平板載荷試驗測定地基承載力方法

摘要：平板載荷試驗是一種使用較早、應用廣泛的原位測試，主要用來測定承壓板下一定范圍內巖土體的承載力及變形特性，并用以確定地基承載力特征值、計算土的變形模量、估算土的不排水抗剪強度及極限填土高度等。文章對平板載荷試驗的相關技術要求、試驗方法、結果處理等方面進行了分析。

關鍵詞：平板載荷試驗；原位測試；承載力；變形特性；技術要求 文獻標識碼：A

中圖分類號：TU413 文章編號：1009-2374（2017）03-0122-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.03.054

平板載荷試驗是一種使用較早、應用廣泛的原位測試，主要用來測定承壓板下一定范圍內巖土體的承載力及變形特性。常規的平板載荷試驗適用于地表淺層地基和地下水位以上的地層，多用于各類填土和含碎石土類。試驗通過模擬建筑物荷載通過基礎作用于地基的形式，在一定尺寸的剛性承壓板上，分級施加豎向靜荷載，并觀測承壓板的沉降量。試驗能直觀地反映出各級荷載作用下，天然地基土隨壓力變化而沉降變形的情況，并用以確定地基承載力特征值、計算土的變形模量、估算土的不排水抗剪強度及極限填土高度等。下面就平板載荷試驗的相關技術要求、試驗方法、結果處理等方面進行分析總結。

1 技術要求

1.1 試點要求

載荷試驗點選擇要具有代表性，單位工程試驗點數不少于3點，當場地內巖土體變化復雜時，可增加試驗點。試驗通常在試坑中進行，試壓面應位于基礎底面標高處，試坑直徑或寬度不小于承壓板直徑（d）或寬度（b）的3倍。試壓面應盡量避免擾動，并保持其原狀結構和天然濕度，可在坑底預留20～30cm厚的原狀土層，試驗前再挖去。

1.2 試驗設備

1.2.1 承壓板。承壓板要有足夠的剛度，在試驗中變形要小。板一般為特制加筋厚鋼板，宜采用圓形，以符合軸對稱的彈性理論。板的尺寸應根據巖土體性狀合理選擇，一般不小于0.25m2；對于不均勻土層和軟土不小于0.5m2；對于含碎石土，承壓板寬度或直徑應為最大碎石直徑的10～20倍。

1.2.2 加荷系統。加荷系統包括加荷裝置和反力裝置。加荷裝置一般為千斤頂；反力通過相應的載荷平臺提供，常用的有堆載、地錨等反力裝置。要求裝置能提供的反力不小于試驗最大荷載的1.2倍，一般應根據試驗要求和現場條件，合理選擇。

1.2.3 觀測儀表。觀測儀表主要是對荷載大小和沉降量進行觀測。荷載通過力值傳感器測量，其精度不應低于最大荷載的±1%；承壓板的沉降可采用百分表或位移傳感器測量，其精度不應低于±0.01mm。

1.3 設備安裝

1.3.1 承壓板放置。首先要把擬試壓表面處理平整，盡量避免擾動。并盡快在試壓面鋪設厚度不超過20mm的粗砂或中砂墊層找平，再放上承壓板，以保證承壓板與試壓面平整均勻接觸。

1.3.2 加荷系統安裝。準備好反力裝置后，在承壓板中心處依次安裝千斤頂、荷載傳感器、傳力柱等，應保證各接觸面平整，受力方向垂直于板中心。

1.3.3 觀測儀表安裝。百分表或位移傳感器要安裝牢固，其固定位置應不受變形影響，并按承壓板的幾何形狀對稱放置。在方便觀測的地方可用百分表測讀，在不便觀測和風險較大的情況下，可安裝位移傳感器遠距離測讀。

2 試驗方法

2.1 加荷方式

通過加荷系統，將千斤頂施加的荷載傳遞至承壓板，對地基施加豎向靜壓力，加荷等級宜取10～12級，并不少于8級。根據加荷方式的不同，一般分為慢速法、快速法和等沉降速率法三種：

2.1.1 慢速法。其每級加荷量按預估極限荷載的1/8～1/12或為臨塑荷載的1/4～1/5施加。每級加荷后，先按3個10min、2個15min的間隔測讀沉降量，以后每30min測讀一次，直到在連續2h時內每1h的沉降量不超過0.1mm或連續1h內每30min沉降量不超過0.05mm，則認為已趨穩定，可加下一級荷載。

2.1.2 快速法。即分級加荷沉降非穩定法，其加荷方式與慢速法一致，但沉降觀測時間不同。每級加荷后按間隔15min觀測沉降量，維持荷載2h后再施加下一級荷載。

2.1.3 等沉降速率法。是在每一級荷載作用下，以一定的沉降速率作為加荷條件，直到試驗結束。

常規載荷試驗采用慢速法；有地區經驗時，可采用快速法或等沉降速率法，以加快試驗周期，但其結果只反映不排水條件的變形特性，不反映排水條件的固結變形特性。

2.2 試驗終止條件

當出現下列情況之一時，則認為已達破壞階段，可終止試驗：

2.2.1 板周圍出現隆起或破壞性裂縫。

2.2.2 沉降量急劇增大，本級沉降量超過前級沉降量5倍。

2.2.3 在荷載不變的情況下，24h內沉降速率幾乎不變或加速發展。

2.2.4 相對沉降量（s/d）超過0.06。有時還表現為荷載加不上去，或加上去后很快降下來。對于前三種情況，其上一級荷載作為極限荷載。當板周圍地基土出現明顯側向擠出隆起或裂縫時，是受荷地層發生了整體剪切破壞，這屬于強度破壞極限狀態；等速沉降或加速沉降時，是板下產生塑性破壞或刺入破壞，這是變形破壞極限狀態；過大的沉降（超過承壓板直徑或寬度的0.06倍）量，是屬于超過限制變形的正常使用極限

狀態。

載荷試驗一般應做到破壞，當試驗目的為驗證地基承載力時，可只加荷到設計值的兩倍；當加荷已達加荷系統的最大能力時，則只能終止試驗，但應分析是否已達到試驗目的。

2.3 試驗注意事項

2.3.1 盡量保證受力方向與承壓板中心垂直，以免試驗中承壓板或加荷系統發生歪斜。

2.3.2 試驗中加荷要均勻平穩，避免脈沖荷載對沉降產生影響。

2.3.3 儀表安裝時要調整好行程，試驗中若發現行程不夠時，應在本級沉降穩定后，及時調整并記錄。

2.3.4 必須保證加荷系統的整體穩定性，并做好相關的安全防護措施。試驗中要隨時注意加荷系統是否出現頂起、傾斜、變形等情況，必要時可終止試驗以保證安全。

3 試驗結果

3.1 p～s曲線分析

對載荷試驗原始數據進行分析處理，整理出荷載與沉降量的匯總表，并繪制荷載（p）與沉降量（s）的關系曲線。典型的p～s曲線具有兩個明顯的特征點，即臨塑壓力（也稱比例界限壓力）py、極限壓力pu。這兩個特征點把p～s曲線分成三段，反映了地基從受壓變形到破壞的三個階段：

3.1.1 直線變形階段：當壓力低于臨塑壓力py時，地基土所受壓力較小，土體顆粒主要產生豎向位移，土體處于壓密過程，以壓縮變形為主，p～s成直線關系。py所對應的壓力即為比例界限壓力，可作為地基承載力特征值。

3.1.2 剪切階段：當壓力大于py但小于pu時，地基土處于彈塑性變形階段。地基土在承壓板邊緣首先達到極限平衡狀態，隨著壓力逐漸增大，土體顆粒產生側向位移，壓縮變形減小而剪切變形增大，塑性區范圍逐漸增多。p～s線由直線變成曲線，pu所對應的荷載即為地基的極限荷載。

3.1.3 破壞階段：當壓力超過極限壓力pu時，地基土塑性區連成一片，承壓板急速下沉，板邊緣土向上隆起，地基完全喪失承載能力。剪切破壞形式一般分為整體剪切、局部剪切、沖剪破壞三種。對于較堅硬或密實的土，由于壓縮性較低，通常呈整體剪切破壞；對于軟弱土黏土或松砂土，其具有中高壓縮性，常呈現局部剪切破壞或沖剪破壞。

3.2 確定地基承載力特征值

根據p～s曲線及荷載與沉降量匯總表，按下列方法確定地基承載力特征值（fak）。

3.2.1 比例界限法：適用于具有明顯拐點的p～s曲線，直接以比例界限壓力py作為地基的承載力特征值。

3.2.2 極限荷載法：由p～s曲線所得的極限荷載pu除以安全系數K，K一般取2～3，但其值須小于對應的例界限壓力py。

3.2.3 當不能按前兩種方法確定時，可根據沉降量與承壓板直徑或寬度的比值（s/d）確定地基承載力特征值。當承壓板面積為0.25～0.5m2時，對中高壓縮性土，取s/d=0.02所對應的荷載；對砂土和低壓縮性土取s/d=0.01～0.015所對應的荷載，但其值不超過最大加載量的1/2。

同一土層試驗點不少于3點，當極差不大于平均值30%時，取平均值為地基承載力特征值。當p～s曲線無明顯拐點時，可加測承壓板周圍土面的升降、不同深度土層的分層沉降或土層的側向位置，這有助于判別承壓板下地基土受荷后的變化，發展階段及破壞模式，從而判定拐點。

3.3 地基土變形模量計算

按均質各向同性半無限彈性介質的彈性理論，由p～s曲線的初始直線段，得到地基土的變形模量E0（MPa），可按下式計算：

E0=I0pd（1-μ2）/s

式中：

I0——承壓板形狀系數，圓形板取0.78，方形板取0.89

p——p～s直線變形階段的壓力（kPa）

d——承壓板直徑或寬度（m）

μ——各類土的泊松比（如黏土取0.42、碎石土取0.27等）

s——與p對應的沉降量（mm）

4 試驗影響因素

載荷試驗比較直觀、可靠，但對于一些影響因素也應充分關注：（1）平板載荷試驗的影響深度有限，只能反映地表淺層地基土的特性；（2）承壓板尺寸比實際基礎小，在剛性板邊緣產生的塑性區，更易造成地基的破壞，使預估承載力偏低。而且試驗是在地表進行，沒有埋置深度所存在的超載情況，也會降低承載力；（3）由于載荷試驗的加荷速率較實際工程快得多，對透水性較差的軟黏土，其變形情況與實際有較大差異；（4）當土層變化復雜時，小尺寸剛性承壓板下土體中的應力狀態及其復雜，由此確定的參數也有較大差異，對試驗的尺寸效應要有足夠的估計。

5 結語

規范要求單位工程試點數量不少于3點，但對于成分和結構較復雜的多層土或非均質土層，試驗點數過少，會增加試驗的隨機性和偶然性。因此要根據現場實際情況，合理確定試驗點數，加強邊、柱及軟弱處的檢測。在確定地基承載力時，可結合現場巖土鉆探、室內試驗資料，并借鑒附近已有建筑設計和施工經驗，綜合確定擬建場地的地基承載力，以更好地保證地基滿足變形和穩定要求。

參考文獻

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作者簡介：李唐（1980-），男，重慶人，供職于重慶一三六地質隊，研究方向：巖土測試。

（責任編輯：小 燕）