地基承载力与轻型动力触探试验的线性关系

地基承载力与轻型动力触探试验的线性关系
葛宝玉1 丛晓玲2 刘旭3
摘要：轻型动力触探试验是一种比较简便、快捷的原位测试方法，多用于持力层承载力验槽检测工作中，也可在槽探、探井中用来检测地基承载力。多数地方规范中已给出了轻探击数与粘性土、砂土承载力的关系表，二者之间表现出一定的线性关系。辽宁省地方规范强调按变形设计原则确定地基承载力，相应的承载力表均已做出适当调整。本文通过对粘性土、粉土地基的静载荷试验与轻型动力触探检测结果对比分析，发现辽宁地区粘性土与粉土承载力与轻探击数之间存在较好的线性关系。
关键词：轻探检测;承载力特征值;静载荷试验;线性关系

１前言
我省浅部地层主要以砂土、粘性土为主，对一般的工业、民用建筑均可做持力层使用。其地基承载力的确定，在工程勘察期间一般采用重型动力触探试验和标准贯入试验作为主要的原位测试手段。但是当布设槽探、探井、探坑时，多采用轻型动力触探（简称轻探或N10）确定砂土、粘性土、粉土地基的承载力，而且灵活、快捷、实用，测试结果可靠。
辽宁省地方标准《建筑地基基础技术规范》强调按变形设计原则确定地基承载力，其中已明确给出砂土地基和粘性土地基轻型动力触探击数与浅基础承载力的关系表。经多年来的工程应用验证，该结果较为实用，尤其是在地基验槽时，轻探的优越性更加明显，在挖孔桩基础及墩基础的持力层检测中也发挥了巨大作用。但与其它规范所推导出的线性关系相比，表格化的关系不容易记。

2 各规范轻探击数与承载力的关系
1) 广东省标准《建筑地基基础设计规范》（DBJ 15-3-91）用N10确定地基承载力标准值fk¬的关系式为：fk=24+4.5N10，结果见表1[3]。
表1 粘性土N10与承载力fk的关系
N10 6 10 20 30 40 50 60 70 80 90
fk（kPa） 51 69 114 159 204 249 294 339 384 429
2）《铁路工程地质原位测试规程》（TB 10041-2003、J261-2003）用N10确定地基基本承载力σ0的关系式为：σ0=8.0N10-20，原沈阳市地方标准《建筑地基基础技术规范》（DB21-907-96）确定粘性土承载力标准值的方法与之相同，详见表2。
表2 用N10评价黏性土的承载力
N10 15 20 25 30
基本承载力（kPa） 100 140 180 220
极限承载力（kPa） 180 260 330 400
3）辽宁省地方标准《建筑地基基础技术规范》（DB21/907-2005）用N10确定地基承载力的关系见表3[2]。
表3 轻型触探击数N10确定地基承载力特征值fak（kPa）
N10 10 15 20 25 30 35 40 45 50
粘性土、粉土 80 120 150 180 200 210 220 230 240
中、粗、砾砂 100 130 170 200 240 280 310 350 390
各规范的用N10确定地基承载力的关系详见图1。从关系图中可以看出，铁路规程（老沈阳规范[1]）和广东规范中N10与粘性土地基承载力具有很好的线性关系，辽宁规范砂土承载力也近似呈线性关系，但对于粘性土地基来说为非线性关系，近似呈对数关系。在轻探击数在30击以下时，辽宁规范确定的粘性土地基的承载力要略高于其它规范。

图1 各规范轻探击数确定地基承载力关系图

3 粘性土地基承载力对比试验研究
为编制辽宁省地方标准《建筑地基基础技术规范》，各地进行了大量的静载荷试验，根据收集到的沈阳、锦州、大石桥等地非新近沉积粘性土、粉土的19项试验资料进行对比分析，得出粘性土、粉土地基承载力与轻探击数的关系散点图，见图2。

图2 静载荷试验确定地基承载力与轻探击数对比关系图
分析结果，粘性土、粉土的承载力与轻探击数之间基本上呈对数关系，而且相关性较好，并非其它规范所给出的纯线性关系。结合辽宁规范的关系曲线，可以将数据分段进行线性回归，以30击为分界点，上下两段各自进行线性回归，结果见图3。

图3 静载荷试验确定地基承载力与轻探击数分段线性回归图
辽宁规范轻探击数在30击以下时，粘性土的承载力取值略高于其它规范，而且小击数、低承载力土层的压缩模量较小，考虑按变形设计原则，这部分土层的承载力宜略作调整，降低使用。击数大于30击时，试验数量较少，但回归结果与辽宁规范完全一致，因此可以将辽宁地区粘性土、粉土承载力与轻探击数的关系表达成两个公式：
fak=20+6.0N10 (N10＜30) ①
fak=140+2.0N10 (N10≥30) ②
修正后粘性土、粉土承载力与轻探击数的关系见表4，修正结果与原规范相比无较大的改变，但线性关系公式更加易于记忆、使用更为灵活方便。
表4 轻型触探击数N10确定粘性土、粉土地基承载力特征值对比
N10 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
辽宁规范 80 120 150 180 200 210 220 230 240
修正数据 80 110 140 170 200 210 220 230 240 250

图4 地基承载力与轻探击数线性回归对比图

4 砂土地基承载力线性回归分析
砂土相对于粘性土、粉土而言，其均匀性较好，承载力、密实度与触探击数之间具有很好的线性关系。沈阳地区曾做过大量的对比试验研究，也总结出了线性关系式：fk=25+7.3N10。国内其它地区也有相近的公式：fk=8.0 N10-20以及fk=8.4N10-21.5等。辽宁规范附录N之表N.0.3中，当轻探击数在50~110之间（qpa在1300~3100kPa区间），轻探击数与砂土、碎石土大直径桩的桩端阻力特征值qpa的关系也是呈线性的，即qpa=30N10-200。因此将辽宁规范中关于轻探击数确定砂土地基承载力的关系表修正为线性公式是可行的，具体可以采用公式：
fak=30+7.0N10 ( 10 修正结果与规范相比差别很小，实用性较强，详见表5和图4。
表5 轻型触探击数N10确定粘性土、粉土地基承载力特征值对比
N10 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55
辽宁规范 100 130 170 200 240 280 310 350 390
修正数据 100 135 170 205 240 275 310 345 380 415

5 轻型动力触探的应用
轻型动力触探试验除了少量在槽探、坑探和探井中进行地基土测试外，多数情况下主要应用于地基验槽和挖孔桩基础持力层检测工作中。对于碎石土地基，由于构成物颗粒较大，对轻探检测结果有较大影响，因此当持力层承载力较高、密实度很高时不宜采用轻探检测方法，建议采用重型动力触探试验进行承载力检测。对于粘性土、粉土地基，采用轻型动力触探方法对持力层全面检测是很好的验槽方法。虽然轻探检测要求记录每30cm的击数，但实际检测时应按10cm间隔划分并记录，然后再合并为30cm的击数，这种方法可以更准确地划分出软弱土层的厚度。另外轻探检测时应严格控制探杆的垂直度、落距、贯入速度和预打深度（不小于15cm），确保试验数据真实可靠。
分析辽宁规范中对于轻探击数确定可塑、软可塑粘性土承载力偏高的原因，一方面是考虑静载荷试验对比分析结果，另一方面是考虑轻探检测主要应用于粘性土、粉土地基的验槽检测中。基底表层土层的轻探击数均普遍偏低，其只要原因是由于地基土卸荷回弹、开挖清底扰动引起的，对于粘性土和砂土地基来说，具有普遍性。而土层承载力的确定是根据基底以下1.5倍基础宽度范围内地基土轻探击数的平均值确定的，因此只要在检测深度内（一般应不小于90cm）轻探击数的平均值满足要求，顶部击数偏小部分的土层无需全部挖除。一般情况下根据触探结果，将触探击数小于要求值的土层全部挖除，其结果是偏于安全的，而实际应用中会造成勘察成果不准的假象。实际应用发现，即便将击数较低的土层挖除后，如果重新检测，顶部一定厚度土层的击数还是偏小的。
由于勘探孔间距、测试位置和野外描录等原因，加之地质条件的复杂性，基槽开挖后的验槽工作中，也时常出现实际测结果较勘察提供的承载力偏低，或遇有软弱夹层，或粘性土地基遇水后强度降低等。采用轻探方法检测粘性土和粉土地基承载力比其他方法要准确、可靠和快捷。因此建议采用轻探方法验槽（北京规范已明确规定），可消除隐患、确保安全。

6 结论
(1)、轻型动力触探是一种简便易行的验槽和原位测试方法，对于辽宁地区的粘性土、粉土以及砂土来说，轻探击数与地基承载力之间有较好的线性关系。
(2)、采用轻探方法检测粘性土、粉土的地基承载力，安全、可靠，便于实际工程中应用。

参考文献:
[1] 沈阳市城乡建设委员会.《建筑地基基础技术规范》（沈阳市区部分）.中国计划出版社.1996.沈阳.
[2] 辽宁省建设厅.《建筑地基基础技术规范》（DB21/907-2005）.辽宁科学技术出版社.2005.沈阳.
[3] 工程地质手册编委会. 工程地质手册（第四版）. 中国建筑工业出版社.2007.