一种地基极限承载力及容许承载力的载荷试验测定方法

摘要

本发明涉及一种地基极限承载力及容许承载力的载荷试验测定方法，包括以下步骤：步骤一：压力载荷试验场地选择及设备安装；步骤二：载荷试验压力增载方案的确定；步骤三：压力载荷与沉降量数据的采集与处理；步骤四：地基土载荷增载沉降模量比参数的确定；步骤五：地基稳定性评价与极限承载力的确定；步骤六：地基土容许承载力的确定。本发明不仅提供了一套高精度的确定地基承载力的新方法，而且有效补充了现有地基承载力确定方法的缺陷之处。该方法设计原理可靠，具有结果确定、精度高、易于实施、节省时间、成本低廉的特点，工程应用性强，应用范围广，可广泛应用于各类性质的地基土。

说明书

技术领域

本发明涉及地基稳定性与承载力评价领域，具体涉及一种地基极限承载力及容许承载力的载荷试验测定方法。

背景技术

近年来，随着我国大量地区城镇化建设快速兴起，越来越多的大型建筑物开始兴建，建筑物规模的增加，使用年限的增长都要求地基不致因承载力不足而失去稳定，也不致因基础沉降过大而影响建筑物正常使用。而且随着建筑物高度的增加，地基上部荷载也急剧增加，若基础设计过于保守，则势必造成材料和空间上的浪费。那么为了做到既能保证地基稳定，又能达到不因设计过于保守而造成材料浪费的目的，其最重要的任务就是如何科学准确确定地基极限承载力。

目前，地基承载力的确定方法主要有理论计算法、承载力经验确定法及现场原位测试法这三大类方法。理论计算法是通过假定地基土为刚塑性体，土体不产生变形，如同刚体一样，当达到屈服应力时，塑性变形将不断增加，直至土样发生破坏。这类方法通过在土中任取一微分体，以一点的静力平衡条件满足极限平衡建立微分方程，计算地基各点达到极限平衡时的应力及滑动面方向，由此求解地基的极限荷载。该类方法虽然能够通过理论计算方便求解出地基承载力，但是由于此方法假定地基土为刚塑性体，在复杂边界条件等因素影响下，使得求解的精度无法保证，建立微分方程及求解上都存在数学上的困难，因此理论计算方法仅适用于某些边界条件等因素简单的地基承载力计算。承载力经验确定法是根据对当地的土(岩)层分布和物理性质积累的较为丰富的工程经验，建立本地区不同地质条件下的承载力特征值，依据所要评判的场地地质条件，通过大量工程经验总结确定地基承载力。此方法虽然可以快速简便且无需投入太多成本即可确定地基承载力，但是此方法无法保证场地的地质条件与经验总结的地质条件完全吻合，因此在地基承载力的确定上也无法保证其精度。现场原位测试法，特别是标贯、动力触探、载荷试验等，是在岩土层原来所处的位置进行原位测试，其优点是在基本保持土的天然结构，天然含水量以及天然应力状态下，测定岩土的工程力学性质指标。虽然原位测试法可以测定不扰动土样的有关工程力学性质，能避免取样过程中应力释放的影响，然而各种原位测试都有其适用条件，且影响原位测试的因素较为复杂，对测定值的准确判定造成一定的困难，尤其在软土地基区域，为保证原位测试成果应着重考虑地区性和经验性。在上述原位测试法中，最为常用和可靠的地基承载力确定方法为平板载荷试验法。平板载荷试验法是在拟建建筑物场地上将一定尺寸和几何形状(圆形或方形)的刚性板，安放在被测的地基持力层上，逐级增加荷载，并测得每一级荷载下的稳定沉降，直至达到地基破坏标准，由此可得到荷载(p)－沉降(s)曲线(即p-s曲线)。当p-s曲线上有明显比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值为地基承载力特征值；当极限荷载小于对应比例界限的2倍时，取极限荷载值的一半为地基承载力特征值；当不能按上述两点确定时，可取s/d＝0.01～0.015所对应的荷载，但其地基承载力特征值取值不应大于最大加荷量的一半。虽然上述方法确定地基承载力具有一定的精度，但是该方法具有一定的局限性，尤其在对大量饱和软土地基承载力评价时，由于软土地基性质决定地基沉降变形是连续不间断的，而不像坚硬土体会发生突然破坏而使得沉降位移突然极速增加，表现在p-s曲线图形上，坚硬土体p-s曲线会出现转折点，而软土地基p-s曲线则为缓变平滑曲线，在针对p-s曲线为缓变状态时，很难像突变型p-s曲线那样容易确定曲线转折点，进而确定地基承载力值。针对此种情况，根据大量平板载荷试验工程经验总结出取s/d＝0.01～0.015所对应的荷载为地基承载力值，虽然此方法能够一定程度上解决了缓变曲线难以确定地基承载力的难题，但是s/d＝0.01～0.015毕竟是个区间范围，并且是根据工程经验取值并没有理论依据支持，而且该比值还会随不同性质土层而发生较大变化，因此上述方法所确定的地基极限承载力具有较大的多解性和不确定性等问题，同时也造成了成本与测试时间的较大浪费。

发明内容

针对上述传统评价测定方法的局限与不足，本发明旨在寻求一种能克服传统地基承载力确定方法局限性的新方法，以期能够更加准确的确定地基极限承载力与地基容许承载力值，进而为工业与民用建筑设计提供一种准确和有效的地基承载力载荷试验测定方法。本发明研究和确定了一种地基极限承载力及容许承载力的载荷试验测定方法。主要根据弹塑性理论、岩土力学及损伤力学基本原理，首先确定压力载荷试验的压力增载方案，然后进行载荷试验，通过提取每级加载荷载值与其对应的沉降值等数据，确定地基土载荷增载沉降模量比参数χ_i值，以此参数作为地基极限失稳评价参数，进而根据地基土载荷增载沉降模量比与稳定性系数的关系，确定地基土载荷增载沉降模量比临界值，并以地基土载荷增载沉降模量比临界值为依据，确定地基的极限承载力和地基容许承载力，进而达到对地基极限承载力与地基容许承载力更加准确与有效评价的目的。

一种地基极限承载力及容许承载力的载荷试验测定方法，具体步骤如下：

步骤一：压力载荷试验场地选择及设备安装

选择建筑地基重要的区域(如土层性质有变化的区域、工程地基分段施工的交接部位)作为载荷试验场地，按照《岩土工程勘察规范》(GB50021-2001)的规定与要求，对选取的区域进行压力载荷试验；选用圆形钢板作为承压板，液压千斤顶、手动油泵以及各种杆件作为加载工具，并配合使用压力计与位移计进行测定试验过程中的压力值与沉降值，见图2。

步骤二：载荷试验压力增载方案的确定

为稳固承压板，预先加P₀荷载，保持30-60秒，待稳定后读取百分表读数S₀，然后卸除荷载，将百分表读数调至零或读取百分表读数S₀作为下沉量的起始读数；依据加荷分级不应小于8级的原则，以P₁为初始级别压力值，以ΔP为增量，即以P_i＝P₁+(η-1)ΔP(η＝1,2···n)为每级荷载进行逐级加载；当沉降量趋于稳定时，进行下一级加载。

步骤三：压力载荷与沉降量数据的采集与处理

根据步骤二确定的压力增载方案，在i级荷载P_i加载后，按间隔10min，10min，10min，15min，15min测读一次沉降量，以后间隔半小时测读一次沉降量，当连续2小时内，每小时沉降量均小于0.1mm时，则认为在本级荷载作用下沉降量已经趋于稳定，此时读取沉降量变化值ΔS_i作为第i级荷载加载的沉降值，并记录。

步骤四：地基土载荷增载沉降模量比参数的确定

根据岩土体材料应力应变关系以及应力、应变与地基承受荷载、及其位移的关系(见原理1)，本发明定义初始荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量值为初始载荷的施加压力增量值与所对应的地基位移变化量的比值，其值可由式(1)确定；同理，第i级荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量值为第i级载荷的施加压力增量值与所对应的地基位移变化量的比值，其值可由式(2)求解确定：

λ₀＝ΔP₀/ΔS₀>

λ_i＝ΔP_i/ΔS_i>

同时，本发明定义地基土载荷增载沉降模量比参数χ_i为第i级荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量值λ_i与初始荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量值λ₀之比，其值可由式(3)计算确定：

${\chi }_i={\lambda }_i/{\lambda }_0=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_i}{{\mathrm{\Delta S}}_i}/\frac{{\mathrm{\Delta P}}_0}{{\mathrm{\Delta S}}_0}---\left(3\right)$

式中：

χ_i－第i级荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量比；

λ₀－初始荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量值；

λ_i－第i级荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量值；

ΔS₀－初始荷载加载后的沉降位移变化量；

ΔS_i－第i级荷载加载后的沉降位移变化量；

ΔP₀－初始加载的压力增量值；

ΔP_i－第i级加载的压力增量值。

步骤五：地基稳定性评价与极限承载力的确定

(1)地基稳定性评价及稳定性判据准则的确定

绘制地基土载荷增载沉降模量比参数随压力级别变化曲线，即χ_i-P_i关系曲线，见图3；根据弹塑性力学基本原理，地基承载力的大小可运用地基土载荷增载沉降模量比参数大小来评价，即当χ＝1时，表明地基土处于弹性稳定状态；当χ＜1时，则表明地基土进入塑性变形阶段；当χ发生突变即χ→0时，表明地基土处于极限失稳破坏状态。

根据地基土载荷增载沉降模量比与地基稳定性的关系，本发明依据损伤力学原理，可确定地基土载荷增载沉降模量比与地基安全系数的相关关系(见本发明原理2)，(地基安全系数K依据建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)取值)，并依此确定地基土载荷增载沉降模量比失稳判据为：

${\chi }_{cr}=\frac{K-1}{K}---\left(4\right)$

式中：χ_cr为地基土载荷增载沉降模量比临界值；

K为地基安全系数，依据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)取值。根据地基土载荷增载沉降模量比稳定性判据，可对地基承载力进行以下分析与评价：当地基土载荷增载沉降模量比χ_i＞χ_cr时，表明地基处于相对稳定阶段；当地基土载荷增载沉降模量比χ_i≤χ_cr时，表明地基处于不稳定阶段。

(2)地基极限承载力的确定

当χ_i≤χ_cr时，表明地基承载状态进入不稳定阶段，因此可判定χ_i-P_i关系曲线上P_i对应点为地基载荷试验的极限压力点，取前一级对应的载荷压力P_d(cr)与承压板面积之比确定为地基的极限承载力σ_cr：

σ_cr＝P_d(cr)/A>

式中：

σ_cr－地基土的极限承载力；

P_d(cr)－地基载荷试验的极限压力点前一级荷载所对应的压力值；

A－承压板面积。

步骤六：地基土容许承载力的确定

根据《浅层平板载荷试验》规范，地基容许承载力通常取极限荷载值的一半，因此地基土容许承载力[σ]可由式(6)确定：

[σ]＝σ_cr/2>

式中：

[σ]－地基土容许承载力；

σ_cr－地基土的极限承载力。

本发明的原理与依据如下：

原理1：根据弹塑性理论和岩土力学基本原理，一般岩土体材料的应力应变关系及其破坏规律如图3所示。从图3可以看出，材料在OA阶段为压缩变形阶段，虽然其应力σ与应变ε呈非线性关系，但在该阶段加载和卸载对材料的结构和性质并不产生不可逆的变化。AB和BC分别为弹性变形阶段和近弹性变形阶段，在此阶段内，应力σ与应变ε成线性关系，其加载卸载后变形能完全恢复，即变形可逆，此阶段内应力变化Δσ与应变变化Δε的比值λ为定值。从C点开始，随着材料进入塑性变形阶段，应力σ与应变ε成非线性关系，此时的应力变化Δσ与应变变化Δε的比值λ已不再是一个定值，而且随着应力Δσ的增大和材料塑性损伤的不断发展，其相应应变响应的变化量Δε也呈现非线性增大，因此其应力变化Δσ与应变变化Δε的比值λ将出现非线性减小；当材料达到峰值强度D后，即在材料完全破坏时，其应力变化Δσ与应变变化Δε的比值λ将趋近于0。上述岩土材料的基本变形与破坏规律表明，在非线性系统失稳前可以通过土体材料的应力变化Δσ与应变变化Δε的比值λ作为非线性系统稳定性状态与趋近失稳的定量表征。因此，本文将土体材料的应力变化Δσ与应变变化Δε的比值λ定义为地基土载荷增载沉降模量值，即：

$\lambda =\frac{\Delta \sigma }{\Delta ϵ}---\left(7\right)$

为了方便将地基土载荷增载沉降模量值λ应用于实际工程地基稳定性的评价与预测中，需要在地基土载荷增载沉降模量值λ基础上提炼出一个具有普适性的无量纲稳定性评价参数。因此，可以将土体材料任意变形阶段内的地基土载荷增载沉降模量值与其初始变形阶段内的地基土载荷增载沉降模量值之比定义为地基土载荷增载沉降模量比χ，即

${\chi }_i=\frac{{\lambda }_i}{{\lambda }_0}=\frac{{\mathrm{\Delta \sigma }}_i}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_i}/\frac{{\mathrm{\Delta \sigma }}_0}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_0}=\frac{E_i}{E_0}---\left(8\right)$

其中：

地基岩土体应力应变的变化宏观上则表现为地基所加荷载与位移的变化，根据应力、应变的定义，应力为单位面积所承受的力，应变为单位长度的变形量，根据式(8)，地基土载荷增载沉降模量比χ也可以表示为：

${\chi }_i=\frac{{\lambda }_i}{{\lambda }_0}=\frac{{\mathrm{\Delta \sigma }}_i}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_i}/\frac{{\mathrm{\Delta \sigma }}_0}{{\mathrm{\Delta ϵ}}_0}=\left(\frac{{\mathrm{\Delta P}}_i/A}{{\mathrm{\Delta S}}_i/h}\right)/\left(\frac{{\mathrm{\Delta P}}_0/A}{{\mathrm{\Delta S}}_0/h}\right)=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_i}{{\mathrm{\Delta S}}_i}/\frac{{\mathrm{\Delta P}}_0}{{\mathrm{\Delta S}}_0}---\left(3\right)$

其中：

由上述荷载增量作用下材料应变增量变化规律可知，当应力变化很小时，系统处于弹性稳定状态，这时Δσ与Δε之间为线性或近似线性关系，此时材料在任意时间段内地基土载荷增载沉降模量值与初始地基土载荷增载沉降模量值相等，其地基土载荷增载沉降模量比χ值应为1；如果应力不断增大，随着材料进入不稳定塑性变形阶段时，即系统趋于不稳定时，其初始地基土载荷增载沉降模量值为一定值，而此变形阶段内的地基土载荷增载沉降模量值随应力增大而呈现单调递减变化，其地基土载荷增载沉降模量比χ值应小于1；随着系统稳定性不断降低，其地基土载荷增载沉降模量比χ偏离1的程度也将越大；当系统整体破坏失稳时，其初始地基土载荷增载沉降模量值为一定值，而i时刻的地基土载荷增载沉降模量值将趋近于0，因此其地基土载荷增载沉降模量比χ也将趋近于0。上述地基土载荷增载沉降模量比χ的变化规律表明，χ值与地基稳定性有关，可以运用χ参数定量地描述地基非线性系统偏离稳定状态的程度，也可以作为地基失稳预报的判据。

原理2：根据损伤力学基本原理，损伤过程与损伤程度可以运用损伤变量(D_i)来描述与刻画。由损伤变量的定义，令地基土体损伤变量为D_i，在土体中，对研究的损伤过程比较敏感，且易于测量的是变形模量，设岩土体初始弹模为E₀，发生损伤后变形模量为E_i，则据J.Dufailly(1988)的实验结果，可以得出：

$D_i=1-\frac{E_i}{E_0}---\left(9\right)$

结合公式(9)与原理1中公式(8)可得

D_i＝1-χ_i>

综合分析式(9)和式(10)，当地基土体材料处于弹性稳定状态时，E_i＝E₀，χ_i＝1，D_i＝0，当地基土体材料处于完全损伤破坏状态时，E_i＝0，χ_i＝0，D_i＝1。式(9)和式(10)在描述和评价材料损伤变形规律时具有等效性，从而可用地基土载荷增载沉降模量比χ对地基稳定性进行分析与评价。

在地基稳定性评价过程中，可以把地基稳定性系数作为地基稳定性的评判标准，用地基实际稳定性系数来判别地基是否稳定和稳定程度。安全系数定义为极限损伤与容许最大损伤之比，即：式中D_cr为容许最大损伤，极限损伤D_lim取1。而在整个损伤直至破坏的过程中，损伤变量D_i逐渐趋近于D_cr，因此，安全系数可写为：

$K=\frac{1}{D_{cr}}---\left(11\right)$

根据式(11)，本发明将地基稳定性系数定义为极限损伤变量D_lim与地基任意时刻损伤变量D_i之比，即：

$F_i=\frac{D_{\lim }}{D_i}---\left(12\right)$

式中：D_lim为地基极限损伤变量，取1。

根据式(10)和式(12)可确定其地基土载荷增载沉降模量比与地基稳定性系数存在以下关系：

${\chi }_i=1-\frac{1}{F_i}=\frac{F_i-1}{F_i}---\left(13\right)$

地基土载荷增载沉降模量比与地基稳定性系数的关系(式13)表明，地基土载荷增载沉降模量比与地基稳定性系数之间存在着一一的对应关系，即表明可运用地基土载荷增载沉降模量比定量确定地基稳定性系数，并以此定量监测和评价地基的动态稳定性。

在实际工程中，为了考虑工程的重要性、参数的不确定性，通常给地基稳定性系数设定一个安全系数K作为安全储备，把安全系数K作为地基是否稳定的判据。为此，根据式(4)可以进一步确定地基土载荷增载沉降模量比临界值为：

${\chi }_{cr}=\frac{K-1}{K}---\left(4\right)$

其中，χ_cr即为运用地基安全系数所确定的稳定性判据。根据该地基稳定性判据，对地基的稳定性进行以下分析与评价：当地基稳定性系数F_i大于安全系数K时，地基土载荷增载沉降模量比χ_i＞χ_cr，表明地基处于稳定状态；当地基稳定性系数F_i小于和等于安全系数K时，地基土载荷增载沉降模量比χ_i≤χ_cr，表明地基处于不稳定状态。

本发明所阐述的方法，相比传统稳定性评价方法，采用弹塑性理论和岩土力学基本原理，依据压力载荷试验的基本方法，提出一种全新的确定地基极限承载力与地基容许承载力的评价参数，不仅提供了一套高精度的确定地基承载力的新方法，而且有效补充了现有地基承载力确定方法的缺陷之处。该方法设计原理可靠，具有结果确定、精度高、易于实施、节省时间、成本低廉的特点，工程应用性强，应用范围广，可广泛应用于各类性质的地基土。

附图说明

图1本发明方法流程示意图；

图2压力载荷试验设备安装示意图；

图3岩土体应力-应变曲线图；

图4地基土载荷增载沉降模量比参数随压力级别变化曲线图。

具体实施方式

为了更好地说明本发明，本发明结合某压力载荷试验加以详细论述其可能性，以证明其实际意义与价值。

步骤一：压力载荷试验场地选择及设备安装

通过地质勘察工作，设计方认为S₁、S₂、S₃、S₄、S₅五个区域为本工程建筑地基重要的区域，其中S₁、S₂、S₃为土层性质有变化的区域，S₄、S₅为工程地基分段施工的交接部位，选择此五处进行压力载荷试验。本次选择S₃区域的压力载荷试验作为本发明的实例对象，压力载荷试验方案选用圆形钢板作为承压板，液压千斤顶、手动油泵以及各种杆件作为加载工具，并配合使用压力计与位移计进行测定试验过程中的压力值与沉降值，具体安装图见图2。

步骤二：载荷试验压力增载方案的确定

承压板选用面积为1m²的圆形板，为了稳固承压板，预先加P₀＝10KN荷载，约30秒钟，待稳定后卸除荷载，读取百分表读数作为下沉量，为0.8mm。将加荷分级分为9级，根据本地地质材料预估地基极限承载力值为360KPa，以P₁＝40KN为初始级别荷载值，以ΔP＝40KN为增量，即以P_i＝P₁+(η-1)ΔP(η＝1,2···n)为每级荷载进行逐级加载，则每级荷载值数据见表1。当沉降量趋于稳定时，进行下一级加载。

表1压力载荷试验的每级荷载值数据

压力级别P₁P₂P₃P₄P₅P₆P₇P₈P₉压力值(KN)4080120160200240280320360

步骤三：压力载荷与沉降量数据的采集与处理

根据步骤二确定的压力增加方案，在每一级荷载P_i加载后，按间隔10min，10min，10min，15min，15min测读一次沉降，以后间隔半小时测读一次沉降量，当连续2小时内，每小时沉降量均小于0.1mm时，则认为在本级荷载作用下沉降量已经趋于稳定，此时读取沉降量变化值ΔS_i作为第i级荷载加载的沉降值，并记录在EXCEL表格内，具体数据见表2。

表2每级荷载值对应的最终沉降值

压力级别P₀P₁P₂P₃P₄P₅P₆P₇P₈P₉沉降变化值(mm)0.83.33.43.74.14.54.95.36.28.1

步骤四：地基土载荷增载沉降模量比参数的确定

根据岩土体材料应力应变关系以及应力、应变与地基承受荷载、及其位移的关系(见原理1)，本发明定义初始荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量值为初始载荷的施加压力增量值与所对应的地基位移变化量的比值，其值可由式(1)确定；同理，第i级荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量值为第i级载荷的施加压力增量值与所对应的地基位移变化量的比值，其值可由式(2)求解确定：

λ₀＝ΔP₀/ΔS₀>

λ_i＝ΔP_i/ΔS_i>

同时本发明定义地基土载荷增载沉降模量比参数χ_i为第i级荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量值λ_i与初始荷载加载后的地基土载荷增载沉降模量值λ₀之比，其值可由式(3)计算确定，计算结果见表3。

${\chi }_i={\lambda }_i/{\lambda }_0=\frac{E_i}{E_0}=\frac{{\mathrm{\Delta P}}_i}{{\mathrm{\Delta S}}_i}/\frac{{\mathrm{\Delta P}}_0}{{\mathrm{\Delta S}}_0}---\left(3\right)$

表3地基土压力增载位移响应比参数值

压力级别P₁P₂P₃P₄P₅P₆P₇P₈P₉χ_i0.970.940.860.780.710.650.600.520.40

步骤五：地基稳定性评价与极限承载力的确定

绘制地基土载荷增载沉降模量比参数随压力变化曲线，即χ_i-P_i关系曲线，见图4。根据弹塑性力学基本原理，地基承载力的大小可运用地基土载荷增载沉降模量比参数大小来评价，即当χ＝1时，表明地基土处于弹性稳定状态；当χ＜1时，则表明地基土进入塑性变形阶段；当χ→0时，表明地基土处于极限失稳破坏状态。依据建筑地基基础设计规范(GB50007-2011)，该地基安全系数K取2，根据地基土载荷增载沉降模量比稳定性判据(式(4))计算得，地基土载荷增载沉降模量比临界值χ_cr＝0.5。

${\chi }_{cr}=\frac{K-1}{K}---\left(4\right)$

因此确定地基土载荷增载沉降模量比参数χ₉为发生突变的点，χ₈所对应的压力级的压力P_tb＝P₈＝320KN，则地基极限承载力可由式(5)确定。

${\sigma }_{cr}=\frac{P_{tb}}{A}=320Kpa---\left(5\right)$

步骤六：地基土容许承载力的确定

根据浅层平板载荷试验确定地基容许承载力通常取极限荷载值的一半的特点可确定，因此地基土容许承载力[σ]可由式(6)确定。

[σ]＝σ_cr/2>

[σ]＝320/2＝160Kpa

本发明为地基承载力的确定提供了明确的依据，有效克服了传统平板载荷试验确定地基承载力时，曲线为缓变形的转折点不易确定，且容易造成误差的局限性，通过本发明可更加准确的确定地基极限承载力与地基容许承载力值。