土力學(xué) 天然地基的載荷試驗 原位試驗方法

1、 一、載荷試驗的定義 載荷試驗是一項使用最早、應(yīng)用最廣泛的原位試驗方法，它是現(xiàn)場在一定尺寸的剛性承壓板上分級施加靜荷載，測定承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)的天然地基、單樁或復(fù)合地基巖土的承載力和變形特性。 本章主要涉及天然地基的載荷試驗。 二、荷載試驗的分類二、荷載試驗的分類 根據(jù)承壓板的形式和設(shè)置深度不同，可以將試驗分成三種： 1. 淺層平板載荷試驗，適用于淺層地基土； 2. 深層平板載荷試驗，適用于埋深大于3m和地下水位以上的地基土； 3.螺旋板載荷試驗，適用于深層地基或地下水位以下的地基土。 本章主要涉及的是淺層平板載荷試驗，螺旋板載荷試驗作補(bǔ)充介紹。 三、載荷試驗的目的 荷載試驗可用于以下

2、目的：（1）根據(jù)荷載沉降關(guān)系線（p-s曲線），確定地基土的承載力；p-s曲線上的比例界限壓力、極限壓力，可以為評定地基土的承載力提供依據(jù)。（2）計算土的變形模量（排水或不排水的）；（3）估算地基土的不排水抗剪強(qiáng)度及極限填土高度；（4）確定地基土的基床反力系數(shù)。（5）估算地基土的固結(jié)系數(shù)。spKV/ 淺層平板載荷試驗適用于地表淺層地基、特別適用于各種填土、含碎石的土類。由于試驗比較簡單、直觀，因此，多年來應(yīng)用廣泛。但是，在應(yīng)用時，應(yīng)對本方法的下述局限性給予充分的關(guān)注：（1）平板載荷試驗的影響深度范圍不超過兩倍承壓板寬度（或直徑），故只能了解地表淺層地基土的特性。（2）承壓板的尺寸比實際基礎(chǔ)小，在

3、剛性承壓板邊緣產(chǎn)生塑性區(qū)的開展，更易造成地基的破壞，使預(yù)估的承載力偏低。（3）載荷板試驗是在地表進(jìn)行的，沒有埋置深度所存在的超載，也會降低承載力。（4）試驗時的加載速率比實際工程快得多，對透水性較差的軟粘土，其變形狀況與實際有較大差異，由此確定的參數(shù)也有較大差異。（5）小尺寸剛性承壓板下土中的應(yīng)力狀態(tài)極復(fù)雜，由此推求的變形模量只能是近似的。 四、荷載試驗的適用條件 在擬建建筑物場地上將一定尺寸和幾何形狀（圓形或方形）的剛性板，安放在被測的地基持力層上，逐級增加荷載，并測得每一級荷載下的穩(wěn)定沉降，直至達(dá)到地基破壞標(biāo)準(zhǔn)，由此可得到荷載（p）沉降（s）曲線（即ps曲線）。典型的平板載荷試驗ps曲線可

4、劃分為三個階段： 一、試驗的基本原理 圖21 平板載荷試驗ps曲線 （1）直線變形階段：ps曲線為直線段（線性關(guān)系），對應(yīng)于此段的最大壓力p0，稱為比例界限壓力（也稱為臨塑壓力），土體以壓縮變形為主。（2）剪切變形階段：當(dāng)壓力超過p0，但小于極限壓力pu時，壓縮變形所占比例逐漸減少，而剪切變形逐漸增加，ps線由直線變?yōu)榍€，曲線斜率逐漸增大。（3）破壞階段：當(dāng)荷載大于極限壓力pu時，即使維持荷載不變，沉降也會急劇增大，始終達(dá)不到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。用力學(xué)原理進(jìn)行解釋（圖2-2）：（土力學(xué)） 圖2-2 變形曲線三階段及相應(yīng)地基破壞情況 直線變形階段：受荷土體中任意點產(chǎn)生的剪應(yīng)力小于土體的抗剪強(qiáng)度，土的變形

5、主要由土中空隙的壓縮引起，并隨時間趨于穩(wěn)定?？梢杂脧椥岳碚撨M(jìn)行分析。 剪切變形階段：土體除了豎向壓縮變形之外，在承壓板的邊緣已有小范圍內(nèi)土體承受的剪應(yīng)力達(dá)到或超過了土的抗剪強(qiáng)度，并開始向周圍土體發(fā)展。此階段土體的變形主要由壓縮變形和土粒剪切變形共同引起?？梢杂脧椝苄岳碚撨M(jìn)行分析。 破壞階段：即使荷載不再增加，承壓板仍會不斷下沉，土體內(nèi)部開始形成連續(xù)的滑動面，承壓板周圍土體面上各點的剪應(yīng)力均達(dá)到或超過土體的抗剪強(qiáng)度。 二、試驗的儀器設(shè)備二、試驗的儀器設(shè)備 平板載荷試驗的常用設(shè)備包括四部分： （1）承壓板 （2）加荷系統(tǒng) （3）反力系統(tǒng) （4）量測系統(tǒng)圖23 常見的載荷試驗反力與加載布置方式 （1

6、）承壓板 承壓板的功能類似于建筑物的基礎(chǔ)，所施加的荷載通過承壓板傳遞給地基土。（2）加荷系統(tǒng) 一般可分為千斤頂加載裝置和重物加載裝置。 重物加載裝置是將已知重量的鋼錠、混凝土塊等按試驗加載計劃依次放在加載平臺上，達(dá)到對地基土分級加載的目的。（不需要反力裝置支撐）。 千斤頂加載方式需要反力裝置配合，一般采用油壓式。加載方式又由以下部件組成：主機(jī)、千斤頂、位移傳感器、加載油泵、壓力傳感器、百分表等。（3）反力系統(tǒng) 常見的反力系統(tǒng)可以由重物、地錨或重物與地錨聯(lián)合聯(lián)合提供，然后與梁架組合成穩(wěn)定的反力系統(tǒng)。當(dāng)在巖體內(nèi)進(jìn)行荷載試驗時，可以利用周圍穩(wěn)定的巖體提供所需要的反力。見圖2-4。（4）觀測系統(tǒng) 主要

7、指位移（沉降）量測系統(tǒng)，包括支撐柱、基準(zhǔn)梁、位移測量元件（位移傳感器、百分表）及其他附件。具體的支撐關(guān)系是：位移量測元件固定在基準(zhǔn)梁上，基準(zhǔn)梁架設(shè)在支撐柱上，而支撐柱要打設(shè)在試坑內(nèi)適當(dāng)位置。圖24 堅硬巖土體內(nèi)載荷試驗反力系統(tǒng)示意圖 一、試驗技術(shù)要求 淺層平板載荷試驗，應(yīng)當(dāng)滿足下列技術(shù)要求：（1）試坑的要求 一般要求荷載施加在半無限空間的表面，即埋設(shè)深度為零。但一般都是在開挖基坑底部進(jìn)行試驗，這時要求基坑寬度應(yīng)大于承壓板寬度或直徑的3倍。 試坑底部的巖土應(yīng)避免擾動，保持其原狀結(jié)構(gòu)和天然含水量，可在承壓板下鋪設(shè)20mm的砂墊層找平，并盡快安裝設(shè)備。 （2）承壓板的尺寸 一般情況下承壓板的形狀為方

8、形或圓形，尺寸多為0.250.5m2，在實際工程中，可根據(jù)試驗巖土層狀況或試驗要求選用合適的面積，可參照下面經(jīng)驗值選取：aa. 一般粘性土地基，常用面積為0.5 m2的圓形或方形剛性承壓板；bb. 碎石類土，承壓板寬度應(yīng)為最大碎石直徑的1020倍；cc. 巖石類土，承壓板面積以0.1 m2為宜；dd. 為確定加固后復(fù)合地基的承載力，得用大型載荷試驗，要求承壓板面積大于1m1m。 如南京水利科學(xué)研究院曾在寧夏大武口電廠及南通天生港電廠，為檢驗碎石樁加固效果，測定復(fù)合地基承載力，做過3m3m的大型載荷試驗。 （3）加載方式及沉降觀測 a慢速法 分級加荷按等荷載增量均衡施加，荷載增量按預(yù)估的極限荷載

9、等分為1012級（不少于8級），或為臨塑荷載的1/4或1/5。對每級荷載，自加荷開始按時間間隔5min、5 min、10 min、10 min、15 min、15 min 測讀一次沉降，以后間隔30 min測讀一次沉降，當(dāng)連續(xù)2小時內(nèi)每小時沉降量不超過0.1mm，或連續(xù)1小時內(nèi)每30 min沉降量不超過0.05mm，可以認(rèn)為沉降已達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，可施加下一級荷載。 b快速法 分級加荷等級與慢速法相同，但每一級荷載按間隔15min觀測一次沉降，每級荷載持續(xù)2小時，即可施加下一級荷載。 c等沉降速率法 控制承壓板以一定的沉降速率沉降，測讀與沉降相應(yīng)的所施加的荷載，直到試驗達(dá)到破壞狀態(tài)。 （4）試驗終

10、止條件 試驗結(jié)束標(biāo)準(zhǔn)：一般認(rèn)為，當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時，可認(rèn)為地基已達(dá)破壞階段，可終止試驗：a在荷載不變條件下，24小時沉降速率幾乎不變或加速發(fā)展（不能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)）；b 板周圍出現(xiàn)隆起或破壞性裂縫；c相對沉降量s/b（承壓板直徑或邊長）超過0.060.08 。二、試驗設(shè)備的安裝及操作步驟 （1）試驗設(shè)備的安裝a打地錨：一般4根或6根對稱布置，應(yīng)全部進(jìn)入較硬的地層，以提供較大的反力。b挖試坑：大于承壓板尺寸的3倍，并挖至試驗深度。c放置承壓板：在試坑中心位置，鋪設(shè)厚度不超過20mm的砂墊層并找平，小心平放承壓板，防止歪斜著地。 d加壓系統(tǒng)的安裝：以承壓板為中心，從上至下在承壓板上以此安裝千斤頂、

11、測力計和分力帽，使其重心保持在一條垂直直線上。 e反力系統(tǒng)的安裝：通過連接件將次梁安裝在地錨上，以承壓板為中心將主梁通過連接件安裝在次梁下，形成完整的反力系統(tǒng)。 f量測元件的安裝：打設(shè)支撐柱，安裝基準(zhǔn)梁，固定位移傳感器、百分表，形成完整的位移沉降量測系統(tǒng)。 （2）操作步驟對于每一級荷載，其操作步驟均可分為4步：a加載操作：第一級加載應(yīng)考慮設(shè)備的重量和挖掉土的自重，因此，要事先標(biāo)定或計算預(yù)壓荷載與相應(yīng)油壓表讀數(shù)或測力計百分表讀數(shù)之間的關(guān)系。b穩(wěn)壓操作：每級荷載下都必須保持穩(wěn)壓，在試驗過程中由于某些原因會使荷載減小，必須隨時觀察油壓表的讀數(shù)，并通過千斤頂不斷補(bǔ)壓，使施加的荷載保持相對穩(wěn)定。c沉降觀

12、測：按照試驗沉降觀測技術(shù)要求進(jìn)行讀數(shù)。d試驗記錄：在試驗過程中必須始終按照規(guī)定將每一級荷載觀測數(shù)據(jù)記錄在載荷試驗記錄表中。一、繪制曲線 試驗資料整理是試驗結(jié)束后最重要的一項工作，其中沉降觀測記錄是最重要的原始資料，不僅記錄了沉降，還記錄了荷載等級和其他與荷載試驗相關(guān)的信息，如承壓板形狀、尺寸、荷載點試驗深度、土性等等。 圖25 p-s關(guān)系曲線 包括分級累加荷載p-s曲線（荷載沉降曲線）、每一級荷載下的st曲線。（1）p-s曲線 將每一級加載下的荷載量值（p）和對應(yīng)的最終沉降值（s）數(shù)據(jù)對（p，s）繪制在坐標(biāo)紙上（圖2-5）。 目的就是要確定p-s曲線的特征點p0和pu，當(dāng)p-s曲線上有明顯的直

13、線段時，以直線的終點（第一拐點）為p0，當(dāng)直線段不明顯時，可變換坐標(biāo)，改做lgp-lgs或p-s/p曲線（s為沉降增量，p為荷載增量），以拐點對應(yīng)的荷載為p0。見圖2-6。圖26 p-s/p關(guān)系曲線（2）s-t曲線 s-t曲線反映的是每一級荷載下地基土隨時間的變形情況；又可分為兩種，即按p分級繪制和按p分段連續(xù)繪制，兩者都需在曲線上注明荷載等級。如圖27： 圖27 s-t關(guān)系曲線 二、p-s曲線的修正 （1）圖解法 如果開始的一些觀測點基本在一條直線上，只是不通過原點，表明試驗存在一定的系統(tǒng)誤差?？蓪⑶€上的各點沿s軸進(jìn)行坐標(biāo)平移s0，使它通過原點即可。如圖28： 圖28 p-s曲線修正的圖解

14、法 （2）最小二乘擬合法 對于有明顯直線段和拐點的p-s曲線，可以通過最小二乘法擬合出最佳回歸直線方程式，假設(shè)為：，求得后，即為修正后的沉降數(shù)據(jù)。 （3）高階曲線擬合法 對于沒有明顯直線段和拐點的圓滑型或不規(guī)則p-s曲線，可假設(shè)為二次或高階多項式表示的曲線，通過曲線擬合求得常數(shù)項，即，即為修正后的沉降數(shù)據(jù)。 三、比例界限p0的確定 比例界限p0的確定方法有以下幾種：（1）當(dāng)p-s曲線上有較明顯的直線段和拐點時，直接取直線段的終點為比例界限壓力p0，并取該比例界限壓力所對應(yīng)的荷載作為地基土的承載力特征值。（2）當(dāng)p-s曲線上無明顯直線段時，可用下述方法確定：a在某一荷載下，其沉降量超過前一級荷載

15、下沉降量的2倍，即sn2sn-1的點所對應(yīng)的壓力即為比例界限。b繪制lgp-lgs曲線，曲線上的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的壓力即為比例界限。c繪制p-s/p曲線，曲線上的轉(zhuǎn)折點所對應(yīng)的壓力即為比例界限。 四、極限荷載pu的確定 極限荷載pu的確定方法有以下幾種：a當(dāng)載荷試驗加載至破壞荷載，則取破壞荷載的前一級荷載為極限荷載pu。b當(dāng)試驗未做到破壞荷載，則可取外插法確定其極限荷載，作圖步驟如圖29： 圖29 外插法確定極限承載力 一、地基土承載力確定 （一）應(yīng)用載荷試驗確定承載力特征值應(yīng)符合的規(guī)定1當(dāng)ps曲線上有比例界限時，取該比例界限所對應(yīng)的荷載值。2當(dāng)試驗滿足終止加荷條件之一時，其對應(yīng)的前一級荷載為極限

16、荷載，當(dāng)該值小于對應(yīng)比例極限荷載值的2倍時，取荷載極限值的一半。3不能按上述兩條規(guī)則確定時，可取s/b0.010.05所對應(yīng)的值，但其值不應(yīng)大于最大加載量的一半。4同一土層參加統(tǒng)計的試驗點不應(yīng)少于三點，當(dāng)試驗實測值的極差不超過平均值的30時，取此平均值作為該土層的地基承載力特征值fak。 （二）具體確定方法1強(qiáng)度控制法（又稱為拐點法、比例界限法） 此法是指以比例界限壓力p0作為地基土承載力。適用于硬塑堅硬的粘性土、粉土、砂土和碎石土。 2相對沉降法 根據(jù)沉降量和承壓板直徑（或邊長）的比值（s/b）確定承載力特征值： a當(dāng)承壓板面積為0.250.5m2時，對中高壓縮性土，取s/b0.02所對應(yīng)的

17、荷載為承載力特征值；對砂土和低壓縮性土，取s/b0.010.015所對應(yīng)的荷載為承載力特征值。 b當(dāng)承壓板面積為大于0.5m2時，應(yīng)結(jié)合一些特殊要求綜合確定地基承載力特征值。 3極限荷載法 a當(dāng)比例界限p0與極限荷載pu接近時（pu2p0），可按下式計算： sukFpf/sukFpppf00二、變形模量計算 1對于厚層均質(zhì)各向同性地基土，當(dāng)?shù)乇頍o超載時，按彈性半無限體表面受荷原理，計算土的變形模量： bKIE)1 (200式中，E0土的變形模量； b承壓板直徑或邊長（m）； I0承壓板位于半空間表面的影響系數(shù)；對于圓形剛性板， ；對于方形承壓板，I00.886； Kp-s曲線直線段的斜率（KN

18、/m3）； 土的泊松比，碎石土取0.25，砂土、亞砂土、粉土取0.30，亞粘土、粉質(zhì)粘土取0.35，粘土取0.42。 或者用此公式：式中，p承壓板上直線變形階段的荷載，KN； s與荷載p相對應(yīng)的承壓板沉降值，cm。 785. 04/0IsbpE)1 (10202當(dāng)?shù)乇碛谐d時，將計算公式進(jìn)行修正：I1為承壓板埋深z修正系數(shù)，當(dāng)zb時，其他符號意義同前。 bKIIE)1 (2100bzI27. 011zbI23. 05 . 01三、估算地基土的不排水抗剪強(qiáng)度 用快速載荷試驗（相當(dāng)于不排水條件）的極限荷載pu，可估算飽和粘性土的不排水抗剪強(qiáng)度Cu。 cduuNppC式中，pu快速載荷試驗所得的極限

19、荷載，kPa； pd承壓板周邊外的超載或土的自重應(yīng)力，kPa； Nc當(dāng)周邊無超載時，Nc6.15；當(dāng)承壓板埋深大于或等于4倍板徑或邊長時，Nc9.25；當(dāng)承壓板埋深小于4倍板徑或邊長時，Nc由線性內(nèi)插確定。 四、確定地基土的基床反力系數(shù) 依據(jù)平板載荷試驗ps曲線直線段的斜率，可直接確定基準(zhǔn)基床系數(shù)Kv（國標(biāo)巖土工程勘察規(guī)范（GB500212001）： spKv/一、概述 平板載荷試驗只能確定淺層地基的承載力等問題，而無法解決深基礎(chǔ)的工程問題。1973年，挪威Janbu等人研制出螺旋板載荷試驗。 該試驗是在不同深度處的原始應(yīng)力條件下進(jìn)行的載荷試驗，將螺旋形的承壓板旋入地面以下預(yù)定的試驗深度處，用

20、千斤頂通過傳力桿對螺旋板施加荷載，由位于螺旋板上端的傳感器測定壓力，并用百分表觀測承壓板的位移。 其裝置見圖2-10，同樣包括三個系統(tǒng)：加載系統(tǒng)、反力系統(tǒng)、量測系統(tǒng)。 目前，歐美很多國家已將試驗成果用于實際工程，在我國也在少數(shù)單位得到應(yīng)用。最大試驗深度已達(dá)30米。 圖2-10 螺旋板載荷試驗裝置示意 二、適用性和參數(shù)確定 螺旋板載荷試驗適用于地下水位以下一定深度處的砂土、軟粘土、一般粘性土和硬粘性土層。 可確定的參數(shù)有：地基土的承載力、變形模量、基床系數(shù)、固結(jié)系數(shù)等。 三、技術(shù)要求 1承壓板應(yīng)有足夠剛度，加工準(zhǔn)確。一般，板頭面積為100、200、500cm2，相當(dāng)于半徑為113、160、252

21、mm。2螺旋板旋入土中會引起一定的土體擾動，為減小擾動，應(yīng)保證：（1）選擇適當(dāng)?shù)妮S徑（2c）、板徑（2a）、螺距（2b）及板厚（t），使c/a=0.125，b/a=0.25，t/a=0.02；（2）螺旋板頭的旋入進(jìn)尺與螺距一致；（3）螺旋板與土接觸面加工光滑。3加載方式與平板載荷試驗一樣，有慢速法、快速法和等沉降速率法（一般可采用0.52mm/min）。4試驗加荷等級、試驗結(jié)束條件與平板載荷試驗相同。5在同一試驗孔內(nèi)，在垂直方向的試驗點間距一般應(yīng)大于1米，可結(jié)合土層變化和均勻性布置。 四、資料整理及成果應(yīng)用 1繪制ps曲線 與平板荷載試驗相比，螺旋板載荷試驗除臨塑壓力p0（比例界限）及極限壓力

22、pu外，還多一個特征值pd。p0與pu的物理意義和平板載荷試驗相同；pd為試驗深度處的原位有效自重壓力。典型的ps曲線如圖2-11： 圖2-11 ps典型曲線 （1）用ps曲線評定地基土承載力特征值時，與平板試驗一樣，無需作深度修正。（2）變形模量計算 spbE式中，E不排水變形模量（MPa）； p某一級荷載壓力（MPa）； s壓力p下固結(jié)完成后的最終沉降量（mm）； b螺旋板直徑（mm）。 與試驗深度和土類有關(guān)的系數(shù)，可以按表21選取。 （3）一維壓縮模量當(dāng)試驗在排水條件下進(jìn)行時，可按Janbu公式推求Es： 1)(aasppmpEsaNspbpm式中，Es一維壓縮模量，kPa； m模量系數(shù)； pa參考壓力，一般取1個大氣壓力100kPa； p施加的壓力值，取直線段內(nèi)任一壓力值，kPa； 應(yīng)力指數(shù)，對正常固結(jié)飽和粘土取0；砂土與粉土取0.5；超固結(jié)飽和粘土取1。 p承壓板上的壓力增量，pppd，kPa；b螺旋板直徑，cm；s對應(yīng)p力的承壓板沉降量，cm Ns無因次沉降數(shù)，與pd及p有關(guān)，由圖2-12查得。 2繪制s 曲線按每級荷載下的沉降量s與時間