平板載荷試驗(yàn)測定地基承載力方法

摘要：平板載荷試驗(yàn)是一種使用較早、應(yīng)用廣泛的原位測試，主要用來測定承壓板下一定范圍內(nèi)巖土體的承載力及變形特性，并用以確定地基承載力特征值、計(jì)算土的變形模量、估算土的不排水抗剪強(qiáng)度及極限填土高度等。文章對(duì)平板載荷試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、結(jié)果處理等方面進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：平板載荷試驗(yàn)；原位測試；承載力；變形特性；技術(shù)要求 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TU413 文章編號(hào)：1009-2374（2017）03-0122-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.054

平板載荷試驗(yàn)是一種使用較早、應(yīng)用廣泛的原位測試，主要用來測定承壓板下一定范圍內(nèi)巖土體的承載力及變形特性。常規(guī)的平板載荷試驗(yàn)適用于地表淺層地基和地下水位以上的地層，多用于各類填土和含碎石土類。試驗(yàn)通過模擬建筑物荷載通過基礎(chǔ)作用于地基的形式，在一定尺寸的剛性承壓板上，分級(jí)施加豎向靜荷載，并觀測承壓板的沉降量。試驗(yàn)?zāi)苤庇^地反映出各級(jí)荷載作用下，天然地基土隨壓力變化而沉降變形的情況，并用以確定地基承載力特征值、計(jì)算土的變形模量、估算土的不排水抗剪強(qiáng)度及極限填土高度等。下面就平板載荷試驗(yàn)的相關(guān)技術(shù)要求、試驗(yàn)方法、結(jié)果處理等方面進(jìn)行分析總結(jié)。

1 技術(shù)要求

1.1 試點(diǎn)要求

載荷試驗(yàn)點(diǎn)選擇要具有代表性，單位工程試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)不少于3點(diǎn)，當(dāng)場地內(nèi)巖土體變化復(fù)雜時(shí)，可增加試驗(yàn)點(diǎn)。試驗(yàn)通常在試坑中進(jìn)行，試壓面應(yīng)位于基礎(chǔ)底面標(biāo)高處，試坑直徑或?qū)挾炔恍∮诔袎喊逯睆剑╠）或?qū)挾龋╞）的3倍。試壓面應(yīng)盡量避免擾動(dòng)，并保持其原狀結(jié)構(gòu)和天然濕度，可在坑底預(yù)留20～30cm厚的原狀土層，試驗(yàn)前再挖去。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

1.2.1 承壓板。承壓板要有足夠的剛度，在試驗(yàn)中變形要小。板一般為特制加筋厚鋼板，宜采用圓形，以符合軸對(duì)稱的彈性理論。板的尺寸應(yīng)根據(jù)巖土體性狀合理選擇，一般不小于0.25m2；對(duì)于不均勻土層和軟土不小于0.5m2；對(duì)于含碎石土，承壓板寬度或直徑應(yīng)為最大碎石直徑的10～20倍。

1.2.2 加荷系統(tǒng)。加荷系統(tǒng)包括加荷裝置和反力裝置。加荷裝置一般為千斤頂；反力通過相應(yīng)的載荷平臺(tái)提供，常用的有堆載、地錨等反力裝置。要求裝置能提供的反力不小于試驗(yàn)最大荷載的1.2倍，一般應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)要求和現(xiàn)場條件，合理選擇。

1.2.3 觀測儀表。觀測儀表主要是對(duì)荷載大小和沉降量進(jìn)行觀測。荷載通過力值傳感器測量，其精度不應(yīng)低于最大荷載的±1%；承壓板的沉降可采用百分表或位移傳感器測量，其精度不應(yīng)低于±0.01mm。

1.3 設(shè)備安裝

1.3.1 承壓板放置。首先要把擬試壓表面處理平整，盡量避免擾動(dòng)。并盡快在試壓面鋪設(shè)厚度不超過20mm的粗砂或中砂墊層找平，再放上承壓板，以保證承壓板與試壓面平整均勻接觸。

1.3.2 加荷系統(tǒng)安裝。準(zhǔn)備好反力裝置后，在承壓板中心處依次安裝千斤頂、荷載傳感器、傳力柱等，應(yīng)保證各接觸面平整，受力方向垂直于板中心。

1.3.3 觀測儀表安裝。百分表或位移傳感器要安裝牢固，其固定位置應(yīng)不受變形影響，并按承壓板的幾何形狀對(duì)稱放置。在方便觀測的地方可用百分表測讀，在不便觀測和風(fēng)險(xiǎn)較大的情況下，可安裝位移傳感器遠(yuǎn)距離測讀。

2 試驗(yàn)方法

2.1 加荷方式

通過加荷系統(tǒng)，將千斤頂施加的荷載傳遞至承壓板，對(duì)地基施加豎向靜壓力，加荷等級(jí)宜取10～12級(jí)，并不少于8級(jí)。根據(jù)加荷方式的不同，一般分為慢速法、快速法和等沉降速率法三種：

2.1.1 慢速法。其每級(jí)加荷量按預(yù)估極限荷載的1/8～1/12或?yàn)榕R塑荷載的1/4～1/5施加。每級(jí)加荷后，先按3個(gè)10min、2個(gè)15min的間隔測讀沉降量，以后每30min測讀一次，直到在連續(xù)2h時(shí)內(nèi)每1h的沉降量不超過0.1mm或連續(xù)1h內(nèi)每30min沉降量不超過0.05mm，則認(rèn)為已趨穩(wěn)定，可加下一級(jí)荷載。

2.1.2 快速法。即分級(jí)加荷沉降非穩(wěn)定法，其加荷方式與慢速法一致，但沉降觀測時(shí)間不同。每級(jí)加荷后按間隔15min觀測沉降量，維持荷載2h后再施加下一級(jí)荷載。

2.1.3 等沉降速率法。是在每一級(jí)荷載作用下，以一定的沉降速率作為加荷條件，直到試驗(yàn)結(jié)束。

常規(guī)載荷試驗(yàn)采用慢速法；有地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可采用快速法或等沉降速率法，以加快試驗(yàn)周期，但其結(jié)果只反映不排水條件的變形特性，不反映排水條件的固結(jié)變形特性。

2.2 試驗(yàn)終止條件

當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，則認(rèn)為已達(dá)破壞階段，可終止試驗(yàn)：

2.2.1 板周圍出現(xiàn)隆起或破壞性裂縫。

2.2.2 沉降量急劇增大，本級(jí)沉降量超過前級(jí)沉降量5倍。

2.2.3 在荷載不變的情況下，24h內(nèi)沉降速率幾乎不變或加速發(fā)展。

2.2.4 相對(duì)沉降量（s/d）超過0.06。有時(shí)還表現(xiàn)為荷載加不上去，或加上去后很快降下來。對(duì)于前三種情況，其上一級(jí)荷載作為極限荷載。當(dāng)板周圍地基土出現(xiàn)明顯側(cè)向擠出隆起或裂縫時(shí)，是受荷地層發(fā)生了整體剪切破壞，這屬于強(qiáng)度破壞極限狀態(tài)；等速沉降或加速沉降時(shí)，是板下產(chǎn)生塑性破壞或刺入破壞，這是變形破壞極限狀態(tài)；過大的沉降（超過承壓板直徑或?qū)挾鹊?.06倍）量，是屬于超過限制變形的正常使用極限

狀態(tài)。

載荷試驗(yàn)一般應(yīng)做到破壞，當(dāng)試驗(yàn)?zāi)康臑轵?yàn)證地基承載力時(shí)，可只加荷到設(shè)計(jì)值的兩倍；當(dāng)加荷已達(dá)加荷系統(tǒng)的最大能力時(shí)，則只能終止試驗(yàn)，但應(yīng)分析是否已達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2.3 試驗(yàn)注意事項(xiàng)

2.3.1 盡量保證受力方向與承壓板中心垂直，以免試驗(yàn)中承壓板或加荷系統(tǒng)發(fā)生歪斜。

2.3.2 試驗(yàn)中加荷要均勻平穩(wěn)，避免脈沖荷載對(duì)沉降產(chǎn)生影響。

2.3.3 儀表安裝時(shí)要調(diào)整好行程，試驗(yàn)中若發(fā)現(xiàn)行程不夠時(shí)，應(yīng)在本級(jí)沉降穩(wěn)定后，及時(shí)調(diào)整并記錄。

2.3.4 必須保證加荷系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性，并做好相關(guān)的安全防護(hù)措施。試驗(yàn)中要隨時(shí)注意加荷系統(tǒng)是否出現(xiàn)頂起、傾斜、變形等情況，必要時(shí)可終止試驗(yàn)以保證安全。

3 試驗(yàn)結(jié)果

3.1 p～s曲線分析

對(duì)載荷試驗(yàn)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，整理出荷載與沉降量的匯總表，并繪制荷載（p）與沉降量（s）的關(guān)系曲線。典型的p～s曲線具有兩個(gè)明顯的特征點(diǎn)，即臨塑壓力（也稱比例界限壓力）py、極限壓力pu。這兩個(gè)特征點(diǎn)把p～s曲線分成三段，反映了地基從受壓變形到破壞的三個(gè)階段：

3.1.1 直線變形階段：當(dāng)壓力低于臨塑壓力py時(shí)，地基土所受壓力較小，土體顆粒主要產(chǎn)生豎向位移，土體處于壓密過程，以壓縮變形為主，p～s成直線關(guān)系。py所對(duì)應(yīng)的壓力即為比例界限壓力，可作為地基承載力特征值。

3.1.2 剪切階段：當(dāng)壓力大于py但小于pu時(shí)，地基土處于彈塑性變形階段。地基土在承壓板邊緣首先達(dá)到極限平衡狀態(tài)，隨著壓力逐漸增大，土體顆粒產(chǎn)生側(cè)向位移，壓縮變形減小而剪切變形增大，塑性區(qū)范圍逐漸增多。p～s線由直線變成曲線，pu所對(duì)應(yīng)的荷載即為地基的極限荷載。

3.1.3 破壞階段：當(dāng)壓力超過極限壓力pu時(shí)，地基土塑性區(qū)連成一片，承壓板急速下沉，板邊緣土向上隆起，地基完全喪失承載能力。剪切破壞形式一般分為整體剪切、局部剪切、沖剪破壞三種。對(duì)于較堅(jiān)硬或密實(shí)的土，由于壓縮性較低，通常呈整體剪切破壞；對(duì)于軟弱土黏土或松砂土，其具有中高壓縮性，常呈現(xiàn)局部剪切破壞或沖剪破壞。

3.2 確定地基承載力特征值

根據(jù)p～s曲線及荷載與沉降量匯總表，按下列方法確定地基承載力特征值（fak）。

3.2.1 比例界限法：適用于具有明顯拐點(diǎn)的p～s曲線，直接以比例界限壓力py作為地基的承載力特征值。

3.2.2 極限荷載法：由p～s曲線所得的極限荷載pu除以安全系數(shù)K，K一般取2～3，但其值須小于對(duì)應(yīng)的例界限壓力py。

3.2.3 當(dāng)不能按前兩種方法確定時(shí)，可根據(jù)沉降量與承壓板直徑或?qū)挾鹊谋戎担╯/d）確定地基承載力特征值。當(dāng)承壓板面積為0.25～0.5m2時(shí)，對(duì)中高壓縮性土，取s/d=0.02所對(duì)應(yīng)的荷載；對(duì)砂土和低壓縮性土取s/d=0.01～0.015所對(duì)應(yīng)的荷載，但其值不超過最大加載量的1/2。

同一土層試驗(yàn)點(diǎn)不少于3點(diǎn)，當(dāng)極差不大于平均值30%時(shí)，取平均值為地基承載力特征值。當(dāng)p～s曲線無明顯拐點(diǎn)時(shí)，可加測承壓板周圍土面的升降、不同深度土層的分層沉降或土層的側(cè)向位置，這有助于判別承壓板下地基土受荷后的變化，發(fā)展階段及破壞模式，從而判定拐點(diǎn)。

3.3 地基土變形模量計(jì)算

按均質(zhì)各向同性半無限彈性介質(zhì)的彈性理論，由p～s曲線的初始直線段，得到地基土的變形模量E0（MPa），可按下式計(jì)算：

E0=I0pd（1-μ2）/s

式中：

I0——承壓板形狀系數(shù)，圓形板取0.78，方形板取0.89

p——p～s直線變形階段的壓力（kPa）

d——承壓板直徑或?qū)挾龋╩）

μ——各類土的泊松比（如黏土取0.42、碎石土取0.27等）

s——與p對(duì)應(yīng)的沉降量（mm）

4 試驗(yàn)影響因素

載荷試驗(yàn)比較直觀、可靠，但對(duì)于一些影響因素也應(yīng)充分關(guān)注：（1）平板載荷試驗(yàn)的影響深度有限，只能反映地表淺層地基土的特性；（2）承壓板尺寸比實(shí)際基礎(chǔ)小，在剛性板邊緣產(chǎn)生的塑性區(qū)，更易造成地基的破壞，使預(yù)估承載力偏低。而且試驗(yàn)是在地表進(jìn)行，沒有埋置深度所存在的超載情況，也會(huì)降低承載力；（3）由于載荷試驗(yàn)的加荷速率較實(shí)際工程快得多，對(duì)透水性較差的軟黏土，其變形情況與實(shí)際有較大差異；（4）當(dāng)土層變化復(fù)雜時(shí)，小尺寸剛性承壓板下土體中的應(yīng)力狀態(tài)及其復(fù)雜，由此確定的參數(shù)也有較大差異，對(duì)試驗(yàn)的尺寸效應(yīng)要有足夠的估計(jì)。

5 結(jié)語

規(guī)范要求單位工程試點(diǎn)數(shù)量不少于3點(diǎn)，但對(duì)于成分和結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的多層土或非均質(zhì)土層，試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)過少，會(huì)增加試驗(yàn)的隨機(jī)性和偶然性。因此要根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況，合理確定試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)，加強(qiáng)邊、柱及軟弱處的檢測。在確定地基承載力時(shí)，可結(jié)合現(xiàn)場巖土鉆探、室內(nèi)試驗(yàn)資料，并借鑒附近已有建筑設(shè)計(jì)和施工經(jīng)驗(yàn)，綜合確定擬建場地的地基承載力，以更好地保證地基滿足變形和穩(wěn)定要求。

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出版社，2011.

作者簡介：李唐（1980-），男，重慶人，供職于重慶一三六地質(zhì)隊(duì)，研究方向：巖土測試。

（責(zé)任編輯：小 燕）