载荷试验在确定地基承载力与桩端阻力中的应用及误区浅析①

2022-09-09彭状

矿冶工程 2022年4期

彭状

（长沙荷花建设工程质量检测有限责任公司，湖南长沙 410116）

建筑物地基基础分为浅基础和深基础。浅基础指基础埋深不大于5 m或基础埋深小于基础宽度的基础，如扩展（独立）基础、联合基础、条形基础、柱下交叉条形基础、筏形基础、箱形基础、壳体基础等。浅基础地基设计和检测时其承载力参数是地基承载力特征值，该参数一般可通过浅层平板载荷试验或岩基载荷试验获得。深基础是指位于地基深处承载力较高的土层上，埋置深度大于5 m或埋置深度大于基础宽度的基础，如桩基、地下连续墙、墩基和沉井等，在工程建设中应用最多的深基础形式是桩基础。深基础埋深较大，以下部坚实土层或岩层作为持力层，其作用是把所承受的荷载相对集中地传递到地基的深层，而不像浅基础那样通过基础底面把所承受的荷载扩散分布于地基的浅层。桩基础的桩端岩土层设计和检测时一般采用的承载力参数是端阻力特征值（标准值），该参数可通过深层平板载荷试验或岩基载荷试验获得。

1 地基承载力与桩端阻力联系与区别

地基承载力是地基在保持稳定和变形满足要求时承受荷载的能力。地基承载力不是地基岩土自身固有的性能指标，它与基础的形式、埋深、平面尺寸等密切相关。一般常说的地基承载力专指浅基础地基承受荷载的能力。浅基础地基承载力问题属于土力学中的Boussinesq问题，理论上假设地基岩土层为半无限弹塑性体，上部结构传来的荷载作用于半无限体表面（即基础底面接触面），而不考虑基础侧面摩擦力。当达到地基极限承载力时，地基将发生滑动破坏，此时Boussinesq问题假定地基中形成的滑动面只发展到基底高程而不延伸到地面（见图1（a）），即对于基础侧面基底高程以上埋深范围内的土层，只考虑其自重作为超载作用于滑动土体上，而不考虑基础埋深范围内土体的抗剪强度作用［1］。

桩端阻力是指在荷载作用下桩底所受到地基土的轴向支承反力，它与土的类型及其物理力学性质以及桩的施工方式有关。随着桩底轴向位移增加，桩端阻力逐渐增大。桩端阻力属于土力学中的Mindlin理论范畴，当岩土层作为桩端持力层时，其埋置深度很深，桩侧土层很厚，上部结构传来的荷载应视为作用于半无限体的内部，此时不仅要考虑桩侧土层的自重作为超载作用于滑动土体上，还要考虑桩侧土层的抗剪强度对向上挤滑出趋势的抵抗作用，正因为抗剪强度的作用，在桩侧土层中形成的滑动面也不能穿出地面而是止于桩的侧面，形成所谓“梨形头”（见图1（b））。

图1 浅基础与深基础极限状态破坏模式

图1中，条形基础宽度为b，在地面以下埋置深度为Df。Meyerhof认为，浅基础滑动面可能向地面发展，在破坏时其破坏模式可能从侧面挤出；而深基础滑动面不可能发展至地面，而是交于基础侧面某一深度处［2］。深基础在极限状态下其破坏模式不是土挤出，而是由于大压力作用下剪切区和压密区相互作用使基础周围土体得到压密，在形成不大的剪切区的同时使沉降速率显著增大。

2 平板载荷试验

平板载荷试验（包括浅层、深层、岩基）是在现场采用反力装置通过承压板加载模拟建筑物基础受力条件、测定承压板下应力主要影响范围内岩土承载力和变形模量的原位测试方法。平板载荷试验可在试坑、深井或隧洞内进行，通过一定尺寸的承压板，对岩土体施加垂直荷载，观测岩土体在各级荷载下的下沉量，以研究岩土体在荷载作用下的变形特征，确定岩土体承载力、变形模量等工程特性［3］。

浅层平板载荷试验适用于确定浅部地基土层的承压板下应力主要影响范围内的承载力和变形参数，并特别要求试验基坑宽度不应小于承压板宽度或直径的3倍。深层平板载荷试验适用于确定深部地基土层及大直径桩桩端土层在承压板下应力主要影响范围内的承载力和变形参数，并特别要求其试验深度不应小于5 m，且紧靠承压板周围外侧土层高度应不少于1倍板径即80 cm。岩基载荷试验适用于确定完整、较完整、较破碎岩石地基作为天然地基或桩基础持力层时的承载力。

浅层、深层平板载荷试验与岩基载荷试验的区别首先是试验对象性质不同，岩基载荷试验地层是较破碎、较完整、完整岩层，浅层、深层平板载荷试验地层是土层或破碎、极破碎岩层。浅层平板与深层平板载荷试验的区别主要是应力条件和边界条件不一样，并非仅仅字面理解的载荷板所在位置的深浅，主要是看紧靠平板周围是否有边载，试验条件是在半无限体表面（Boussinesq问题）还是内部（Mindlin理论）［4］。浅层平板载荷试验荷载作用于浅部地基土层表面，载荷板周围一倍板径范围内不能有任何边载，其得出的地基承载力参数是浅基础的地基承载力特征值，尚需进行深宽修正。深层平板载荷试验荷载作用于岩土体深处内部，紧靠载荷板周围需有不小于一倍板径的边载，其得出的地基承载力参数作为沉井基础、地下连续墙基础的深部地基承载力特征值，试验结果已考虑深度效应，不再进行深度修正。在干作业法大直径桩端进行深层平板载荷（大直径桩端阻力载荷试验）时得出的地基承载力参数是桩端阻力特征值。

3 常见载荷试验应用误区及浅析

在工程实际应用中，需要特别注意浅层平板载荷试验和深层平板载荷试验的使用条件，根据工程地基基础形式和设计要求，正确合理地选择试验方法。如地面开挖1 m在设计基底标高进行独立基础持力层地基的平板载荷试验，在10 m深的基坑底做筏板地基土的平板载荷试验，在10 m的大直径人工挖孔桩扩大头孔底处（未在孔底开挖直径800 mm、深800 mm试验孔，姑且称为“假深层平板载荷试验”）进行的平板载荷试验，载荷板周边存在很大的临空面，没有紧靠的超载，这些严格说都属于浅层平板载荷试验。

在工程上会出现一些常见误区，比如：①深层平板载荷试验得出的是地基承载力特征值，错误地采用设计图上浅基础地基承载力特征值参数进行桩端的深层平板载荷试验，而未采用桩端阻力特征值进行试验（见图2（a））；②采用“假深层平板载荷试验”进行大直径扩底桩桩端岩土层端阻力检测（见图2（b））；③采用最大试验荷载为桩端持力层地基承载力特征值3倍进行桩端岩石地基载荷试验核验持力层，而非端阻力特征值的3倍（见图2（c））；④认为地基承载力参数是各岩层本身的固有属性和指标而与基础的类型并无直接关联。

图2 工程常见载荷试验应用误区（单位：mm）

误区①与误区③中存在对桩端阻力特征值与浅基础地基承载力特征值概念混淆的问题。虽然在现行建筑规范中浅层平板、深层平板和岩基载荷试验的结果都是地基承载力，但试验结果的应用不一样，部分规范指出岩土层桩端阻力特征值（标准值）可采用深层平板载荷试验确定［5⁃6］，另有规范则提出采用大直径桩端阻力载荷试验确定端阻力特征值［7］。前面已经提到，浅基础地基承载力是荷载作用于地基岩土半无限体表面，属于Boussinesq问题，遭到破坏时其滑裂面可以发展到基底面，未考虑周边土的抗剪强度和超载。桩端阻力是荷载作用于地基岩土半无限体内部，属于Mindlin理论范畴，遭到破坏时其滑裂面只能发展到桩周某一高度处无法挤出，要考虑周边土的抗剪强度和超载。深（桩）基础埋置于岩土层的内部深处，开挖前上部深厚岩土层的作用使其在基底处的起始应力水平较高，深基础侧面土体的土压力有利于深基础的稳定，深基础侧面土体的抗剪强度抵抗滑裂面的生成和向地面发展，这些因素都导致同一岩土层作为浅基础持力层时的地基承载力特征值与作为深（桩）基础持力层时端阻力特征值不同，显然，端阻力特征值要高于地基承载力特征值，同一土层的桩端阻力特征值一般可能是浅基础地基承载力特征值的3倍以上，因此，桩端阻力特征值（qpa）与浅基础地基承载力特征值（fak）是截然不同的两个参数，进行深层平板载荷试验时应采用设计提供的该桩形持力层岩土层桩端阻力特征值参数检测。

误区④中，认为地基承载力参数是各岩层本身的固有属性与指标而与基础的类型并无直接关联的观点有失偏颇。地基承载力与常见的材料容许强度或构件承载力概念不同，影响地基承载力的因素很多，与其本身特性即岩土性质有关，也与基础形式、宽度、埋深等有关。规范规定，对试验或经验确定的地基承载力根据基础宽度和埋置深度进行深宽修正［5］。规范关于单桩极限承载力计算的经验参数法中，不同的桩形成桩工艺、挤土效应以及对桩端土的扰动程度不同，其桩的极限端阻力标准值取值也不一样［7］。这都能说明，岩土层的承载能力不是各岩层本身的固有属性，其不仅与各岩层自身性质如密实度、固结度、抗剪强度等有关，还与其应力历史、埋置深度、基础形式、两侧超载等有密切关系。

误区②中扩大头孔底处进行的“假深层平板载荷试验”，虽然载荷板的位置较深，但紧靠板周没有边载，不能认为其符合荷载作用于半无限体内部的条件，其实质只是在桩端处进行的浅层平板载荷试验，其试验结果是浅基础地基承载力而非桩基础桩端阻力，用来检测桩端阻力特征值是错误的。这种情况下的检测桩端持力层端阻力的深层平板载荷试验应在开挖扩大头前先在桩孔底部开挖直径800 mm、深不小于800 mm试验孔，放入直径800 mm的载荷板进行深层平板载荷试验（见图3（a）），试验完成后再开挖扩大头。如果是深度不小于5 m、孔径刚好为载荷板直径800 mm的桩孔井底（无扩大头），则不需要再开挖试验孔，可直接在四周紧贴板边的井底进行试验（见图3（b））。当桩端持力层为完整、较完整、较破碎的基岩时，如果采用深层平板载荷试验检测，由于其载荷板面积较大，要求的堆载反力也很大，采用传力柱传力到孔底时存在很大的安全隐患，可以采用井底的岩基载荷试验代替。规范对岩基载荷试验的试坑宽度和载荷板四周边载并无要求，为更好地符合桩端阻力的理论假设，建议参考深层平板载荷试验于扩大头开挖前在井底开挖紧贴岩基载荷板四周的深度不小于300 mm、直径300 mm的试验孔进行岩基载荷试验（见图3（c））。