论原土密度测试技术在地基承载力评估中的应用

论原土密度测试技术在地基承载力评估中的应用

冼志年

肇庆市高要区建筑工程质量安全检测中心  广东 肇庆  526100

摘要：本文针对原土密度测试技术在地基承载力评估中的应用进行了全面分析。以某图书馆建筑为例，通过采用标准贯入法和环刀法对预定建设地的土壤密度进行全面评估，获得了土壤的压缩性和可塑性数据。之后，对采集到的土样进行了详细的处理与分析，得到了土样的干土密度和含水率，基于这些数据得出了土壤的密度分布情况。最后，根据获得的数据采用承载力公式进行了地基承载力的评估，并提出了优化建议，如土体压实和排水改善等，以确保建筑的长期使用安全。

关键词：建筑工程；原土密度测试；地基承载力评估

引言

随着城市化进程的加快，地基承载力的准确评估对于保证建筑工程的安全性和稳定性日益重要。本研究以某图书馆建设项目为例，探讨了原土密度测试技术在地基承载力评估中的应用。项目选址在地质结构复杂的郊区，地基稳定性直接关系到建筑的安全使用和功能性。通过精确测量土壤的密度及其压缩性，评估地基的承载能力，确保了建筑结构的稳定性和长期使用安全。

1、工程概况

某图书馆建设项目位于城市郊区，该项目总建筑面积约为4800m2，设计包括主阅读区、儿童阅读室、多功能会议室及辅助设施。工程地点选在一片轻度坡度的草地上，周边环境以低矮植被和散布的小型树木为主，地质结构主要由粉砂质黏土层和底下的密实砂岩层组成，黏土层平均厚度约为3.5m，其下是厚度约15m的砂岩层。初步调查显示。考虑到图书馆作为公共建筑对安全性和稳定性有较高要求，项目的地基承载力评估目的在于确保地基能够稳定支撑建筑结构，预防未来可能出现的地面沉降或结构变形，从而保障建筑的长期使用安全和功能性。

2、原土密度测试技术的应用分析

2.1测试准备

在该项目的原土密度测试准备阶段，首先需确立测试目标和范围，即对图书馆预定建设地的土壤密度进行全面评估。考虑到地形和土质条件，选定的测试点需覆盖建筑预定各区域，以保证数据的代表性和全面性[1]。采用标准贯入法（如图1）和环刀法（如图2）作为主要测试技术，前者适用于粉砂质黏土层，后者更适合密实砂岩层。

图1 贯入仪示意图

图2 取土环刀示意图

测试设备包括贯入仪、环刀、电子天平、干燥炉等，每项设备均须经过校准，确保测试精度[2]。此外，制定详细的测试计划，包括测试点布局图、测试时间安排及人员分工。每个测试点位于预定建筑轮廓线内外各1.5m处，共计划布设20个测试点，以全面覆盖项目区域。

2.2测试过程

（1）首先，根据项目的特定地质条件，选用标准贯入法针对粉砂质黏土层进行测试。贯入测试采用动力贯入试验设备，贯入杆直径为16mm，锥头角度为60°。在预定的20个测试点中，每个点的贯入深度设置为1.5m，以覆盖黏土层全厚。贯入过程中，记录每10cm深度的贯入阻力值，数据采集仪器的精度达到±0.5N。表1展示了多个测试点的贯入阻力数据记录：

表1 不同贯入深度下各测试点贯入阻力情况

（2）针对底下的密实砂岩层，实施环刀法取样。环刀规格为高度5cm，直径5cm，体积100cm³，保证了取样的标准化和一致性。每个预定测试点需人工挖掘至砂岩层，使用环刀垂直插入土中取样，以减少土样扰动[3]。取样后，立即使用密封袋包装并编号，记录现场环境温度和湿度，分别在测试点的上层、中层、和底层进行三次取样，确保样本的代表性。例如，某测试点在砂岩层顶部（0.5米深）、中部（1.0米深）和底部（1.5米深）取样，现场温度为22℃，湿度为55%。

（3）在完成所有测试点的土壤采样后，立即对采集到的土样进行初步的现场处理。环刀取出的土样用电子天平称重，保证称重精度达到0.01g。记录每个样本的湿重，随后在现场使用便携式快速水分测定仪测量样本的初步含水率，该仪器的测量范围为0-100%，精度为±0.5%。此步骤对于估算土样的原始含水状态至关重要，为进一步的室内分析和数据处理打下基础[4]。以下各图分别展示了不同深度下各测试点的土样湿重、土样干重以及初步含水量情况：

图4 不同取样深度下各测试点土样湿重情况

图5 不同贯入深度下各测试点土样干重情况

图6 不同贯入深度下各测试点土样初步含水率情况

2.3数据处理与分析

首先，对环刀法取得的土样进行干燥处理，以获得干土重量。干燥过程中，将土样放置于干燥炉中，设置温度为105℃，持续24小时，确保土样完全干燥。例如，某一测试点的土样初始湿重为215.50g，干燥后的重量为187.30g。根据干燥前后的重量变化，可以计算土样的含水率（w）和干土密度（ρd）。

含水率计算公式为：

其中W湿为湿土重量，W干为干土重量。据此，计算上述样本的含水率：

接下来，干土密度（ρd）的计算依据公式：

其中M干为干土重量，V为土样体积。考虑到环刀的体积为100cm³，故计算干土密度：

对于贯入法得到的数据，利用贯入阻力与土层密度的关系，通过标准曲线或经验公式转换得到相应的密度值。如贯入阻力为350N，对应标准土层密度为1.65g/cm³。最后，综合所有测试点的数据，对原土密度进行空间分布分析。使用GIS软件绘制密度分布图，标识出土壤密度的高低变化区域，为后续的工程设计提供直观依据[5]。通过比较各测试点的干土密度和含水率，可以评估土质的均匀性和可能存在的问题区域。例如，发现项目西侧区域的几个测试点土壤密度明显低于其他区域，平均干土密度为1.60g/cm³，说明该区域土质较松散，需要采取加固措施。

3、基于原土密度测试数据的地基承载力评估

3.1评估准备与初步分析

首先，汇总和审查原土密度测试数据，确保所有数据的准确性和完整性。测试数据显示土壤干土密度范围为1.60g/cm³至1.87g/cm³，含水率从12.8%至15.05%不等。通过比较测试数据与规范要求，初步判断土层压缩性和稳定性，此阶段还需考虑土层深度、土质类型等因素，以保证结果的准确性。

3.2地基承载力评估

根据工程地质报告，该项目地质结构主要由粉砂质黏土层覆盖着密实砂岩层组成，其中粉砂质黏土层平均厚度为3.5m，密实砂岩层则延伸至更深层。基于此，采用Terzaghi承载力公式进行地基承载力的计算和评估，公式为：

考虑到粉砂质黏土层的特性，有效凝聚力c′设定为25kPa，土的单位重量γ约为18kN/m³。针对该项目，基础设计采用直接基础，底部深度Df为1.5m，基础宽度B选取5m作为计算基础。根据地质条件和相关工程经验，承载力系数Nc、Nq、Nγ分别取值为5.7、1.0和0，适用于中等密实度的粉砂质黏土层。

插入具体参数后，承载力公式展开为：

计算得到的理论最大承载力qu为142.5kPa+27kN/m2=169.5kPa，其中，第一项为凝聚力提供的承载力贡献，第二项为土的自重对承载力的贡献，第三项在该项目中为零，因为粉砂质黏土层的γ角接近于0，即该土层几乎不提供侧向抵抗力。

3.3结果应用及优化建议

在该项目的地基承载力评估中，综合计算结果显示理论最大承载力为169.5kPa，这为地基设计提供了数据支持。应用这些结果时，首先确定基础类型为直接基础，并考虑到粉砂质黏土层的承载力特性，设计基础底部宽度为5m，深度为1.5m，以确保足够的安全余量。此外，为了提高地基的稳定性和承载能力，采取地基处理措施，如土体压实和排水改善。具体到压实工作，采用振动法压实土层，目标压实度为95%，确保土层密实度符合设计要求。排水改善方面，设计周边排水沟和地下排水系统，减少土体含水率，从而提高土体的承载力

基于评估结果和优化建议，项目人员应进行成本-效益分析，权衡不同地基处理方案的经济性和实用性。例如，考虑到地基加固的成本和工程时间，选择最合适的土体压实设备和排水材料，以实现成本效益最大化。此外，建议定期对完成的地基进行监测，包括沉降观测和含水率测试，以评估地基处理措施的长期效果和地基性能的稳定性。这种动态的监测和评估机制，不仅能够确保图书馆项目的地基安全，也为未来类似项目提供了宝贵的数据支持和经验教训。

4、结语

本文通过对某图书馆建设项目的实际案例研究，深入探讨了原土密度测试技术在地基承载力评估中的应用。研究表明，通过准确的原土密度测试及其对土壤压缩性和可塑性的分析，结合承载力公式的计算，能够有效评估地基的承载能力。此外，通过采取适当的地基处理措施，如土体压实和排水改善，可以显著提高地基的稳定性和承载能力。本研究的成果不仅为该图书馆项目提供了科学、经济的地基设计方案，也为类似工程项目的地基承载力评估和优化提供了参考。

参考文献：

[1]李佳敏,马丽娜,张戎令等.含水率及干密度对高铁泥岩地基土无荷膨胀率的影响[J].水资源与水工程学报,2019,30(06):230-234.

[2]成莞莞.软质岩石地基承载力确定方法探讨[J].河北建筑工程学院学报,2021,39(04):66-70.

[3]张辉能.高层建筑地基承载力极限数值模拟研究[J].土工基础,2023,37(02):241-244.

[4]谢清华.天然地基承载力检测分析与处理[J].江西建材,2023,(07):77-79.

[5]杨浩明,王永智,王辉.复阻抗法土壤密度及含水率测试的标定试验研究[J].人民黄河,2023,45(12):135-140.