既有建筑物增层地基承载力确定方法浅析
王文韬 孟祥春
【摘要】文章结合工程实例对既有建筑物地基承载力进行试验研究。研究表明：既有建筑物地基土具有超固结土的性质，不宜通过以往经验来衡量，应在满足建筑物安全的前提下，应通过室内试验和原位测试，经济、合理地选择准确、可靠的地基土承载力特征值。
【关键词】既有建筑物地基；超固结土；地基承载力
1.前言
（1）既有建筑物直接增层具有节约土地，节省投资等优点被广泛的用于城市改造工程建设中。直接增层需要解决的主要解决问题是上部结构和基础及地基承载力的鉴定，其中地基承载力的确定是增层改造的关键。
（2）为建筑物增层或增载而进行的岩土工程勘察的目的，是查明地基土的实际承载能力，从而确定是否尚有潜力可以进行增层和加载。因为建筑物的使用年限不同，原有建筑物勘察时评价地基承载力采用的规范和拟增层建筑物勘察时评价承载力的方法可能不同，所以增层勘察时地基承载力应以现行的国家和地方标准进行评价。而实际工作中设计方多根据经验将承载力提高10%～20%作为增层后的地基承载力使用，或根据建筑物的沉降变形资料、上部结构刚性情况查表确定。但是地基土承载力表只是建立在数理统计基础上的，表中的承载力只是复合一定安全保证概率的数值，并不直接反映地基土的承载力和变形特征。而地基土承载力表的使用是有条件的；岩土工程师应充分了解最终的控制与衡量条件是建筑物的容许变形，所以增层、增载所需的地基承载力潜力是不宜通过查以往有关的承载力表的办法来衡量的。原位测试和室内试验的测试成果能比较直接地反映地基土的承载力和变形特性，能直接显示土的应力～应变的变化、发展关系和有关的力学特性点。是确定既有建筑物增层地基承载力的比较可靠的方法。在既有建筑物结构刚度和抗震性能满足增层条件下，本文通过工程实例，对既有地基地基承载力的确定方法进行了探讨。
2.工程实例
某单位办公楼，2层框架结构，钢筋混凝土独立基础，基础埋深2.0m，基础底面积1.5×2.0m。平均基底压力130KPa。已建成时间8年，拟增加二层，增层后要求地基承载力160KPa。
2.1室内试验。
（1）本次勘察布设探槽3个，在基底下1.5倍范围内用环刀采取Ⅰ级原状土样，采取土样做常规物理力学试验及高压固结试验。与原勘察报告试验结果对比后见表1。对表中的数据进行对比分析，发现各层土在上部荷载的作用下均发生了排水固结，含水率、孔隙比、压缩系数减小。而干重度、压缩模量增大。
（2）工程中采用六个环刀样进行了高压固结试验。先期固结压力的解译采用经典的卡萨格兰德作图法确定。求得土层的先期固结压力Pc为131KPa。大于该深度土层的上覆自重应力。说明该层土为超固结土。Pc值与基底压力Pk大致相当。在抗剪强度指标的选用上，考虑土体受到在上部荷载作用在现有的应力体系平衡并基本上完全固结，而由于增层施工造成的荷载会很快施加，土体形成不排水情况。故剪切方法采用固结不排水剪。更符合实际情况。考虑到土在剪切过程中性状和抗剪强度在一定程度上受到应力历史的影响，在固结排水试验中，需用各向等压的周围压力бc来代替和模拟历史上曾对试样所施加的先期固结压力，对试样进行预固结。本次试验中预固结压力取130KPa，预固结后，剪切时施加的第一级固结压力Δб3均应大于130KPa.，使试验点处于正常压密状态。此时得到的强度包线才能显示正常压密状态土的强度随上覆有效压力变化的规律。根据室内六组三轴压缩试验的结果，得到抗剪强度指标标准值Ccu为22KPa。cu为12°根据地基基础规范中根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值。采用理论公式计算法fa=Mbγb+Mdγmd+McCk=0.23×18.8×1.5+1.94×18.8×2.0+4.42×22=170KPa。
2.2载荷试验。
（1）平板载荷试验是在一定面积的承压板上向地基土逐渐施加荷载，测求地基土的压力与变形特性的原位测试方法。由于具有直接直观准确的特点，作为一种主要的原位测试手段，在地基勘察中得到了广泛应用，国家及各地区的地基规范规程中根据土工试验指标及其它原位测试指标，利用表格或经验公式确定地基承载力均是以与载荷试验成果对比而得。为避免影响建筑物的正常使用和保证原建筑物的安全，载荷试验是从既有建筑物的基础的外侧向基础下挖探槽，并以基础的中心线为中心，宽800mm，深2.00m，采用0.80×0.80m2的方形承压板。试验方法按规范进行。试验点曲线见图1。根据该试验点的P～S曲线特征。依据规范按相对变形取值（对应的沉降值取S=8mm），对应的承载力特征值为298KPa．共检测3个点，极差满足规范要求，平均值为285KPa，因此，可取值为285KPa。可以看出，该值与由土工试验和原位测试得到的地基承载力差别很大。分析其原因，是既有建筑地基土具有超固结土性质，土的应力历史不同，载荷试验所得到的p-s曲线与正常固结土很大差异，根据文献1研究成果，如采用正常固结地基土的p-s曲线取值方式，会造成承载力偏大，容易产生安全隐患。
图1P-S曲线
（2）仔细分析后受力过程可分为3个阶段。
第一阶段：试验探槽开挖前，基底土受先期固结压力作用（既有建筑物基底压力），第二阶段探槽开挖后，地基土所受竖向应力解除，地基土发生回弹。第三阶段，施加附加应力。随着载荷试验逐级加载，地基土再压缩，随着荷载的增加，地基土压缩速度逐渐变缓，最后趋于水平，当加载量达到土体的先期固结压力后，土体发生欠固结沉降。是地基土卸荷～回弹～受力～再固结的过程。曲线平缓，接近直线，说明地基土在附加应力达到先期固结压力前，其回弹再压缩的变形量很小，甚至趋于零，出现所谓的“压密效应”分析其机理，可以认为土体充分固结后，在其主压缩层内的土体刚度增加，在继续增加荷载的某一应力段内，该部分土体变形减小，传至下卧土体的应力范围增大，应力减小，使下卧土层变形减小。点b所对应的荷载可作为判断地基土先期固结压力。b点所对应的荷载为130KPa，这与原勘察报告中在该深度范围内通过室内高压固结试验试验得到的先期固结压力和既有建筑物的基底压力接近。bc段才是超固结土的正常压缩曲线，其变化特点真实反映了超固结土的承载力性状，根据文献1研究成果，取值时将超固土载荷试验曲线上的坐标原点移至b点对应于先期固结压力，再按正常固结土试验曲线求地基承载力特征值为168KPa，由于试验条件与规范1的要求不一致，在非标准条件下进行，承压板周围存在超载，大小约等于既有建筑物基底压力加上基底以上土的重度，假设增层后建筑物的埋深和基宽不发生变化，地基土受力条件与基本与此时载荷试验条件相同，故此条件下得到地基土承载力特征值可做设计值使用。无需深宽修正，此数值与理论公式计算和原位测试得到的数值基本一致。
3.结语
（1）既有地基土因受上部荷载的作用，产生排水固结。地基土承载力有所提高，提高的幅度与基底压力、基础宽度、建成时间、原地基土性质有关。不宜通过以往查承载力表的方法来衡量。
（2）既有地基应先通过室内试验，判断其是否具有超固结土的性质，采用理论计算法时，剪切方法采用三轴试验中的固结排水剪。载荷试验要按照超固结土在非标准条件进行承载力取值。
参考文献
［1］周斌，张可能，刘源.超固结土平板载荷试验与承载力取值分析［J］. 工程地质学报，1004－9665/2008/16-0161-03.
［2］滕延京，李钦锐，李勇.既有地基地基基础工作性状试验研究［A］. 兰州大学学报，0455－2059（2011）-0243-04.
［3］中国建筑科学研究院.GB50007－2011建筑地基基础设计规范［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2012.
［4］李广信.岩土工程50讲.人民交通出版社，2010.2第二版.
［5］常士骠主编.工程地质手册.中国建筑工业出版社，1990.11.第三版.
［6］建设部综合勘察研究院.GB50021－2001（2009年版）岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.
【摘要】文章结合工程实例对既有建筑物地基承载力进行试验研究。研究表明：既有建筑物地基土具有超固结土的性质，不宜通过以往经验来衡量，应在满足建筑物安全的前提下，应通过室内试验和原位测试，经济、合理地选择准确、可靠的地基土承载力特征值。
【关键词】既有建筑物地基；超固结土；地基承载力
1.前言
（1）既有建筑物直接增层具有节约土地，节省投资等优点被广泛的用于城市改造工程建设中。直接增层需要解决的主要解决问题是上部结构和基础及地基承载力的鉴定，其中地基承载力的确定是增层改造的关键。
（2）为建筑物增层或增载而进行的岩土工程勘察的目的，是查明地基土的实际承载能力，从而确定是否尚有潜力可以进行增层和加载。因为建筑物的使用年限不同，原有建筑物勘察时评价地基承载力采用的规范和拟增层建筑物勘察时评价承载力的方法可能不同，所以增层勘察时地基承载力应以现行的国家和地方标准进行评价。而实际工作中设计方多根据经验将承载力提高10%～20%作为增层后的地基承载力使用，或根据建筑物的沉降变形资料、上部结构刚性情况查表确定。但是地基土承载力表只是建立在数理统计基础上的，表中的承载力只是复合一定安全保证概率的数值，并不直接反映地基土的承载力和变形特征。而地基土承载力表的使用是有条件的；岩土工程师应充分了解最终的控制与衡量条件是建筑物的容许变形，所以增层、增载所需的地基承载力潜力是不宜通过查以往有关的承载力表的办法来衡量的。原位测试和室内试验的测试成果能比较直接地反映地基土的承载力和变形特性，能直接显示土的应力～应变的变化、发展关系和有关的力学特性点。是确定既有建筑物增层地基承载力的比较可靠的方法。在既有建筑物结构刚度和抗震性能满足增层条件下，本文通过工程实例，对既有地基地基承载力的确定方法进行了探讨。
2.工程实例
某单位办公楼，2层框架结构，钢筋混凝土独立基础，基础埋深2.0m，基础底面积1.5×2.0m。平均基底压力130KPa。已建成时间8年，拟增加二层，增层后要求地基承载力160KPa。
2.1室内试验。
（1）本次勘察布设探槽3个，在基底下1.5倍范围内用环刀采取Ⅰ级原状土样，采取土样做常规物理力学试验及高压固结试验。与原勘察报告试验结果对比后见表1。对表中的数据进行对比分析，发现各层土在上部荷载的作用下均发生了排水固结，含水率、孔隙比、压缩系数减小。而干重度、压缩模量增大。
（2）工程中采用六个环刀样进行了高压固结试验。先期固结压力的解译采用经典的卡萨格兰德作图法确定。求得土层的先期固结压力Pc为131KPa。大于该深度土层的上覆自重应力。说明该层土为超固结土。Pc值与基底压力Pk大致相当。在抗剪强度指标的选用上，考虑土体受到在上部荷载作用在现有的应力体系平衡并基本上完全固结，而由于增层施工造成的荷载会很快施加，土体形成不排水情况。故剪切方法采用固结不排水剪。更符合实际情况。考虑到土在剪切过程中性状和抗剪强度在一定程度上受到应力历史的影响，在固结排水试验中，需用各向等压的周围压力бc来代替和模拟历史上曾对试样所施加的先期固结压力，对试样进行预固结。本次试验中预固结压力取130KPa，预固结后，剪切时施加的第一级固结压力Δб3均应大于130KPa.，使试验点处于正常压密状态。此时得到的强度包线才能显示正常压密状态土的强度随上覆有效压力变化的规律。根据室内六组三轴压缩试验的结果，得到抗剪强度指标标准值Ccu为22KPa。cu为12°根据地基基础规范中根据土的抗剪强度指标确定地基承载力特征值。采用理论公式计算法fa=Mbγb+Mdγmd+McCk=0.23×18.8×1.5+1.94×18.8×2.0+4.42×22=170KPa。
2.2载荷试验。
（1）平板载荷试验是在一定面积的承压板上向地基土逐渐施加荷载，测求地基土的压力与变形特性的原位测试方法。由于具有直接直观准确的特点，作为一种主要的原位测试手段，在地基勘察中得到了广泛应用，国家及各地区的地基规范规程中根据土工试验指标及其它原位测试指标，利用表格或经验公式确定地基承载力均是以与载荷试验成果对比而得。为避免影响建筑物的正常使用和保证原建筑物的安全，载荷试验是从既有建筑物的基础的外侧向基础下挖探槽，并以基础的中心线为中心，宽800mm，深2.00m，采用0.80×0.80m2的方形承压板。试验方法按规范进行。试验点曲线见图1。根据该试验点的P～S曲线特征。依据规范按相对变形取值（对应的沉降值取S=8mm），对应的承载力特征值为298KPa．共检测3个点，极差满足规范要求，平均值为285KPa，因此，可取值为285KPa。可以看出，该值与由土工试验和原位测试得到的地基承载力差别很大。分析其原因，是既有建筑地基土具有超固结土性质，土的应力历史不同，载荷试验所得到的p-s曲线与正常固结土很大差异，根据文献1研究成果，如采用正常固结地基土的p-s曲线取值方式，会造成承载力偏大，容易产生安全隐患。
图1P-S曲线
（2）仔细分析后受力过程可分为3个阶段。
第一阶段：试验探槽开挖前，基底土受先期固结压力作用（既有建筑物基底压力），第二阶段探槽开挖后，地基土所受竖向应力解除，地基土发生回弹。第三阶段，施加附加应力。随着载荷试验逐级加载，地基土再压缩，随着荷载的增加，地基土压缩速度逐渐变缓，最后趋于水平，当加载量达到土体的先期固结压力后，土体发生欠固结沉降。是地基土卸荷～回弹～受力～再固结的过程。曲线平缓，接近直线，说明地基土在附加应力达到先期固结压力前，其回弹再压缩的变形量很小，甚至趋于零，出现所谓的“压密效应”分析其机理，可以认为土体充分固结后，在其主压缩层内的土体刚度增加，在继续增加荷载的某一应力段内，该部分土体变形减小，传至下卧土体的应力范围增大，应力减小，使下卧土层变形减小。点b所对应的荷载可作为判断地基土先期固结压力。b点所对应的荷载为130KPa，这与原勘察报告中在该深度范围内通过室内高压固结试验试验得到的先期固结压力和既有建筑物的基底压力接近。bc段才是超固结土的正常压缩曲线，其变化特点真实反映了超固结土的承载力性状，根据文献1研究成果，取值时将超固土载荷试验曲线上的坐标原点移至b点对应于先期固结压力，再按正常固结土试验曲线求地基承载力特征值为168KPa，由于试验条件与规范1的要求不一致，在非标准条件下进行，承压板周围存在超载，大小约等于既有建筑物基底压力加上基底以上土的重度，假设增层后建筑物的埋深和基宽不发生变化，地基土受力条件与基本与此时载荷试验条件相同，故此条件下得到地基土承载力特征值可做设计值使用。无需深宽修正，此数值与理论公式计算和原位测试得到的数值基本一致。
3.结语
（1）既有地基土因受上部荷载的作用，产生排水固结。地基土承载力有所提高，提高的幅度与基底压力、基础宽度、建成时间、原地基土性质有关。不宜通过以往查承载力表的方法来衡量。
（2）既有地基应先通过室内试验，判断其是否具有超固结土的性质，采用理论计算法时，剪切方法采用三轴试验中的固结排水剪。载荷试验要按照超固结土在非标准条件进行承载力取值。
参考文献
［1］周斌，张可能，刘源.超固结土平板载荷试验与承载力取值分析［J］. 工程地质学报，1004－9665/2008/16-0161-03.
［2］滕延京，李钦锐，李勇.既有地基地基基础工作性状试验研究［A］. 兰州大学学报，0455－2059（2011）-0243-04.
［3］中国建筑科学研究院.GB50007－2011建筑地基基础设计规范［S］. 北京：中国建筑工业出版社，2012.
［4］李广信.岩土工程50讲.人民交通出版社，2010.2第二版.
［5］常士骠主编.工程地质手册.中国建筑工业出版社，1990.11.第三版.
［6］建设部综合勘察研究院.GB50021－2001（2009年版）岩土工程勘察规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2009.
