浅谈平板载荷试验测定地基承载力方法

浅谈平板载荷试验测定地基承载力方法引言在岩土工程勘察中,原位测试是十分重要的手段,在探测地层分布,测定岩土特性,确定地基承载力方面,有突出的优点,原位测试结果的应用,应以地区经验的积累为依据。一般认为,现场平板载荷试验是取得基础土壤工程力学特性的最好、最直接的方法。国内外工程设计人员在此方面已作了大量的试验研究工作，如美国的卡尔·太沙基、俄罗斯的普列斯·崔托维奇、中国的原冶金部等都对静力载荷试验作了大量研究，后者还制定了试验规程。但由于各地地质情况不同，结构物的类型、尺寸不同，故所用承压板的大小不同，试验结果也就不尽相同。1平板载荷试验平板载荷试验是模拟建筑物基础地基土受荷条件的一种测试方法。在保持地基土的天然状态下，在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，并观测每级荷载下地基土的变形特性。测试所反映的是承压板以下大约1.5～2倍承压板宽深度内土层的应力--应变关系，比较直观地反映地基土的变形特性。用以评定地基土的承载力，计算地基土的变形模量并预估建筑基础的沉降量。1．1试验准备平板载荷试验通常在试坑中进行。试坑底的宽度应不小于承压板宽度(或直径)的3倍，以消除侧向土自重引起的超载影响。为了保持测试时地基土的天然湿度与原状结构，在坑底顶留20--30cm厚的原土层，试验前再挖去，并在坑底铺设2cm厚的砂垫层，放入载荷板。1．2试验设备(1)承压板承压板要有足够的刚度，一般为特制厚钢板。在加荷过程中要求承压板变形小，而且中心和边缘不能产生弯曲和翘起。承压板为板厚2cm、边长1.0m的方形钢板。(2)加荷装置加荷装置包括油压千斤顶、荷重传感器、载荷平台。加荷方式为堆载法。堆载法是在载荷平台(如钢梁)上放置预制混凝土块（0.8m×1.0m×2.0m）；此法笨重，劳动强度大，加荷不便，其优点是荷载稳定。采用油压千斤顶加压，必须注意以下问题：①千斤顶及衬垫物必须保持垂直，以免加压时千斤顶倾倒发生事故并影响测试数据的准确性。②用千斤顶加荷时，启动杠杆要轻抬慢压，以免对地基造成脉冲荷载，增大沉降量。③接近仪表最大行程时，一般在该级荷载沉降达到稳定标准后，施加下一级荷载前将仪表调至0并记录。④随时注意钢梁有无顶起、倾斜等不安全因素，否则需及时采取措施，必要时可终止试验以策安全。(3)沉降观测装置沉降观测仪表为百分表。1．3设备安装(1)承压板承压板底高程与基础底面设计高程应相同，承压板下铺设1--2cm厚中粗砂找平，保证承压板与试验面平整均匀接触。(2)千斤顶安装千斤顶、载荷平台或反力构架时，其中心应与承压板中心一致。(3)沉降观测装置百分表由磁力表座固定在基准梁上，基准梁两端由基准桩固定，基准桩距荷载板边大于1m。其支架固定点设在不受变形影响的位置上，沉降观测点应对称放置。1．4试验方法试验采用慢速维持荷载法。由载荷平台及预制混凝土块组成反力系统。通过反力系统，由液压油泵及千斤顶施加荷载至承压板，对地基施加竖向压力。荷载逐级加在桩顶上，放置在千斤顶上的荷重传感器时刻显示承压板所受荷载大小。地基产生变形沉降时，通过放置在承压板上对称分布的百分表，随时记录各级荷载作用下地基的沉降量。(1)荷载分级加荷等级不小于8级，第一级为2倍的加荷量，以后逐级加荷，总加荷量不小于设计要求的2倍。(2)变形观测每加一级荷载的前后，各测读承压板沉降量1次。加荷后的第1h内，按间隔10rain、10min、10min、15min、15min观测，以后每0.5h测读1次；当1h的沉降量小于0.10mm，达到相对稳定标准时，即可加下一级荷载。(3)终止加载条件当出现下列现象之一时，即可终止加载：①载荷板周围的土被挤出隆起或出现明显的裂缝。②沉降急剧增大，荷载一沉降(P—S)曲线出现陡降段。③在某级荷载作用下，24h沉降速率不能达到稳定标准。④达不到极限荷载，但最大加载已大于地基承载力设计值的2倍。⑤总沉降量大于等于承压板宽度(或直径)的0．06。2平板载荷试验成果的应用2.1P--S关系曲线修正首先，应对载荷测试的原始数据进行检查和校对，整理出荷载与沉降量汇总表，绘制荷载P与沉降量s的关系曲线。在载荷试验中，由于各种因素的影响，会使P--S曲线偏离坐标原点。这时，应对P--S关系曲线加以校正，也就是校正沉降量观测值。2.2P--S关系曲线分析及承载力特征值的确定地基受压破坏形式通常为整体剪切破坏，P--S曲线具有两个明显特征点。P--S曲线的特征点是决定地基承载力的重要参数，这两个特征点可以把P--S曲线分为3段，分别反映了地基土逐级受压以至破坏的3个变形阶段。直线变形压密阶段：此阶段中土体颗粒主要产生竖向位移，地基土所受压力较小，主要以压密变形或弹性变形为主，变形较小，处于稳定状态，P—S关系接近线性关系。直线段端点所对应的压力即为比例界限，可作为地基土的承载力特征值。局部剪切变形或塑性变形阶段：此阶段中土体颗粒有侧向位移。当压力继续增大超过比例界限时，在承压板边缘，土体出现剪切破裂或称塑性破坏，实际进入了屈服状态；随着压力继续增大，剪切破裂区不断向纵深发展，此段P—S关系呈曲线形状，曲线末端所对应的压力即为极限界限，可作为地基土极限承载力。当极限荷载值小于比例界限荷载值的2倍时，可取极限荷载值的一半，作为地基土承载力特征值。整体剪切破坏阶段：如果压力继续增加，承压板会急剧下沉。即使压力不再增加，承压板仍会不断急剧下沉，说明地基发生了整体剪切破坏。2.3地基土变形模量计算由载荷试验成果P--S曲线的直线变形段，依据公式(1)，计算地基土的变形模量。E0=ωPb(1-μ2)／S（1）式中E0——地基土变形模量（无侧限）；ω-—与承压板形状有关的参数，方形板取0.886，圆形板取0.785；P——P-S曲线的直线变形段承压板下的单位面积的压力；S——与P对应的沉降量；b——承压板直径或边长／mm；μ—土的泊松比（粘土取0.42，粉质粘土取0.38，粉土取0.35，砂土取0.30，碎石土取0.27）。3工程实例实例1：潍坊建筑节能孵化器主楼21层，长56米，宽18米，单位荷重350kPa，两层地下室，基础埋深±0下8.2米（基底标高28.70m）。该工程在勘察初期，根据潍坊地区经验拟采用桩基础，但在勘察过程中，我们发现第③层灰黄色粉土分布均匀稳定，力学性质较好，强度高，有一定的厚度，且其埋深与基底位置相吻合，于是考虑采用筏板基础方案，又对该层土做了浅层平板载荷试验，取得更准确的地基土承载力。现场载荷试验求得地基土承载力基本值为390kPa。按照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，地基承载力的特征值按下式修正：fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)=390+0.5×18.5×(6-3)+2.0×18.5×(2-0.5)=473kPa350kPa式中：fa—修正的地基承载力特征值；fak—地基承载力特征值；ηb、ηd—基础宽度和埋深的地基承载力修正系数；γ—基础地面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；b—基础地面宽度（m），当宽度小于3m时按3m取值，大于6m时，按6m取值；γm—基础地面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；d（m）—基础埋置深度,考虑周边地下车库取2m。地基土承载力完全满足设计要求。实例2：潍坊瑞都广场7号楼30层，长56.8米，宽16.8米，单位荷重500kPa，一层地下室，基础埋深6.2米。在勘察过程中，我们发现第③层粉砂分布均匀稳定，原位测试标准贯入锤击数较高，力学性质较好，强度高，有一定的厚度，且其埋深与基底位置相吻合，对该层土做了浅层平板载荷试验，取得更准确的地基土承载力。现场载荷试验求得地基土承载力基本值为400-420kPa。按照《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）当基础宽度大于3m或埋置深度大于0.5m时，地基承载力的特征值按下式修正：fa=fak+ηbγ(b-3)+ηdγm(d-0.5)=400+2.0×19.3×(6-3)+3.0×18.7×(2.0-0.5)=600kPa500kPa式中：fa—修正的地基承载力特征值；fak—地基承载力特征值；ηb、ηd—基础宽度和埋深的地基承载力修正系数；γ—基础地面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；b—基础地面宽度（m），当宽度小于3m时按3m取值，大于6m时，按6m取值；γm—基础地面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；d（m）—基础埋置深度,考虑周边地下车库取2.0m。地基土承载力完全满足设计要求。4结束语对于以上两个工程平板载荷试验布置的载荷试验点均为3个，规范要求是不少于3个，试验点数少，增加了试验的随机性和偶然性。目前确定天然地基土承载力的常规方法主要有：①根据土的抗剪强度指标由理论公式计算；②据有关试验数据查表；③平板载荷试验；④借鉴已有建筑的经验。必要时也可综合运用上述几种方法加以确定。在实际应用中，平板静荷载试验具有直观、可靠等优点。对于成分和结构较复杂的土层或非均匀土层。如杂填土、压实填土、风化岩等。其可靠性要高于其它方法。对天然地基采用平板荷载试验，并结合岩土钻探资料并借鉴已有设计和施工经验，来综合确定拟建场地的天然地基承载力，才能更好地保证地基强度具有一定的安全储备和满足上部结构、基础与地基共同作用的变形协调要求。