状况特别是地基承载能力必须通过一定的检测手段来评定。

1检测方法评价

地基处理的效果评价有三块[1]：(1)强度及稳定性；(2)压缩和位移；(3)地基渗透量。承载力是地基处理结果的体现，位移着重于土基稳定性。地基与一般的工程建筑不同：(1)土体的组成复杂，单从土体构成的方面分析地基性质难度很大，就算将土体视作简单的固气液三相构成，地基处理过程中三者的力学性能也是不断变化的；(2)地基受原状地层影响很大，并非对上层土体进行处理就能保证地基不出问题，必须通过完整的勘探分析各土层性质，同时在地基处理过程中对土层进行监测，通过监测结果的反馈对施工进度、施工强度进行修正；(3)地基处理存在的问题有滞后性，一个地基工程投入使用之后可能过了几十年甚至上百年会出现大的偏心位移或者大面积的塌方，因此地基验收之后定期的地基检测也是十分必要的；(4)地基和一般工程建筑不同，具有自主改造性和溯源性，不是处理完成以后就一成不变只能被时间和各种外力因素损耗，地基加固以后随着时间推移固结度会增大，其中的各种空洞和薄弱会一点一点地被改造或被周围同化接受，因此地基破损试验对整个地基的影响会被无限地缩小，地基的自动溯源性会填补小范围的破损试验对地基带来的破坏。

地基承载力的检测手段大体分为两块[2]：(1)取芯样通过室内试验得到土体的抗剪强度指标，通过理论计算确定地基的极限承载力，然后除以安全系数得到容许承载力。这种方法的关键是土体抗剪强度指标的合理性。事实上，取得的土体芯样受扰动影响较大，测得的抗剪强度存在很大误差，因此我国地基规范对计算结果采用变化很大的经验系数进行修正，系数的选取很大程度取决于操作人员的个人经验。(2)通过原位测试得到与地基承载力相关的某些参数并通过经验公式换算得到地基承载力[3]。常见的原位测试包括平板载荷试验、标准贯入试验、动力触探、静力触探、十字板剪切试验等，原理上来说都是对地基加载并通过土层对受力的反馈评价地基状态。广西沿海水运工程地基多为清淤吹填砂和回填开山土形成，常见的地基处理方式包括振冲法和强夯法，考虑到操作性、适用性和经济性，常用的检测方法是标准贯入试验和浅层载荷板试验。

2标准贯入试验

标准贯入试验(SPT)是一定质量的重锤(63.5 kg)按一定的落距(76 cm)自由落下将贯入器打入土层中，根据贯入固定深度时需要的锤击数N确定土层情况，多用来评价砂土的密实度情况和黏性土的无侧限抗压强度，也有部分地区通过标贯的结果建立经验公式来判断地基承载力。

2.1　影响因素分析

标准贯入试验虽然操作简单，但试验结果会受地下水位和土的上覆压力等土体状况影响，国外对于这些因素的修正较多，而国内主要进行杆长的修正。杆件越长，锤击达到贯入器的能力衰减得越多，根据牛顿碰撞理论，通过锤击杆件传输应力波的能量变化远大于杆长变化时的能量衰减。因此过去建立的击数与土性参数、承载力都作杆长修正[4]，福建和南京地区地基基础设计规范(DBJ 13-07-91、DB32/112-95)按表1进行修正。而《水运工程岩土勘察规范》(JTS 133-2013)指出抗震规范评价砂土液化时不对N值作修正。

表1　标准贯入试验探杆长度校正系数表

2.2　地基承载力计算

尽管土体的密实情况和承载力是正相关的，密实度越好承载力越大，但是土质不同标贯击数和承载力的换算关系肯定有所区别，因此建立的标贯换算承载力公式不仅需考虑不同地区，更需要针对不同的土质情况。研究机构给出了标贯击数N和地基承载力fk(或比例界限p0)的经验公式如下[5]：

冶金部成都勘察公司建议黏性土公式：

P0=19N-74

(1)

湖北勘察院建议黏性土经验公式：

fk=80+20.2N,N=3~18

(2)

fk=152.6+17.48N,N=18~22

(3)

铁道部建议中砂、粗砂经验公式：

fk=-803+850N0.1

(4)

纺织工业部设计院建议细砂、中砂经验公式：

fk=105+10N

(5)

以钦州港两个码头后方地基检测得到的标贯击数按不同的经验公式计算承载力得到的平均值与静载试验结果对比见表2。A码头陆域2.24万m2，地基为回填开山土后强夯处理；B码头陆域1.13万m2，地基为回填砂振冲处理。

表2　标准贯入试验与载荷试验结果对比表

按照建议的经验公式计算的地基承载力比静载试验的结果大很多，可见对广西地区的适用性一般。广西目前仅有广西大学土木学院[6]给出广西区内新近系、古近系泥岩的承载力建议公式：

fk=899.478 lnN-1 756.948

(6)

通过南宁港某工程地基试验验证发现计算承载力结果偏大，适用性值得商榷。

3浅层平板载荷试验

平板载荷试验(PLT)是指通过承压板上向地基逐级施加荷载，测定土体承受的荷载与位移的相关关系，是最常用、最直接、结果最让人信服的地基承载力评价方法。由于土体本身能量传输的滞后性，不管通过何种方式反馈都需要时间，土体性能改变并非一蹴而就。土体是固气液的三相组成，加载瞬间以后的荷载一部分由土体中的气、液承担(主要是孔隙水压力)，而最终对土体起作用的仅是其中的固相(即土骨架颗粒之间的支撑力)，加载之后土体需要时间来消化和处理，载荷试验让土体有时间能够让孔隙水压力向有效应力转换，并得到更接近土体实际力学性状的结果。因为土体土层土质的复杂性，规范要求对载荷试验的安全系数很高，一般极限破坏承载力和容许承载力的比值应≥2，研究表明是过于保守的[7]。

3.1　压板尺寸影响

由于地基承载力并不只与土体性质有关，同时受基础尺寸、埋深等的影响，显然一般情况下的试验不可能做到和实际一致，因此需要考虑如何用小尺寸的承压板通过试验来反映实际大尺寸基础下的地基承载力问题。国内外的研究一般认为：相同压力情况下，沉降量随着压板尺寸的增大呈现“先增大、后减小、最终稳定”的趋势。周镜院士[8]指出：在一定荷载作用下，承压板直径20~30 cm时沉降量最小。不同规范对压板面积要求见表3。

表3　不同规范、规程要求的承压板面积数值表

以广西百色田东某港口工程为例，研究相同荷载(300 kPa)时不同压板直径情况下位移随加载变化，p-s曲线见图1，分析承压板直径b与最大沉降量s以及s/b的相关关系(见图2)，可见压板直径<0.25 m时，直径越大沉降越大；压板直径>0.25 m时，直径越大沉降越小；s/b随直径增大一直减小。

A.直径0.12 m刚性承压板

B.直径0.56 m刚性承压板

C.直径0.80 m刚性承压板

D.直径1.60 m刚性承压板

图2　压板直径b与沉降量s、s/b关系图

3.2　反力平台的影响

一般平板试验采用堆载或者地锚提供加载所需的反力，堆载笨重且安装复杂，而地锚对施工要求较大且重复利用性不好，考虑堆载能够提供持续的稳定的荷载，一般多用堆载法。

堆载法示意图见图3，试验过程中加载平台对压板周围土体造成挤压，加载前平台支撑引起的地基变形最大，加载过程中支架下方土体受力越来越小，变形逐渐恢复，卸载过程中支架下方变形越来越大，如果支撑离压板较近，平台引起的变形将对压板上按照的位移观测造成影响，因而规范规定试坑宽度应大于压板直径或宽度的3倍。

图3　平板载荷试验堆载法示意图

以广西百色田东某港口工程为例，研究相同承压板直径(0.80 m)时不同试坑宽度与最大沉降量、极限承载力情况，见图4。可见试坑宽度越大，即平台支撑离压板越远，传导的变形影响越小，所以最大沉降量越大、极限承载力越小，且影响始终存在，试坑宽度5 m以后趋于稳定。

4结语

广西沿海水运工程地基多为清淤吹填砂和回填开山土形成，最常用的承载力检测方法是标准贯入试验和浅层载荷板试验。本文探讨了这两种方法的影响因素和在广西水运工程地基方面的适用性。

(1)使用标贯击数N计算土性参数、承载力应作杆长修正，用于评价地基液化可不作修正。

(2)现有的标贯击数换算地基承载力经验公式并不适用于广西水运工程。

(3)浅层平板载荷试验压板直径<0.25 m时，直径越大沉降越大；压板直径>0.25 m时，直径越大沉降越小；s/b随直径增大呈现减小趋势。

图4　试坑宽度a与沉降量s、承载力fk关系图

(4)使用堆载法进行平板试验时反力平台会对试验结果造成影响，距离越远影响远小，建议试验时在条件许可的情况下尽可能增大试坑尺寸。

参考文献

[1]龚晓南.21世纪岩土工程发展展望[J].岩土工程学报，2000(2)：238-242.

[2]杨光华,姜燕，张玉成，等.确定地基承载力的新方法[J].岩土工程学报，2014(4)：597-603.

[3]BOLTON，LAU CK.Scale effects in the bearing capacity of granular soils[C].12th Int Conf of Soil Mechanics and Foundation Engineering.1989.

[4]JTS 133-2013，水运工程岩土勘察规范[S].

[5]工程地质手册(第四版)[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.

[6]杨琳琳，卢玉南，韦万正，等.广西新近系、古近系泥岩地基承载力评价[J].广西城镇建设，2010.4：87-90.

[7]辛明静.浅层平板载荷试验影响因素研究[D].兰州大学，2013.

[8]周镜.岩土工程中的几个问题[J].岩土工程学报，1999(1)：5-11.

Discussions on Foundation Bearing Capacity Detection Method of Guangxi Water Transport Engineering

ZHANG Biao，CHEN Li-hong，LIU Shu-lin

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：The foundation of Guangxi coastal engineering is mostly formed by filled sand dredging and moun-tain soil backfill，and the commonly used detection method is the standard penetration test and shallow load plate test.This article analyzed the influencing factors of standard penetration test and verified the applicabili-ty of empirical formula，discussed the effects of pressure-plate dimensions and reaction force platform in shallow plate load testing，and studied the foundation bearing capacity detection method suitable for water transport engineering in Guangxi.

Keywords：Water transport engineering； Foundation bearing capacity； Detection methods； SPT； Plate loading test

收稿日期：2015-05-02

文章编号：1673-4874(2015)05-0083-04

中图分类号：U445.55+1

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.023

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