软土地区古建筑修复地基承载力设计参数取值研究

刘洪涛 陶东新

摘要：宁波属于典型的软土地基区，其大市范围的古建筑基础底面一般置于淤泥质土中，古建筑物修复时主要涉及的地基设计参数有承载力和压缩模量。而浅层平板载荷试验适用于测定浅层地基土的承载力特征值和变形模量，也被认为是各种原位测试中最为可靠的手段。本文以宁波江北天主教堂修复项目为工程实例，就由浅层平板载荷试验得出的地基承载力特征值 、变形模量 ，与公式计算得到的地基承载力特征值 、室内土工试验得出的压缩模量 ，进行简单的分析比较。

关键词：浅层平板载荷试验；承载力特征值；压缩模量；变形模量

1前言

宁波江北天主教堂始建于公元1872年，为全国重点文物保护单位，是典型的哥特式建筑，于2014年7月被大火严重烧毁。我们有幸参与了该项目修复的地质勘察工作，采用坑探、钻探、静力触探及浅层平板载荷试验等手段为该项目提供了较为详尽的地质资料。

关于由两种方法得到的地基土承载力特征值、变形模量与压缩模量间的关系，已有较多的研究资料。但宁波作为典型的软土地区，该方面的经验总结较少，笔者以此项目为契机，整理了相关数据，并陈述了自己一些体会。

2 场地地层情况简述

场地位于宁波市江北区中马路20号，东侧为甬江，西侧为人民路。经现场坑探显示，教堂基础为条石基础，宽度约60cm，埋深约80cm，其影响深度范围内主要土层为：

Z层 杂填土，杂色，由粘性土、碎、块石、砼块组成，土体结构稍密，土质不均匀，层顶敷设水泥砖，局部孔段砼块径达50cm以上，层厚0.70～4.00m左右。

1层 淤泥质粉质粘土：褐灰色，流塑状，局部孔段软塑状，高压缩性，层厚0.70～1.30米。

2-1层 淤泥质粉质粘土：灰色，流塑状，高压缩性，层厚0.50～1.30米。

2-2层淤泥质粉质粘土：灰色，流塑～软塑状，高压缩性，层厚0.50～2.00米。

2-3层 淤泥质粉质粘土：灰色，流塑状，高压缩性，层厚14.20～18.00米。场地地基土物理力学指标见表1

场地土层物理力学性质指标一览 表 1

本次浅层平板载荷试验置于第1层淤泥质粉质粘土层顶。

3 试验方法

3.1试验过程

设计要求地基承载力特征值不小于80kPa，本次试验最大加载量为设计值2倍，即160 kPa，承压板为圆形，面积为0.5m2，分8级加载，分级荷载为20 kPa。加压采用RSS302型电动油压千斤顶及与之配套的高压油泵加压，圆形承压板对称布置4只量程为50mm的位移传感器（精度为0.01mm），配备RS—JYC型荷载测试分析仪自动测读记录沉降数据。具体试验过程按《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011 附录C进行，本文不再赘述。

3.2试验数据分析

1）确定地基土承载力特征值

我们对该项目场地内做了3个点的平板载荷试验。试1点加载至设计要求荷载，试2点、试3点在加载至140 kPa时，均满足GB50007-2011 附录C C.0.5条有关终止加载的条件，遂终止加载。实测P-S曲线见下图：

试1（总沉降7.66mm）

试2（总沉降55.30mm）

试3（总沉降56.87mm）

荷载与沉降数据见下页表2：

根据GB50007-2011第C.0.7条，地基土承载力特征值可按以下方法确定：

A） 当p-s曲线上有明显比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值；

B） 在p-s曲线或s-lgt曲线上能确定极限荷载，且该值小于对应比例界限的荷载值1.5倍时，取极限荷載的1/2；

C） 当不能按上述两条确定时，如压板面积为0.25～0.50m2，取某一相对沉降值（即s/d，d为承压板宽度）所对应的荷载为地基土承载力基本值。对于低压缩性土和砂土，可取s/d=0.01～0.015所对应的荷载值；

综上，试1、试2、试3点的地基土承载力特征值 、 、 分别为：80kPa、60kPa、60kPa。其极差未超过平均值的30%，取其算术平均值 kPa作为场地内第1层淤泥质粉质粘土的承载力特征值。

2）估算变形模量

据《岩土工程勘察规范》GB50021-2001第10.2.5条，浅层平板试验的变形模量 （MPa），可按下式计算：

式中： ——刚性承压板形状系数，本次试验为圆形承压板取0.785；

μ——土的泊松比，本次试验取0.38；

——承压板直径，为0.8m；

—— 曲线线性段的压力（kPa）；

——与 对应的沉降（mm）。

对试1、试2、试3点，我们均取 为60 kPa时对应的沉降3.96mm、9.62mm、8.17mm（表2阴影部分数据）计算变形模量 。得 、 、 ，其算术平均值 。

4 数据比较

4.1地基承载力特征值比较

上述可知，由浅层平板载荷试验确定的地基土承载力特征值为 kPa，据GB50007-2011第5.2.4条，尚应按下式修正：

（式中各符号含义详见规范）

各试点荷载与沉降数据 表2

原教堂条石基础宽度b=0.6m<3.0m，所以b按3m取值； 取1.0， 取20KN/m3，d取0.8m。得 =72.7 kPa。

我们再根据GB50007-2011第5.2.5条，采用第1层土的抗剪强度指标来计算地基土承载力特征值。公式如下：

（式中各符号含义详见规范）

第1层土抗剪强度指标详见表1，查GB50007-2011表5.25得 、 、 ；其层顶位于地下水位以下，其浮重度 ，

得 =69.9 kPa。

由淺层平板载荷试验确定的地基土承载力特征值与由抗剪强度计算的地基土承载力特征值较为接近。

4.2压缩模量与变形模量比较

由于变形模量为 =60 kPa时对应的沉降得出，我们取 曲线上50～100 kPa压力段计算压缩模量 。 曲线及计算结果见下图：

得 。变形模量与压缩模量相比： 。

变形模量与压缩模量最大区别在于：变形模量允许土在侧向自由膨胀。变形模量与压缩模量的理论关系为 （ ），该式表明理论上变形模量不大于压缩模量。但实测资料显示， 与 比值并不像理论得到的在0～1之间变化，其比值一般超过1，根据全国调查资料，淤泥及淤泥质土的 / 比值一般变化范围为1.05～2.97。本次试验结果为2.53，也较好的印证了该调查结果。

5 结语

1）由浅层平板载荷试验及由抗剪强度指标确定的地基土承载力特征值较为吻合，二者也均符合宁波软土地基的工程实际。但宁波地区由两者确定的地基承载力之间存在何种线性关系，尚应进一步积累资料研究。

2）造成压缩模量小于变形模量的原因主要有：压缩试验的土样容易扰动；荷载试验与压缩试验的加荷速率、压缩稳定的标准不一样；土的泊松比不易精确确定等。笔者认为除以上原因外，现场勘探工作不规范也是造成此差异的主要因素。主要表现为：现场勘探人员从业素质不高，未严格按照钻探与取样技术要求作业；荷载试验过程中，由于测试仪器自动化程度不高，人为干扰太大。因此，提升现场工作人员的职业素质，采用自动化的测试仪器也是当前勘察工作中亟待解决的问题。

参考文献：

[1]高大钊.土力学与岩土工程师——岩土工程疑难问题答疑笔记整理之一[M].北京：人民交通出版社，2008.231-234

[2]张克恭，刘松玉.土力学[M].北京：中国建筑工业出版社，2001.90-100

[3]岩土工程勘察规范（GB50021-2001）[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.101-103

[4]建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.22-24

[5]刘洪涛，陶东新.宁波市江北天主教堂修复项目岩土工程勘察报告[R].浙江省华厦工程勘察院，2014