（地质工程专业论文）淮北地区公路地基承载力及检测方法的研究.pdf

淮北地区公路地基承载力及检测方法的研究 摘要 本文首先阐述了地基承载力的一般理论，地基承载力影响因素和确定方法。 其次，重点分析了淮北地区横穿东西的界一阜一蚌高速公路、蒙城一蚌埠高速公路， 纵贯的合肥一徐州高速公路北段以及毫州阜阳高速公路、阜阳六安高速公路的 地基土层的分布规律，对公路地基的土工试验成果进行了汇总分析，绘制其散 点分布图，并得出一般粘性土、新近沉积粘性土和粉土的物理力学指标的合理 取值范围。接着，根据载荷试验所取得的承载力，对淮北地区一般粘性土和粉 土的地基承载力基本值进行了统计分析，得出其承载力标准值和统计修正系数。 最后，本文还阐述了地基承载力的检测方法和原理，根据淮北地区公路地基的 原位测试成果，采用线性回归方法，建立了一般粘性土和粉土的地基承载力与 物理力学指标、静力触探试验比贯入阻力和触探试验( c t r 一1 ) 锤击数的线性 关系，并根据得出的回归方程，建立地基承载力表，以供淮北地区公路工程中 的地基承载力检测选用参考。 关键词：淮北地区粘性土粉土地基承载力检测 s t u d yo i lb e a r i n gc a p a c i t yo fh i g h w a y sf o u n d a t i o ns o i l a n di n s p e c t i o nm e t h o d si nh u a i b e ia r e a a b s t r a c t t h i sp a p e rf n s t l ye x p a t i a t e do ng e n e r a lt h e o r yo f b e a r i n gc a p a c i t yo f f o u n d a t i o n s o i l ，i n c l u d i n gi n f l u e n c ef a g t o r sa n dc a l c u l a t i o nm e t h o d s s e c o n d l y , d i s t r i b u t i o no f h i g h w a y s f o u n d a t i o n s o i l a l o n g w a n s m e r i d i o n a l j i e s h o u - f u y a n g - b c n g b u e x p r e s s w a y , m e n g c h e n g b e n g b ue x p r e s s w a y , t h en o r t hs e c t i o no fl o n g i t u d i n a l h e f c i - x u z h o ue x p r e s s w a y , b o z h o u - f u y a n ge x p r e s s w a ya n df u y a n g - l i u a n e x p r e s s w a yi nh u a i b e ia r e aw a sd i s c u s s e d ，a n dt h eg e o t e c h n i c a lt e s t r e s u l t so f h i g h w a y f o u n d a t i o ns o i lw e l ec o l l e c t e da n da n a l y z e d m e a n w h i l e ，t h e i rd i s t r i b u t i o n f i g u r e sw e r ed r e w , a n dt h er e a s o n a b l ev a l u er a n g e so fp h y s i c o m e c h a n i c a li n d e x e s a b o u tg e n e r a lc o h e s i v es o i l ，r e c e n t l yd e p o s i t e dc o h e s i v es o i la n ds i l t ys o i lw o r e o b t a i n e d t h i r d l y , a c c o r d i n gt ot h eb e a r i n gc a p a c i t yo b t a i n e df r o mp l a t el o a d i n gt e s t , b a s i cv a l u e so f b e a r i n gc a p a c i t yo f g e n e m lc o h e s i v es o i la n ds i l t ys o i li nh u a i b e ia r e a w e r ea n a l y z e d ，a n dt h es t a n d a r dv a l u e so fb e a r i n gc a p a c i t ya n ds t a t i s t i c a lc o r r e c t i o n c o e f f i c i e n t sw e r ec a l c u l a t e d f i n a l l y , t h ep a p e ra l s oe x p a t i a t e do ni n s p e c t i o nm e t h o d s a n dp r i n c i p l ea b o u tb e a r i n gc a p a c i t yo ff o u n d a t i o ns o i l a c c o r d i n gt oi n - s i t us o i lt e s t r e s u l t so fh i g h w a y sf o u n d a t i o ns o i li nh u a i b e ia r e a , a n dw i t l ll i n e a rr e g r e s s i o n m e t h o d ，t h el i n e a rr e l a t i o n s h i p sb e t w e e nb e a r i n gc a p a c i t yo fg e n e r a lc o h e s i v es o i l a n ds i 埘s o i la n dp h y s i c o - m c c h a n i c a li n d e x e s , s p e c i f i cp e n e t r a t i o nr e s i s t a n c eo f s t a t i cc o n ep e n e 删t e s t , t h u m pn u m b e r so fp e n e t r a t i o nt e s t ( c t r - i ) w e 坨 e s t a b l i s h e d t h e na c c o r d i n gt ot h er e g r e s s i o ne q u a t i o n s ，t h et a b l e sa b o u tb e a r i n g c a p a c i t yo ff o u n d a t i o ns o i lw e r ef i n i s h e d ，w h i c hc o u l db ea p p l i e dt oi n s p e c t i o no f b e a r i n gc a p a c i t yo f f o u n d a t i o ns o i li nh i g h w a yp r o j e c t si nh u a i b c ia r e a k e y w o r d s ：h u a i b * ia r e a c o h e s i v es o i l s i l t ys o i lb e a r i n gc a p a c i t yo f f o u n d a t i o ns o i l i n s p e c t i o n 插图清单 图1 3 1 技术路线框图3 图3 2 1p r a n d t l 公式滑动面图1 0 图3 2 2 荷载试验p s 曲线1 1 图4 3 1 淮北地区古河道及砂性土分布1 8 图4 4 1 一般粘性土的天然含水量统计图2 5 图4 4 2 一般粘性土的天然密度统计图2 6 图4 4 3 一般粘性土的天然孔隙比统计图2 6 图4 4 4 一般粘性土的液限统计图2 6 图4 4 5 一般粘性土的塑限统计图2 7 图4 4 6 一般粘性土的液性指数统计图2 7 图4 4 7 一般粘性土的压缩系数统计图2 8 图4 4 8 一般粘性土的压缩模量统计图2 8 图4 4 9 一般粘性土的固结快剪内摩擦角统计图2 8 图4 4 1 0 一般粘性土的固结快剪粘聚力统计图2 9 图4 5 1 粉士的天然含水量统计图3 4 图4 5 2 粉土的天然密度统计图3 4 图4 5 j 粉土的天然孔隙比统计图3 4 图4 5 4 粉土的液限统计图3 5 图4 5 5 粉土的塑限统计图3 5 图4 5 6 粉土的压缩系数统计图3 6 图4 5 7 粉土的压缩模量统计图3 6 图4 5 8 粉土的固结快剪内摩擦角统计图3 6 图4 5 9 粉土的固结快剪内聚力统计图3 7 图5 3 1 一般粘性土承载力基本值与比贯入阻力线性回归曲线图4 4 图5 3 2 一般粘性土承载力基本值与比贯入阻力非线性回归曲线图4 5 图5 3 3 粉土承载力基本值与比贯入阻力线性回归曲线图4 7 图5 3 4 粉土承载力基本值与比贯入阻力非线性回归曲线图4 8 图5 ，4 1 一般粘性土承载力基本值与触探试验锤击数回归曲线图4 9 图5 4 2 粉土承载力基本值与触探试验锤击数回归曲线图5 0 表格清单 表3 2 1 静力触探比贯入阻力以与地基容许承载力 r 的经验关系1 4 表3 2 2 利用6 ，确定粘性土的容许承载力【刚1 4 表3 2 3 利用6 ，确定砂土的容许承载力 刚1 4 表4 2 1 淮北平原地层o w oo g t l 1 7 表4 3 1 蒙城至蚌埠高速公路载荷试验点的土层1 9 表4 3 2 界阜蚌高速公路( 二期) 载荷试验点的土层2 1 表4 3 3 合徐高速公路涂山淮河大桥至朱围子段载荷试验点的土层2 2 表4 4 1 淮北地区一般粘性土的主要物理力学指标统计表2 4 表4 4 2 分组频率的计算3 0 表4 4 3 粘性土承载力基本值厶的统计结果3 0 表4 4 4 地基承载力标准值及其统计修正系数的对比3 l 表4 5 1 淮北地区粉土的主要物理力学指标统计表3 3 表4 5 2 粉土按孔隙比对密实度的分类t o qo i i i 3 5 表4 5 3 粉土承载力分组频率的计算3 7 表4 5 4 粉士承载力基本值厶的统计结果3 7 表4 5 5 粉土承载力标准值疋及统计修正系数3 8 表5 1 1 粉土承载力基本值五3 9 表5 1 2 粘性土承载力基本值厶4 0 表5 1 1 一般粘性土地基承载力基本值f o 4 l 表5 1 2 中砂一砂砾地基承载力基本值五4 l 表5 2 1 一般粘性土承载力基本值兀与对应的孔隙比p 、液性指数l 4 2 表5 2 2 粉土承载力基本值磊与孔隙比p 、含水量酽的关系4 3 表5 3 1 一般粘性土承载力基本值 与比贯入阻力p ，对比“ 表5 3 2 粉土承载力基本值厶与比贯入阻力儿对比4 6 表5 4 1 一般粘性土的与承载力基本值五的关系4 8 表5 4 2 粉土的与承载力基本值五的关系4 9 表6 1 淮北地区公路地基土承载力标准值正及统计修正系数儿5 l 表6 2 淮北地区一般粘性土承载力基本值f o 5 1 表6 3 淮北地区粉土承载力基本值 5 l 表6 4 淮北地区地基土承载力基本值 与比贯入阻力p ，关系表5 2 表6 5 淮北地区地基土承载力基本值五与触探试验( c t r - 1 ) 锤击数关 系表5 2 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果。也不包含为获得 金理王业太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名：丁祆泰签字日期：知玲7 年1 月莎日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒墅王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅本人授权金 壁王些太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：了萄乏番 签字日期：加p 7 年1 月名e l 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 铷鹳莎鳓稚 签字日期：加巧砗i , e j1 ，e t 电话： 邮编： 致谢 本人在本科四年和研究生两年半的学习生涯中得到了王国强老师的悉心指 导，尤其在硕士研究生课程学习和撰写学位论文的过程中，自始至终得到了王 老师的全面指导。王老师治学严谨的态度，广博的学识以及孜孜不倦的教育情 怀，使我受益匪浅，也使我对今后的人生充满了自信。在此，我衷心地祝愿我 的导师身体健康，永寿无疆。 同时，还要感谢安徽省公路勘测设计院赵华宏老师在此次论文撰写过程中 的大力帮助，以及资源与环境工程学院岩土工程教研室葛晓光等老师给予的诸 多帮助。 最后，感谢所有同学对我的支持和帮助。 作者：丁振杰 2 0 0 6 年1 1 月 第1 章绪论 1 1 问题的提出 “十五”期间安徽省新增公路里程7 4 5 4 公里，其中新增高速公路通车里程 1 0 3 7 公里，新增二级以上公路3 7 9 9 公里，完成国省道和重要县道改造5 8 0 0 公 里。在高速公路的建设过程中，地基承载力需要通过检测确定，所以如何准确、 快速、经济地确定地基承载力一直是岩土工程界关注的基本问题【l 】【2 】。研究地基 承载力的目的是在工程设计中必须限制构筑物基础底面的压力，使其不得超过 地基的容许承载力，以保证地基土不会因剪切破坏而失去稳定，同时也使构筑 物不致因基础产生过大的沉降和差异沉降，而影响其使用功能。因此，正确的 确定地基承载力是的岩土工程界研究的热点问题，也是土力学理论中的重要内 容之一。而结合安徽省各区域的地质和土质条件，研究制定一套适合于当地条 件和便于现场工程技术人员操作的确定地基承载力的方法是当前迫切需要解决 的问题。 淮北地区粘性土和粉土分布广泛，但由于地质和土质条件的复杂性和不确 定性，使得地基承载力的评价存在许多闯题。若按规范查表来确定地基土承载 力，由于地域差异，使得规范不能一一适用，从而导致误差的存在。采用载荷 试验来确定地基土承载力是最直接和可靠的方法，但载荷试验周期长，资金投 入大，对于公路建设的高峰期，在施工工期要求急迫、专业性强的情况下，难 以大量采用载荷试验，并且在大量的中小型构筑物地基测试中广泛采用也是不 经济的。 由此可见，对淮北地区的地基土，主要是一般粘性土和粉土的承载力资料 进行汇总分析，从而确定其承载力标准值及修正系数是十分紧要的。同时，提 出简单、快捷、可行的地基承载力检测方法及判别标准，为淮北地区公路工程 中地基承载力的检测提供借鉴也是十分必要和迫切的。 1 2 国内外对地基承载力的研究状况p l 1 7 7 3 年，库仑根据试验创立了著名的土的抗剪强度理论库仑定律和士 压力理论，推动了以土力学为基础的地基承载力计算理论的发展。1 8 5 7 年，朗 肯首先提出地基极限承载力理论公式。p r a n d f l ( 1 9 2 0 ) 和r e i s s n e r ( 1 9 2 4 ) 根据塑性 平衡理论，导出了刚性基础压入无重力土中的滑动面形状及其相应的承载力公 式。在对p r a n d t l 理论进行研究的基础上，太沙基( t e r z a g h ik1 9 4 3 ) 基于叠加原理 并考虑了土的重力，修正了p r a n d t l 关于无限长条形荷载的承载力公式，给出了 浅基础极限承载力的一般近似表达式( 见= c n c4 - 日_ 心+ o 5 ，6 ，) 。m e y e r h o f 在2 0 世纪5 0 年代提出了考虑基底以上两侧土体抗剪强度影响的地基承载力公 式，h a n s o n ( 1 9 6 1 ，1 9 7 0 ) 提出了中心倾斜荷载作用下地基承载力计算公式。 经过两个多世纪的发展，地基承载力的理论计算公式已经很成熟，并且越 来越多的学者根据实际情况，对先辈提出的理论公式进行修正，从而使之能更 好地应用于实际工程当中。除了用理论公式来确定地基承载力外，国内外还采 用各种原位测试手段来现场检测地基承载力，如圆锥动力触探、载荷试验、静 力触探等，但各国的试验仪器有所差别，比如西班牙与波兰的重型动力触探的 锥重为6 5 k g ，而我国采用的是6 3 5 k g 。 我国的地基承载力理论研究起步较晚，1 9 6 2 年1 2 月第一届全国土力学及基 础工程学术会议的举行，推动了我国土力学理论的发展。同时，越来越多的学 者也开始对地基承载力理论进行研究，如顾宝和、祝龙根、沈照理、王钟琦等 人，不断对理论计算公式进行补充修正，使之更适用于我国的工程地质条件。 建国初期，我国并没有自己的勘察、设计规范，采用的是苏联规范。1 9 7 4 年，我国第一本地基基础设计规范发布，即工业与民用建筑地基基础设计规 范。为了建立地基承载力表，以中国建筑科学院地基基础研究所为主，全国许 多勘察设计单位参加，进行了大量研究工作。1 9 8 9 年，建筑地基基础设计规范 ( g b j 7 8 9 ) 修订发布，对地基承载力表进行了改动，而修订为2 0 0 2 年版时， 则取消了用土的物理性质指标查地基承载力的表，结束了我国国家规范规定地 基承载力表2 8 年的历史。 对于构筑物地基承载力的检测问题，我国的水利、铁路、工民建等行业在 上世纪七十年代中期至八十年代中期均以通过大量现场检测试验数据，进行反 演回归分析，形成一套各自独立的检测方法及判别标准，且是现行的公路桥 涵地基与基础设计规范，( j t j 0 2 4 8 5 ) 编制的主要依据。目前，我国的许多省市 根据大量的原位测试成果，结合当地的地质条件编制了自己的规范。如广东省 建筑设计研究院根据大量的现场资料，建立了重型动力触探试验的锤击数与承 载力的关系，从而为地基承载力的检测提供了简便的方法。 1 3 本文的研究思路 基于上述提出的问题，本文首先介绍了淮北地区公路地基土的分布情况， 对所收集到的高速公路土工试验资料进行归类汇总，并且对各类地基土的物理 力学指标进行统计分析，全面分析新近沉积粘性土、一般粘性土和粉土的工程 特性及其室内士工试验指标的变化规律，从而确定其物理力学指标的合理取值 区间。接着，根据对淮北地区公路地基土所做的载荷试验成果，对新近沉积粘 性土、一般粘性土和粉土的承载力进行统计分析，并且提出其变异系数和统计 修正系数，确定其地基承载力标准值，以供实际工程建设作参考。最后，对国 内水利、铁路、工民建、公路等建设行业地基承载力检测方法展开调查，收集 淮北地区公路的各种原位测试成果，对其进行深入的对比分析，采用回归分析 方法，建立淮北地区地基土物理力学指标与地基承载力间的关系、静力触探试 2 验比贯入阻力与地基承载力间的关系、触探试验( c t r 一1 ) 锤击数与地基承载力 的关系，从而为淮北地区公路工程中的地基承载力检测提供借鉴。本文研究的 技术路线如下： 野外地 质考察， 选择典 型地段 成因、年代及其分布规律 室内土工试验 采用多种原位测试方法 进行土体力学性质对比 试验 不同地质、土层和环境条 件下的载荷试验 图1 3 1 技术路线框图 各种土的 类型、分布 规律 归纳整理、 对比 室内外各 种试验成 果统计分 析 各类土 的物理 力学性 质 用回归 拟合法 确定承 载力经 验关系 第2 章公路地基概述 2 1 公路地基问题 自2 0 世纪3 0 年代美国及德国开始兴建，至5 0 年代世界各国大力发展高速 公路以来，目前在全世界6 0 多个国家共修建高速公路1 4 万k m ，公路客货运输 比例大大增加，甚至超过了铁路。我国在8 0 年代中期确立了发展高速公路的方 针，1 9 8 4 年开工建设大陆第一条高速公路沪嘉高速公路并于1 9 8 8 年建成通 车，之后，沈大、京津塘、沪宁高速公路相继建成投入使用，至2 0 0 4 年底，全 国通车里程达3 4 万k m ，仅次于美国，居世界第二。 随着公路客货运输量的增大，对公路地基的要求也越来越高。公路地基主 要存在着两个问题，即变形与强度破坏。公路地基承受着路堤及上部车辆荷载 的作用将会产生压缩变形，主要是指地基的竖向变形( 也称地基沉降) 以及由 此连带产生的地基横向变形。变形的大小主要取决于两个方面，一个是基底压 力，它与建( 构) 筑物荷载大小、基础底面面积、基础埋深及基础形状有关； 另一方面取决于土的压缩性质。从工程意义上来说，地基沉降有均匀沉降和不 均匀沉降两类。均匀沉降对公路工程的上部结构危害较小，但沉降量过大也会 导致路面标高降低而影响正常使用。不均匀沉降将会造成路堤开裂、路面不平， 从而影响公路的正常和安全使用。 另一个问题就是地基土强度破坏，也称为失稳，通常是由于基础底下持力 层的承载力不足而引起的剪切破坏，其基本形式通常可分为整体剪切破坏、局 部剪切破坏和冲切破坏。 整体剪切破坏的特征是，当基础上的荷载较小时，荷载与沉降的关系近乎 直线，此时属弹性变性阶段；随着荷载的增大并达到某一数值时，首先在基础 边缘开始出现剪切破坏，随着荷载的增大，这种剪切破坏区也相应地扩大，此 时荷载与沉降呈曲线状，属弹塑性变性阶段；如果基础上的荷载继续增大，这 种剪切破坏区也不断扩大，当荷载达到最大值时，基础急剧下沉并突然向一侧 倾倒而破坏，此时除了出现明显的连续的滑动面以外，基础两侧的地面将向上 隆起。 局部剪切破坏是介于整体剪切和冲切破坏二者之间的种形式。这种剪切 破坏的特征是，仅仅在基础下面某一范围之内形成剪切破坏区，滑动面也从基 础边缘开始，但终止于土体内部的某一深处，基础两侧的地面也会出现微微隆 起的趋向。 冲切破坏的特征是，它并不是在基脚下出现明显的连续的滑动面，而是随 着荷载的增大，基础将随着土的压缩近乎垂直向下移动，当荷载继续增加并达 到某一数值时，基脚连续刺入，并因基脚周围附近土体的垂直剪切而破坏。 地基剪切破坏形式的出现，一般地说与土的压缩性有关。对于压缩性比较 4 小的地基土，如比较密实的砂类土和坚硬程度在中等以上的粘土中，一般会出 现整体剪切破坏。对于压缩性较大的松砂、一般粘性土等，在一定的荷载条件 下，可能出现局部剪切破坏。但是地基破坏形式的出现不是单一地取决于土的 性质，还与基础上所加的荷载条件、基础埋置深度等多种因素有关。 2 2 公路工程地质研究1 4 l 公路工程地质勘察的目的是为了查明公路工程项目的地质、地貌环境特征， 对地形、地质和水文等场地要素做出分析、评价和建议，为地基处理、地基基 础设计和施工提供详细的地基士的结构组成与分布，各土层的物理力学性质， 持力层的变形和承载力、变形模量等岩土设计参数，以及不良地质现象的分布 与防治措施，特别是软土、膨胀土、可液化土、盐渍土等处治措施，以达到确 保高速公路建设的顺利进行，以及建成后能安全、舒适和正常的使用。其主要 内容包括：( 1 ) 工程地质的调查与测绘；( 2 ) 勘察与取样：( 3 ) 原位测试；( 4 ) 必要的监( 观) 测；( 5 ) 室内物理力学试验与现场原位测试；( 6 ) 室内外测试 资料统计分析；( 7 ) 对取得的成果资料进行整理与作出评价；( 8 ) 编制工程地 质勘察报告，提出地勘结论与建议。 公路工程地质的勘察工作都应在可行性研究的基础上按两阶段勘察程序进 行，一般采用钻探、触探、挖探、钎探和原位测试的方法，配合以地质调绘工 作，条件适宜时也可辅以物探方法，采取多种方法的目的是使勘探资料得以互 相验证和补充。 2 2 1 公路工程地质初勘 初勘的目的是根据合同或协议书要求，在工程可行性研究的基础上，对公 路工程建筑场地进一步做好工程地质比选工作，为初步选定工程场地、设计方 案和编制初步设计文件提供必需的工程地质依据。初勘应做好以下工作： ( 1 ) 查明公路工程建筑场地的区域地质、水文地质、工程地质条件，并作 出评价。 ( 2 ) 进行综合地质勘察，初步查明对确定工程场地的位置起控制作用的不 良地质条件、特殊性岩土的类别、范围、性质，评价对工程的危害程度，提供 避绕或治理对策的地质依据。 ( 3 ) 初步查明场地地基的地质条件，为选择构造物结构和基础类型提供必 要的地质资料。 ( 4 ) 查明沿线筑路材料的类别、料场位置、储量和采运条件。 ( 5 ) 查明公路工程建筑场地的地震烈度，并对大型公路工程建筑物场地按 设计需要进行场地烈度鉴定或地震安全性评价。 ( 6 ) 提供编制初步设计文件所需的地质资料。 2 2 2 公路工程地质详勘 详细工程地质勘察工作的目的，是根据已批准的初步设计文件中所确定的 修建原则、设计方案、技术要求等资料，有针对性地进行工程地质勘察工作，为 确定公路路线、工程构造物的位置和编制施工图设计文件，提供准确、完整的 工程地质资料。详勘需要完成以下任务： ( 1 ) 在初勘的基础上，根据设计需要进一步查明建筑场地的工程地质条件， 最终确定公路路线和构造物的布设位置。 ( 2 ) 查明构造物地基的地质结构、工程地质及水文地质条件，准确提供工 程和基础设计、施工必需的地质参数。 ( 3 ) 根据初勘拟定的对不良地质、特殊性岩土防治的方案，具体查明其分 布范围、性质，提供防治设计必需的地质资料和地质参数。 ( 4 ) 对沿线筑路材料料场进行复核和补勘，最后确定施工时所采用的料场。 6 第3 章地基承载力 地基承载力是指地基同时满足强度和变形两个条件时，即满足地基强度不 破坏，地基变形或不均匀沉降不致过大的条件，单位面积所能承受的最大荷载 p l 。它是岩土工程设计中的重要设计参数，是岩土工程师所面临的基本问题。 能否正确合理地确定地基承载力是确保建( 构) 筑物安全稳定的关键，同时也 是影响整个建设项目成本的一个重要因素。 地基承载力不单是地基土强度的函数，同时受基础形状、基础宽度、基础 埋深与旁载，荷载作用方向与时间、地基土破坏形式等影响因素的制约【6 1 地 基承载力还和地基的变形条件和稳定状态是密切相关的： 3 1 地基承载力的影响因素 3 1 1 地基土的成因与堆积年代 根据土形成时所经受的外力及环境的不同，土具有各种各样的成因，不同 成因类型的沉积土，具有各自一定的分布规律和工程地质特征。 残积土是残留在原地未被搬运的那一部分岩石风化剥蚀后的碎屑堆积物， 其成分与母岩一致，它分布在平顶山区、大型分水岭区、缓山坡、山麓地带、 低丘陵地带等。残积土颗粒粗细不均，厚度不均，作为地基时承载力比较高。 坡积土是高处的风化碎屑物在雨、雪水或本身的重力作用下搬运而形成的 山坡堆积物。坡积土在形成过程中有一定的分选层理，白山坡的上部到下部， 颗粒由粗到细，厚度由薄变厚。坡积土作为地基时，地基承载力、沉降不均匀， 变化较大。 洪积土是指在山区或高地由暂时性水流( 山洪急流) 作用将大量的残积物、 坡积物搬运堆积在山谷中或山前平原上的堆积物。洪积土常呈现不规则交错的 层理构造，靠近山地的洪积土的颗粒较粗，地下水位埋深较深，土的承载力一 般较高。离山较远地段的洪积土颗粒较细、成分均匀、厚度较大、土质较为密 实，一般是良好的天然地基。 冲积土是江河流水的地质作用剥蚀两岸的基岩和沉积物，经搬运与沉积在 平缓地带形成的沉积物。冲积土可分为平原河谷冲积土、山区河谷冲积土和三 角洲冲积土。平原河谷冲积土包括河床沉积土、河漫滩沉积土、河流阶地沉积 土及古河道沉积土等。河床沉积土大多为中密砂砾，承载力较高。河漫滩地段 地下水埋藏较浅，下部为砂砾、卵石等粗粒土，上部一般为颗粒较细的土，局 部夹有淤泥和泥炭，压缩性较高，承载力较低。河流阶地沉积土强度较高，一 般可作为良好地基。山区河谷冲积土颗粒较租，一般为砂粒所充填的卵石、圆 砾，在高阶地往往是岩石或坚硬土层，承载力较高，适宜作为天然地基。三角 洲冲积土的颗粒较细，含水量大，呈饱和状态，有较厚的淤泥或淤泥质土分布， 承载力较低。 一般来说，堆积年代越久远，土质越密实。承载力越高。 3 1 2 土的物理力学性质 土的天然含水量w ，密度p 及土的比重岱是评价土的工程性质的最基本性能 指标。土的含水量反映土的干湿程度，含水率越大，土越湿越软，地基土承载 力越低。土的密度反映了土体内部结构的密实程度，通常较为密实的土密度较 大，承载力较高，所以常对地基土进行压实，使土的密度增加，强度提高，降低 压缩性及渗透性，使土的工程性质得到改善。 土的抗剪强度是土的重要力学性质指标之一。土体的破坏，其本质是剪切 破坏。例如边坡太陡、在雨季或受到震动后，容易产生滑动破坏，滑动面显然 属剪切破坏面，这种情况比较常见，具有直观性；又如地基破坏，直观上是受 压，但本质上也是剪切破坏，在地基中形成两个大体对称的滑动破坏面。地基 土层的承载力是强度问题，因此，它受到士的内摩擦角中和粘聚力f 的影响。 3 1 3 地下水研 地下水对地基承载力的影响主要有两个方面：一是水位下的土，由于失去 由毛细管应力或弱结合水形成的表面粘聚力，使承载力下降。同时含水量的变 化也会影响土的内摩擦角大小；二是地下水的存在，使土的有效重度减小从而 降低了土的承载力( 结构软化) 。第一种情况对地基承载力的影响程度目前还 难以确定，一般忽略这种因素，即假定水位上下土的各强度指标相同。在实际 工程中，这些强度指标是由天然状态下土样直接试验得到的，上述影响已反映 在试验参数中，所以地下水对地基承载力的影响主要集中在第二种情况。 由此可见，在结构设计过程中，对于地基承载力的确定不仅要考虑当前的 水位情况，还要考虑到建筑( 构筑) 物在使用过程中，地下水位受季节( 如汛 期) 、抽取量控制、或水库的补给等导致地下水位回升后对地基承载力的不利 影响。 3 1 4 周围建筑物的影响 建筑( 构筑) 物周围已有建筑及建筑( 构筑) 物自身情况都对其下的地基 土有着很大的影响。周围已有建筑( 构筑) 物的存在，使土体的三轴压力效果 更明显。土体的隆起能得到一定的抑制，从而提高其承载力。通常上部结构体 型简单，整体刚度大，地基对不均匀沉降适应性较好，则地基承载力可取高值。 而当周围新建建筑( 构筑) 物的基坑开挖时，土体的三轴压力效果明显减弱， 土体由三轴受压转变成单轴受压，土体的位移约束得到解除，从而大大降低其 承载力。 此外，人类的地表活动，如旧建筑( 构筑) 物的基础加固改造，地下空间 的开发利用，等等，对地基土的扰动和地基承载力的影响，也是不可忽视的。 8 3 2 确定地基承载力的方法 研究地基承载力的目的是在工程设计中必须限制构筑物基础底面的压力， 使其不得超过地基的容许承载力，以保证地基土不会因发生剪切破坏而失去稳 定，同时也使构筑物不致因基础产生过大的沉降和差异沉降，而影响其使用功 能。因此，正确的确定地基承载力是岩土工程界研究的热点问题，也是土力学 理论中的重要内容之一。目前，确定地基承载力有以下几种方法。 3 2 1 规范查表法 规范查表法是运用土工试验数据查规范求地基承载力的一种方法。该规范 是在载荷试验基础上，总结我国已有的建筑经验和研究成果的基础上编制的， 规范的建立对于指导我国的建设起了积极的指导和推动作用。该方法具有简单、 方便的特点，因此对于不做地基变形计算的二级建筑物和三级建筑物，各勘察 单位均把规范查表法作为确定地基承载力的一种主要方法。但是规范查表法也 存在局限性，由于我国国土辽阔，地貌和土层复杂多变，以及士工试验数据的 误差等原因，实践证明用查表方法求地基承载力在实践应用中出现保守和存在 安全隐患【7 】。并且根据标贯数确定承载力的表中只有砂土和粘性土的承载力数 据，没有粉土的承载力数据。而根据粉土孔隙比和含水量按规范附表5 3 列出的 粉土承载力值，又因粉土取原状土困难而难以实施，特别是粉土在钻孔、取样、 运送、置放和试验过程中极易扰动失水，从而造成试验数据离散，可靠性差， 给粉的工程性质正确评价带来困难，有时给工程建设造成隐患，而且对于粉 土来说，准确确认液塑限比较困难，承载力也偏大。因此，规范查表法不适用 于粉土，我国多数省市也都结合当地的地质条件编制了自己的规范。 3 2 2 理论公式法 理论公式法是指应用强度指标按强度公式计算地基承载力的一种方法，它 可以分为两类：一类是计算地基的极限承载力，除以某一安全系数，即所谓“刚 塑性法”；另一类是采用临界荷载，根据塑性区开展的深度确定地基承载力，即 所谓“弹塑性法”嘲。 3 2 2 1 刚塑性法 9 1 刚塑性法最早由p r a n d t l ( 1 9 2 0 ) 根据极限平衡理论导出，该法优点是安全 度明确，是国外确定地基承载力的主流。p r a n d t l 公式假定基底光滑、无摩擦， 且忽略基底下土体重量而推导出来的。当作用于基底的荷载达到极限值时，地 基发生整体剪切破坏，基底下滑动面和最大主应力( 以) 作用面( 水平面) 里 口= 4 5 。+ 要，见图3 2 1 。p m n d t l 把条形基础下发生的整体剪切破坏时，形成的 z 两组连续完整的滑动面和基底平面之间分为五个小区。i 区称为主动区，土楔 9 n a m 向两侧挤压，因基底光滑，故基底平面为最大主应力面，最大主应力方向 - r d | - 图3 2 1p r a n d t l 公式滑动面图 铅直，破裂面与水平面成4 5 。+ 罢。i i 区是径向剪切区，滑动面由对数螺旋曲线 二 和辐射线组成，对数螺旋线方程为，= ? o e “9 。i 区称为被动区，既是地基变形 的被动区，也是被动极限平衡区，最大主应力为水平方向，破裂面与水平面成 4 5 。一 1 0 i 。 2 由于当初p r a n d t l 研究问题时，没有考虑基础的埋置深度，也不计地基滑动 范围内的土体自重，所以他当初得到的地基极限承载力公式为 p 。= c n c ( 蔓2 1 ) 式中：见为地基极限承载力( k p a ) ；c 为地基土的内聚力( 1 【p a ) ；n c 为地基极 限承载力因数。 经过许多学者的研究，对上述公式进行了修正补充，现在都采用了下述的 一般表达式 1 p 。= c n c + q n + 去，删口 ( 3 2 2 ) 二 式中：g 为基础两侧超载( k p a ) ；，为地基土重度( k n m 3 ) ；b 为基础宽度( m ) ； m 、虬、。均为地基极限承载力因数。 3 2 2 2 弹塑性法【1 1 l 弹塑性法就是确定地基土的l 临塑荷载p 。，是指地基中即将出现塑性变形 时，基底单位面积上所承受的荷载，即p s 曲线上直线段( 弹性) 的结束，曲 线段( 弹塑性) 的开始。如图3 2 2 中a 点对应的荷载。 当地基中塑性区的最大开展深度z 一为o 时达到临塑状态，此时求得临塑荷 载的表达式为 p 。：业生掣+ c o t 伊一：+ 伊 式中：中，为基底以上土层的重度( k n m 3 ) ， 地基土的内聚力( 1 ( p a ) ；p 为地基土的内摩擦角 1 0 ( 3 2 3 ) d 为基础埋置深度( m ) ；c 为 ( o ) 。 o j m a p 口p l p k r a 图3 2 2 荷载试验p j 曲线 经验表明：即使地基发生局部剪切破坏，地基中的塑性区有所发展，只要 塑性区的范围不超出某一限度，就不至于影响建筑物的安全和使用。工程中经 常使用控制地基中塑性区的开展深度的方法来确定承载力f 1 2 】，把地基中塑性区 开展到不同深度时，其对应得荷载称为临界荷载。 当在中心荷载作用下，可将塑性区的最大开展深度控制在基础宽度的1 4 ， 此时对应的临界荷载公式为 1 ，r ( + c c o t 9 + 归) p i ，= - 上+ ，d ( 3 2 4 ) 咖9 一i + 伊 式中：归中的y 为基底以下地基土的重度( k n m 3 ) ，b 为基底宽度( m ) 。 当在中小偏心荷载作用下，可将塑性区的最大开展深度控制在基础宽度的 z 3 ，此时对应的临界荷载公式为 l 石( + c c o t 矿+ 归) p l 3 = _ - l + ( 3 2 5 ) 。o t 矿一i + 矿 式中符号同上。 3 2 3 荷载试验法0 3 1 1 4 l 【1 5 】【1 6 1 3 2 3 1 荷载试验原理及方法 荷载试验的原理，是在试验土面上逐级加荷载并观测每级荷载下土的变形。 根据试验结果绘制荷载一沉降曲线( p j 曲线) 和每级荷载下的沉降一时间曲线 ( j 一，曲线) ，由此判断土的变形特性及求得土的变形模量和极限荷载等数据。 该方法适用于天然地基、人工地基和桩基。试验一般在试坑内进行，试坑 应设在地质勘察时所布置的取土勘探点附近，并设在所求试验土层的标高上。 试坑宽度不应小于3 倍承载板宽度或直径。承载板的底面积一般为0 2 5 o 5 m 2 ； 对均质密实土( 如密实砂土、老粘土) 可用0 1 o 2 5m 2 ：对松软土及人工填土 则不应小于o 5f n 2 。试验时必须注意保持试验土层的原状结构和天然湿度，在坑 底宣铺设不大于2 0 r a m 厚的粗、中砂层找平。若试验土层为软塑或流塑状态的粘 性土或饱和的松软土，荷载板周围应留有2 0 0 3 0 0 m m 高的原土作为保护层。整 个试验装置在试验过程中要很好地保护，并要有防水、排水等措施。 试验加荷过程是逐级加载的，通常加荷等级不少于8 级。第l 级荷载( 包括 设备重量) 宜接近开挖试坑所卸除的土重，相应的沉降量不计；其后每级荷载 增量，对较松软的土可采用l o 2 5 k p a ，对较硬密的土则采用5 0 ”a ；最大加载 量不应小于荷载设计值的2 倍，并应尽量接近预估地基的极限荷载。每加一级荷 载后，按间隔l o m i n ，l o m i n ，l o m i n ，1 5 m i n ，1 5 r a i n 及以后每隔3 0 m i n 读一次沉 降，如果连续两个小时内，每小时的沉降量小于0 1 m m ，则认为已趋于稳定， 可加下一级荷载。一般地讲，一级荷载下的变形稳定时间，对于一般粘性土及 软土不少于s d , 时，对于碎石类土、老粘土、密实的砂类土应不小于4 d , 时。达 到下列情况之一时，认为土已达到极限状态，即地基土破坏，应终止加载： ( 1 ) 承载板周围的土明显侧向挤出( 砂土) 或发生裂纹( 粘性土和粉土) ： ( 2 ) 沉降s 急剧增大，荷载一沉降曲线( p j 曲线) 出现陡坡段； ( 3 ) 在某一荷载下，2 4 h 内沉降速率不能达到稳定标准； ( 4 ) 沉降s 0 0 8 b ( b 为承压板宽度或直径) 。 终止加荷后，可按规定逐级卸载，并进行回弹观测，以作参考。根据观测 记录并进行修正后( 即p s 曲线的直线段应通过坐标原点) ，可以绘制荷载与 相应沉降量的关系曲线( p s 曲线) 及每一级荷载下沉降量与时间的关系曲线 ( s 一，曲线) 。 荷载试验与地基的实际工作条件比较接近，能较真实地反映土在天然埋藏 条件下受荷载作用时的压缩性及相应的承载力水平，但同其它检测手段( 旁压 试验、动测方法等) 相比，荷载试验的周期长，费用也较多，而且对于软粘土 层难以测得稳定的变形量：再者，其影响深度也十分有限，通常只能达到承载 板宽度或直径的1 5 2 倍；另外，极限荷载的确定在很大程度上受到p j 曲线 的比例及一些认为因素的影