浅析岩土工程勘察中的几个问题

浅析岩土工程勘察中的几个问题
摘要：岩土工程勘察成果质量直接影响到建筑物的地基基础设计，重视和提高岩土工程勘察成果质量，具有很重要的意义。

为此，针对性选取勘察过程中抗剪强度指标c、φ值的测试、确定地基承载力的理论及方法和建筑物的地基沉降三个问题进行了粗略的解析。

关键词：岩土工程勘察；c、φ值；地基承载力；地基沉降
岩土工程勘察是工程建设的一个重要过程，其成果质量将直接影响到建筑物的地基基础设计，也关系着整个建筑物的工程安全和工程造价。

因此，重视和提高岩土工程勘察成果质量，具有很重要的意义。

下面就岩土工程勘察过程中的几个问题，作一些粗浅的探讨。

1 抗剪强度指标c、φ值的测试
土体抗剪强度指标c 、φ值的测试，是岩土工程勘察土工试验中重要的内容之一。

在抗剪强度剪切试验中，由于试验方法和采用的固结排水条件不同，即使是同一土体，其抗剪强度c 、φ值也可能相差很大，因此，在工程设计中，对地基土体c 、φ值的选用尤为重要。

在岩土工程勘察中，为了尽可能摸拟工程各种复杂的排水条件，在进行c 、φ值剪切试验时，通常分为3种情况，即三轴剪切试验的不固结不排水剪、固结不排水剪和固结排水剪，相应于直接剪切仪试验，则分为快剪、固结快剪和慢剪。

由于三轴剪切试验相对于直接剪切试验，更能模拟土体的实际受力状况以及更能严格控制排水条件，因此，其c 、φ试验值也更为可靠，但三轴剪切试验成本较高，受条件限制，要求所有的勘察单位提供三轴剪切试验结果，可能会有一定的困难。

尽管如此，但很多规范都要求对一级建筑物必须采用三轴剪切试验结果，对二级建筑物也尽量采用三轴试验结果，当条件不允许时，可用直剪试验结果代替。

目前，勘察单位也都大多提供直接剪切试验c 、φ值结果。

为了说明土体不同试验方法和不同排水条件对c 、φ值差异影响，在拟建工程场地，采取同一粉质粘土试样进行不同固结排水条件下的直接剪切试验和三轴剪切试验，其对比结果如表1(其中c’、φ’为有效应力强度指标值)。

由表1可知，同一土体采用不同的试验方法和排水条件，其值相差明显。

此外，土体的应力历史和应力路径也是影响土体c 、φ值的重要因素。

表1 拟建工程粉质粘土剪切试验对比结果
岩土体抗剪强度c 、φ值是岩土工程勘察、设计中一个很重要的力学指标。

在岩土工程勘察中，土体c 、φ值是地基承载力理论计算的重要参数；在基坑支护设计中，基坑土体侧向土压力是支护设计的依据，而基坑侧壁土体c 、φ值又是侧向土压力计算中最关键的参数；在边坡工程、路基稳定等的定量评价中，滑坡带及路基土体的抗剪强度c 、φ值则是评价计算中最重要的参数。

对于土体c 、φ值试验方法的选择，视工程用途不同，一般的原则是：当地基土的透水性和排水条件不良，土体没有固结，施工速度又较快，土体中的水来不及排出时，采用不固结不排水剪（快剪）试验；而当地基土的透水性和排水条件较好，且施工速度也较慢时，土体能够较充分地固结和排水，则采用固结排水(慢剪)试验；如果介于上述两者之间，可采用固结不排水剪(固结快剪)试验。

根据以上分析，建议主要的地基土层宜采用的剪切试验方法如表2。

表2 地基土层c、φ值剪切试验的选用建议
2 确定地基承载力的理论及方法
地基承载力的确定有许多方法手段，如载荷试验，根据野外原位测试、室内土工试验结果查表，理论计算，当地经验等等。

在确定地基承载力时，有时需要几种方法综合确定，而现行《建筑地基基础设计规范》则明确规定，对一级建筑物和部分二级建筑物，地基承载力的确定必须结合理论计算。

浅基础地基持力层主要为粘土、粉质粘土和粉土。

在许多工程中，按要求必须结合理论计算来确定这些地基的承载力，但在理论计算过程中，应注意各种不同地基土层对公式的适用性。

2.1 地基承载力计算的理论公式
目前，有关地基承载力的计算理论有很多，但从机理上来说，主要可分为两大类（表3）：一类是建立在极限平衡方程基础上的刚塑性理论，其代表有普朗德尔理论、太沙基理论、梅耶霍夫理论、汉森理论以及魏西克理论等等；另一类是弹塑性理论，国内许多地基基础规范的承载力确定均以此为依据。

表3 地基承载力理论计算方法
2.2 地基的破坏形式
试验研究表明，建筑物地基的破坏通常是由于承载力不足而引起的剪切破坏，地基的破坏形式可分为整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲切剪切破坏3种，这3种破坏形式的破坏机理和特点各不相同。

魏西克根据关于孔的扩张理论提出了用刚度指标Ir来判定地基土的破坏形式，地基土的刚度指标的计算公式为：
另外，魏氏还提出判别整体剪切破坏和局部剪切破坏的临界值，称为临界刚度指标Ir (cr)。

其计算公式为：
当Ir >Ir (cr)时，地基将发生整体剪切破坏，反之，则发生局部剪切破坏或冲剪破坏。

多个工程粉土地基(条形基础)根据上述魏西克判别得到的地基破坏形式，见表4。

表4 粉土地基的破坏形式
因此，有的粉土地基在采用条形基础情况下，将产生局部剪切破坏或冲剪破坏，由表3可知，这些粉土地基将不适合用刚塑性理论计算其承载力。

为了进一步探讨地基承载力计算理论在当地的适用性，用不同方法手段得出了粉土地基承载力对比情况，见表5。

表5 不同方法确定的粉土地基承载力(kPa)
注：粉土的统计为88个I级式样，88次标贯试验，按方法4确定时，参考的是老《地基规范》（89规范）附表5-9。

由表5可知，对于密实粉土地基，采用88个I级试样结果，其按方法2理论计算的地基承载力比其余方法确定的承载力高许多，其极限承载力值Pu 高达1438kPa，而其承载力设计值也达到575kPa，与其它方法确定的值相比差异很大，这显然不合理。

而由方法1计算的fv 达410kPa，其值也偏高。

因此，在用理论方法计算确定地基承载力时，应当判别地基的破坏形式，继而结合当地经验判别理论计算公式的适合性，并非所有的地方及其地基土层都适合理论计算公式。

3 建筑物的地基沉降
地基沉降计算或验算是岩土工程勘察报告提供结论与建议的前提基础。

影响建筑物地基沉降的因素有很多，如地基土的分布、基础类型和刚度、荷载分布、上部结构的体系和刚度、地下水、周围环境及堆载等，都会对地基沉降产生影响，这方面的研究和报道国内也很多，在此不多加以叙述，这里只对地基沉降计算过程中的公式做一些讨论说明。

3.1 压缩模量Es 的取用
无论是《地基规范》还是《桩基规范》有关的沉降计算公式，地基土层的压缩模量Es 都与计算的沉降值成反比关系，即地基土的Es 增大多少倍，那么沉降值将缩小相同的倍数，可见Es对沉降量的影响之大。

目前，在沉降计算中，Es 值一般是采用室内土工压缩试验得出的结果，但是很多岩土工程勘察报告只提供压应力为100～200kPa范围内的Es 值。

以100～200kPa压力范围内的Es 来计算沉降，对过去的中低层建筑也许合理，但是近几年来许多高层建筑甚至超高层建筑的出现，以及桩基下地基，其压力范围则远不
止100～200kPa，因此应该用其实际压力条件下的压缩模量，规范对此也作了严格的规定，即应当取该层地基土在自重压力至自重压力加附加压力作用时的压缩模量，在实际计算时，可根据室内土工压缩试验结果e -p 曲线计算公式计算:
用实际压力范围计算的Es 值与100～200kPa压力范围的Es 值有时相差较明显，对于一些对沉降要求较高的建筑物(如框架结构)，由于Es 的误差有时可以影响基础方案的选择，而这一点常常被工程设计人员所忽略。

3.2 沉降修正系数ψs
在新的《地基规范》中，最终沉降量计算公式中的沉降计算经验修正系数ψs 的变化范围为0.2～1.4，其对最终沉降计算的影响是很大的。

目前，各地对修正系数的取值是不同的，如上海地基规范则规定其值随附加压力p0的增大可以从0.7变化到1.3；天津地基规范的修正系数值为基础底面平均压力p 与地基承载力设计值 f 之间的比值；深圳地基规范则又不同。

因此，各地应该建立在沉降实测基础上的本地经验修正系数，不能完全照搬国标《地基规范》的规定。

4 结语
(1)岩土体的抗剪强度指标c 、φ值，可以因为试验方法、排水固结条件不同而表现为不同的值。

因此，抗剪强度指标c 、φ值的试验，要依据不同的工程要求和地基土的特点而采用不同的试验方法，不能一概而论。

(2)用理论计算方法确定地基土承载力，并不是对所有的土层都合适，有时用其计算的结果与实际相差明显，此时可以用魏西克刚度指标有关公式判别或者结合当地其它承载力确定方法加以验证。

(3)在基础的沉降计算中，压缩模量Es 应该用地基土的实际压力范围值计算而得出，而沉降经验修正系数ψs则应该在沉降实测的基础上建立当地的修正标准。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。