浅谈平板载荷试验测定方法

浅谈平板载荷试验测定方法

梁玉彪

梁玉彪

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摘要：浅层平板载荷试验在浅层地基层的土基检测中应用非常广泛，且同时具有直观、直接、准确的特点，然而实际工程检测中，不乏一些影响试验成果精准的因素存在，需要我们在实践中高度重视。文中笔者结合以往实践经验总结了若干常见的影响因素，进行分析探讨，以便浅层平板载荷试验能在日后工作中发挥更重要的作用。

关键词：载荷试验；影响因素；地基承载力；方法

前言：平板载荷试验是在一定尺寸平板上进行通过施加一定的荷载，来观察各级荷载作用下所反应的沉降，并根据荷载—沉降之间的关系曲线来确定地基的允许承载力，计算土的变形模量，研究土的压力与变形特征的原位测试方法，被广泛的应用在处理后地基和检验天然地基的承载力上，具有直观、直接、准确的特点，但同时由于其受承压板尺寸的原因、人为原因、场地限制等影响，导致其适应性受到了限制。在实际工程的检测当中，有些试验分析结果出现了错误，有些所选取的承压板不合规格等。

1.复合地基概述

1．1概念及分类

复合地基是在天然地基中设置一定比例的增强体，由原地基土和增强体共同承担上部结构荷载的一种人工地基。根据天然地基中增强体设置方向的不同，复合地基分为水平向增强体复合地基和竖向增强体复合地基(即桩体复合地基)两大类，我们通常所说的复合地基多指竖向增强体复合地基。根据桩体材料的不同，竖向增强体复合地基又可分为散体材料桩(如砂桩、碎石桩等)复合地基和胶结材料桩(水泥土桩、旋喷桩、CFG桩等)复合地基;根据桩身强度的不同，竖向增强体复合地基又可分为柔性桩复合地基、半刚性桩复合地基、刚性桩复合地基。

1．2复合地基形成条件

（1）增强体与原地基土是否能够形成“复合地基”，关键在于两者能够协调变形、共同承载。中竖向增强体未穿透软土，在上部荷载作用下，其竖向增强体若为柔性桩，则桩体将发生鼓胀使得桩间土与桩体始终能够保持共同承载，可形成复合地基;其竖向增强体若为刚性桩，由于桩体未贯穿软土，桩身与桩间土协调变形，亦可形成复合地基。

（2）中竖向增强体穿透软土，在上部荷载作用下，其竖向增强体若为柔性桩则发生鼓胀，同样可与软土形成复合地基;其竖向增强体若为刚性桩，则桩体与桩间土仅在受载初期可共同承载，但随着土体固结和蠕变的发生，土体所承担的荷载将逐渐减小，最终全部由桩体承载，将不能形成复合地基。

（3）中竖向增强体穿透软土且在竖向增强体顶部设置柔性垫层，此种情况在荷载作用下，若桩体为柔性桩，则桩土变形协调、共同承载，可形成复合地基;若桩体为刚性桩，由于垫层可调整桩土应力分配，能够较好地发挥桩间土的承载力，故也可以形成复合地基。

（4）中竖向增强体穿透软土且未在竖向增强体顶部设置柔性垫层，此种情况在荷载作用下，若桩体为柔性桩，则桩土变形协调、共同承载，可形成复合地基;若桩体为刚性桩，由于地基土及桩体中的应力大致按刚度进行分配，则需考虑桩间土、桩体及下卧较好土层三者之间的模量关系，桩土是否能够共同承载，最终决定其是否能形成复合地基。

1.3天然地基区别

天然地基：自然状态下即可满足承担基础全部荷载要求，不需要人工处理的地基。

天然地基土分为四大类：岩石、碎石土、砂土、粘性土。

地基是指建筑物下面支承基础的土体或岩体。作为建筑地基的土层分为岩石、碎石土、砂土、粉土、黏性土和人工填土。地基有天然地基和人工地基两类。天然地基是不需要人加固的天然土层。人工地基需要人加固处理，常见有石屑垫层、砂垫层、混合灰土回填再夯实等。

2平板载荷试验全过程

2.1基本原理

平板荷载试验测定的指标能直接与变形特性相联系；荷载量大，影响范围广，可反映一定范围内压实填土的整体情况；对土不产生扰动，不破坏土体结构；尤其对于不能用小件试样试验的各类填土、含碎石的土等，荷载试验对确定压力与沉降的关系更显示了优越性。根据每级荷载强度下测得的承压板的稳定沉降量，即可得出荷载强度的沉降关系曲线（σ-s曲线），按其所反映的应力状态可以分为三个阶段：直线变形阶段、剪切变形阶段、破坏阶段。试验研究表明，k30平板荷载试验所得到的荷载强度σ与相应的土体沉降s的关系曲线（即σ-s曲线）直接反映土体所处的应力状态。

3.2仪器设备

k30平板载荷试验的设备主要由荷载板（直径为30cm）、加荷系统、反力系统、沉降观测系统等部件组成。世界上多数国家都制定了相应的平板荷载试验规程，日本平板荷载试验规程用30，40，75cm三种规格尺寸的圆形荷载板；德国平板荷载试验规程30，50，76.2cm三种规格尺寸的圆形荷载板。加荷装置包括压力源（千斤顶）、载荷台架、反力构架等。加荷方式为油压千斤顶反力加荷。反力系统得功能是提供加载所需的反力。最常见的反力系统有两种：一是采用地锚反力梁（桁架）构成；二是采用堆重平台构成。观测系统一般分为两部分，一是压力观测系统；二是沉降观测系统。

2.3试验方法

（1）加荷方式

通过加荷系统，将千斤顶施加的荷载传递至承压板，对地基施加竖向静压力，加荷等级宜取10～12级，并不少于8级。根据加荷方式的不同，一般分为慢速法、快速法和等沉降速率法三种：

①慢速法。其每级加荷量按预估极限荷载的1/8～1/12或为临塑荷载的1/4～1/5施加。每级加荷后，先按3个10min、2个15min的间隔测读沉降量，以后每30min测读一次，直到在连续2h时内每1h的沉降量不超过0.1mm或连续1h内每30min沉降量不超过0.05mm，则认为已趋稳定，可加下一级荷载。

②快速法。即分级加荷沉降非稳定法，其加荷方式与慢速法一致，但沉降观测时间不同。每级加荷后按间隔15min观测沉降量，维持荷载2h后再施加下一级荷载。

③等沉降速率法。是在每一级荷载作用下，以一定的沉降速率作为加荷条件，直到试验结束。

常规载荷试验采用慢速法；有地区经验时，可采用快速法或等沉降速率法，以加快试验周期，但其结果只反映不排水条件的变形特性，不反映排水条件的固结变形特性。

（2）试验终止条件

当出现下列情况之一时，则认为已达破坏阶段，可终止试验：

①板周围出现隆起或破坏性裂缝。

②沉降量急剧增大，本级沉降量超过前级沉降量5倍。

③在荷载不变的情况下，24h内沉降速率几乎不变或加速发展。

④相对沉降量（s/d）超过0.06。有时还表现为荷载加不上去，或加上去后很快降下来。

对于前三种情况，其上一级荷载作为极限荷载。当板周围地基土出现明显侧向挤出隆起或裂缝时，是受荷地层发生了整体剪切破坏，这属于强度破坏极限状态；等速沉降或加速沉降时，是板下产生塑性破坏或刺入破坏，这是变形破坏极限状态；过大的沉降（超过承压板直径或宽度的0.06倍）量，是属于超过限制变形的正常使用极限状态。

载荷试验一般应做到破坏，当试验目的为验证地基承载力时，可只加荷到设计值的两倍；当加荷已达加荷系统的最大能力时，则只能终止试验，但应分析是否已达到试验目的。

2.4试验要点

（1）地基系数k30试验时，对测试面进行平整，将承压板放置于测试地面上，使承压板与地面完全接触，将反力装置承载部分安置在于承压板上方，并加以制动。

（2）承压板外侧边缘与反力装置支撑点之间的距离不得小于75cm。将千斤顶安放在承压板的中心位置，使千斤顶保持垂直，用加长杆和调节丝杆使千斤顶顶端球铰座与反力装置承载部分紧贴。

（3）安置测桥，将沉降量测装置的触点自由地放入承载板上测量孔的中心位置，沉降量测表必须与测试面垂直。

（4）对荷载板沉降的量测，通常采用三只百分表按120°圆心角等中心距设置，以量测荷载板平面法线方向位移，一般控制表的最高、最低读数不得超出一倍。

（5）加载时，以0.04MPa的增量逐级加载；每增加一级荷载，当1min的下沉量不大于该级荷载产生的下沉量的1%时，读取荷载强度和下沉量读数，然后增加下一级荷载。

（6）地基系数k30试验结果计算：根据每级试验数据绘出荷载与下沉量关系曲线（σ-S曲线）从荷载与下沉量关系曲线上找出下沉量基准时对应的荷载强度，并计算地基系数k30值。

3.平板载荷试验影响因素分析

3.1反力装置的副作用

在实际工程中，地基静载荷试验根据试验的反力装置不同可分为堆载法、地锚法或联合法(堆载与地锚相结合)。试验过程中为了模拟建筑实体施加于地基上的载荷，而预先采取重物堆载或是打设地锚的方法为其提供加载过程中所需荷载；虽然承压板下地基土与建筑实体基础下地基的受力过程等同，但是在实际建筑外围环境中并不存在为其提供荷载的任何类似装置；由于反力装置与承压板通过地基土传递了二者之间的相互作用，所以无论采用何种反力装置，均会对试验结果造成影响。

（1）堆载的副作用虽然堆载法笨重，劳动强度大且加荷不便，但是由于其荷载稳定，所以在大型工程中常釆用堆载法。对堆载法平板载荷试验而言，试验加载前，由于堆载平台的存在，上部堆载荷重将通过堆载平台传至地基土，致使周围土体产生压缩变形；试验加载过程中，承压板下地基土处于加荷状态，而堆载平台下地基土则处于卸荷状态；在试验卸载阶段，承压板下地基土为卸荷状态，相反堆载平台下地基土则为加载(或称再压缩)状态。地基土体作为媒介，传递着试验过程中二者之间的相互作用，堆载对地基土的影响如图1所示。

图1堆载对地基土的影响

（2）地锚的副作用

较堆载法而言，地锚法提供反力加载方便，劳动强度相对较小。采用地锚法进行地基静载荷试验，试验加载前，地锚对周围土体的影响较小；试验加载过程中，承压板下地基土受垂直向下的荷载作用，地锚周围的地基土则受垂直向上的荷载作用；试验进入卸载阶段时，承压板下地基土随着卸荷的进行处于回弹状态，地锚周围的土体也随着地锚上拔力的逐级减小而处于回落状态。地锚所受向下的拉力通过千斤顶转换为施加在承压板上向下的荷载，二者之间的相互作用通过地基土体传递，地锚对地基土的影响如图2所示。

图2地锚对地基土的影响

3.2基准点相对位移的影响

（1）地锚法基准点相对位移的影响

若釆用地锚提供反力，在地锚的作用下，“基准梁的支撑柱或其他类型的支点应离承压板和地锚一定的距离，以避免在试验过程中地表变形对基准梁的影响。与承压板中心的距离应大于1.5^/(d为边长或直径)，与地销的距离应不小于0.8m。”试验加载阶段基准梁的支撑柱或其他类型的支点(即基准点)的位移是向上的；在承压板作用下其位移是向下的。基准点离承压板及地锚的距离愈小，受二者的影响就愈大；但基准点在其共同作用下的最终位移又取决于基准点所在的具体位置，当地锚的影响大时基准点的最终位移向上，使得架在基准梁上的百分表所测结果较真实情况偏大，反之地锚的影响小于承压板时基准点的最终位移向下，百分表所测结果较真实情况偏小。所以，合理的安排地锚、承压板及基准点三者之间的距离，可以有利的减小基准点相对位移对试验精度的影响。

（2）堆载法基准点相对位移的影响当采用堆载提供反力时，考虑堆载对基准梁支点的影晌。如图3所示，根据弹性理论，在半无限直线变形体表面作用均布矩形荷载时，由布辛奈斯克解得矩形角点处沉降为：

图3计算基准点位移示意图

结束语

地基静载荷试验是获得地基承载力特征值最可靠的方法，但是在试验过程中仍存在一些干扰因素会影响静载荷试验结果的准确性，为保证建筑物的安全获得真实的地基承载力特征值变得尤为重要。在确定地基承载力时，可结合现场岩土钻探、室内试验资料，并借鉴附近已有建筑设计和施工经验，综合确定拟建场地的地基承载力，以更好地保证地基满足变形和稳定要求。

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