關于強夯加固填土地基靜載荷試驗的尺寸效應的探索
作者：張毅
關于承壓板的尺寸效應，國內外學者均有研究。De Beer在砂層上研究承壓板尺寸與沉降關系，發(fā)現沉降的增大或減小與壓板尺寸的大小有關；冶金部勘察系統在太原黃土地區(qū)進行承壓板與沉降關系的研究，得到了相似的結論；在天然地基和復合地基上研究承壓板與沉降的關系，得到位移隨承壓板尺寸的增加而增大的結論；在砂土上通過試驗研究表明，地基承載力并不是隨基礎尺寸的增加而呈線性增加，而是存在承載力系數隨基礎尺寸增加而減小的現象。韓曉雷在沙漠地區(qū)研究地基承載力特征值隨承壓板尺寸變化的基本規(guī)律，并給出了壓板尺寸的取值范圍為0.4~0.7m；張文龍在內蒙古粉細砂上研究地基承載力與承壓板尺寸間的關系，得到一定深度內土層的地基承載力與壓板的尺寸大小存在著一個界限值；肖兵在復合地基上通過大尺寸和小尺寸壓板研究二者引起承載力的變化，對于復合地基靜載荷試驗存在偏于不安全的尺寸效應。王忠勝在均勻的填土上通過寬度為0.5~1. 2m的壓板做靜載荷試驗，得到隨著載荷板尺寸的增加，載荷板沉降會變小，而地基承載力會有所減小的結論。由上述可見，承壓板尺寸效應的研究在各類土中展開，主要研究承壓板尺寸對沉降和承載力的影響，因為各學者選取壓板規(guī)格不盡相同，其研究結果也各有迥異。對于強夯加固厚填土地基靜載荷試驗，在滿足規(guī)范前提條件下采用大面積壓板的尺寸效應，目前還沒有學者進行系統研究。
本文通過現場一系列不同規(guī)格的靜載荷試驗研究壓板的尺寸效應。在選擇填土厚度和壓板尺寸時，一方面考慮滿足規(guī)范中壓板尺寸的最小值，同時還考慮強夯有效加固深度及壓板下應力影響最大的范圍。進而研究壓板尺寸與沉降之間的關系、壓板尺寸對填土地基土性參數的影響、壓板尺寸對地基承載力的影響，為檢測人員對于強夯加固厚填土地基載荷試驗的承壓板選擇提供借鑒。
1 方案設計
根據規(guī)范，強夯填土地基有效加固深度為10m，壓板尺寸直徑≥1m。壓板影響的深度約為其寬度的2倍。因此選擇10m的填土厚度、正方形壓板寬度在1~5m內進行各規(guī)格的靜載荷試驗。
1.1試驗方法
經強夯加固后，分別取壓板邊長為1. 41，3.00，3. 46，4.47m 4種規(guī)格的正方形大面積壓板，壓板編號分別為1，2，3，4。在10m厚的填土地基上進行慢速維持荷載法載荷試驗，初始加載量80kPa，分9級加載，加載總量400kPa，每個規(guī)格進行6次試驗，試驗標準嚴格按照規(guī)范《建筑地基處理技術規(guī)范》JGJ79-2012進行。
1.2試驗目的
1)通過現場p-s荷載-沉降曲線隨壓板寬度的變化關系以及s/b隨壓板寬度的變化關系，研究壓板寬度對沉降曲線的影響。
2)通過各規(guī)格壓板實測p-s曲線與通過切線模量法計算的p-s沉降曲線擬合比較分析，反演計算土性參數，研究壓板尺寸對填土地基土性參數的影響。
3)通過切線模量法的“雙控原則”分別計算4個寬度的基礎（用壓板模擬，則基礎埋深為0）的極限承載力和控制沉降為25mm時的承載力，二者取小值，研究壓板尺寸對地基承載力的影響。
4)通過地基土性參數反演，在強夯填土厚度10m的情況下，選擇出盡量能反映地基實際情況的承壓板尺寸，最后給出大壓板尺寸的選擇范圍。
2現場試驗概況
試驗場地位于丘陵谷地，深厚填土為大面積碎石土，平均厚度10m。強夯加固該填土的單擊夯擊能為8 000kN -m，夯距6m x6m，正三角形布置，隔行分2遍點夯，單點擊數10~14擊，最后2擊平均夯沉量≤150mm為停夯標準，第3遍滿夯，能級為2 000kN -m，夯點搭接1/3，每點3擊。地基加固后要求新填土層地基承載力特征值≥200kPa。現場各規(guī)格靜載荷試驗按照試驗方案進行。
3 試驗成果及分析
3.1 壓板寬度對沉降的影響
4個規(guī)格的壓板加荷400kPa時，各壓板總沉降數據匯總如表1所示。
沉降和相對沉降比隨壓板寬度的變化曲線如圖1所示。
從圖1可以看出，總體上沉降s隨壓板寬度增大而增大，s/b隨壓板寬度增大而減小，可見，按規(guī)范取s/b=0.01來取定地基承載力特征值而不考慮壓板寬度顯然是不合適的。
3.2壓板寬度對地基土性參數的影響
4個規(guī)格的壓板加荷400kPa時，地基土體沒有破壞，屬于緩變型p-s沉降曲線（見圖2）。假設該類p-s沉降曲線為一雙曲線方程：
式中：p u為壓板試驗的極限荷載；a，b均為系數。曲線的初始切線模量E0為：
式中：D為試驗的壓板直徑；u為土的泊松比；w為系數。
式中：Et為壓板底部位對應某一荷載p處增加一增量荷載△p時的土體等效切線模量。
其中：
式中：a為附加應力系數；b為基礎寬度；y為土的重度，水下取浮重度；q為基礎兩側的均布荷載；c為土的黏聚力；Nr，N q，N c為承載力系數。
分層總和法計算壓板中點下的土層壓縮量：
繪制切線模量法的p-s沉降曲線，取地基要求的沉降所對應的地基承載力為f a。
式中：K為安全系數。
切線模量法計算的p-s沉降曲線與現場實測p-s沉降曲線（選取3個點的試驗數據）進行對比如圖2所示。
從圖2可知每個規(guī)格的壓板現場實測的p-s沉降曲線和切線模量法計算的p-s沉降曲線吻合較好，故可利用切線模量法計算地基土體的土性參數。各壓板基于載荷試驗數據反算的地基土性參數如表2所示。
從表2可以看出填土地基的內摩擦角隨著壓板寬度增大而減小。
3.3壓板寬度對地基承載力的影響
根據切線模量法確定不同基礎寬度的承載力，而不是通過現場p-s沉降曲線先確定地基承載力特征值，然后再根據不同基礎設計作深寬修正，因為現場p-s沉降曲線確定地基承載力有以下不足：①當加載量為2倍設計值時土體沒有明顯破壞，那么地基極限承載力未知，地基承載力特征值也只能用不小于加載量的一半表示；②地基承載力的安全系數沒有充分體現；③對于同一試驗曲線，不同的設計人員對s/b取值不同，得到地基承載力特征值也不同，因而對同一土性承載力存在不唯一性；④在實際工程中，對于硬土，s/b<0.01的情況也常見，很難確定具體地基承載力特征值為多少。因此，采用切線模量法計算正方形獨立基礎寬度b=1. 41，3. 00，3.46 ,4. 47m時的地基承載力f a，計算結果如表3所示（設埋深為d=1. 5m，沉降控制為25mm，P25為沉降s=25mm時對應的地基承載力，因為按規(guī)范…獨立基礎沉降控制為25mm）。
由表3可以看出：假設正方形獨立基礎埋深為1. 5m，地基極限承載力隨著壓板寬度增大而減小，地基承載力隨著壓板寬度增大而減小，安全系數隨著壓板寬度增大而增大。
3.4壓板寬度的選擇范圍
根據靜載荷檢測，地基土性參數c，妒隨著壓板寬度在變化（見表2），但是對于某種土來說，土性參數反映土性屬性，是唯一的，如表4所示。
各規(guī)格壓板土性反演的平均值代表了本土體的屬性，由表4可以看出此結果和2號壓板即3. 00m×3.00m的壓板計算得到的結果非常接近，故對于強夯作用加固10m厚填土地基，可用3. 00m×3.00m的承壓板檢測。
4結語
1)總體上沉降隨壓板寬度的增大而增大，相對沉降比隨壓板寬度增大而減小。
2)通過切線模量法反演地基土性參數得到填土地基的內摩擦角隨著壓板寬度增大而減小。
3)假設正方形獨立基礎埋深為1. 5m，研究4種規(guī)格壓板寬度的基礎發(fā)現：地基極限承載力隨著壓板寬度增大而減小，地基承載力隨著寬度增大而減小，安全系數隨著壓板寬度增大而增大。
4)根據地基土性參數唯一的原則，故對于強夯作用加固10m厚填土地基，可選擇3m寬壓板做靜載荷試驗，對于強夯加固≤10m厚的填土地基的靜載荷試驗壓板寬度選擇范圍為1~ 3m。
5[摘要]對強夯加固填土厚度為10m的碎石土進行現場靜載荷試驗，在壓板寬度選擇時，考慮了相關規(guī)范所要求的最小值和承壓板應力所能達到的影響深度的因素，選用寬度為1. 41，3.00，3.46，4.47m 4種規(guī)格正方形大面積壓板進行現場靜載荷試驗，研究壓板寬度對地基沉降、相對沉降比、土性參數、地基承載力的影響，得到了上述研究對象隨著壓板寬度的變化規(guī)律，并且給出了強夯填土地基靜載荷試驗壓板寬度選取的范圍。
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