载荷板试验原理及实用要点

1载荷板试验原理及实用要点0引言载荷试验是一项使用最早、应用最广泛的原位试验方法，它是现场在一定尺寸的刚性承压板上分级施加静荷载，以测定承压板下应力主要影响范围内的天然地基、单桩或复合地基岩土的承载力和变形特性。根据承压板的形式和设置深度不同，可以将试验分成三种：1）浅层平板载荷试验，适用于浅层地基土，埋深小于3m和地下水位以上地基土，根据《岩土工程勘察规范》（B50021—2001）[1]要求，埋深小于5m的均按浅层平板载荷试验执行；2）深层平板载荷试验，适用于埋深大于5m和地下水位以上的地基土和大直径桩的桩端土；3）螺旋板载荷试验，适用于深层地基土或地下水位以下的地基土。根据加载形式不同，可以分为静载荷试验和动载荷试验。根据加载方向的不同，可以分为竖向载荷试验和水平载荷试验。2载荷试验的目的1）确定地基土的比例界限压力、破坏压力，评定地基土的承载力；2）确定地基土的变形模量；3）估算地基土的不排水抗剪强度；4）确定地基土基床反力系数；5）地基处理效果检测和测定桩的极限承载力。3载荷试验的基本原理与仪器设备3.1基本原理由典型的平板载荷试验得到的压力-沉降曲线（p-s曲线）可以分为三个阶段，详见图1。图1P-S曲线（1）直线变形阶段。当压力小于比例极限压力p0时，p-s呈直线关系。此时受荷土体中任意点产生的剪应力小于土体的抗剪强度，土的变形主要由土中空隙的减少而引起，土体变形主要是竖向压缩。（2）剪切变形阶段。当压力大于p0而小于极限压力pu时，p-s关系由直线变为曲线关系。p-s关系曲线的斜率随压力p的增大而增大，土体除了竖向压缩之外。在承压板的边缘已有小范围内土体承受的剪应力达到了或超过了土的抗剪强度，并开始向周围土体发展。变形由土体的竖向压缩和土粒的剪切变位同时引起。（3）破坏阶段。当压力大于极限压力pu时，沉降急剧增大。此时即使压力不再增加，承压板仍不断下沉。土体内部形成连续的滑动面，在承压板周围土体发生隆起及环状或放射状裂隙，在滑动土体内各点的剪应力均达到或超过土体的抗剪强度。3.2仪器设备试验设备分为加荷系统、反力系统、量测系统三部分。3.2.1加荷系统加荷系统包括承压板和加荷装置。所施加的荷载通过承压板传递给地基土。承压板一般采用圆形和矩形的刚性板，承压板的尺寸根据地基土的类型和试验要求有所不同。（1）对于一般黏性土地基，常用面积为0.5m2的圆形或方形承压板，承压板面积不应小于0.25m2，软土地基取大值；（2）对于碎石类土,承压板直径(或宽度)应为最大碎石直径的10~20倍；（3）对于岩石类土，承压板的面积不小于0.07m2。《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)[2]附录H中明确采用直径300mm圆形刚性承压板。加荷装置总体上可分为重物加荷装置和千斤顶加荷装置。3.2.2反力系统载荷试验的反力可以由重物、地锚单独或地锚与重物共同提供，由地锚(或重物)和梁架组合成稳定的反力系统。不同反力系统详见图2~4。2图2常见反力系统示意图3常见反力系统示意图4常见锚桩形式3.2.3量测系统位移量测系统包括基准梁和位移测量元件。基准梁的支撑柱应距离承压板或地锚(当采用地锚提供反力)一定的距离，以避免地表变形对基准梁的影响。位移测量元件可以采用百分表或位移传感器，详见图5。图5位移测量元件4载荷试验技术要求与操作步骤4.1试验技术要求（1）浅层平板载荷试验的试坑宽度或直径不应小于承压板宽度或直径的三倍；深层平板载荷试验的试井直径应等于承压板直径；当试井直径大于承压板直径时，紧靠承压板周围土的高度不应小于承压板直径。（2）试坑部的岩土应避免扰动，保持其原状结构和天然湿度，在承压板下铺设不超过20mm的砂垫层并找平,之后尽快安装设备。螺旋板头入土时，应按每转一圈下入一个螺距进行操作，减少对土的扰动。（3）载荷试验宜采用圆形刚性承压板，根据土的软硬或岩体裂隙密度选用合适的尺寸；土的浅层平板载荷试验承压板面积不应小于0.25m2，对软土和粒径较大的填土不应小于0.5m2；土的深层平板载荷试验承压板面积宜选用0.5m2；岩石载荷试验承压板的面积不宜小于0.07m2。（4）载荷试验加荷方式应采用分级维持荷载沉降相对稳定法（常规慢速法）；有地区经验时，也可采用分级加荷沉降非稳定法(通常称为快速法)或等沉降速率法。关于加荷等级的划分，一般取10~12级，并不小于8级。最大加载量不应小于地基土承载力设计值的两倍，荷载的量测精度控制在士1%。（5）承压板的沉降可采用百分表或电测位移计量测，其精度不应低于±0.01mm。（6）对慢速法，当试验对象为土体时，每级荷载施加后，间隔5，5，10，10，15，15min测读一次沉降，以后间隔30min测读一次沉降，当连读2h每小时沉降量小于等于0.1mm时，可认为沉降已达相对稳定标准，施加下一级荷载；当试验对象是岩体时，间隔1，2，2，5min测读一次沉降，以3后每隔10min测读一次，当连续三次读数差小于等于0.01mm时，可认为沉降已达相对稳定标准，施加下一级荷载。（7）当出现下列情况之一时，可终止试验：a)承压板周边的土出现明显侧向挤出，周边岩土出现明显隆起或径向裂缝持续发展；b)本级荷载的沉降量大于前级荷载沉降量的5倍，荷载与沉降曲线出现明显陡降；c)在某级荷载下24h沉降速率不能达到相对稳定标准；d)总沉降量与承压板直径(或宽度)之比超过0.06。4.2试验操作步骤4.2.1试验设备的安装不同反力装置存在一定的差异性，这里以地锚提供反力系统为例加以叙述。（1）下地锚。在确定试坑位置后，根据计划使用地锚的数量(4个或6个)，以试坑中心为中心点对称布置地锚。各个地锚的深度要一致，一般下在较硬地层为好，可以提供较大的反力。（2）挖试坑。根据固定好的地锚位置来复测试坑位置，开挖试坑的边长（或直径）不应小于承压板边长或直径的3倍，开挖至试验深度。（3）放置承压板。在试坑中心根据承压板的大小铺设不超过20mm厚度的砂垫层并找平。然后小心平放承压板，防止斜角着地。（4）千斤顶和测力计的安装。以承压板为中心，依次放置千斤顶、测力计和分力帽，使其重心保持在一条直线上。（5）横梁和连接件的安装。通过连接件将次梁安装在地锚上，以承压板为中心将主梁通过连接件安装在次梁上，形成反力系统。（6）沉降测量系统的安装。打设支撑柱，安装测量横杆、固定百分表或位移传感器，形成完整的沉降量测系统。4.2.2试验步骤（1）加荷操作。加荷等级一般分10~12级，并不小于8级。最大加载虽不应小于地基承载力设计值的2倍，荷载的量测精度控制在士1%。加荷必须按照预先规定的级别进行。第一级荷载需要加上设备的质量并减去挖掉土的自重。所加荷重是通过事先标定好的测力计百分表的读数反映出来的，因此，必须预先根据标定曲线或表格计算出预定的荷重所对应的百分表读数。（2）稳压操作。每级荷重下都必须保持稳压，由于加压后地基沉降、设备变形和地锚受力拔起等原因，都会引起荷重的降低，必须及时观察测力计百分表指针的变动，并通过千斤顶不断地补压，使荷重保持相对稳定。（3）沉降观测。采用慢速法时，对于土体，每级荷载施加后。间隔5,5,10,10,15,15min测读一次沉降，以后间隔30min测读一次沉降，当连续2h每小时沉降量不大于0.1mm时，认为沉降已达到相对稳定标准。施加下一级荷载，直至达到试验终止条件。（4）试验观测与记录。在试验过程中，必须始终按规定将观测数据记录在载荷试验记录表中。试验记录是载荷试验中最重要的第一手资料，必须正确记录，并严格校对。5试验资料整理与应用5.1试验资料整理载荷试验的最后成果是通过对现场原始试验数据进行整理、依据现有的规范或规定作出的。其中最重要的原始试验记录是载荷试验沉降观测记录表，不仅记录沉降，还记录荷载等级和其他与载荷试验相关的信息，如载荷板尺寸、载荷点试验深度等。5.1.1相对稳定法试验（1）绘制p-s曲线根据载荷试验沉降观测原始记录，将（p,s）点绘在厘米坐标纸上。（2）p-s曲线的修正如果原始p-s曲线的直线段延长线不通过原点(0,0)，则需对p-s曲线进行修正。可采用两种方法进行修正：a）图解法。在p-s曲线草图上找出比例界限点，从比例界限点引一直线，使比例界限前的各点均匀靠近该直线，直线与纵坐标交点的截距即为s0。将直线上任意一点s，p和s0代入下式求得C值；S=s0+Cpb）最小二乘法。计算式如下:∑∑∑∑∑式中：n为荷载级数；s0为校正值，cm；p为单位面积压力，kPa；s’为各级荷载下的原始沉降，cm；C为斜率。解以上两式得：4∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑∑求得s0和C值后，按下述方法修正沉降观测值：对于比例界限以前各点，根据C，p值按S=Cp计算；对于比例界限以后各点，则按s=s－s0计算。根据p和修正后的s值绘制p-s曲线。（3）绘制s-lgt曲线在单对数坐标纸上绘制每级荷载下的s-lgt曲线。同时需要标明每根曲线的荷载等级、荷载单位。（4）绘制lgp-lgs曲线在双对数坐标纸上绘制lgp-lgs曲线，注意标明坐标名称和单位。5.1.2快速试验法根据试验记录按外推法推算各级荷载下，沉降速率达到相对稳定标准时所需的时间和沉降量，然后以推算的沉降量绘制p-s曲线。各级荷载下，沉降达到相对稳定标准时所需时间和沉降量可按下式计算：∑∑[]∑∑∑[][∑]∑∑∑∑[][∑]式中：tn为第n级荷载下沉降达到相对稳定标准时所需的时间，mim，当tn不足30的倍数时，可增大为30的倍数；sn为第n级荷载下沉降达到相对稳定标准时的沉降量，cm；αn为第n级荷载下，s-lnt关系曲线的截距，cm；βn为第n级荷载下，s-lnt关系曲线的斜率。为了使快速法的成果与相对稳定法取得一致，必须从施加第二级荷载开始，从沉降观测值中扣除以前各级沉降未稳定而产生的剩余沉降的影响。剩余沉降量的计算公式如下：∑{[]}[]式中为第n级荷载第i次观测值中应扣除的剩余沉降量，cm；k为第n级前的荷载级数，k=1,2，…，n-1；Δt为沉降观测的时间间隔，mim；N为每级荷载下沉降观测的次数；n为荷载级数。5.2试验资料应用5.2.1确定地基的承载力在资料整理的基础上，应根据p-s曲线拐点，必要时结合s-lgt曲线的特征，确定比例界限压力和极限压力。但p-s关系曲线呈缓变曲线时，可取对应于某一相对沉降值(即s/b,其中b为承压板直径或边长)的压力评定地基的承载力。（1）拐点法如果拐点明显，直接从p-s曲线上确定拐点作为比例界限，并取该比例界限所对应的荷载值作为地基承载力特征值。（2）极限荷载法先确定极限荷载，当极限荷载小于对应的比例界限的荷载值的2倍时，取极限荷载的一半作为地基承载力特征值。（3）相对沉降法当按上述两种方法不能或不易确定地基承载力时，在p-s曲线上取s/b(相对沉降)为一定值所对应的荷载为地基承载力特征值。按《岩土工程勘察规范（2009年版）》[1]要求，当承压板面积为0.25~0.50m2时，可取s/b=0.01~0.015所对应的荷载作为地基承载力特征值。但其值不应大于最大加载量的一半。5.2.2确定地基变形模量土的变形模量应根据p-s曲线的初始直线段，可按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论计算。（1）当地表无超载时(相当于承载板置于地表)，即浅层平板载荷试验，土的变形模量按下式计算:式中：d为承压板直径（或方形承压板边长)；I0为刚性承压板的形状系数，对于圆形承压板取0.785,对于方形承压板取0.886；p为p-s曲线线性段的压力，kPa；s为与p对应的沉降，mm；μ为土的泊松比，碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉质黏土取0.38，黏土取0.42。（2)当地表有超载时(相当于靠近地表、在地表以下一定深度处进行试验)，即深层平板载荷试验和螺旋板载荷试验，可按下式计算：5式中ω为与试验深度和土类有关的系数，取值可按《岩土工程勘察规范（2009年版）》[1]表10.2.5选用。5.2.3确定地基的机床反力系数依据平板载荷试验p-s曲线直线段的斜率，可以直接确定载荷试验基床反力系数。依据