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1、 岩土工程测试与监测 Yan fengZhuang AssociateProfessorinGeotechnicalEngineeringSchoolofCivilEngineeringWuhanUniversityWuhan430072P R China zhuang 岩土工程勘察 可行性研究 初勘 详勘和施工勘察 岩土工程设计 地基基础 地基处理 基坑支护 工程降水 边坡和滑坡治理设计等 岩土工程施工岩土工程监理岩土工程监测岩土工程检测 原位测试 从广义上讲 包括原位检测和原位试验两部分 即指在被测试对象的原始位置 在不破坏 不扰动或少扰动被测试或检测对象原有 天然 状态的情况下 通过试验
2、手段测定特定的指标 进而评价被测试对象的性能和状态 从狭义上讲 原位测试是指利用一定的试验手段在天然状态 天然应力 天然结构和天然含水量 下 测试岩土的反应或一些特定的物理 力学指标 进而依据理论分析或经验公式评定岩土的工程性能和状态 原位测试技术是岩土工程中的一个重要分支 它不仅是岩土工程勘察的重要组成部分和获得岩土体设计参数的重要手段 而且是岩土工程施工质量检验的主要手段 并可用于施工过程中岩土体物理 力学性质及状态变化的监测 原位测试方法 岩土工程勘察规范 GB5002l 2001 所列的原位测试方法有 载荷试验 静力触探 圆锥动力触探 标准贯入试验 十字板剪切试验 旁压试验 扁铲侧胀试
3、验 现场直接剪切试验 波速测试 岩体原位应力测试和激振法测试 载荷试验 承载力静力触探 圆锥动力触探 标准贯入试验 触探试验十字板剪切试验 直接剪切试验 剪切试验旁压试验 扁铲侧胀试验 侧胀试验声波测试 弹性波波速测试 激振法测试 动力参数测试 原位测试优缺点 载荷试验 P1ateLoadTest 简称PLT 是在现场通过一定面积的刚性承压板向地基逐级施加荷载 测定天然地基 单桩或复合地基的沉降随荷载的变化 借以确定地基土的承载能力和变形特征的现场试验 载荷试验 平板载荷试验 PlateLoadingTest oa段 载荷试验的适用条件浅层平板载荷试验适用于地表浅层地基土 包括各种填土和碎石土
4、 深层平板载荷试验适用于埋深等于或大于3 0m和地下水位以上的地基土螺旋板载荷试验适用于深层地基或地下水位以下的土层载荷试验的优点对地基土不产生扰动 确定地基承载力最可靠 最具代表性 可直接用于工程设计 还可用于预估建筑物的沉降量 对大型工程 重要建筑物 载荷试验一般不可少 是世界各国用以确定地基承载力的最主要方法 也是比较其它原位测试成果的基础 载荷试验 浅层平板静力载荷试验的基本原理 载荷试验 平板载荷试验 糯扎渡现场碾压平板载荷试验 现场载荷试验 按地基载荷试验确定地基的承载力特值 载荷试验 1 直线变形阶段p s呈线性关系p0 比例界限压力 2 剪切 塑性 变形阶段p s关系为曲线 斜
5、率逐渐变大pu 极限压力 3 破坏阶段当荷载大于极限压力pu 即使荷载维持不变 沉降也会持续发展或急剧增大 始终达不到稳定标准 载荷试验 典型的平板载荷试验p s曲线 浅层平板静力载荷试验的仪器设备 载荷试验 承压板承压板是模拟建筑物的基础 将施加的荷载通过承压板传递给地基土 其刚度和尺寸应与建筑物基础接近 承压板的刚度要求容易达到 可采用加肋的厚钢板 铸铁板 混凝土板或钢筋混凝土板 常用的是加肋钢板 无论选用什么样材质的承压板 都要求承压板具有足够的刚度 板底平整光滑 板的尺寸中心和传力重心一致 搬运和安装方便 在使用过程中不易变形 承压板的形状有圆形和方形的两种 也有根据试验的具体要求采用
6、矩形承压板 承压板的尺寸要与实际基础接近则难于达到 因为承压板的面积太大 对设备的质量要求也越高 而承压板面积过小 则影响地基土的沉降量和极限荷载值 一般来说 地基土的极限荷载会因承压板的宽度或直径b过小而降低 s增大 但b值过大极限荷载增加也不明显 因此 在确定承压板尺寸时 既不能过小 也不必太大 由于承压板的尺寸大小对评定地基土承载力有一定的影响 为统一试验条件 使试验结果具有可比性 我国的大部分勘察规范规定承压板面积以0 25 0 50 为主 另外还有0 1和1 0 载荷试验 选择承压板尺寸时 可根据地基土质情况 强度低 变形大的土层宜采用大尺寸的承压板 强度高 变形小的土层则采用小尺寸
7、的承压板 一般情况下 可参照下面的经验值选取 1 对于软土 新近沉积土和人工填土 或用载荷试验确定黄土湿陷性时 承压板尺寸不应小于0 50 2 对于一般粘性土地基 常用0 25 0 5 的承压板 3 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 4 对于岩石类土或均质密实土 如老粘土或密实砂土 以0 10 为宜 载荷试验 加荷系统加荷系统是指通过承压板对地基土施加额定荷载的装置 常见有四种类型 重物加荷装置油压千斤顶加荷装置重物 机械 液压放大加荷装置电控稳压式加荷装置 载荷试验 反力系统除重物加荷装置外 其它加荷装置均需反力系统配套 载荷试验的反力可由重物 地锚或地锚与重
8、物联合提供 然后再与梁架组合成稳定的反力系统 当在岩体内 如探坑或探槽 进行载荷试验时 可以利用围岩提供所需要的反力 锚固式反力系统中 地锚个数应确保有足够的抗拔力 以免试验中间被拔起 反力梁亦应有足够的刚度 载荷试验 坚硬岩土体内载荷试验反力系统示意图 撑壁式和平洞式 常见的载荷试验反力与加载布置方式1 承压板 2 千斤顶 3 木跥 4 钢梁 5 钢锭 6 百分表 7 地锚 8 桁架 9 立柱 10 分力帽 11 拉杆 12 载荷台 13 混凝土 14 测点 a d为千斤顶加载方式 e和f为重物加载方式 量测系统测量地基土沉降和承压板周围地面变形的量测系统由观测支架和测量仪表两部分组成 观测
9、支架用来固定量测仪表 由支撑柱 基准梁及其它附件等组成 测量仪表有百分表 位移计 位移传感器等 载荷试验 试坑的尺寸及要求试坑宽度或直径不应小于承压板宽度或直径的3倍 试坑底部的岩土应避免扰动 保持其原状结构和天然含水量 在承压板下铺设不超过20mm的砂垫层找平 并尽快安装设备 承压板的尺寸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 对于强夯处理后的场地的地基强度测定 有时要求承压板的面积应大于1 0m 1 0m 岩石载荷试验承压板的面积不宜小于0 07 载荷试验 浅层平板静力载荷试验的试验技术要求 位移量测系统的安装 载荷试验 基准梁的支撑柱或其他类型的支点应离承
10、压板和地锚一定的距离 以避免再试验过程中地表变形对基准梁的影响 支撑柱与承压板中心的距离应大于1 5d d为边长或直径 与地锚的距离应不小于0 8m 基准梁架设在支撑柱上时 不应两端固定 以避免由于基准梁杆热胀冷缩引起沉降观测的误差 沉降测量元件应对称地布置在承压板上 百分表或位移传感器的测头应垂直于承压板设置 载荷试验 加载方式一般采用分级维持荷载沉降相对稳定法 通常称为慢速法 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 加荷等级宜取10 12级 并不应小于8级 最大加载量不应小于地基土承载力设计值的2倍 荷载的量测精度应控制在最大加载量的 1 以内 第一级荷
11、载 包括设备自重 宜接近挖除土柱的自重 其相应沉降不计 对软土地基每级荷载增量10 25kPa 对一般粘性土和中密砂土地基25 50kPa 对坚硬粘性土 密实砂土和碎石土50 100kPa 载荷试验 加载方式及加荷等级 慢速法 对于土体 每级荷载施加后 间隔5min 5min 10min 10min 15min 15min测读一次沉降 以后间隔30min测读一次沉降 当连续2h 且每小时沉降量不大于0 1mm时 可认为沉降已达到相对稳定标准 施加下一级荷载 对于岩体 间隔lmin 2min 2min 5min测读一次沉降 以后每隔10min测读一次 当连续三次读数之差小于或等于0 01mm时
12、认为沉降已达到相对稳定标准 可施加下一级荷载 快速法 每加一级荷载按间隔15min观测一次沉降 每级荷载维持2h 即可施加下一级荷载 最后一级荷载可观测至沉降达到上述沉降相对稳定标准或仍维持2h 等沉降速率法 控制承压板以一定的沉降速率沉降 测读与沉降相应的所施加的荷载 直至试验达到破坏阶段 载荷试验 沉降观测和稳定标准 载荷试验一般应尽可能加荷到试验土层破坏 然后终止试验 当出现下列情况之一时 认为地基已达到破坏阶段 可终止试验 1 承压板周边的土体出现明显侧向挤出 周边岩土出现明显隆起或径向裂缝持续发展 2 本级荷载的沉降量急剧增大 大于前级荷载沉降量的5倍 p s曲线出现陡降段 3 在某
13、级荷载下24h沉降速率不能达到相对稳定标准 4 总沉降量与承压板直径 或宽度 之比超过0 06 载荷试验 试验终止条件 原始资料整理载荷试验原始资料包括沉降观测 荷载等级和其他与载荷试验相关的信息 如承压板形状 尺寸 载荷点的试验深度 试验深度处的土性特征 以及沉降观测百分表或传感器在承压板上的位置等 一般以图示的方式标注在记录表上 在试验过程中 应对原始记录数据及时检查 试验结束后再进行全面检查整理 载荷试验 浅层平板静力载荷试验的试验资料整理 慢速法的试验资料整理绘制p s曲线p s曲线的修正绘制s lgt曲线和1gp lgs曲线确定比例界限压力 p0 确定极限界限压力 pu 载荷试验 1
14、 图解法适用于开始的一些观测点 p s 基本在一条直线上 将p s曲线上的各点同时沿s 沉降 坐标平移s0 使p s曲线的直线段通过原点 1载荷试验 2 最小二乘法对于已知p s曲线开始一段近似为一直线 即p s曲线具有直线段和拐点 用最小二乘法求出最佳回归直线的方程式 假设p s曲线的直线段可以用下式来表示 s 修正后的沉降数据 载荷试验 对于圆滑型或不规则型的p s曲线 即不具有明显的直线段和拐点 可假设其为抛物线或高阶多项式表示的曲线 通过曲线拟合求得常数项 即so 然后按对原始数据进行修正 慢速法的试验资料整理绘制p s曲线p s曲线的修正绘制s lgt曲线和1gp lgs曲线确定比例
15、界限压力 p0 确定极限界限压力 pu 载荷试验 比例界限压力可用p s曲线或lgp lgs曲线 直线段不明显时 中的第一个拐点确定 载荷试验 慢速法的试验资料整理绘制p s曲线p s曲线的修正绘制s lgt曲线绘制1gp lgs曲线确定比例界限压力 p0 确定极限界限压力 pu 载荷试验 确定极限界限压力的方法有 1 当试验荷载加荷至破坏荷载时 取破坏荷载的前一级荷载为极限界限压力 2 用p s 1gp lgs p s p等曲线的第二个拐点 3 当试验荷载未加荷至破坏荷载时 可用外插作图法确定 载荷试验 载荷试验 快速法的资料整理 1 假设s与ln t 1 为直线关系 即sn n nln t
16、n 1 式中sn 第n级荷载下外推的稳定沉降量 mm tn 第n级荷载下外推的稳定沉降时间 h n n 分别为第n级荷载下s ln t 1 直线的截距与斜率 根据第n级荷载下2h内的s t观测值 按下式计算 n n值 式中si 第n级荷载下第i次沉降观测值中扣除了s0后的沉降量 mm ti 第n级荷载下第i次沉降观测值中扣除了s0后的沉降观测时间 h 载荷试验 2 由下式计算沉降速率达到相对稳定标准的时间tw及沉降量sw 当tw不是30min的倍数时 可将其增大为30min的倍数 sw n nln ti 1 利用上式进行计算时 相对稳定标准为每小时沉降量s小于0 1mm 3 为了使快速法的成果与常规法取得一致 必须从施加第二级荷载开始 从沉降观测值中扣除其以前各级沉降未稳定而产生的残余沉降的影响 残余沉降量的计算公式为 式中 第n级荷载下第i次沉降观测值中应扣除的残余沉降量 mm m 第n级荷载前的荷载级数 m 1 2 n 1 t 沉降观测的时间间隔 min N 每级荷载下的沉降观测次数 n 荷载级数 4 第n级荷载下第i次沉降观测值扣除后为沉降修正值sni sni 载荷试验 浅层平板
