强夯加固填土地基静载荷试验的尺寸效应研究*

  张小龙1，李  颖2

（1．同济大学岩土及地下工程教育部重点实验室，上海200092;2．上海同砚建筑规划设计有限公司，上海200092）

[摘要]对强夯加固填土厚度为10m的碎石土进行现场静载荷试验，在压板宽度选择时，考虑了相关规范所要求的最小值和承压板应力所能达到的影响深度的因素，选用宽度为1. 41，3.00，3.46，4.47m 4种规格正方形大面积压板进行现场静载荷试验，研究压板宽度对地基沉降、相对沉降比、土性参数、地基承载力的影响，得到了上述研究对象随着压板宽度的变化规律，并且给出了强夯填土地基静载荷试验压板宽度选取的范围。

[关键词]地基；强夯；静载荷；试验；尺寸效应

[中图分类号]TU472       [文章编号]1002-8498(2016)01-0052-04

0  引言

    关于强夯加固效果的检测方法有多种，目前静载荷试验是一种重要的模拟基础受力变形的原位测试方法，《建筑地基基础设计规范》GB50007-201 1中规定强夯地基的处理效果应采用载荷试验。至于采用何种尺寸的承压板，规定强夯地基压板面积应按处理深度确定并考虑压板的尺寸效应，应采用大压板载荷试验并且压板最小直径不得小于1m。规范虽然给出了载荷试验选取承压板尺寸的基本原则和最小值，但仍没有明确大压板的尺寸和其尺寸效应对地基检测结果的影响。

    关于承压板的尺寸效应，国内外学者均有研究。De Beer在砂层上研究承压板尺寸与沉降关系，发现沉降的增大或减小与压板尺寸的大小有关；冶金部勘察系统在太原黄土地区进行承压板与沉降关系的研究，得到了相似的结论；在天然地基和复合地基上研究承压板与沉降的关系，得到位移随承压板尺寸的增加而增大的结论；在砂土上通过试验研究表明，地基承载力并不是随基础尺寸的增加而呈线性增加，而是存在承载力系数随基础尺寸增加而减小的现象。韩晓雷在沙漠地区研究地基承载力特征值随承压板尺寸变化的基本规律，并给出了压板尺寸的取值范围为0.4~0.7m；张文龙在内蒙古粉细砂上研究地基承载力与承压板尺寸间的关系，得到一定深度内土层的地基承载力与压板的尺寸大小存在着一个界限值；肖兵在复合地基上通过大尺寸和小尺寸压板研究二者引起承载力的变化，对于复合地基静载荷试验存在偏于不安全的尺寸效应。王忠胜在均匀的填土上通过宽度为0.5~1. 2m的压板做静载荷试验，得到随着载荷板尺寸的增加，载荷板沉降会变小，而地基承载力会有所减小的结论。由上述可见，承压板尺寸效应的研究在各类土中展开，主要研究承压板尺寸对沉降和承载力的影响，因为各学者选取压板规格不尽相同，其研究结果也各有迥异。对于强夯加固厚填土地基静载荷试验，在满足规范前提条件下采用大面积压板的尺寸效应，目前还没有学者进行系统研究。

    本文通过现场一系列不同规格的静载荷试验研究压板的尺寸效应。在选择填土厚度和压板尺寸时，一方面考虑满足规范中压板尺寸的最小值，同时还考虑强夯有效加固深度及压板下应力影响最大的范围。进而研究压板尺寸与沉降之间的关系、压板尺寸对填土地基土性参数的影响、压板尺寸对地基承载力的影响，为检测人员对于强夯加固厚填土地基载荷试验的承压板选择提供借鉴。

1  方案设计

    根据规范，强夯填土地基有效加固深度为10m，压板尺寸直径≥1m。压板影响的深度约为其宽度的2倍。因此选择10m的填土厚度、正方形压板宽度在1~5m内进行各规格的静载荷试验。

1.1试验方法

    经强夯加固后，分别取压板边长为1. 41，3.00，3. 46，4.47m 4种规格的正方形大面积压板，压板编号分别为1，2，3，4。在10m厚的填土地基上进行慢速维持荷载法载荷试验，初始加载量80kPa，分9级加载，加载总量400kPa，每个规格进行6次试验，试验标准严格按照规范《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012进行。

1.2试验目的

    1)通过现场p-s荷载-沉降曲线随压板宽度的变化关系以及s/b随压板宽度的变化关系，研究压板宽度对沉降曲线的影响。

    2)通过各规格压板实测p-s曲线与通过切线模量法计算的p-s沉降曲线拟合比较分析，反演计算土性参数，研究压板尺寸对填土地基土性参数的影响。

    3)通过切线模量法的“双控原则”分别计算4个宽度的基础（用压板模拟，则基础埋深为0）的极限承载力和控制沉降为25mm时的承载力，二者取小值，研究压板尺寸对地基承载力的影响。

    4)通过地基土性参数反演，在强夯填土厚度10m的情况下，选择出尽量能反映地基实际情况的承压板尺寸，最后给出大压板尺寸的选择范围。

2现场试验概况

    试验场地位于丘陵谷地，深厚填土为大面积碎石土，平均厚度10m。强夯加固该填土的单击夯击能为8 000kN -m，夯距6m x6m，正三角形布置，隔行分2遍点夯，单点击数10~14击，最后2击平均夯沉量≤150mm为停夯标准，第3遍满夯，能级为2 000kN -m，夯点搭接1/3，每点3击。地基加固后要求新填土层地基承载力特征值≥200kPa。现场各规格静载荷试验按照试验方案进行。

3  试验成果及分析

3.1  压板宽度对沉降的影响

    4个规格的压板加荷400kPa时，各压板总沉降数据汇总如表1所示。

    沉降和相对沉降比随压板宽度的变化曲线如图1所示。

    从图1可以看出，总体上沉降s随压板宽度增大而增大，s/b随压板宽度增大而减小，可见，按规范取s/b=0.01来取定地基承载力特征值而不考虑压板宽度显然是不合适的。

3.2压板宽度对地基土性参数的影响

    4个规格的压板加荷400kPa时，地基土体没有破坏，属于缓变型p-s沉降曲线（见图2）。假设该类p-s沉降曲线为一双曲线方程：

式中：p u为压板试验的极限荷载；a，b均为系数。曲线的初始切线模量E0为：

式中：D为试验的压板直径；u为土的泊松比；w为系数。

式中：Et为压板底部位对应某一荷载p处增加一增量荷载△p时的土体等效切线模量。

其中：

式中：a为附加应力系数；b为基础宽度；y为土的重度，水下取浮重度；q为基础两侧的均布荷载；c为土的黏聚力；Nr，N q，N c为承载力系数。

分层总和法计算压板中点下的土层压缩量：

    绘制切线模量法的p-s沉降曲线，取地基要求的沉降所对应的地基承载力为f a。

式中：K为安全系数。

    切线模量法计算的p-s沉降曲线与现场实测p-s沉降曲线（选取3个点的试验数据）进行对比如图2所示。

    从图2可知每个规格的压板现场实测的p-s沉降曲线和切线模量法计算的p-s沉降曲线吻合较好，故可利用切线模量法计算地基土体的土性参数。各压板基于载荷试验数据反算的地基土性参数如表2所示。

    从表2可以看出填土地基的内摩擦角随着压板宽度增大而减小。

3.3压板宽度对地基承载力的影响

    根据切线模量法确定不同基础宽度的承载力，而不是通过现场p-s沉降曲线先确定地基承载力特征值，然后再根据不同基础设计作深宽修正，因为现场p-s沉降曲线确定地基承载力有以下不足：①当加载量为2倍设计值时土体没有明显破坏，那么地基极限承载力未知，地基承载力特征值也只能用不小于加载量的一半表示；②地基承载力的安全系数没有充分体现；③对于同一试验曲线，不同的设计人员对s/b取值不同，得到地基承载力特征值也不同，因而对同一土性承载力存在不唯一性；④在实际工程中，对于硬土，s/b<0.01的情况也常见，很难确定具体地基承载力特征值为多少。因此，采用切线模量法计算正方形独立基础宽度b=1. 41，3. 00，3.46 ,4. 47m时的地基承载力f a，计算结果如表3所示（设埋深为d=1. 5m，沉降控制为25mm，P25为沉降s=25mm时对应的地基承载力，因为按规范…独立基础沉降控制为25mm）。

    由表3可以看出：假设正方形独立基础埋深为1. 5m，地基极限承载力随着压板宽度增大而减小，地基承载力随着压板宽度增大而减小，安全系数随着压板宽度增大而增大。

3.4压板宽度的选择范围

    根据静载荷检测，地基土性参数c，妒随着压板宽度在变化（见表2），但是对于某种土来说，土性参数反映土性属性，是唯一的，如表4所示。

    各规格压板土性反演的平均值代表了本土体的属性，由表4可以看出此结果和2号压板即3. 00m×3.00m的压板计算得到的结果非常接近，故对于强夯作用加固10m厚填土地基，可用3. 00m×3.00m的承压板检测。

4结语

    1)总体上沉降随压板宽度的增大而增大，相对沉降比随压板宽度增大而减小。

    2)通过切线模量法反演地基土性参数得到填土地基的内摩擦角随着压板宽度增大而减小。

    3)假设正方形独立基础埋深为1. 5m，研究4种规格压板宽度的基础发现：地基极限承载力随着压板宽度增大而减小，地基承载力随着宽度增大而减小，安全系数随着压板宽度增大而增大。

    4)根据地基土性参数唯一的原则，故对于强夯作用加固10m厚填土地基，可选择3m宽压板做静载荷试验，对于强夯加固≤10m厚的填土地基的静载荷试验压板宽度选择范围为1~ 3m。