05静力荷载试验

第五讲岩土体的静力荷载试验岩土工程测试原理及技术讲义5.1.1静力载荷试验概念静力载荷试验是一种古老的、并被广泛使用的土工原位测试方法，其主要目的是测定天然埋藏条件下地基土的变形特征，评定地基土的承载力、计算地基土的变形模量并预估实体基础的沉降量。《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)第10.2条：“荷载试验可用于测定承压板下主要影响范围内岩土的承载力和变形模量”。静力载荷试验包括平板载荷试验和螺旋板载荷试验两种方法。《勘规》10.2.1条指出，浅层平板载荷试验适用于浅层地基土；深层平板载荷试验适用于深层地基土和大直径桩的桩端土；螺旋板载荷试验适用于深层地基土或地下水位以下的地基土。§5.1静力荷载试验概念5.1.1静力载荷试验概念深层荷载试验与浅层荷载试验的区别，在于试验的土是否存在边载，荷载作用于半无限体的表面还是内部。《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)第10.2条：“荷载试验可用于测定承压板下主要影响范围内岩土的承载力和变形模量”。静力载荷试验包括平板载荷试验和螺旋板载荷试验两种方法。《勘规》10.2.1条指出，浅层平板载荷试验适用于浅层地基土；螺旋板载荷试验适用于深层地基土或地下水位以下的地基土。§5.1静力荷载试验概念平板载荷试验，是在拟建建筑场地开挖至预计基础埋置深度的整平坑底放置一定面积的方形(或圆形)承压板，在其上逐级施加荷载，测定各相应荷载作用下的地基沉降量，并得到荷载-沉降关系曲线(p-s曲线)。然后根据p-s曲线来确定地基土的承载力，并计算地基土的弹性模量。平板载荷试验的理论依据，是假定地基为弹性半无限体(具有变形模量E0和泊松比μ)，按弹性力学的方法导出表面局部荷载作用下地基土的沉降量s的计算公式。平板载荷试验的关键，是正确与合理地确定比例界限荷载和极限荷载。§5.2平板荷载试验5.2.1平板载荷试验原理5.2.1平板载荷试验原理平板载荷试验求得的地基土承载力特征值和变形模量综合反映了承压板下1.5~2.0倍承压板宽度(或直径)范围内地基土的强度和变形值。平板载荷试验得到的典型荷载-沉降关系曲线，即(p-s曲线)见右下图。从图中可以看出，曲线可以划分为三个阶段。第一阶段：从p-s曲线的原点到比例界限荷载p0，p-s曲线呈直线关系。这一阶段受荷土体中任意点处的剪应力小于土的抗剪强度，土体变形主要由于土体压密引起，土粒主要是竖向变位，此阶段为压密阶段。§5.2平板荷载试验5.2.1平板载荷试验原理平板载荷试验得到的p-s曲线的第一阶段，此时。土体局部和整体均保持完好，处于弹性阶段。第二阶段：从p-s曲线的比例界限荷载p0到极限荷载pu，p-s曲线呈曲线关系。曲线斜率△s/△p随压力p的增加而增大。这一阶段除土的压密外，在承压板周围的小范围土体中，剪应力已达到或超过了土的抗剪强度，土体局部发生剪切破坏，土体兼有竖向和水平向变位，此阶段为局部剪切破坏阶段。平板载荷试验得到的p-s曲线的第二阶段，此时。土体局部已经发生剪切破坏，但整体基本保持完好。§5.2平板荷载试验5.2.1平板载荷试验原理第三阶段：荷载为p-s曲线的极限荷载pu以后，此阶段即使荷载不增加，承压板仍不断下沉，同时土中形成连续的剪切破坏滑动面，发生隆起及环状或放射状裂缝，此时滑动土体中各点的剪应力已达到或超过了土体的抗剪强度，土体整体发生剪切破坏，土体变形主要由土粒剪切引起的侧向变位，此阶段为整体破坏阶段。平板载荷试验得到的p-s曲线的第三阶段，此时。土体整体已经发生剪切破坏，丧失承载力。§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备平板载荷试验的试验设备，大体可归纳为由加荷稳压系统、反力系统和量测系统三部分组成。1.加荷稳压系统：包括承压板、加荷千斤顶、稳压器、油泵，油管等部件组成。2.反力系统：有堆载式、锚固式和撑壁式等形式(见下页图)。3.量测系统：包括基准梁、位移计、磁性表座、油压表(测力环)、百分表等。采用测力环或电测压力传感器量测荷载，并用压力表校核；用百分表或位移传感器量测承压板的沉降量。§5.2平板荷载试验§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备下面是常见的浅层平板载荷试验的设备结构。§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备一.堆载式：§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备二.锚固式(锚桩)：§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备三.锚固式(地锚)：§5.2平板荷载试验5.2.2静力载荷试验设备5.2.3承压板要求承压板面积不应小于0.25m2，对于软土不应小于0.5m2。岩石载荷试验承压板面积不宜小于0.07m2。一般承压板面积宜采用0.25~0.50m2，对均质密实的土，可采用0.1m2，对软土和人工填土，不应小于0.5m2。采用单桩复合地基试验方式时，压板面积为一根桩承担的处理面积。采用多桩复合地基试验方式时，压板面积为相应多根桩承担的处理面积。平板载荷试验适用于浅层地基、深层地基或大直径人工挖孔桩的桩端土层测试。§5.2平板荷载试验《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)10.2.3条：“浅层平板载荷试验的试坑宽度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；”。浅层平板载荷试验应消除基坑周围土体的超载影响；深层平板载荷试验则需要考虑基坑周围土体的超载影响，因此《堪规》规定深层平板载荷试验的试验深度不应小于5m。深层荷载试验与浅层荷载试验的区别，在于试验的土是否存在边载，荷载作用于半无限体的表面还是内部。§5.2平板荷载试验5.2.4试验要求浅层平板载荷试验应布置在基础底面标高处。载荷试验应布置在有代表性的地点，每个场地不宜少于3个。试坑或试井底的岩土应避免扰动，保持试验土层的原状结构和天然湿度。承压板与土层接触处，一般应铺设不超过2mm的粗、中砂找平，以保证承压板水平并与土层均匀接触。当试验土层为软塑、流塑状态的粘性土或饱和的松砂，承压板周围应预留20~30mm厚的原土作保护层。§5.2平板荷载试验5.2.4试验要求《岩土工程勘察规范》(GB-50021-2001)10.2.3条：“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，可采用分级加荷沉降非稳定法(快速法)或等沉降速率法；加荷等级宜取10~12级，并不应少于8级，荷载量测精度不应低于最大荷载的±1%”。载荷试验的加荷方式应以慢速法为主。§5.2平板荷载试验5.2.5试验加荷方式试验加荷分级：加荷等级不应少于8级，可参照下表选用。最大加载量不应小于设计要求的两倍。§5.2平板荷载试验5.2.5试验加荷标准试验土层特征每级荷载增量(kPa)淤泥，流塑粘性土，松散砂土＜15软塑粘性土，粉土，稍密砂土15~25可塑-硬塑粘性土，粉土，中密砂土25~50坚硬粘性土，粉土，密实砂50~100碎石土，软岩石，风化岩石100~200每级荷载增量参考值每级加载后，按照间隔5、5、10、10、10、15、15min读取沉降，以后改为每隔半小时测读一次沉降量。§5.2平板荷载试验5.2.6沉降稳定标准一.沉降量测二.稳定标准连续两小时，每小时的沉降量小于或等于0.1mm时，则认为本级荷载下沉降已趋于稳定，可加下一级荷载。当试验中出现下列情况之一时，可认为土体整体已经发生剪切破坏，丧失承载力，此时即可终止加载：1.承压板周围的土明显地侧向挤出；2.沉降s急骤增大，荷载-沉降(p-s)曲线出现陡降段；3.在某一级荷载的作用下，24小时内沉降速率不能达到稳定标准；4.沉降量与承压板宽度或直径之比(s/b)大于或等于0.06。§5.2平板荷载试验5.2.6沉降稳定标准三.加载终止标准规范没有对卸载过程做出规定，但完整的试验应包含卸载过程，如下图为一完整的(p-s曲线)。§5.2平板荷载试验5.2.6沉降稳定标准四.卸载7060504030201000100200300400500CBA荷载(kPa)位移S(mm)载荷试验结束后，应及时对原始记录资料进行全面整理和检查，求得各级荷载作用下的稳定沉降值和沉降值随时间的变化，如下图。再由其原始资料绘制p-s曲线。必要时还可绘制其他辅助判断曲线，如lgp-lgs关系曲线、lgt-lgs关系曲线等。还可绘制各级荷载作用下的沉降和时间之间的关系曲线以及地面变形曲线。p-s曲线可见下页图。§5.2平板荷载试验5.2.7试验成果的整理一.原始数据整理及绘图§5.2平板荷载试验5.2.7试验成果的整理如果存在承压板与土之间不够密合、地基土的前期固结压力、开挖试坑引起地基土的回弹变形等影响因素，会导致绘出的p-s曲线的初始直线段不通过坐标原点。因此，在利用p-s曲线推求地基土的承载力及变形模量前，需要对试验得到的沉降观测值进行修改，以使p-s曲线的初始直线段通过坐标原点。可按直线段的趋势确定曲线的起始点，以便对p-s曲线进行修正。p-s曲线观测值的修正，可按下式进行，修正过程见下页图。§5.2平板荷载试验5.2.7试验成果的整理二.沉降观测值的修正Cpss0§5.2平板荷载试验5.2.7试验成果的整理确定地基承载力特征值(fak)有两个方法：1.强度控制：如前所述，p-s曲线上有明显的直线段和曲线段，对应着就有比例界限荷载p0和极限荷载pu。直线段变成曲线段时的拐点，对应的就是比例界限荷载p0；而当荷载达到加载终止标准而终止加载时，对应的就是极限荷载pu。§5.2平板荷载试验5.2.8试验成果的应用一.确定地基承载力特征值(fak)(1)应根据p-s曲线上的拐点比例界限荷载p0来确定地基承载力特征值(fak)。取该比例界限荷载p0所对应的荷载值作为地基承载力特征值(fak)，即：(2)当极限荷载pu小于比例界限荷载p0的荷载值的2倍时，取地基承载力特征值(fak)为极限荷载的一半。即取上面二者最小值。§5.2平板荷载试验5.2.8试验成果的应用0pfak2/uakpf2.相对沉降量控制：当p-s曲线无明显拐点，曲线形状呈缓变曲线时，即p-s曲线上难以确定其比例界限荷载p0和极限荷载pu时，不能按前面的强度要求来确定地基承载力特征值(fak)，此时可以用相对沉降s/b来控制。当承压板面积为0.25~0.5m2时，取对应于某一相对沉降值(s/b=0.01~0.015)时的荷载值，作为地基承载力特征值(fak)。§5.2平板荷载试验5.2.8试验成果的应用地基土的变形模量(E0)，应根据p-s曲线的初始直线段，按均质各向同性半无限弹性介质的弹性理论计算。浅层平板载荷试验的变形模量E0(MPa),可按下式计算：深层平板载荷试验和螺旋板载荷试验的变形模量E0(MPa),可按下式计算：§5.2平板荷载试验5.2.8试验成果的应用二.确定地基土的变形模量(E0)spdIE2001spdE0地基土的基床基准系数(Kv)，可根据承压板边长为30cm的平板载荷试验按下式计算：§5.2平板荷载试验5.2.8试验成果的应用三.基床基准系数(Kv)spKv5.2.9案例分析案例分析题：在某砂层中作浅层平板载荷试验，承压板面积为0.5m2(方形)，各级荷载和对应的沉降量见下表。试求：(1)砂土的承载力特征值；(2)土层变形模量。§5.2平板荷载试验答案：(1)绘制p-s