平板荷载试验研究报告

平板荷载试验研究报告
0引言
任何建筑物的地基基础设计必须满足地基承载力、变形和稳定性的要求。

勘察
提供地基承载力是地基基础设计所需的重要指标，试验技术是勘察地基承载力最直
接、可靠的手段，而平板载荷试验是测定地基承载能力和变形特性的可靠方法。

由
于平板载荷试验相当于基础受荷载时的模型试验，比较直观，它是目前世界各国用
以确定地基承载力的最主要方法，同时，在地基处理效果检验中也被广泛应用[1]。

1国内外研究现状
岩土体是自然界的产物，其形成过程、物质成分以及工程特性是极为复杂的，
并且随受力状态、应力历史、加荷速率和排水条件等的不同而变得更加复杂。

所以，
在进行各类工程项目设计和施工之前，必须对工程项目所在场地的岩土体进行土工
试验和原位测试，以充分了解和掌握岩土体的物理力学性质，从而为场地岩土工程
条件的正确评价提供必要的依据[2]。

平板载荷试验是一种地基土的原位测试方法，是在野外现场用一个刚性承压板
逐级加荷，测定天然地基或复合地基的变形随荷载变化而变化，可用于测定承压板
下应力主要影响范围内岩土的承载力和变形特性[3]。

根据承压板的设置深度及特点，
载荷试验可分为浅层平板载荷试验、深层平板载荷试验。

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埋深大于3m和地下水位以上的地基土。

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[4]。

平板载荷试验在试验中相当于模拟建筑物基础工作条件，所以具有直接、直观和数据可靠的优点，作为一种主要的原位测试手段在土基勘察中得到了广泛的应用，是目前世界各国确定地基承载力及其变形特征的最主要方法[5]。

2平板载荷试验原理及适用条件
2.1 试验原理
平板载荷试验方法: 是在与基础工作条件相似的受荷条件下，对天然埋藏条件
下的地基土，测定加于承压板的压力与沉降的关系。

它实质上是基础的模拟试验,根
据压力与沉降的关系，测定地基土的静力特性，进而评定其承载力[6]。

平板荷载试验是按布西奈斯克弹性力学鲜土体中应力分布计算公式，结合土的材料常数建立半无限体表面作用集中荷载，地基土沉降量计算公式，根据前苏联学者什塔耶尔1949年推导的刚性承压板下计算沉降量理论公式
方形刚性压板（B 为边长）：
（1）
圆形刚性压板（D 为直径）：
（2） 2.2 适用条件 国内外都将平板荷载试验作为确定地基承载力的基本方法。

我国的《建筑地基基础设计规范》[7]（GB50007—2011）规定：对破碎、极破碎的岩石地基承载力特征值，可根据平板载荷试验确定。

平板荷载试验一般只能确定深度为两倍承压板宽度范围内的土的特征值[8]。

（1）基础底面下土层的荷载试验
当基础尺寸和埋深都在一般浅基础范围内时，可直接采用与基础条件相同的承压板，在基础底面直接进行平板荷载试验，以确定地基的承载力和变形模量，进一步估算地基沉降量。

（2）埋深为零的均质土层上的荷载试验
平板荷载试验的试坑宽度应大于承压板宽度或直径的三倍，承压板下均质土层厚度应大于承压板宽度或直径的两倍，这样确定的地基承载力和变形模量才有可靠性。

（3）不同承压板宽度和埋深的荷载试验
在地基不同标高处，试坑间距大于承压板宽度的三倍时，进行承压板大小不同或埋置深部不同的对比荷载试验。

目的是了解承载力随场地定点条件不同的变化大小和变化规律。

平板载荷试验可用于以下目的：
（1）确定地基土承载力的特征值，为评定地基土的承载力提供依据。

（2）确定地基土的变形模量（排水或不排水）。

（3）估算地基土的不排水抗剪强度。

202s pB E ν-=2014s pD
E πν-=
（4）确定地基土基床反力系数。

（5）估算地基土的固结系数。

3 平板荷载试验的设备[9]
载荷试验因试验土层软硬程度、压板大小和试验土层深度等不同，采用的测试设备有多种情况。

如图1所示，大体可归纳为由承压板、加荷系统、反力系统、沉降观测系统四部分组成。

图1 荷载试验装置示意图
3.1 承压板
（1）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，多以肋板加固的厚钢板为主。

（2）刚度要求：承压板要有足够的刚度，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。

压板底部光平，尺寸和传力重心准确，搬运和安置方便。

（3）形状要求：承压板面积一般为0.25 ～0.5 m2，其形状多为方形或圆形，其中圆形压板受力条件较好，使用最多。

（4）尺寸及面积要求：规范规定，对于浅层平板载荷试验，承压板面积不应小于0.25m2；对均质密实的土，可采用0.1m2；对于软土和人工填土，承压板面积不应小于0.50m2；对于深层平板载荷试验，承压板面积宜选用0.5m2或直径80cm；对于岩石地基，承压板面积可用0.07～0.10m2；对于碎石类土，承压板直径或边长应大于碎石或卵石最大直径的10倍[9]。

（5）承压板试坑大小：为了避开试坑周围应力重分布和应力集中的影响，使地基在基本上不受干扰的情况下产生沉降，试坑大小要求：浅层平板载荷试验试坑的宽度至少应等于承压板边长或直径的3倍；深层平板载荷试验试坑的宽度至少应等于承压板边长或直径。

3.2 加荷系统[10]
加荷系统是指通过承压板对地基施加荷载的装置和方法。

加荷装置包括油压千斤顶、荷重传感器、载荷平台或反力构架。

加荷方式主要分为两种，即堆载法和地锚法。

（1）堆载法
堆载法是在载荷平台(如钢梁)上对称放置重物(如砂袋、砌块、铁块等)，该方法劳动强度大, 加荷不便,费时费力且控制困难，其优点是荷载稳定, 在大型工地常用。

1－载荷台；2－钢锭；3－混凝土平台；4－测点；5－承压板
图2堆重加荷装置示意图
（2）地锚法
地锚法是用地锚伞型布置锚入土体内，提供反力，此方法加荷方便，劳动强度相对较小，已被广泛采用。

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。

千斤顶可采用一个或多个。

要注意加荷稳定，避免冲击荷载。

采用油压千斤顶加压, 必须注意两个问题: 油压千斤顶的行程必须满足地基沉降量的要求。

可采用大行程千斤顶, 或上、下两个千斤顶重叠放置, 以增加油压千斤顶行程, 满足地基沉降量要求。

要求锚在土中的反力要大于最大加荷。

由于受力后地锚上拔、设备本身变形、承压板下沉等因素, 试验过程中千斤顶会出现松压现象。

因此, 必须人工补压, 使压力保持稳定, 具备条件时可使用流量控制器自动控制油压。

1－千斤顶；2－地锚；3－桁架；4－立柱；5－分立柱；6－拉杆
图3千斤顶加荷装置示意图
3. 3 反力系统
除堆载加荷方式外，其他形式的加荷系统都必须与反力系统相配合。

反力系统主要有：锚固式、撑壁式和平洞式三种。

3. 4 沉降观测系统：
沉降观测仪表有百分表和位移计，只要满足所规定的精度要求及线性特性等条件,可选用其中一种来观测承压板的沉降。

3.5 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。

4 试验方法
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。

应注意做到以下几点:
（1）在坑底顶留20 ～30 cm厚的原土层, 试验前再挖去, 并立即放入载荷板。

对软黏土或饱和的松散砂,在承压板周围预留20 ～30 cm厚的原土做为保护层。

（2）试坑底板高程低于地下水位时, 应先将水位降至坑底高程以下, 并在坑底铺设2 cm厚的砂垫层, 再放下承压板, 等水位恢复后进行试验。

4.1 常规载荷试验
常规载荷试验是逐级加荷，待各级荷载作用下的沉降达到相对稳定后，再施加下一级荷载。

常规载荷试验的加荷等级和标准通常采用地基基本承载力的1/5或极限承载力的1/10作为试验中的实用值：
松软土层：10～25kPa；中密土层：25～50kPa;
密实土层：50～100kPa；碎石类土：100～200kPa;
岩石地基：200～500kPa。

土体：每级加载后，按时间间隔5、5、10、10、15、15min读数，以后每隔30min 读数一次，当连续2小时内，每小时的沉降量小于0.1mm时，认为该级荷载下沉降已稳定，可施加下一级荷载[7]。

岩石：每级加载后，按时间间隔1、2、2、5min读数一次，以后每隔10min读数一次，当连续三次沉降量读数差小于等于0.1mm时，认为该级荷载下沉降已稳定，可施加下一级荷载。

4.2 快速载荷试验
快速载荷试验是指加荷速率快，试验时间短，一般只需几小时，而常规载荷试验一般需要2～3天，周期太长。

快速载荷试验适用于岩石、碎石类土及粗砂地层。

快速载荷仍是逐级加荷，前后两级荷载的间隔是固定的，一般是10min，当连续三次沉降量读数差均不大于
0.01mm时，认为已稳定。

4.3 慢速维持荷载试验
慢速维持荷载试验由载荷平台及重铁或伞型地锚组成反力系统。

通过反力系统，由液压油泵及千斤顶施加荷载至桩顶，对桩顶施加竖向压力。

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桩顶所受荷载大小。

桩身产生变形沉降时，通过放置在桩头对称分布的百分表, 随时记录各级荷载作用下桩身的沉降量。

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。

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 min、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。

4.4 试验终止标准
当试验过程中，出现下列情况之一时，试验应终止：
（1）承压板周边岩土出现明显侧向挤出现象，周边岩土出现明显隆起或径向裂缝持续发展。

（2）本级荷载的沉降量大于前一级荷载沉降量的5倍，沉降急剧增大，荷载－沉降（p-S）曲线出现明显陡降。

（3）在某级荷载下，24小时沉降速率不能达到相对稳定标准，还在继续近似等速或加速发展。

（4）浅层载荷试验的总沉降量S与承压板宽度b或直径d之比已大于0.06～0.08；深层载荷试验用S/d=0.04。

（5）当达不到极限荷载时，最大压力已达到预期设计荷载的2倍或超过p-S曲线第一拐点至少三级荷载，其对应的前一级荷载即定位极限荷载。

5 试验数据处理与成果应用
5.1 原始数据的计算复核
对位于承压板上百分表的现场记录读数，取其平均值，计算出各级荷载下各观测时间的累计沉降量，对于监测地面位移的百分表，分别计算出各地面百分表的累计升降量。

原始记录复核、整理和减少、简单计算，经确认无误后，可以绘制所需要的各种实测曲线，供进一步分析之用。

5.2 P-S曲线及地基破坏发展过程
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。

图4 P-S曲线
（1）直线变形阶段（弹性变形阶段）
P—S曲线呈直线或近似直线段，第一拐点较明显。

主要是地基土压密带动周围土体下沉，地面下沉最大值恰与第一拐点荷载相对应。

承压板周围地面没有变形。

（2）剪切变形阶段（塑性变形阶段）
P—S曲线斜率渐增，由直线段变为曲线段，再趋于陡降。

地基土因塑性变形而产生侧胀、挤出，甚至使承压板周围土体微隆起，产生放射状剪切裂纹。

（3）破坏阶段
P—S曲线明显变陡，显示出第二个拐点，有些土这个拐点不明显，曲线后来几乎平行于S轴，甚至向S轴靠近。

承压板周围地面出现环状裂纹，距承压板边缘约0.5d-1.0d的范围内有冲切破坏特征。

表明地基土体已进入破坏状态。

5.3 试验资料的应用
5.3.1 确定地基承载力
确定地基承载力的方法主要有以下3种[5]：
（1）拐点法
该法适用于有拐点型的P -S 曲线或利用其它辅助曲线可确定拐点的情况，一般取第一拐点Py（比例界限点）所对应的荷载为地基土的承载力特征值。

比例界限P0作为地基承载力的标准值或特征值。

（2）极限荷载法
当曲线上的比例界限与极限荷载接近时，将除以安全系数作为地基土的承载力特征值。

《建筑地基与基础设计规范》[7]（GB50007 -2002 ）规定，当P u<2P0，极限荷载的一半作为地基承载力特征值。

确定极限荷载的方法有：
A. 当载荷试验加荷至破坏荷载，则取破坏荷载前一级荷载为极限荷载。

B. 当载荷试验未做到破坏荷载，则可用外插作图法确定其极限荷载。

（3）相对沉降法
对于缓变曲线，s/b为一定值时所对应的荷载为地基承载力特征值。

承压板面积为0.25~0.50m2，砂土取s/b=0.01~0.015，粘土取s/b＝0.02。

P—S曲线对于不同的土确定地基承载力的方法不同[4]。

低压缩性土：
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。

中高压缩性土：
地基受压破坏形式通常为局部剪切破坏或冲剪破坏，其P—S曲线上无明显的拐点。

当压板面积为0.25 ～0.50 m2 时，可取P S曲线上沉降量S与承压板宽度(或直径)b之比等于0.01 ～0.015所对应的荷载，作为地基土承载力特征值, 但其值不应大于最大加载量的一半。

同一土层参加的试验点不应少于3个，当试验实测的级差不超过其平均值的30%时，取此平均值作为该土层的地基承载力特征值。

5.3.2 确定地基变形模量
荷载试验除了确定地基的承载力之外，还要确定地基的变形模量，用以计算地基的沉降量。

由载荷试验成果P —S 曲线的直线变形段， 依据公式（2）， 计算地基土的变形模量。

2
11
1v E p bw S -= （2） 式中 E 为地基土弹性模量；ω与承压板形状有关的参数；P 荷载；S 弹性变形；b 承压板直径或边长/mm ；μ土的泊松比。

5.3.3 确定地基基床系数
（1）根据基床系数的定义确定：
（3）
式中p 1、p 2为P-S 曲线上的两点荷载（kPa ），S 1、S 2为P-S 曲线上和p 1、p 2对应的沉降（m ）
（2）根据式（4）确定
0E K H = （4）
式中E 0：为地基变形模量（kPa ）；H ：为地基压缩层厚度(m)；大基础可取 H ＝（0.5~1）b ；中小基础取H ＝（0.7~1.5）b 。

（3）根据式（5）确定
（5）
式中E 0为地基变形模量（kPa ）；ν:泊松比，对一般黏性土可取0.35；b ：承压板宽度或直径（m ）；ω:承压板形状系数。

5.3.4 建筑物沉降估算
当建筑物基础宽度两倍深度范围内的地基土为均质时，可利用载荷测试沉降量, 推算建筑基础的沉降量， 由载荷试验成果P-S 曲线的直线变形段， 依据沉降计算公式(6), 估算建筑物沉降量。

S=Cd ·(1 -μ2 )·B ·P E （6） 式中：E 为地基土弹性模量；Cd 为与承压板形状有关的参数；P 为P-S 直线段212
10S S p p K --=ωνb E K )1(20
0-=
上任一点；B为承压板直径或边长；μ为土的泊松比；S为P值对应的沉降量。

通常载荷板尺寸较小，基础面积较大，需要考虑尺寸效应进行修正。

6 平板载荷试验的优缺点及局限性
6.1 平板载荷试验的主要优点
对地基土不产生扰动，利用其成果确定的地基容许承载力最可靠、最有代表性。

可据其验证其他有争议的结果，可直接用于工程设计。

其成果还可用于计算地基土的变形模量，预估建筑物的沉降量，效果较好。

因此，在对大型工程、重要建筑物的地基勘测中，载荷测试一般是不可少的。

它是目前用以确定地基承载力最主要的方法，也是比较其他原位测试成果的基础。

6.2 平板载荷试验的主要缺点及局限性[3][12]
（1）压板的面积比实际基础的面积要小得多。

从而刚性压板边缘展开的塑性区域，容易相互连接而导致破坏，故用平板载荷试验测出的极限承载力肯定比实际基础要小，不能完全反映真实值。

另外，人工处理地基或天然地基土往往是不均匀地基或某种复合地基，靠小的压板进行试验而得出的结果很难具代表性，也难以据此推不均匀地基或复合地基的性状。

（2）复合地基平板载荷试验存在尺寸效应[3]。

（3）承压板埋深应与基础埋深一致。

这样求出的地基承载力等技术参数才比较符合实际。

平板载荷试验成果所能反映的是压板下大约1.5一2.0倍压板直径深度范围内的土的性状，要想通过甲板载荷试验测得深层土的性状在技术上难度很大。

随着深基础工程的日益增多，平板载荷试验已不适用，可改用螺旋板载荷试验。

它可以在不同深度的地基上进行试验。

（4）在工程检测工作中也存在着许多问题，如试验检测点的数量是十分重要的，而这方面又恰恰是《建筑地基基础工程施工质量验收规范》[12]中未能明确的地方。

（5）载荷试验基础宽度通常较大，而承压板宽度相对较小。

如果增大承压板宽度（增大面积），总荷载势必增大，增加了试验难度。

（6）载荷测试方法周期较长，费时、费力。

平板载荷试验的加荷速率按规范一般几小时到十儿个小时加一级荷载,而实际基础接受上部荷载的速率(按一层楼为
一级荷载考虑)一般为一周至一个月,有的时间甚至更长,两者之差异是显而易见的。

（7）平板载荷试验是用千斤顶来进行加荷，靠手动杆或电动油泵驱动加载，时
间只有几分钟，甚至几秒钟，这必然会对地基产生一种冲击荷载，而实际基础接受上部荷载是通过一砖一瓦的添加进行的，其过程相当缓慢，不会存在冲击荷载的影响。

可想而知，这些差异也必然会引起检测结果与实际值之间的偏差。

（8）平板载荷试验的承压板是安放在试坑底面褥垫层上的，而试坑往往是通过人工进行开挖，无形中会带有某些人为因素。

试坑处理不当会接影响到试验结果的真实可靠性。

7 工程实例：平板载荷试验在河西某高速公路工程中的应用[1][15] 7.1 场地工程地质条件
（1）地形地貌
试验场地位于甘肃省河西走廊中东部、祁连山北麓、阿拉善台地南缘的丘陵戈壁荒漠区，区内山地平川交错，戈壁绿洲相间。

本项目路基以路堤为主，沿线路堤段地基主要以戈壁砂砾、河滩砂砾为主。

农田段一般上覆1~2m厚的硬塑状砂质粉土或黄土状粉土，中低山区的路堤段地基主要以砾砂(松散--稍密)和裸露基岩为主。

（2）地层岩性
路基部分地层相对简单，主要为第四系中更新统、上更新统和全新统，不整合覆盖于老地层之上。

主要由卵砾石、砂组成，其上有含砾浅黄褐色黄土状粉土、现代河流冲积洪积砂砾层、风积层和残坡积层等。

7.2 试验设备及规格
采用半自动稳压载荷试验设备，通过反力装置将压力稳定地传递到承压板。

设备由3部分组成，如图7所示。

图7 试验装置
加荷及稳定系统: 由承压板、加荷千斤顶( 150T) 及液压油泵组成；
反力装置: 由工字刚和槽钢等拼装成载荷平台，在平台上堆载砂袋；
观测系统: 用百分表观测，人工读数。

7.3 试验方法
试验采用慢速维持载荷法。

由液压油泵及千斤顶通过钢梁等组成载荷平台的反力系统对承压板施加竖向压力。

荷载逐级增加，由液压油泵显示千斤顶所受荷载大小。

通过放置在承压板上对称分布的百分表测量地基产生的变形沉降，并记录各级荷载及其作用下的沉降量。

7.4 试点选择
针对全线地层结构、物质组成等地基土的特性选择了具有代表性的3个测区，各测区布设了3个测点进行载荷试验，3个试验区段依次代表金川河冲洪积平原路基段、山间坡积物砾砂地路基段、山前冲洪积平原路基段。

根据钻探及现场调绘并参考试验区段Ⅰ右侧砂砾料场开挖剖面可知，该处的地层为圆砾，中密－致密，稍湿，棕红色，分选性差，骨架颗粒以变砂岩，花岗岩为主，次圆状，骨架颗粒大部分接触，厚度最小为 4. 9m，圆砾土容重为 2. 194g / cm3；
试验区段Ⅱ地层岩性为浅红色砾砂，稍湿，松散－稍密，骨料主要由花岗岩碎屑构成，厚度最小为5.6m，砾砂容重为 2. 08g / cm3。

根据CZK- YCLJ -07可知，试验区段Ⅲ附近地表为浅黄色，黄土状粉性土，土质松散不均，多植物根孔和虫孔，稍湿，坚硬，含少量角砾，厚约1.5m；以下为圆砾，浅灰色，稍湿，中密—密实，分选较差，由亚圆形颗粒组成，骨料主要由变砂岩、板岩、花岗岩等岩类碎屑构成，最大粒径为16cm，大于5cm约占15%，砂土充填，厚度大于18m以上，圆砾容重为2.11g/cm3。

7.5 试验结果分析
7.5.1 荷载试验结果
在荷载试验中，由于各种因素的影响，会使p-s曲线偏离坐标原点，试验分析中要对其进行修正。

图8~10为根据试验结果绘制的3个试验试验区段荷载与沉降量的关系p-s曲线。