地基静载荷试验(设备、方法及原理分析)

地基静载荷试验试验目的，确定地基的承载力和变性特性，螺旋板载荷试验尚可估算地基土的固结系数。

地基静载荷试验包括平板载荷试验和螺旋板载荷试验。

载荷试验相当于在工程原位进行的缩尺原型试验，即模拟建筑物地基土的受荷条件，比较直观地反映地基土的变形特性。

该法具有直观和可靠性高的特点，在原位测试中占有重要地位，往往成为其他方法的检验标准。

载荷试验的局限性在于费用较高，周期较长和压板的尺寸效应。

试验设备和方法试验设备平板载荷试验因试验土层软硬程度、压板大小和试验面深度等不同，采用的测试设备也很多。

除早期常用的压重加荷台试验装置外，目前国内采用的试验装置，大体可归纳为由承压板、加荷系统、反力系统、观测系统四部分组成，其各部分机能是：加荷系统控制并稳定加荷的大小，通过反力系统反作用于承压板，承压板将荷载均匀传递给地基土，地基土的变形由观测系统测定。

（一）承压板类型和尺寸承压板材质要求承压板可用混凝土、钢筋混凝土、钢板、铸铁板等制成，多以肋板加固的钢板为主。

要求压板具有足够的刚度，不破损、不挠曲，压板底部光平，尺寸和传力重心准确，搬运和安置方便。

承压板形状可加工成正方形或圆形，其中圆形压板受力条件较好，使用最多。

（二）承压板面积我国勘察规范规寇一般宜采用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。

但各国和国内各部门采用的承压板面积不尽相同，如日本常用方形900cm2，苏联常用0.5m2，我国铁道部第一设计院则根据自己的经验，按如下原则选取：（1）碎石类土：压板直径宜大于碎、卵石最大粒径的10倍；（2）岩石地基：压板面积1000cm2；（3）细颗粒土：压板面积1000~5000cm2，（4）视试验的均质士层厚度和加荷系统的能力、反力系统的抗力等确定之，以确保载荷试验能得出极限荷载。

（三）加荷系统加荷系统是指通过承压板对地基施加荷载的装置，大体有：（1）压重加荷装置一般将规则方正或条形的钢绽、钢轨、混凝土件等重物，依次对称置放在加荷台上，逐级加荷，此类装置费时费力且控制困难，已很少采用。

（2）千斤顶加荷装置根据试验要求，采用不同规格的手动液压千斤顶加荷，并配备不同量程的压力表或测力计控制加荷值。

（四）反力系统一般反力系统由主梁、平台、堆载体（锚桩）等构成。

（五）量测系统量测系统包括基准梁，位移计，磁性表座，油压表（测力环）。

机械类位移计可采用百分表，其最小刻度0.01mm，量程一般为5~30mm，为常用仪表。

电子类位移计一般具有量程大、无人为读数误差等特点，可以实现自动记录和绘图。

油压表一般为机械式，人工测读。

测试用的仪表均需定期标定，一般一年标定一次或维修后标定，标定工作原则上送具有相应资质的计量局或专业厂进行。

设备的现场布置当场地尚未开挖基坑时，需在研究的土层上挖试坑，坑底标高与基底设计标高相同。

如在基底压缩层范围内有若干不同性质的土层，则对每一土层均应挖一试坑，坑底达到土层顶面，在坑底置放刚性压板。

试坑宽度不小于压板宽度的三倍。

设备的具体布置方式有如下两种：1.堆载平台方式：堆载2.锚桩反力梁方式。

………设备安装时应确保荷载板与地基表面接触良好且反力系统和加荷系统的共同作用力与承压板中心在一条垂线上。

当对试验的要求较高时，可在加荷系统与反力系统之间，安设一套传力支座装置，它是借助球面、滚珠等，调节反力系统与加荷系统之间的力系平衡，使荷载始终保持竖直传力状态。

测试方法与数据采集平板载荷试验适用于浅层地基，螺旋板载荷试验适用于深层地基或地下水位以下的地基。

压板形状和尺寸的选择：一般用圆形刚性压板；一般地基0.25~0.5m2，岩石地基根据节理裂隙的密度，圆形，直径300mm（《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002，以下简称《地基规范》），复合地基根据加固体的布置。

试验用的加载设备，最常见的是液压千斤顶加载设备。

位移测试可采用机械式百分表或电测式位移计，测试时将位移计用磁性表座固定在基准梁上。

液压加载设备和位移量测设备要定期标定，以最大可能地消除其系统误差。

试验的加载方式可采用分级维持荷载沉降相对稳定法（慢速法）、沉降非稳定法（快速法）和等沉降速率法，以慢速法为主。

载荷试验较费时费力，在勘测设计阶段，一般是根据工程设计要求，在一条线路或一个工程地质分区内，选择具有代表性的均质地层（厚度大于2倍压板直径）进行试验。

而在施工检验阶段，以下列出《地基规范》对于慢速法加载过程的规定：荷载分级：不少于8级，总加载量不应少于荷载设计值的两倍；稳定标准：当连续两小时内，每小时内沉降增量小于0.1mm时，则认为沉降已趋稳定，可施加下一级荷载。

数据测读：每级加载后，按间隔10、10、10、15、15min，以后每半小时读一次沉降，直至沉降稳定。

加载终止标准：1．承压板周围的土明显的侧向挤出；2．沉降急骤增大，荷载-沉降曲线出现陡降段；3．在某一级荷载的作用下，24h内沉降速率不能达到稳定标准；4．s/b≥0.06（b：承压板宽度或直径）。

卸载：该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。

注意各规范的规定有一些差别。

试验操作过程：（1）正式加荷前，将试验面打扫干净以观测地面变形，将百分表的指针调至接近于最大读数位置；（2）按规定逐级加荷和记录百分表读数，达到沉降稳定标准后再施加下一级荷载，一般在加荷五级或已能定出比例界限点后，注意观测地基土产生塑性变形使压板周围地面出现裂纹和土体侧向挤出的情况，记录并描绘地面裂纹形状（放射状或环状、长短粗细）及出现时间。

（3）试验过程的各级荷载要始终确保稳压，百分表行程接近零值时应在加下一级荷载前调整，并随时注意平台上翘、锚桩拔起、撑板上爬、撑杆倾斜、坑壁变形等不安全因素，及时采取处置措施，必要时可终止试验。

快速法加载：特点是加荷速率快、试验周期短，一般情况下试验过程仅数小时至十多个小时，但其测试成果和适用条件与常规方法略有差异。

快速载荷试验仍是逐级加荷，但前后两级加荷的间隔时间是固定的，一般为10~30min，有规定为60min的。

根据研究结果，在比例界限点以内的弹性变形阶段，快速载荷试验的沉降量s一般偏小，当荷载超过p l后地基土已处于塑性变形阶段，快速载荷试验的沉降量s 一般增幅较快，当荷载接近或超过地基土的极限荷载时，快速与常规两种试验p-s曲线逐渐接近，所定极限荷载值相同或差一个荷载级。

因此，两种试验方法确定的p l、p z和基本承载力⎛0值基本相近，其极差（最大与最小值间）不会超过平均值的30%，符合规范要求。

快速载荷试验主要适用于沉降速率快的地层，如岩石、碎石类土、砂类土等，对毋须作沉降检算的建筑物，结合施工时限也可对粘性土地层采用快速试验。

基本测试原理平板载荷试验（Plate Loading Test ，简称PLT ）是一种最古老的、并被广泛应用的土工原位测试方法。

平板载荷试验是指在板底平整的刚性承压板上加荷，荷载通过承压板传递给地基，以测定天然埋藏条件下地基土的变形特性，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。

平板载荷试验的理论依据，一般是假定地基为弹性半无限体（具有变形模量E 0和泊松比v ），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 计算公式。

半无限空间表面作用局部荷载时的弹性理论解假定地基为各向同性半无限体，在地表荷载作用下，地基中所引起的应力，可用弹性理论求解。

1．竖直集中荷载作用时当竖直集中荷载P 作用在地表面上，在地基中任一点N 所引起的应力已于1885年为布辛纳斯克（Boussinesq ）所解出。

设坐标原点选在着力点上，如采用圆柱坐标，如图1-2所示，则z 轴向下为正，土中任一点N （r ，θ，z ）离原点o 的距离为R ，R 矢径与z 的夹角为β。

可以看出，这是一个轴对称问题，只要z 和r 不变，在任何θ位置上之一点的应力状态都应是相等的。

布辛纳斯克的解答为：k zP R P z ⋅==232cos 23βπσ （1-1） k 为地基应力系数，无量纲，可直接计算或查表。

类似的可以写出其它应力分量。

通过物理方程转换后可得到应变表达式，对整个地基积分后得到地基表面的变形分布。

当地基表面作用有局部分布荷载时，可对上式改写后进行积分求解。

2．刚性压板下的地基反力分布考虑圆形刚性压板，在中心荷载的作用下，压板的沉降将是均匀的，压板下的地基反力的分布必然对称于竖直中心轴。

这是一个轴对称问题。

因为地基中的位移分布复杂且未知，难于用函数表达，可用拟合法求解，也就是假设一个地基反力分布，该应力分布的合力的大小与作用的荷载相同，运用上述过程求解压板的沉降，然后根据计算结果对地基反力分布进行修正，再进行新一轮试算，直到计算的压板沉降接近于均匀时为止。

计算所得的压板下的应力分布形式如下图所示。

图1-2 竖直集中荷载作用下的计算图式 图1-3 压板沉降与压板下的应力分布xy压板的沉降可以图示为图1-3。

理论表达式为：222)/(122)(R x p x R R Px -=-=ππσ （1-2）式中，各符号的含义如上图。

方形刚性压板下的应力分布还要复杂一些，但其形状与此类似。

3．刚性压板的平均沉降与荷载的关系上述计算过程除了能获得压板下的应力分布以外，还可以得到压板下的平均沉降。

从总体来看，该问题可以归结为一个非线性数学规划问题。

在土力学教材中已经列出了刚性压板的沉降与压板下平均应力之间的关系式。

圆形刚性压板（D 为直径）： pD E s 0214νπ-=方形刚性压板（B 为边长）： pB E s 0212νπ-= 上述式中的ν为泊松比，E 0为地基土的变形模量。

上列公式说明，当地基的特性确定时，压板的沉降与荷载集度及板的宽度成正比。

根据上列公式，可以根据载荷试验确定地基土的变形模量，式中的泊松比根据经验或手册的建议值确定。

上述结果所依据的是弹性理论，而实际上土体并不是理想弹性体，所以实际的地基反力分布并不完全如此。

荷载板的刚度效应压板的刚度会对地基反力的分布产生显著的影响。

当压板的刚度有限时，在中心荷载的作用下，基底压力视压板刚度而又不同的分布特征。

但实际上，根据圣文南原理，当一个力系作用于弹性介质上，如其总量保持不变而仅只分布形式发生变化，那么受影响的部位仅局限于力系作用点的附近。

所以，压板刚度对地基变形的影响是有限的，但压板刚度对位移测试结果的影响是显而易见的。

故荷载板必须有足够的刚度。

影响深度鉴于加荷能力和刚性压板的假设，压板的尺寸一般较小，其影响深度也是有限的。

一般认为，平板载荷试验只能反映2倍压板宽度的深度以内的土性。

所以，压板试验的压板尺寸也不宜过小。

特别是当场地内含有软弱下卧层时。

荷载板的尺寸效应由于载荷试验具有缩尺模型和反映土的变形特性的直观特点，国内外多将平板载荷试验作为确定地基承载力的基本方法，《地基规范》规定：对破坏后果很严重的如高层建筑等一级建筑物，应结合当地经验采用载荷试验、理论公式计算及其它原位试验等方法综合确定；以静力触探、旁压仪及其它原位试验确定地基承载力时，应与载荷试验进行对比后确定。