摘 要：軟弱地基土層的極限承載力、允許承載力等工 程力學特性是設計大型隧道、船塢和橋梁基礎前必須解決的重要技術問題，本文結合浙江寧 波甬江隧道工程進行的平板靜載試驗，開展了具體的研究工作。
關鍵詞：淺層地基 平板 靜載 試驗 研究

1 前言

我國江浙地區皆為海相沉積層地表，由粘土、粘質粉土和砂土組成，工程地質條件較差。如 在此上建淺基礎的大型隧道、船塢及橋梁基礎，首先需研究基礎土壤的極限承載力、允許承 載力，以及不同荷載下基礎的相對穩定沉降量及相應的固結時間、地基土壤的變形模量值等 工程力學特性。現場平板靜力載荷試驗是取得基礎土壤工程力學特性的最好、最直接的方法 。國內外工程設計人員在此方面已作了大量的試驗研究工作，如美國的卡爾·太沙基、俄羅 斯的普列斯·崔托維奇、我國的原冶金部等都對靜力載荷試驗作了大量研究，后者還制定了 試驗規程。但由于各地地質情況不同，結構物的類型、尺寸不同，故所用承壓板的大小不同 ，試驗結果也就不盡相同。本文通過在浙江寧波甬江隧道工程中對鋼筋混凝土管段預制場土 塢的一次靜力載荷試驗，分析研究了軟弱地基土層的極限承載力、允許承載力等工程力學特 性，進一步了解軟弱地基經開挖后基礎土壤的承載情況，并以此來豐富此項研究工作。

2 平板靜力載荷試驗

2.1 試驗設備
試驗設備由承壓板、加載裝置及沉降觀測裝置三部分組成。
2.1.1 承壓板
承壓板面積大小對試驗土基的沉降量和極限承載力均有一定的影響。美國卡爾·太沙基、俄 羅斯普列斯·崔托維奇、我國原冶金部所作不同面積承壓板的對比試驗表明：當承壓板邊長 B值小于30cm時，土基沉降S值將隨邊長B值減小而增大；當B值大于30cm時，土基沉降S值將 隨B值增加而增大。并且當承壓板邊長B大于5m后，土基沉降S值將不隨B值增加而增大。根據 現場實際情況和有關規定，本次試驗采用的承壓板為100×100cm方形承壓板。?
2.1.2 加荷裝置
考慮到土壤沉降量，承壓板到載荷臺之間應有足夠的沉降高度以防意外情況。試驗中設計了 90cm高的載荷鋼質臺架，并為保持均勻沉降，在載荷臺上設置了東南西北四個放大的沉降觀 測臂（如圖1），放大率為3倍。載荷承臺邊長200×200cm，中間放置每塊重310～530kg的鋼 錠，作為載荷試驗的主荷載，邊緣30cm周圈設置總重為2t、單重為50kg的小鐵塊，作為調整 載荷重心的平衡錘，控制承壓板的傾斜度。

圖1 試驗現場布置圖

2.1.3 沉降觀測裝置?
在載荷臺沉降觀測臂的對應位置設置固定的沉降觀測臺座，通過磁性臺座及電阻式線位傳感 器在控制室內用應變儀觀測載荷臺的沉降量，分別計算出AC沉降線及BD沉降線中心的沉降量 ，其平均值即為承壓板的沉降量。?
2.2 試驗方法
2.2.1 加載重量設計
根據本工程地質原位測試報告， 用美國太沙基經驗公式
Pu=(1.2CNe+rDfNq)B2，預估載荷試驗土壤的極限承載力Pu=284.2kPa(29t/m2)，按每級荷載增量為1/10的極限 承載力施加荷重，即每級可施加3t，待前級荷載沉降速率達到相對穩定后再加下級荷載。
2.2.2 沉降量觀測方法
采用相對穩定法，自加荷開始按10、10、10、15、15、30、60min的時間間隙觀測沉降量， 以后每隔60min觀測一次，直到60min的沉降量不大于0.1mm為止。按A、B、C、D 四個測點的沉降記錄值分別計算AC沉降線中心處的沉降量及BD沉降線中心處的沉降量，取這 兩個中心沉降量的平均值作為承壓板的沉降量。
2.3 試驗結果
預估土壤極限承載能力為284.2kPa(29t/m2)，每次加荷采用2t到3t。試驗實際加載10 次，歷時15天，總載荷重量P值已達到232.11kPa(23.68t/m2)，土壤未發生整體剪切破壞 ，但此時地基土壤發生了較大的壓縮變形，總沉降量S值達到264.127mm，根據試驗中各級荷 載的實際重量P值及相應的相對穩定沉降量S值，繪制P～S關系曲線（如圖2所示）。從P～S 曲線上看，曲線沒有明顯的轉折點，整個變形過程是隨著荷載增加土體產生壓縮變形。如果 試驗中繼續加載，地基土壤還能承受，只是產生更大的壓縮變形，故繼續加載的實用意義不大。

圖2 P～S關系曲線

3 試驗結果分析

3.1 從P～S曲線確定比例界限壓力Pcr和極限壓力Pu
根據P～S曲線可明顯地看到基礎土壤應力應變成線形關系的彈性變形范圍很小，從曲線中可 明顯發現，呈現直線段的轉折點在20kPa處，所以可以認為基礎土壤的臨塑荷載（比較界 限 壓力）Pcr=20kPa。隨后基礎土壤就進入彈塑性變形范圍，隨著荷載的增加P～S曲線呈曲線 狀，當荷載P值增加到90kPa后，現場可發現基礎邊緣處的土壤開始有隆起和出現裂縫，說明 基礎土壤已呈現局部剪切破壞區（塑性破壞區），隨P值繼續增加到108kPa，基礎邊緣局部 剪切破壞區的范圍并無明顯發展，但S值與P值則呈線形關系遞增。P～S的這種線形關系一直 保持到P值達232kPa試驗結束。此現象可以清楚地說明基礎土壤的剪切破壞區只是發生在臺 座邊緣的局部范圍，土壤內部沒有出現連續的滑動面，隨著荷載P值的增加，臺座隨著土壤 的壓縮垂直地向下沉降，預計最后將因基礎側面附近的垂直剪切破壞而破壞。?
因P～S曲線并無出現表示基礎土壤發生破壞的轉折點，確定基礎土壤極限壓力只能按總沉降 量等于加荷承壓板寬度的1/10時的P值為標準，則Pu=109kPa。
3.2 確定地基土壤允許承載力［P］
(1)根據極限壓力法

［P］＝Pu/Fs

式中，Fs為安全因素，取用2.5，?
故［P］＝109/2.5＝43.6kPa?
(2)按P～S曲線沉降量為承壓板0.02B時所對應的P值為允許承載力［P］值：

［P］＝P0.02B＝45kPa

3.3 根據P～S曲線計算土壤變形模量
土壤變形模量是隨著地基承受的壓力變化的，根據原水利部電力部1988年頒布的土工試驗規 程，其規律為：

E?0=0.95 (1-μ?2)B〖SX(〗P〖〗S〖SX)〗?

式中：E0--試驗土層的變形模量，kPa；
P--荷載，kPa；?〖KG*2〗
S--對應于施加荷載的沉降量，cm；
B--承壓板的邊長，B=100cm；
μ--泊桑比，μ=0.5。
現計算出P～S曲線上P值在150kPa以內的E?0值，并繪制變化曲線(見圖3)。

圖3 P～E?0關系曲線

3.4 利用原位測試P～S曲線成果預估實際構造物的地基沉降
利用原位載荷試驗P～S曲線來計算實際構造物的地基變形是工程上迫切希望解決的問題，但 由于影響構造物地基變形的因素中，既有承壓板幾何尺寸的因素，又有基礎下土壤物理性質 的因素，所以要利用一條地面淺層平板載荷試驗的P～S曲線來明確地解答實際構造物的沉降 量數值十分困難，只能根據有關資料預估出地基的沉降量。?
本次試驗場是隧道工程鋼筋混凝土管段預制場，實際構造物為沉箱管段，尺寸為寬度B=12m ，長度L=85m。根據工程地質資料，基礎表層有1m深的淤泥層，下臥3.5m亞粘土、5m淤泥質 粘土，中間夾有砂質土，再向下為具有較好工程特性的土壤。
(1)假定地基為半無限均質粘性土，管段制作期沉降量的尺度影響為：

Sj=S′（BT/B）

式中：Sj--管段基礎的預估沉降量，cm；
S′--與基礎底面壓力值相一致的荷?載級下的沉降量，cm；
BT--管段短邊寬度，cm；
B--P～S曲線承壓板寬度，cm。

可計算出S?j=S′1200/100=12S′，即管段的實際沉降量將是同級荷載下P～S曲線上沉降量 的12倍。?
(2)假定地基為半無限均質砂性土，管段制作期沉降量的尺度影響如下：

可算出Sj=S′(1200/100)2/(130/1230)2=1.6S′，即管段的實際沉降量將是同級荷載 下P～S曲線上沉降量的1.6倍。
(3)假定地基為半無限砂性、粘性土混合體，由于實際地基為粘性土、砂性土的分層狀土質 ，故可將二種土質的沉降影響疊加后混合考慮 ，可采用下式計算沉降量的尺度影響：?

（12S’+1.6S’)/2=6.8S’

即管段的實際沉降量將是同級荷載下P～S曲線上沉降量的6.8倍。?

4 討論

由不同假定得出的預估沉降量差距十分顯著，而可能的最終沉降量數值是工程設計的一個關 鍵控制因素，如按現在計算出的用靜載荷試驗（B=1m寬的方形板）P～S曲線上相對應的S值 增大6.8倍來預估同級荷載條件下實際管段沉降量數值是否足夠，亦就變成一個關鍵性的問 題，由此有必要對基礎寬度B與地基沉降量的關系作深入分析討論：?
砂土地基沉降量受基礎寬度影響是有限度的。基礎寬度B反映靈敏的區段是B= 0.3～3.0m ，在這個尺度范圍內沉降量可有三倍的變化，即當同級荷載時用B=0.3m的基礎做試驗所得P ～S曲線來反映B=3m的基礎的沉降量可有三倍的增量，這種增量到B無窮時亦只有四倍。按同 現在一樣用B=1m寬承壓板所得P～S曲線來計算B值增加的影響較小，即當B 值增加到1000倍時沉降量的增加亦只能達到1.69倍。?
粘土地基沉降量受基礎寬度影響的數值，就現有經驗公式來分析它的影響是同寬度B值成 正比關系，但這種線形正比關系究竟能保持到什么范圍？是否亦應是一個 有趨于穩定界限的影響因素？這還應在今后的工程實踐中進行必要的觀測研究。根據有關粘 土地基上方形基礎和條形基礎在同級荷載條件下沉降量與地基寬度B的關系數值計算資料 ，可以得到沉箱管段基礎為12m的粘性土沉降量將為本試驗B=1m寬承壓 板所得P～S曲線上同級荷載的5～8倍，所以前述的6.8倍的增值系數是合理的。