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2 cm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1.0 m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--2 cm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1 m。

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1 h内，按间隔10 rain、10 min、10 min、15min、15 min观测，以后每0.5 h测读1次；当1 h的沉降量小于0.10 mm，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，24 h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
2.1 P--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。

2.2 P--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350 kPa，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390 kPa。

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)=473kPa>350kPa
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500 kPa，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)=600kPa>500kPa
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。