浅层载荷板试验在基础优化中应用研究

郑 聪

(福建天正建筑工程施工图审查事务有限公司 福建厦门 361000)

0 引言

福建沿海地区主要为岩浆岩分布地区，岩浆岩分布又以花岗岩为主，其风化岩和残积土承载力的取值是一个非常“吃”经验的工作，实际工程地勘报告所提供残积土的变形模量和承载力特征值通常由修正后的标准贯入击数通过公式推算[1]，并结合土工实验经验取值。如果当地经验不足，应通过现场载荷试验确定。福建省《建筑地基基础技术规范》[2]第5.2.4条要求：地基基础设计等级为甲级及缺乏经验和地质条件复杂的乙级的天然地基承载力特征值应通过现场载荷试验确定；厦门市住宅工程质量常见问题防治若干技术措施[3]在这方面更加严格：天然地基的承载力必须采用现场浅层平板载荷试验进行检验；福建省建筑工程质量安全总站主编的《福建省建筑工程施工文件管理规程》[4]亦规定：设计有要求或协议有约定的，地基应进行承载力检验；显然，载荷板试验结果可以作为各种确定天然地基承载力方法的有益补充和终极手段，在各种原位测试中是最为可靠的。

福建省内的甲级天然基础目前和厦门市住宅的天然基础基本是按当地经验值拟定天然地基的承载力特征值，然后再采用浅层载荷板试验进行工程验收检测。当进行为设计提供依据的载荷试验时，持力层应加载至极限状态，其得出的持力层承载力特征值有可能高于经验值，这就为基础优化设计提供了空间。

基于此，本文拟以福建某工程为案例，通过其新旧两种设计方案对比，探索浅层载荷板试验在基础优化中应用。

1 某住宅基础优化案例

某住宅小区采用4层地下室，上部单体最高21层,持力层为④残积黏性土。

1.1 场地工程地质状况

地勘报告中，④残积黏性土呈浅黄、褐黄等色，可塑～硬塑，饱和。成分由长石、石英砂粒粒及少量云母碎屑等组成，根据土工试验颗分结果，残积细粒土的天然含水量平均值为34.5%，塑限平均值为31.25%，液限平均值为41.33%，液性指数平均为0.31；其中大于2.00mm的颗粒含量小于5%，0.50～2mm的颗粒含量约为15.1～36.0%，0.25 mm～0.50mm的颗粒含量约为7.0～16.4%，0.075 mm～0.25 mm的颗粒含量约为3.0～9.9%，<0.075的颗粒含量约为46.0～68.9%。摇震反应无，干强度中等，韧性中等，光泽反应稍有光泽。原岩结构特征尚可辨认，母岩为花岗岩。该层在水平方向上风化程度较均一，但在垂直方向上风化程度则逐渐减弱、强度逐渐提高。实测标贯击数为<30击。基底下主要土层参数表和典型工程地质剖面图分别如表1和图1所示。

图1 典型工程地质剖面图

表1 基底下主要土层参数表

1.2 原基础设计方案

经计算，主楼筏板基础非地震工况的平均反力约420kPa,而残积土承载力特征值仅200kPa,故主楼基础采用长螺旋钻成孔压灌桩(CFG桩)复合地基方案。CFG桩桩身采用C35素砼，桩径450mm，设计桩长约12m，桩持力层为土状强风化花岗岩，要求处理后的复合地基承载力特征值不小于fspk=400kPa，并按1.5m正方形分布。

建设单位认为此方案工期较长且造价偏高，希望通过浅层载荷板试验提高持力层承载力，尽量减少或取消CFG桩。

1.3 现场浅层载荷板试验

试验由安装在地基顶面承载板的油压千斤顶进行逐级加荷，千斤顶所需的反力由砼试块堆重平台承担，地基沉降量由承载板4个角点对称安装的无线静荷载实验仪的位移传感器测读，承压板面积：1.0m×1.0m。试验加荷方式为慢速维持荷载法，委托的3个试验点最大试验荷载均为800kPa,取10级加载，每级荷载增量均为80Pa。

经检测，试验荷载达到720kPa时，沉降超过载荷板宽度的6%，取前一级荷载640kPa作为极限值，且变形值0.01b所对应的沉降皆大于极限值的一半，根据规范[5]第4.4.3条确定所检的3个点天然地基承载力特征值均为320kPa，具体如表2所示。

表2 载荷板检测结果

1.4 优化后的设计方案

从该工程基坑开挖后土层分布来看，其剩余残积土层厚度较小，下卧岩土层为工程特性指标较好的全风化、强风化等花岗岩，主楼变形计算深度范围内压缩模量的当量值较大。现取典型主楼筏板计算其沉降。

筏板尺寸14m×42m,按角点法计算筏板中心点总沉降量，其中b=7m，l=21m,l/b=3,全风化层面按基底2.8m,土状强风化花岗岩层面按基底8.4m,分层厚度Δz取2.8m，压缩模量按变形模量取值，P0=400-1×19-9×14=255 kPa,沉降量统计如表3所示。

表3 分层总和法计算地基沉降量

据表3可得总沉降量120.5mm,考虑沉降计算经验系数Ф=0.592，实际沉降量S=0.592×120.5=71.3mm。

从计算结果可以看出，土层开挖深度较深，持力层前期固结压力较大，主体对持力层实际的附加应力较小,实际附加应力产生的沉降满足规范要求。构造上，通过主楼周边设置沉降后浇带可以进一步控制主楼与纯地下室的沉降差。

结合沉降结果，确定地基承载力特征值按检测报告取320kPa，并适当加大筏板以减少持力层附加应力，④残积黏性土按纯地下室的折算厚度修正后的承载力特征值基本能满足设计要求。

由于花岗岩残积土一般具有泡水后易软化、崩解，使强度降低的不良特性，现场施工土层开挖时应采取措施避免扰动持力层并分块及时浇筑混凝土垫层。

2 载荷板结果与标贯公式差异较大的原因分析

规范[1]提供了残积土承载力特征值的验计算如式(1)：

fak=11.97N′+87.37

(1)

查地勘报告中WK11和WK13的标贯分层统计结果并代入公式(1)可得表4：

表4 标贯分层统计表

从上述计算可以看出，同一土层不同深度的标贯亦有较大差异，按实际基底深度标贯推算的承载力特征值约为260kPa,载荷板实验值与标贯计算值的比值320/260=1.23；地勘报告在拟定残积土承载力特征值时综合考虑土的物理力学指标和标贯结果，按经验取值为200kPa，载荷板实验值与地勘报告承载力参数的比值360/200=1.6。

实际上，载荷板实验与标贯经验公式有所差异是常见现象，但持力土层往往较厚，且由于勘察单位在作业时并不确定主体最终的基础形式和持力层标高，地勘报告只能按均质土层进行简化，当基础持力层位于土层下部时，其结果就会出现较大偏差。

也许可以考虑：在主体设计单位确定了基础之后，再反提给勘察单位，最后由勘察单位对承载力进行复核并确定是否需要变更。

3 载荷板试验确定土层承载力时存在的问题和对策

福建地区花岗岩残积土承载力有成熟的经验，一般采用标准贯入试验即可评价花岗岩残积土的力学特性。从上述案例可知，为设计提供依据的载荷试验的主要驱动力是建设方对经济性的追求，实际上就是想要取得比地勘报告中经验值更高的承载力特征值。

建设单位通常委托第三方检测公司对指定点进行载荷板试验，而检测公司仅对指定点的载荷板试验结果负责，这就造成设计单位直接使用载荷板试验结果作为设计依据时可能存在安全隐患。

3.1 检测点数量不足

规范[1]规定：载荷试验每个场地不宜少于3个，当场地内岩土体不均时，应适当增加。

《高层建筑岩土工程勘察标准》[6]第8.2.3条对岩土体是否不均匀提出了量化指标，但不均匀程度与检测点增加的数量没有对应的关系。建设单位考虑经济性和检测进度，实际工程中可能存在场地面积大、主体单体很多而检测数量仍然只有3个的情况。

对此，建议参考旋喷桩复合地基验收的静载做法增加试验点。基于目前复合地基静载试验是按单体主楼下不少于3台，笔者建议结合主楼数量考虑每栋主楼下选取1～3个试验点(场地主楼数量少时取大值)。

3.2 检测选点缺乏代表性

实际土层存在水平方向的不均匀，体现在同一土层不同区域的标准贯入度有所差异，甚至偏差很大。检测方为满足建设方需求，在选点时可能会特意选取标贯大的区域，而标贯越大、承载力越高，其检测结果可能不具有代表性。

实际土层存在垂直方向的不均匀，体现在持力层下同一土层厚度可能差异很大。一般认为载荷板下应力的主要影响范围为1.5～2倍承压板直径或宽度，当持力土层的下卧岩土层力学性能优于持力层，且持力土层厚度小于应力影响范围时，可以取得较高的检测结果。

因此，当建设方确定进行载荷板试验时，建议设计单位提前介入检测点选取，提高检测点的代表性，不应放任检测单位随意选取，以避免后期设计确定承载力时过于被动。

3.3 第三方检测公司的专业性可能不足

第三方检测公司的专业能力参差不齐，由于检测单位不对整体地基承载力负责，实际上也就不对后期的工程质量负责，再加上这类检测缺乏监管，其结果的可靠性可能不足。

考虑到承载力提高改变了原勘察报告提供的土体力学性能，如取值不妥，将严重威胁结构安全，勘察单位不应置身事外，且勘察单位在载荷板试验及持力层承载力取值上的专业性更不是检测单位或设计单位可以替代的。

对此，建议此类结果应由勘察单位提供补充勘察资料，作为设计单位的设计依据，建设方不应撇开勘察单位，仅由检测单位提供检测数据作为设计依据。

3.4 深基坑回弹再压缩的不利影响

多层地下室深基坑开挖后，基底持力层存在较大的坑底回弹。规范[2]规定的预压荷载仅5%，且终止加载的条件为累计沉降量不小于承压板边宽或直径的6%，假定承压板直径500，沉降超过30mm应终压，其载荷板检测结果可能偏小甚至严重不合理。

对于此类持力层，建议采用面积较大的承压板或结合基坑开挖深度内土体的自重压力(采用加权容重)适当提高预压荷载，同时基础设计应考虑回弹再压缩可能产生的更大的不均匀沉降的不利影响。

4 结语

由于载荷板试验确定土层承载力时存在不少问题，造成浅层载荷板试验数据可靠性可能不足，勘察、设计单位应提前介入，以提高检测数据质量。

目前，案例项目已快竣工，从反馈情况来看，沉降远小于计算值。可以看出，以平板载荷试验结果为依据，并提高地基承载力特征值来优化地基基础设计是可行的。从沉降控制角度来看，此方法尤其适合于深基坑的超固结土层。