对复合地基载荷试验标准的一些探讨|我的原创论文 - 领先的岩土技术社区，岩土领域的媒体、社区与应用平台！

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只看楼主倒序阅读使用道具楼主发表于: 2013-04-11

【作者】：付文光，杨志银，蔡铭
【作者机构】：
【摘要】：本文以《建筑地基处理技术规范》为例，分析了规范中复合地基载荷试验标准的一些不合理之处，并提出了修改建议。
【曾发表在】：地基处理

1．前言
复合地基与浅基础、桩基础并列为房屋建筑工程中最常用的三种地基基础形式，其中复合地基广泛地应用于单层、多层及小高层建筑。众所周知，作为一种人工地基，复合地基完成施工后必须要进行承载力检验，静载荷试验就是最常用的检验方法之一。载荷试验被国内的各个地基处理技术规范都列为最基本、最可靠、甚至强制性的地基承载力检测方法，几乎应用于所有类型的地基基础承载力的检测，其试验成果常常用作与其它测试方法得到的参数建立经验关系的参照标准，也是各检测单位进行地基基础施工质量评定的主要依据。总之，载荷试验在各种承载力检测方法中是处于首要位置的，正因为如此，载荷试验标准才显得至关重要。标准的合理与否，不仅关系到某项具体工程的施工质量是否合格，还关系到设计人员对设计成果的判断，从而影响到设计过程及工程技术人员对工程中未知领域的研究探索。目前，尽管国内各个地基处理规范几乎都对复合地基载荷试验方法进行了规定，但是，要么规范的条款本身就不够严谨、不够准确、不够清楚或是各项条款之间存在着相互矛盾，要么不同的规范之间存在着相互矛盾，导致了各检测单位对规范的理解和执行更是五花八门，复合地基载荷试验处于一片混乱之中。
下面以行业标准《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002 / J220-2002）（以下简称为规范2002）为例来说明这种状况。限于篇幅，本文中仅以最典型的复合地基—水泥系深层搅拌桩复合地基（以下简称为搅拌桩复合地基）为例。

2. 拐点法
复合地基载荷试验方法的核心内容就是终止试验的标准和对地基承载力特征值的确定标准，这也是各个规范及规范执行中矛盾的焦点。我们先讨论承载力特征值的确定标准。
《规范2002》的《附录A 复合地基载荷试验要点》中第A.0.9条“复合地基承载力特征值的确定”的第1款规定：“当压力~沉降曲线上极限荷载能确定，而其值不小于对应比例界限的2倍时，可取比例界限；当其值小于对应比例界限的2倍时，可取极限荷载的一半”。本条款中的关键词为“比例界限”和“极限荷载”。实际上，搅拌桩复合地基的比例界限是极难确定的，笔者甚至认为比例极限在搅拌桩复合地基中没有实际意义。
比例界限的概念来源于对地基土破坏模式的分析研究。地基土的破坏模式分为整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲切剪切破坏三种，其中整体剪切破坏模式的压力~沉降(p~s)曲线如图1曲线A所示，可大体分为三个阶段：当荷载小于比例界限（或称临塑荷载）Po时，地基土的变形主要是因为土的压密，荷载与变形之间的关系接近于正比例；当荷载超过Po后，土体开始发生剪切破坏，产生塑性变形，随着荷载的增加，塑性变形区逐渐扩大；当荷载继续增加到极限荷载Pu后，承压板急剧下沉，土从板下挤出，地基完全破坏，丧失稳定。整体剪切破坏模式最有可能在密实的砂土和坚硬的粘土中发生，p~s曲线上具有明显的拐点；而局部剪切破坏和冲剪破坏的p~s曲线如图1曲线B、C所示，线形光滑，很难确定曲线上有没有拐点。搅拌桩复合地基的破坏模式类似于地基土的后两种破坏模式，如图2所示。一般情况下，搅拌桩均设计为摩擦桩或端承摩擦桩，桩侧摩阻力与桩身变形大体相适应，由上到下逐渐发挥，桩身轴向应力及桩身压缩量由上而下逐渐减小，其受力及变形主要集中在桩身上部。随着荷载的逐渐增加，桩身轴向应力及变形也逐渐地、连续地增加，用p~s曲线来表示，线形基本是光滑的，曲线上没有明显的拐点，这已经被大量的工程实践所证实。从土力学意义上说，如果地基土的比例界限标志着地基土从压密变形开始塑性变形，而搅拌桩复合地基的比例界限如果存在，又意味着什么呢？实际上，不仅比例界限难以确认，极限荷载Pu也极少出现。这是因为：一、搅拌桩复合地基的设计理论比较成熟，工程技术人员在设计时总会有意识地提高桩身强度及增加桩长，避免了容易导致极限荷载提前出现的桩体强度不足、冲剪破坏等破坏形式；二、载荷试验中的最大加载压力一般为设计地基承载力特征值的2倍，此时复合地基一般尚未达到极限状态。
综上所述，通过拐点法确定搅拌桩复合地基承载力特征值是极为困难的。

3. 相对变形值法
《规范2002》中第A.0.9条“复合地基承载力特征值的确定”的第2款规定：“当压力~沉降曲线是平缓的光滑曲线时，可按相对变形值确定……4）对水泥土搅拌桩或旋喷桩复合地基，可取s/b或s/d等于0.006所对应的压力……”。相对变形值法是国内使用得最多的方法，该方法的核心问题，是相对变形值s/b或s/d的选取（s为载荷试验承压板的沉降量，b为矩形承压板的宽度，d为圆形承压板的直径。以下均简称为s/b）。
行业标准《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91，已废止）、行业标准《软土地基深层搅拌加固法技术规程》（YBJ225－91）、强制性地区标准《深圳地区地基处理技术规范》（SJG04－96）中s/b=0.004~0.010，广东省标准《建筑地基处理技术规范》（征求意见稿，2004年5月）中s/b=0.006~0.010……规范给出一个范围值的本意是想让各检测单位根据本地区的具体情况选定最适合的参数，却不想造成了极大的混乱。以深圳地区为例，包括各质检站在内的有资质的检测单位十几个，其选值各不相同，有0.004的，有0.005的，有0.006……应有尽有，这样就造成了同一个工程的质量评定可能会因不同的检测单位、甚至同一个单位不同的检测人员而异，既可能会评定合格，也可能会评定不合格。毋庸讳言，这也是质量检验中存在腐败的一个原因。质量检验本应是件严肃、科学的事，但实际中有时却显得有点儿戏。《规范2002》将s/b值统一为0.006，为结束这种混乱创造了条件，但0.006这个标准本身是否恰当呢？我们举个例子。
某七层建筑，筏板基础，采用水泥土深层搅拌法进行地基处理，设计复合地基承载力特征值180kPa。场地内土层自上而下为：粉质粘土，重度γ=18.7kN/m3，压缩模量Es=6.7MPa，地基承载力特征值fsk=110kPa，桩周土摩擦力特征值qs=18kPa，厚度按5m计算；中粗砂，γ=19.4kN/m3，变形模量Eo=12.9MPa， fsk=160kPa，qs=35kPa，厚度按4.5m计算；再以下为风化岩。设计搅拌桩直径600mm，间距1.2m×1.2m，即置换率m=20%；桩长5.5m，即桩端进入中粗砂0.5m；单桩承载力及桩身强度计算公式采用《规范2002》中式11.2.4-1及11.2.4-2，桩端地基土承载力折减系数α取0.4，计算单桩承载力Ra=220kN，取Ra=200kN；桩身强度ηfcu达到706kPa即可满足承载力要求，考虑到强度折减，设计桩身强度不小于1.2MPa；复合地基承载力特征值fspk按式9.2.5计算，桩间土承载力折减系数β取0.85，计算结果fspk=214>180，承载力满足设计要求。搅拌桩复合层压缩变形s1按式11.2.9-1及11.2.9-2计算，压缩模量Ep取120MPa，视中粗砂变形模量为压缩模量，按分层总和法计算下卧层沉降，则基础总沉降量约为76mm。目前该建筑已开始使用，累计沉降不足50mm，状态良好，说明该工程搅拌桩复合地基的设计是成功的。
而这样一个很正常的地基处理工程，在载荷试验时却遇到了问题。试验点共8个，4个单桩复合地基，承压板面积为1.2m×1.2m；4个四桩复合地基，承压板面积为2.4m×2.4m。试验最大荷载为2倍设计承载力特征值，即360kPa。加载到360kPa时，各试验点均没有任何地基破坏的迹象，p~s、s~lgt曲线均光滑平缓，沉降量为5.8mm~18.2mm。质检单位采用《规范2002》的标准s/b=0.006，评定有3个点的复合地基承载力不足180kPa！一般来说，载荷试验的承压板边长较小，其影响的深度范围有限，承压板的沉降基本上都是桩身压缩变形产生的。本工程也是如此。理论上，当桩身强度达到1.2MPa时，取搅拌桩压缩模量为120MPa，按《规范2002》式11.2.9-1及11.2.9-2，计算出搅拌桩压缩变形量约为16.9mm。该值对于单桩复合地基的小承压板，s/b=0.014，对于四桩复合地基的大承压板，s/b=0.007，也就是说，即使搅拌桩强度完全满足了设计要求，也不满足试验中相对变形值s/b=0.006的要求。为了满足这个要求，搅拌桩的桩身强度需要达到约3.1MPa！从桩身试块强度试验和水泥强度检验报告得知，主要因为施工采用的水泥实际强度较高，使得大部分桩身强度在3MPa以上，所以其它试验点的沉降能够满足s/b=0.006的要求。
从上面的例子可以看出，为了达到载荷试验检验合格的目的，就要大幅度提高搅拌桩复合模量，需要提高搅拌桩的置换率或是提高桩身强度。提高置换率就要增加工程造价，要提高桩身强度就要增加水泥用量，同样会增加工程造价。此外，桩身强度越高其受力特性越接近刚性桩，与土分担荷载的比例就越大，这对与桩间土的协调变形、充分发挥桩间土的承载力是不利的，因此，桩身强度并不是越高越好。较经济和安全的做法是使按桩身强度所确定的单桩承载力略高于按土对桩的抗力所确定的值，这样可以使桩的强度得到充分的发挥。理论和实践经验表明，大多数工程中搅拌桩复合层的压缩沉降为10~50mm，地基的沉降主要取决于下卧层的沉降，这样搅拌桩的强度达到0.6~1.0MPa即可满足使用要求。这就与为了检验合格而需要大幅度提高桩身强度之间产生了矛盾。检验是手段而不是目的，仅是为了检验合格而提高置换率或是水泥用量的作法是不合理的，造成这种本末倒置的原因就是检验标准的不合理，亦即《规范2002》规定的s/b=0.006太小。

再以深圳市宝安区公明镇某框架结构的工业厂房搅拌桩基础工程为例。该场地地质状况如图3所示，在深圳地区，这种地质条件下的多层建筑最适合采用搅拌桩复合地基。搅拌桩直径500mm，桩长13.0m，设计复合地基承载力特征值180kPa。单桩复合地基载荷试验采用1m×1m的小承压板，其中4#试验点的p~s曲线如图4所示，当加载压力为180kPa时，s/b=0.0078；按s/b=0.006得到的承载力特征值为166kPa，按s/b=0.010得到的承载力特征值为204kPa。该工程共4栋厂房，均采用单桩复合地基载荷试验，加载压力到180kPa时，有38％的s/b值大于0.006，这些试验点加载压力为360kPa时，沉降稳定，沉降量均没有超过55mm，即s/b值均没超过0.06。如果按《规范2002》中s/b=0.006的标准判断，这些试验点的承载力特征值没有达到设计要求，然而，我们能够说这些点的地基承载力不能满足正常使用要求吗？如果连这样的结果都要被判定为质量不合格，笔者就要怀疑搅拌桩复合地基这种工法的工程意义了。深圳某区质检站的经验表明，如果按s/b=0.006的标准控制，有90%以上的工程质量都达不到设计要求。
那么，s/b取值多少才是适宜的呢？笔者认为，最好取s/b=0.01~0.015，砂土、低压缩性土中多桩复合地基载荷试验取低值，单桩复合地基及中、高压缩性土中复合地基的载荷试验取高值。为了计算简单，我们仍认为载荷试验时沉降量是由桩身压缩变形引起的，即不考虑下卧层的沉降。搅拌桩复合层的压缩量一般为10~50mm，多桩载荷试验承压板的边长一般大于1.5m，则s/b=0.006~0.033。如果取s/b=0.010，当桩身强度不小于1MPa时，这个标准还是较为容易达到的。但是对于单桩复合地基载荷试验来说，取s/b=0.01仍然过于严格。单桩复合地基试验的小承压板的边长通常为1m，当沉降量s=10~50mm时，s/b=0.01~0.05。可见，当s/b一定时，小承压板要求的沉降量比大承压板的要小，也就是说，要求的复合层变形模量更高。对于某一具体复合地基而言，施工完成后，其变形模量就已是定值，理论上，在相同的荷载下，其沉降量也是定值，单桩或多桩试验的大小承压板的边长不同，导致了相对变形值不同，使得单桩复合地基荷载试验所确定的地基承载力特征值更低。实际上，因为目前试验时一般承压板下的中粗砂垫层厚度为20mm，单桩复合地基试验时桩土应力比比多桩时高，变形模量也较大，另外影响的深度也较小，等等，这些因素导致了单桩复合地基试验时实际沉降量小于按复合模量计算的结果，一般来说也小于多桩复合地基试验的沉降量，但因为小承压板的边长相对较短，其相对变形值仍相对较大，所以确定的地基承载力特征值更低。这就是工程实践中单桩复合地基荷载试验的不合格率会比多桩试验高的原因。为解决这个问题，笔者建议：当进行单桩复合地基荷载试验时，取s/b=0.015所对应的压力作为地基承载力的特征值；或者，取最大加载压力的一半作为特征值。下节中对后一条建议还有所说明。在中高压缩性土中，搅拌桩的强度较低，复合层变形模量较小，沉降较大，所以在中高压缩性土层中s/b值也取0.015。
总之，当以相对变形值作为复合地基承载力特征值的确认标准时，一定要切合工程实际，不要将标准定得太高。复合地基的特点之一就是通过较大的沉降变形，迫使桩间土与桩协调作用共同分担荷载，在能够达到不影响正常使用要求的前提下，应该允许复合地基有较大的沉降，这样才能使复合地基的特点得到充分地发挥。在深厚的淤泥层中，深层搅拌桩复合地基仍不失为一种较好的地基基础形式。但在这种地层中的搅拌桩复合地基的沉降量较大，如果承载力的检测标准过于严格，往往会低估了复合地基的承载能力，不仅会造成工程费用的增加，还会对该项技术的使用造成障碍。我们总不能要求复合地基的沉降量比桩基的沉降量还要小。
以上的分析计算都是以水泥土深层搅拌桩复合地基为例的，其它桩型的复合地基载荷试验的特征值确定标准是否也有不合理之处，限于篇幅和作者的水平，就不再妄言了。

4. 最大加载压力
《规范2002》第A.0.7条规定：“当出现下列现象之一时可终止试验：……3.当达不到极限荷载，而最大加载压力已大于设计要求压力值的2倍……”。此时应采用相对变形值来确定地基承载力的特征值。用相对变形值确定的特征值，不外乎有大于和小于设计承载力特征值（以下简称为设计值）两种情况。一、确定的特征值大于设计值。此时取设计值为特征值，因为按第A.0.9条中最后一句话：“按相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的一半”，即按相对变形值确定的承载力特征值的上限为设计值；二、确定的承载力特征值小于设计值。既然相当于2倍设计荷载的最大加载压力都没有达到极限载荷，极限载荷或许更大，那么又为什么不能取最大加载压力的一半作为承载力特征值、而是取比其数值更小的按相对变形值确定的承载力特征值呢？这样做是不是不利于充分发挥复合地基的承载能力呢？前面所举的两个工程实例中，取最大加载压力的一半作为承载力特征值是没有任何问题的。
此外，规范中尽管规定了最大加载压力大于设计值的2倍，但是没有规定至少要大于多少，大于1kPa是不是也可以呢？各检测单位在具体工程实践中，为了节省费用和时间，也是为了避免太大的荷载造成复合地基的破坏，最大加载量通常就是2倍设计值。《建筑地基处理技术规范》编制时，对复合地基载荷试验的要求主要是参照了国内外对天然地基土载荷试验的要求。但载荷试验用于天然地基及复合地基检测的目的不一样。对于天然地基，载荷试验的目的是要检测地基土的实际承载力特征值有多大；而复合地基载荷试验的主要目的是检验某工程的复合地基是否达到了设计要求值，即主要是用于工程质量评定。桩的承载力是按土对桩的抗力计算得到的，理想状态下当复合地基达到承载力特征值的2倍时，桩与土同时达到极限荷载，压力再大，复合地基就要破坏。笔者推测这就是规范规定了最大加载压力的原因。但是，当最大加载压力为2倍设计荷载时，不管采用拐点法还是相对变形值法，按规范规定所确定的地基承载力特征值都不会超过设计值。如果其中有一个点的结果低于设计值，按A.0.10条取检测的平均值为特征值，则测定的承载力特征值就将低于设计值，这就意味着该工程就要被评为不合格，就要降低标准使用或采用二次处理措施，不管从经济上还是技术上，这样做显然都是不合理的。“最大加载压力不应小于设计要求压力值的2倍”、“按相对变形值确定的承载力特征值不应大于最大加载压力的一半”、“当满足其极差不超过平均值的30％时，可取其平均值为复合地基承载力特征值”这三条标准必须同时考虑。限于篇幅，笔者只进行定性建议：规定平均值和极小值的下限，当平均值及极小值同时高于下限时，工程质量评定为合格；或者，允许按相对变形值确定的特征值可大于最大加载压力的50％，例如定为不超过60％。

5. 垫层厚度
《规范2002》第A.0.3条规定：“……承压板底面下宜铺设粗砂或中砂垫层，垫层厚度取50~150mm，桩身强度高时取大值……”。垫层的作用主要是为了调整桩土的荷载分担比，垫层越厚，桩土的应力比越小，越利于发挥桩间土的作用。《建筑地基处理技术规范》（79－91）中对垫层的厚度没有具体要求，是将其作为找平层使用的，工程实践中检测人员往往参照地基土的试验方法，设置为不超过20mm，此时桩所分担的荷载是土所分担荷载的几倍至几十倍，桩身强度越高，分担的荷载越大，载荷试验名义上是复合地基试验，但实际结果与单桩试验结果相近。可能是因为考虑到了这点，《规范2002》做出了上述规定。但问题是，垫层产生的沉降是如何考虑的呢？对于实际工程而言，褥垫层产生的压缩沉降在总沉降量中的比例很小，且在施工过程中就完成了，不会影响到工后沉降，因此一般无需考虑。但对于载荷试验来说，因其对沉降量要求严格，垫层产生的沉降就不得不考虑了。假定试验时受到侧限砂垫层没有侧向挤出，垫层厚度Hc=50~150mm所产生的沉降s可按式s=Hc×(1-λc)计算，λc为垫层的压实系数，按《规范2002》可取0.94，则s的最大值可达3~9mm。仍取小承压板的边长为1m，则垫层产生的相对变形值s/b=0.003~0.009，在承压板产生的总相对变形值中占了相当大的比例。在垫层厚度为50~150mm的情况下，s/b究竟如何取值，还需进一步的试验研究。

6. 建议
以上对复合地基载荷试验的探讨，基本上都是围绕着《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002／J220-2002）进行的，国内不同的规范之间也存在着相互矛盾，如《深圳地区地基处理技术规范》中将荷载试验分为工程类和试验类，工程类最大加载压力为设计值的1.2~1.5倍；广东省标准《建筑地基基础质量检测技术规范》（征求意见稿，2004年3月）中将水泥搅拌桩、素混凝土桩复合地基的定为0.005等等。不同的规定固然体现了不同地区的多样性，却也给广大的工程技术人员造成了具体工程实践中的混乱。笔者在此抛砖引玉，其目的就是希望能引起大家的重视，盼望编制规范的各相关单位和专家，能尽快联合起来编制一个完善的、统一的、详细的复合地基载荷试验规程，供全国各地使用。

参考文献

1. 龚晓南，2003年9月，人民交通出版社，复合地基设计和施工指南，

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