载荷板试验原理及实用要点

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1、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（B500212001）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

2、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 1 P-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

3、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，

4、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 1020 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 (GB 5000

5、72011) 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 24。 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

6、 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

7、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 1012 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 5，5，10，10，15，15mi

8、n 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

9、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

10、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 1012 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

11、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，

12、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

13、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+C p b）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

14、据 C，p 值按 S=C p 计 算；对于比例界限以后各点，则按 s=ss0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：t

15、n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；n为第 n 级荷载下，s-lnt 关 系曲线的截距，cm；n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；t 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，