楊光華
(廣東省水利水電科學(xué)研究院/廣東省巖土工程技術(shù)研究中心,廣東 廣州 510610)
地基承載力的確定是土力學(xué)的基本問題,自1925年Terzaghi創(chuàng)立土力學(xué)到目前已近百年,但如何科學(xué)合理確定地基的承載力仍是一個(gè)未能很好解決的問題。目前工程中確定地基承載力最通常的方法是確定地基的極限承載力,取極限承載力除以安全系數(shù),得到地基強(qiáng)度安全的承載力,安全系數(shù)K=2~3,然后再復(fù)核對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)變形,如果變形允許,則強(qiáng)度安全的承載力即為允許的地基承載力,否則,就降低承載力,使變形滿足要求。因此理論上要保證強(qiáng)度安全和變形控制的兩個(gè)承載力的小值,就是地基承載力的允許值。現(xiàn)在存在的困難是,嚴(yán)格的地基極限承載力難以確定,地基沉降變形難以準(zhǔn)確計(jì)算。由于強(qiáng)度承載力有足夠的安全儲(chǔ)備,況且一般工程確定的極限承載力通常有一定的保守性,故即使有一定的誤差,安全一般問題不大,但變形計(jì)算較難計(jì)算準(zhǔn)確,通常是按線彈性力學(xué)方法計(jì)算變形,或按線彈性力學(xué)方法計(jì)算的應(yīng)力分布,用壓縮試驗(yàn)的e-p曲線計(jì)算地基的壓縮變形,與實(shí)際的差異則采用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行修正,如國家建筑地基規(guī)范的經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)為 1.4~0.2[1],變化范圍較大。變形計(jì)算不準(zhǔn),對(duì)應(yīng)變形要求的承載力就難定準(zhǔn)。因此,理論上,目前地基的極限承載力和變形計(jì)算都難以嚴(yán)格準(zhǔn)確,尤其是變形難算準(zhǔn)。工程實(shí)踐中只能采用保守的方法來保證工程安全,這樣可能會(huì)造成工程浪費(fèi)。因此,地基承載力問題,無論是作為一個(gè)科學(xué)問題,還是工程問題,都是沒有解決好的難題,有必要深入研究,提高地基承載力合理確定的水平,以提高地基基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)水平。
通常認(rèn)為現(xiàn)場(chǎng)壓板載荷試驗(yàn)確定地基承載力是最可靠的,因?yàn)橥ǔS赏恋氖覂?nèi)試驗(yàn)強(qiáng)度指標(biāo),按理論公式計(jì)算的承載力畢竟是有一定假設(shè)下的理論值,況且其計(jì)算所依據(jù)的室內(nèi)試驗(yàn)指標(biāo)與現(xiàn)場(chǎng)原位土可能還有差異,計(jì)算值與實(shí)際還是有差異的。壓板載荷試驗(yàn)獲得的是壓板尺寸下的荷載沉降變形曲線,并不是真實(shí)基礎(chǔ)尺寸下的荷載沉降曲線,由于真實(shí)基礎(chǔ)的尺寸與壓板尺寸不同,應(yīng)力影響的深度和影響的土層不同,因此,壓板載荷試驗(yàn)雖是最接近真實(shí)基礎(chǔ)的試驗(yàn),但還不能直接由壓板載荷的試驗(yàn)曲線嚴(yán)格確定實(shí)際基礎(chǔ)的地基承載力。
那么目前規(guī)范怎么解決這個(gè)問題的呢?利用壓板載荷試驗(yàn)確定地基承載力的方法,以國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50007—2011)的附錄要求為例[1]。
(1)極限荷載
當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí),即可終止加載:
a)承壓板周圍的土明顯地側(cè)向擠出;
b)沉降s急驟增大,荷載-沉降(p-s)曲線出現(xiàn)陡降段;
c)在某一級(jí)荷載下,24 h內(nèi)沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn);
d)沉降量與承壓板寬度或直徑之比大于或等于0.06。
(2)地基承載力特征值
a)當(dāng)p-s曲線上有比例界限時(shí),取該比例界限所對(duì)應(yīng)的荷載值;
b)當(dāng)極限荷載值小于對(duì)應(yīng)比例界限的荷載值的兩倍時(shí),取極限荷載值的一半;
c)當(dāng)不能按上述二款要求確定時(shí),當(dāng)壓板面積為0.25~0.5 m2,可取沉降比s/b=0.01~0.015所對(duì)應(yīng)的荷載,但其值不應(yīng)大于最大加載值的一半。
規(guī)范的確定方法是綜合了理論與經(jīng)驗(yàn)的成果。
關(guān)于極限承載力,這個(gè)試驗(yàn)所確定的是對(duì)應(yīng)于壓板尺寸的極限承載力,因?yàn)榘吹鼗鶚O限承載力計(jì)算理論,地基的極限承載力由土的強(qiáng)度指標(biāo)和基礎(chǔ)尺寸、埋深等因素所確定,壓板試驗(yàn)是無埋深的,因此,壓板試驗(yàn)所得的極限承載力不代表真實(shí)基礎(chǔ)下的地基極限承載力。但尺寸大、埋深大,極限承載力會(huì)增大,實(shí)際基礎(chǔ)尺寸一般大于試驗(yàn)壓板尺寸并且有埋深,因此實(shí)際基礎(chǔ)的地基極限承載力大于壓板確定的極限承載力。而地基極限承載力的嚴(yán)格確定其實(shí)也還是困難的[2],計(jì)算是理論的結(jié)果,是有假設(shè)的,即使是壓板試驗(yàn),也不一定能試驗(yàn)到破壞的狀態(tài),因此,規(guī)范則用沉降比為0.06來確定地基的極限承載力[1]。
關(guān)于地基承載力特征值,同樣,壓板試驗(yàn)所得的承載力特征值還不是真實(shí)基礎(chǔ)下的特征值,因此,規(guī)范給出了依據(jù)土性而進(jìn)行基礎(chǔ)寬度和深度修正后才得出實(shí)際基礎(chǔ)下的承載力特征值,稱為修正的承載力特征值,這一修正也是半理論半經(jīng)驗(yàn)的方法。這樣的修正是能保證地基強(qiáng)度安全的,因?yàn)樘卣髦当WC了安全系數(shù)是2,強(qiáng)度是有安全儲(chǔ)備的。但這樣確定的特征值不能保證實(shí)際基礎(chǔ)的變形能滿足要求,因?yàn)閷?shí)際基礎(chǔ)尺寸大,相同壓力下,基礎(chǔ)沉降大于壓板沉降,尺寸效應(yīng)的沉降關(guān)系沒有解決,雖然承載力特征值采用了沉降比的方法確定,但對(duì)應(yīng)實(shí)際基礎(chǔ)的沉降必然是大于壓板試驗(yàn)的沉降,如果簡單的按半無限線彈性體考慮,按承載力確定的沉降比值,基礎(chǔ)沉降變形為基礎(chǔ)寬度的0.01~0.015,如果一個(gè)3 m寬的基礎(chǔ),則可能的沉降為3~4.5 cm,如果基礎(chǔ)的沉降以3 cm控制,按沉降比確定的承載力可用的基礎(chǔ)寬度應(yīng)該是3 m以內(nèi)為好,基礎(chǔ)寬度大了,沉降會(huì)變大,如上海展覽館[3],采用箱型天然地基,承載力滿足壓板試驗(yàn)的沉降比0.02,但基礎(chǔ)寬度40 m多,沉降達(dá)160 cm。因此,按沉降比確定的承載力也并不能保證基礎(chǔ)的沉降滿足要求。
因此,壓板試驗(yàn)確定的特征值保證強(qiáng)度安全,不確保變形安全。
再者,試驗(yàn)結(jié)果多數(shù)是第三款情況,那么按沉降比確定承載力特征值時(shí),沉降比為0.01~0.015,實(shí)際情況中取不同的沉降比會(huì)有不同的值,取哪一個(gè)沉降比對(duì)應(yīng)的值呢?這一個(gè)取值也有很大經(jīng)驗(yàn)的成份,保守者會(huì)取小值,膽大者會(huì)取大值。同時(shí),廣東的建筑地基設(shè)計(jì)規(guī)范則用沉降比為 0.015~0.02[4],比國家標(biāo)準(zhǔn)大。這樣,使地基承載力特征值更具有多值性,不同的取法會(huì)有不同的值,難以嚴(yán)格確定。
筆者曾遇到一個(gè)實(shí)際案例[5-6],設(shè)計(jì)要求地基承載力特征值為300 kPa,壓板試驗(yàn)最大加載達(dá)900 kPa,地基未破壞,試驗(yàn)曲線如圖1所示。
圖1 壓板載荷試驗(yàn)曲線Fig. 1 Plate load test curve
按沉降比確定,s/b=0.01時(shí),特征值為247 kPa,達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,但若取 s/b=0.015,則特征值為315 kPa,達(dá)到設(shè)計(jì)要求,取哪一個(gè)值呢?如果按廣東規(guī)范,還可以取s/b=0.02對(duì)應(yīng)的特征值400 kPa,并且也小于最大試驗(yàn)荷載的一半,都滿足以上規(guī)范的取值要求。顯然,取不同的沉降比會(huì)有不同的承載力特征值。
因此,由壓板試驗(yàn)按沉降比確定的承載力可以保證地基的強(qiáng)度安全,但并不能保證變形安全,不知道對(duì)應(yīng)實(shí)際基礎(chǔ)的沉降,不能保證實(shí)際基礎(chǔ)的沉降能滿足變形控制的要求。
壓板載荷試驗(yàn)雖然是目前被認(rèn)為是確定地基承載力最可靠的方法,但還是不能解決合理確定地基的承載力問題。
地基允許承載力就是滿足地基強(qiáng)度和變形安全所允許的基礎(chǔ)底壓應(yīng)力。如果能獲得實(shí)際基礎(chǔ)下的荷載沉降p-s曲線,則地基允許承載力的合理確定可以由強(qiáng)度控制和變形控制的雙控制方法確定[7]。如圖2所示。
圖2 基礎(chǔ)的荷載沉降p-s曲線Fig. 2 p-s curve of load settlement of the actual foundation
由p-s曲線可以得到基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的地基極限承載力pu,由p-s曲線可以得到兩個(gè)承載力:其中一個(gè)是滿足強(qiáng)度要求的承載力:
這樣就保證了地基強(qiáng)度和變形的安全。因此,由p-s曲線,可以很方便地得到承載力對(duì)應(yīng)的沉降,以及由沉降得到對(duì)應(yīng)的承載力,實(shí)現(xiàn)變形控制設(shè)計(jì),可以科學(xué)合理的確定地基的承載力,破解地基承載力確定的難題。
一般低壓縮地基小尺寸基礎(chǔ),地基承載力可能是強(qiáng)度控制,取值可能是fap,中高壓縮地基,承載力通常是變形控制,取值是fas。同一地基場(chǎng)地,由于基礎(chǔ)尺寸、埋深不同,其對(duì)應(yīng)的p-s曲線都是不同的。
如圖3所示為不同基礎(chǔ)尺寸的p-s曲線,尺寸不同,對(duì)應(yīng)的極限承載力不同,同一荷載fa時(shí),對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)沉降不同,小尺寸基礎(chǔ)的沉降s1小于大尺寸基礎(chǔ)的沉降,大尺寸基礎(chǔ)極限承載力大于小尺寸基礎(chǔ)承載力。
圖3 同一地基場(chǎng)地不同尺寸基礎(chǔ)p-s曲線Fig. 3 p-s curve of foundation with different sizes in the same foundation site
因此,大尺寸強(qiáng)度控制的承載力會(huì)大于小尺寸基礎(chǔ)的承載力,而大尺寸的變形控制承載力會(huì)小于小尺寸基礎(chǔ)的承載力。因此,同一土層對(duì)應(yīng)不同基礎(chǔ)的允許地基承載力可能都是不同的。要科學(xué)合理的確定地基的承載力,應(yīng)依據(jù)各基礎(chǔ)尺寸下的荷載沉降p-s曲線,由強(qiáng)度和變形雙控確定。這樣,要科學(xué)地破解地基承載力的確定問題,就需要基礎(chǔ)的p-s曲線。
目前能合理計(jì)算基礎(chǔ)p-s曲線的方法還是非常有限的?,F(xiàn)代土力學(xué)雖然發(fā)展了有限元數(shù)值方法和現(xiàn)代土的本構(gòu)模型,但由于土的本構(gòu)模型參數(shù)通常是建立于室內(nèi)土樣的試驗(yàn)基礎(chǔ)上,而土具有原位性、結(jié)構(gòu)性,存在取樣擾動(dòng),應(yīng)力釋放等因素,使室內(nèi)土樣有別于現(xiàn)場(chǎng)的原位土,這樣,依據(jù)室內(nèi)土樣的參數(shù)較難反應(yīng)原位土的特性,尤其是變形參數(shù),室內(nèi)與現(xiàn)場(chǎng)差異大,這就使得依靠這樣的本構(gòu)模型的數(shù)值計(jì)算難以較好地計(jì)算實(shí)際基礎(chǔ)的p-s曲線。當(dāng)然最好是對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行加載試驗(yàn),直接測(cè)定其p-s曲線,但這也不現(xiàn)實(shí),因?yàn)橛胁煌幕A(chǔ)尺寸,且需加的荷載大,而工程中通常做的則是小尺寸的現(xiàn)場(chǎng)壓板載荷試驗(yàn),其與現(xiàn)場(chǎng)基礎(chǔ)受力條件最為接近,壓板試驗(yàn)可以獲得其完整的p-s曲線,如果能由壓板試驗(yàn)的p-s曲線預(yù)測(cè)實(shí)際基礎(chǔ)的p-s曲線,則問題即可以解決,關(guān)鍵是要解決尺寸效應(yīng)和地基土的層狀性,切線模量法可以較好地破解這一難題[10]。
假設(shè)土體的壓板試驗(yàn) p-s曲線為一雙曲線方程[11]:
線性化雙曲線方程:
擬合試驗(yàn)曲線,如圖4所示,即可得到a,b兩個(gè)參數(shù)。
圖4 雙曲線線性化Fig. 4 Hyperbolic linearization
該曲線任意點(diǎn)的切線導(dǎo)數(shù)為:
由式(3)可知,當(dāng)s→∞時(shí),為壓板試驗(yàn)的極限荷載pu=1/b,由pu可以反計(jì)算土的黏聚力c和內(nèi)摩擦角φ。
由式(5),當(dāng)p=0時(shí),壓板曲線的初始切線斜率為:
式中:D為試驗(yàn)的壓板直徑;μ為土的泊松比;ω為幾何系數(shù);E0為原位土的初始切線模量。
這樣,由壓板試驗(yàn)可以得到土的變形和強(qiáng)度的3個(gè)參數(shù)E0、c、φ。
假設(shè)在某一級(jí)荷載Δp下為增量線性,見圖5,則對(duì)壓板試驗(yàn)引起的沉降增量可按半無限彈性體的Boussinesq解為:
圖5 壓板載荷試驗(yàn)曲線Fig. 5 Plate load test curve
Et為壓板底土體對(duì)應(yīng)荷載p處增加一增量荷載Δp時(shí)的土體等效切線模量,則:
像鄧肯模型一樣,引入一個(gè)破壞比系數(shù)Rf,則(12)式可改寫為:
式中:p/pu一項(xiàng)是壓板底面處所受壓力p與壓板底處地基極限荷載pu的比值,反映了土體應(yīng)力水平對(duì)土體切線模量的影響。式(12)表明,土的切線模量取決于p/pu比值,而不僅僅取決于p值,該項(xiàng)相當(dāng)于考慮了應(yīng)力水平對(duì)土的切線模量Et的影響。對(duì)于不同基礎(chǔ)、不同深度,隨著深度的增加,基底應(yīng)力擴(kuò)散后附加應(yīng)力p越少,而極限承載力pu越大,則相應(yīng)的切線模量也就越大,因而隨著深度的增加,沉降收斂會(huì)越快,從而考慮了土的非線性。這樣用這個(gè)土的切線模量Et于分層總和法計(jì)算基礎(chǔ)的沉降,則可以考慮土的非線性變形,從而可以計(jì)算基礎(chǔ)的荷載沉降非線性全過程。由于pu可以由土的強(qiáng)度指標(biāo)和基礎(chǔ)尺寸、埋深而計(jì)算得到,因此,切線模量法其實(shí)僅需要土的3個(gè)力學(xué)指標(biāo):E0、c、φ。
如圖6所示,對(duì)土分為若干土層,對(duì)第i土層,分層厚度為Δhi。
圖6 切線模量的分層求和法Fig. 6 Layered summation method of tangent modulus
在荷載pi時(shí),增加一個(gè)增量荷載Δpi作用下,分層沉降為:
式中:αij為應(yīng)力分布系數(shù);puj是按基礎(chǔ)尺寸在分層位置A點(diǎn)處的地基極限承載力,可由土的c、φ、基礎(chǔ)尺寸、埋深計(jì)算得出。由式(16)可見,隨著深度增加,αij越小,而puj越大,Et則也越大,可以反映荷載水平產(chǎn)生的非線性,當(dāng)在淺層,pi接近pu時(shí),Et則接近趨于零,沉降無限大,即為破壞,因此,可以計(jì)算直到破壞的地基沉降全過程。
某工程場(chǎng)地為粉質(zhì)黏土,檢測(cè)單位在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)持力層進(jìn)行了 3個(gè)點(diǎn)的載荷板試驗(yàn),試驗(yàn)尺寸為方形板,邊長0.5 m,3個(gè)點(diǎn)試驗(yàn)的荷載和沉降關(guān)系如圖7所示,其中1個(gè)點(diǎn)的試驗(yàn)曲線為圖1所示。
圖7 3個(gè)壓板載荷試驗(yàn)曲線Fig. 7 Load test curves of three plate load tests
按以上方法可以求得3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的切線模量的參數(shù)如表1所示。
表1 3個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)參數(shù)Table 1 Parameters of three test points
平均的強(qiáng)度參數(shù)為內(nèi)摩擦角φ=20°,黏聚力c=70 kPa,與地質(zhì)報(bào)告統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)提供的代表值內(nèi)摩擦角φ=19.2°,黏聚力c=73.5 kPa是比較接近的。用平均參數(shù)按切線模量法計(jì)算壓板尺寸的荷載沉降曲線,如圖7所示,與試驗(yàn)曲線接近,說明參數(shù)和計(jì)算方法可行。
為與壓板試驗(yàn)進(jìn)行比較,假定設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)分別為邊長2 m和6 m的方形基礎(chǔ),無埋深的情況來進(jìn)行分析。
如果用切線模量法,可以計(jì)算得到以上兩個(gè)基礎(chǔ)的p-s曲線如圖8所示。
圖8 切線模量法計(jì)算所得的基礎(chǔ)寬為2 m和6 m時(shí)的p-s曲線Fig. 8 p-s curves when the foundation with 2 m and 6 m in width (calculated by tangent modulus method)
按壓板試驗(yàn)最大荷載值對(duì)應(yīng)的強(qiáng)度指標(biāo)內(nèi)摩擦角φ=20°,黏聚力c=59 kPa計(jì)算其對(duì)應(yīng)地基的極限承載力:基礎(chǔ)寬 2 m時(shí)為 982 kPa,基礎(chǔ)寬6 m時(shí)為1 198 kPa。如果按變形控制設(shè)計(jì),當(dāng)控制基礎(chǔ)沉降為25 mm時(shí),2 m寬基礎(chǔ)由p-s曲線可得對(duì)應(yīng)的承載力為315 kPa,安全系數(shù)為982/315=3.1,而這個(gè)承載力相當(dāng)于前面用沉降比為0.015所確定的承載力,如果按沉降比0.01對(duì)應(yīng)的承載力245 kPa則顯然是保守了?;A(chǔ)如控制沉降為40 mm,則對(duì)于承載力可為470 kPa,安全系數(shù)k=2.1。而對(duì)應(yīng)基礎(chǔ)寬6 m的基礎(chǔ),沉降控制為25 mm則承載力只能130 kPa,對(duì)應(yīng)地基的安全系數(shù)為1 198/130=9.2,基礎(chǔ)如控制沉降50 mm,則對(duì)應(yīng)承載力為245 kPa,安全系數(shù)K=4.8,也即相當(dāng)于前面圖1用壓板試驗(yàn)的沉降比為0.01所對(duì)應(yīng)的地基承載力。因此,壓板試驗(yàn)確定的承載力如果用于尺寸較大的基礎(chǔ),沉降是不能保證滿足要求的。而取什么樣的承載力,應(yīng)該是依據(jù)實(shí)際基礎(chǔ)的荷載沉降p-s曲線,由實(shí)際基礎(chǔ)的沉降和強(qiáng)度安全系數(shù)雙控確定。如果用壓板試驗(yàn)的p-s曲線確定承載力,則既不知道實(shí)際基礎(chǔ)的沉降,也不知道安全系數(shù),顯然是不能確定合理的承載力。
討論:切線模量法所需的3個(gè)參數(shù)E0、c、φ簡單,c、φ通常是由室內(nèi)試驗(yàn)確定,有豐富的經(jīng)驗(yàn)值,但也會(huì)變異性大,通過壓板試驗(yàn)的極限承載力反算,相對(duì)較可靠,同時(shí)由于允許承載力有足夠的安全儲(chǔ)備,極限承載力的誤差不會(huì)影響承載力的安全性。變形控制的承載力取決于變形計(jì)算的可靠性,依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)壓板試驗(yàn)反算土的初始切線模量 E0較為可靠,同時(shí)荷載越接近初始位置,計(jì)算越可靠。對(duì)于實(shí)際允許承載力下通常非線性不是很明顯,因此,由E0影響為主的變形計(jì)算相對(duì)較為可靠。包括雙曲線方程的假設(shè),在進(jìn)入較大的非線性時(shí)可能會(huì)有誤差,而在非線性不大的區(qū)域,準(zhǔn)確性是比較可靠的。
對(duì)于分層土的情況,由于切線模量法對(duì)不同土層用不同的3個(gè)參數(shù),因而可以考慮基礎(chǔ)下有不同土層的影響。
對(duì)于大尺寸基礎(chǔ),應(yīng)力影響深度較大,深部土體處于小應(yīng)變狀態(tài),可以引入小應(yīng)變的思想,建立高級(jí)切線模量計(jì)算式[12]:
對(duì)于復(fù)合地基,較理想的方法也是通過樁和樁間土的變形協(xié)調(diào)共同作用,求取復(fù)合地基的p-s曲線[13],由p-s曲線按強(qiáng)度和變形雙控的方法確定其承載力是較科學(xué)的方法。
(1)地基承載力的合理確定是土力學(xué)的一個(gè)基本問題,也是一個(gè)百年難題。
(2)現(xiàn)場(chǎng)壓板試驗(yàn)是目前認(rèn)為確定地基承載力最可靠的方法,但按現(xiàn)行規(guī)范方法,用壓板試驗(yàn)確定的承載力,可以保證地基的強(qiáng)度安全,但不能保證變形安全,不保證實(shí)際基礎(chǔ)對(duì)應(yīng)的沉降能滿足要求。
(3)用實(shí)際基礎(chǔ)的荷載沉降p-s曲線,依據(jù)強(qiáng)度安全和變形控制雙控來確定地基承載力,是破解地基承載力合理確定這個(gè)難題的有效途徑。
(4)計(jì)算基礎(chǔ)荷載沉降p-s曲線的有效方法是切線模量法。
(5)由于實(shí)際取用的地基承載力有足夠的安全儲(chǔ)備,地基極限承載力或非線性的誤差不影響安全性,切線模量法確定的p-s曲線用于確定承載力有足夠的安全性和可靠性。
(6)實(shí)際中可以進(jìn)一步積累經(jīng)驗(yàn),不斷完善和提高準(zhǔn)確性。