岩土体测试载荷试验.ppt

第第2 2章章 载荷试验载荷试验 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 试验的基本原理及仪器设备试验的基本原理及仪器设备 第三节第三节 试验技术要求和步骤试验技术要求和步骤 第四节第四节 试验资料整理试验资料整理 第五节第五节 成果应用成果应用 第六节第六节 螺旋板载荷试验简介螺旋板载荷试验简介 概述（地基基础的一般知识） 1. 建筑物、地基、基础的关系 2. 地基基础的类型 3. 对地基和基础的一般要求 4. 地基和基础的常用检测方法 1. 建筑物、地基、基础的关系 一个完整的建筑体系包括了上部结构、基础与地基 三个组成部分，三者构成一个相互依存的整体，具有各 自的功能。 上部结构是完成设计预定功能的主体结构。 基础通常指建筑物最下端与地基直接接触并经过了 特殊处理的结构部件。 地基是指建筑物下方的承受建筑物的荷载并维持建 筑物稳定的岩土体。 请看图例。 图 1 房屋建筑体系的组成 楼层（上部结构）楼层（上部结构） 基础（下部结构）基础（下部结构） 地基 桥跨（上部结构）桥跨（上部结构） 桥墩（下部结构）桥墩（下部结构） 地基地基 基础（下部结构）基础（下部结构） 图 2 桥梁建筑体系的组成 2. 地基基础的类型 （1）地基的类型 （2）基础的类型 3. 对地基和基础的一般要求 保证建筑物的安全和正常使用，充分发挥地 基的承载能力。 安全保证是第一位的。此外尚应注意经济与 安全的协调。 4. 地基和基础的常用检测方法 地基检测方法：静载试验，静力触探，动 力触探，标准贯入。承载力与变形指标检 测常用静载试验，均匀性与密实程度检测 常用静力触探、动力触探和标准贯入。 桩基础检测方法：静载试验，低应变，高 应变，超声波，钻芯。承载力检测常用静 载试验（单桩，深井）和高应变，强度与 完整性检测常用低应变、超声波和钻芯法 。 图2-2 锚桩反力梁系统的设备布置 钢绞线 锚桩 基准梁 千斤顶 承压板 支墩 钢板工字钢 锚具 反力梁 1.1 试验设备和方法 一、试验设备 目前国内采用的试验试验 装置，大体可归纳为归纳为 由承 压压板、加荷系统统、反力系统统、观测观测 系统统四部分组组成 。 设备设备 的具体布置方式有如下两种： 百分表 堆 载 荷载板 主 梁 平台 千斤顶 图2-1 堆载平台系统的设备布置 一、载荷试验的定义 载荷试验是一项使用最早、应用最广泛的原 位试验方法，它是现场在一定尺寸的刚性承压 板上分级施加静荷载，测定承压板下应力主要 影响范围内的天然地基、单桩或复合地基岩土 的承载力和变形特性。 本章主要涉及天然地基的载荷试验。 第一节第一节 概概 述述 二、荷载试验的分类 根据承压板的形式和设置深度不同，可以将试验分 成三种： 1. 浅层平板载荷试验，适用于浅层地基土； 2. 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； 3.螺旋板载荷试验，适用于深层地基或地下水位以下 的地基土。 本章主要涉及的是浅层平板载荷试验，螺旋板载荷 试验作补充介绍。 三、载荷试验的目的 荷载试验可用于以下目的： （1）根据荷载沉降关系线（p-s曲线），确定地基土 的承载力；p-s曲线上的比例界限压力、极限压力，可 以为评定地基土的承载力提供依据。 （2）计算土的变形模量（排水或不排水的）； （3）估算地基土的不排水抗剪强度及极限填土高度； （4）确定地基土的基床反力系数。 （5）估算地基土的固结系数。 浅层平板载荷试验适用于地表浅层地基、特别适用于各种填土、 含碎石的土类。由于试验比较简单、直观，因此，多年来应用广泛 。但是，在应用时，应对本方法的下述局限性给予充分的关注： （1）平板载荷试验的影响深度范围不超过两倍承压板宽度（或直径 ），故只能了解地表浅层地基土的特性。 （2）承压板的尺寸比实际基础小，在刚性承压板边缘产生塑性区的 开展，更易造成地基的破坏，使预估的承载力偏低。 （3）载荷板试验是在地表进行的，没有埋置深度所存在的超载，也 会降低承载力。 （4）试验时的加载速率比实际工程快得多，对透水性较差的软粘土 ，其变形状况与实际有较大差异，由此确定的参数也有较大差异。 （5）小尺寸刚性承压板下土中的应力状态极复杂，由此推求的变形 模量只能是近似的。 四、荷载试验的适用条件 在拟建建筑物场地上将一定尺寸和几何形状（圆形或方形）的 刚性板，安放在被测的地基持力层上，逐级增加荷载，并测得每一 级荷载下的稳定沉降，直至达到地基破坏标准，由此可得到荷载（p ）沉降（s）曲线（即ps曲线）。典型的平板载荷试验ps曲线 可划分为三个阶段： 第二节第二节 试验的基本原理及仪器设备试验的基本原理及仪器设备 一、试验的基本原理 图21 平板载荷试验ps曲线 （1）直线变形阶段：ps曲线为直线段（线性关系），对应于此 段的最大压力p0，称为比例界限压力（也称为临塑压力），土体以 压缩变形为主。 （2）剪切变形阶段：当压力超过p0，但小于极限压力pu时，压缩变 形所占比例逐渐减少，而剪切变形逐渐增加，ps线由直线变为曲 线，曲线斜率逐渐增大。 （3）破坏阶段：当荷载大于极限压力pu时，即使维持荷载不变，沉 降也会急剧增大，始终达不到稳定标准。 用力学原理进行解释：（土力学） 图2-2 变形曲线三阶段及相应地基破坏情况 直线变形阶段：受荷土体中任意点产生的剪应力小于土体的抗剪 强度，土的变形主要由土中空隙的压缩引起，并随时间趋于稳定。 可以用弹性理论进行分析。 剪切变形阶段：土体除了竖向压缩变形之外，在承压板的边缘已 有小范围内土体承受的剪应力达到或超过了土的抗剪强度，并开始 向周围土体发展。此阶段土体的变形主要由压缩变形和土粒剪切变 形共同引起。可以用弹塑性理论进行分析。 破坏阶段：即使荷载不再增加，承压板仍会不断下沉，土体内 部开始形成连续的滑动面，承压板周围土体面上各点的剪应力均达 到或超过土体的抗剪强度。 二、试验的仪器设备 平板载荷试验的常用设备包括四部分： （1）承压板 （2）加荷系统 （3）反力系统 （4）量测系统 图23 常见的载荷试验反力与加载布置方式 （1）承压板 承压板的功能类似于建筑物的基础，所施加的荷载通过承压板 传递给地基土。 （2）加荷系统 一般可分为千斤顶加载装置和重物加载装置。 重物加载装置是将已知重量的钢锭、混凝土块等按试验加载计 划依次放在加载平台上，达到对地基土分级加载的目的。（不需 要反力装置支撑）。 千斤顶加载方式需要反力装置配合，一般采用油压式。加载方式 又由以下部件组成：主机、千斤顶、位移传感器、加载油泵、压 力传感器、百分表等。 （3）反力系统 常见的反力系统可以由重物、地锚或重物与地锚联合联合 提供，然后与梁架组合成稳定的反力系统。当在岩体内进行荷 载试验时，可以利用周围稳定的岩体提供所需要的反力。见图2 -4。 （4）观测系统 主要指位移（沉降）量测系统，包括支撑柱、基准梁、位 移测量元件（位移传感器、百分表）及其他附件。具体的支撑 关系是：位移量测元件固定在基准梁上，基准梁架设在支撑柱 上，而支撑柱要打设在试坑内适当位置。 图24 坚硬岩土体内载荷试验反力系统示意图 一、试验技术要求 浅层平板载荷试验，应当满足下列技术要求： （1）试坑的要求 一般要求荷载施加在半无限空间的表面，即埋设深度为零。但一 般都是在开挖基坑底部进行试验，这时要求基坑宽度应大于承压板 宽度或直径的3倍。 试坑底部的岩土应避免扰动，保持其原状结构和天然含水量， 可在承压板下铺设20mm的砂垫层找平，并尽快安装设备。 第三节第三节 试验技术要求和步骤试验技术要求和步骤 （2）承压板的尺寸 一般情况下承压板的形状为方形或圆形，尺寸多为0.250.5m2， 在实际工程中，可根据试验岩土层状况或试验要求选用合适的面积 ，可参照下面经验值选取： a 一般粘性土地基，常用面积为0.5 m2的圆形或方形刚性承压板 ； b 碎石类土，承压板宽度应为最大碎石直径的1020倍； c 岩石类土，承压板面积以0.1 m2为宜； d 为确定加固后复合地基的承载力，得用大型载荷试验，要求承 压板面积大于1m1m。 如南京水利科学研究院曾在宁夏大武口电厂及南通天生港电厂， 为检验碎石桩加固效果，测定复合地基承载力，做过3m3m的大 型载荷试验。 （3）加载方式及沉降观测 a慢速法 分级加荷按等荷载增量均衡施加，荷载增量按预估的极限荷载 等分为1012级（不少于8级），或为临塑荷载的1/4或1/5。对每 级荷载，自加荷开始按时间间隔5min、5 min、10 min、10 min 、15 min、15 min 测读一次沉降，以后间隔30 min测读一次沉降 ，当连续2小时内每小时沉降量不超过0.1mm，或连续1小时内每 30 min沉降量不超过0.05mm，可以认为沉降已达到稳定标准， 可施加下一级荷载。 b快速法 分级加荷等级与慢速法相同，但每一级荷载按间隔15min观测 一次沉降，每级荷载持续2小时，即可施加下一级荷载。 c等沉降速率法 控制承压板以一定的沉降速率沉降，测读与沉降相应的所施 加的荷载，直到试验达到破坏状态。 （4）试验终止条件 试验结束标准：一般认为，当出现下列情况之一时，可认为地 基已达破坏阶段，可终止试验： a在荷载不变条件下，24小时沉降速率几乎不变或加速发展（不 能达到稳定状态）； b 板周围出现隆起或破坏性裂缝； c相对沉降量s/b（承压板直径或边长）超过0.060.08 。 二、试验设备的安装及操作步骤 （1）试验设备的安装 a打地锚：一般4根或6根对称布置，应全部进入较硬的地层， 以提供较大的反力。 b挖试坑：大于承压板尺寸的3倍，并挖至试验深度。 c放置承压板：在试坑中心位置，铺设厚度不超过20mm的砂 垫层并找平，小心平放承压板，防止歪斜着地。 d加压系统的安装：以承压板为中心，从上至下在承压板上以 此安装千斤顶、测力计和分力帽，使其重心保持在一条垂直直线 上。 e反力系统的安装：通过连接件将次梁安装在地锚上，以承压 板为中心将主梁通过连接件安装在次梁下，形成完整的反力系统 。 f量测元件的安装：打设支撑柱，安装基准梁，固定位移传 感器、百分表，形成完整的位移沉降量测系统。 （2）操作步骤 对于每一级荷载，其操作步骤均可分为4步： a加载操作：第一级加载应考虑设备的重量和挖掉土的自重，因此 ，要事先标定或计算预压荷载与相应油压表读数或测力计百分表读 数之间的关系。 b稳压操作：每级荷载下都必须保持稳压，在试验过程中由于某些 原因会使荷载减小，必须随时观察油压表的读数，并通过千斤顶不 断补压，使施加的荷载保持相对稳定。 c沉降观测：按照试验沉降观测技术要求进行读数。 d试验记录：在试验过程中必须始终按照规定将每一级荷载观测数 据记录在载荷试验记录表中。 一、绘制曲线 试验资料整理是试验结束后最重要的一项工作，其中沉降观测 记录是最重要的原始资料，不仅记录了沉降，还记录了荷载等级和 其他与荷载试验相关的信息，如承压板形状、尺寸、荷载点试验深 度、土性等等。 图25 p-s关系曲线 第四节第四节 试验资料整理试验资料整理 包括分级累加荷载p-s曲线（荷载沉降曲线）、每一级荷载下 的st曲线。 （1）p-s曲线 将每一级加载下的荷载量值（p）和对应的最终沉降值（s）数据 对（p，s）绘制在坐标纸上（图2-5）。 目的就是要确定p-s曲线的特征点p0和pu，当p-s曲线上有明显的 直线段时，以直线的终点（第一拐点）为p0，当直线段不明显时， 可变换坐标，改做lgp-lgs或p-s/p曲线（s为沉降增量，p 为荷载增量），以拐点对应的荷载为p0。见图2-6。 图26 p-s/p关系曲线 （2）s-t曲线 s-t曲线反映的是每一级荷载下地基土随时间的变形情况；又 可分为两种，即按p分级绘制和按p分段连续绘制，两者都需在曲 线上注明荷载等级。如图27： 图27 s-t关系曲线 二、p-s曲线的修正 （1）图解法 如果开始的一些观测点基本在一条直线上，只是不通过原点， 表明试验存在一定的系统误差。可将曲线上的各点沿s轴进行坐标平 移s0，使它通过原点即可。如图28： 图28 p-s曲线修正的图解法 （2）最小二乘拟合法 对于有明显直线段和拐点的p-s曲线，可以通过最小二乘法拟合出 最佳回归直线方程式， （3）高阶曲线拟合法 对于没有明显直线段和拐点的圆滑型或不规则p-s曲线，可假设 为二次或高阶多项式表示的曲线，通过曲线拟合求得常数项，即， 即为修正后的沉降数据。 三、比例界限p0的确定 比例界限p0的确定方法有以下几种： （1）当p-s曲线上有较明显的直线段和拐点时，直接取直线段的终 点为比例界限压力p0，并取该比例界限压力所对应的荷载作为地基 土的承载力特征值。 （2）当p-s曲线上无明显直线段时，可用下述方法确定： a在某一荷载下，其沉降量超过前一级荷载下沉降量的2倍，即 sn2sn-1的点所对应的压力即为比例界限。 b绘制lgp-lgs曲线，曲线上的转折点所对应的压力即为比例界限 。 c绘制p-s/p曲线，曲线上的转折点所对应的压力即为比例界 限。 四、极限荷载pu的确定 极限荷载pu的确定方法有以下几种： a当载荷试验加载至破坏荷载，则取破坏荷载的前一级荷载为极限 荷载pu。 b当试验未做到破坏荷载，则可取外插法确定其极限荷载，作图步 骤如图29： 图29 外插法确定极限承载力 一、地基土承载力确定 第五节第五节 成果应用成果应用 （一）应用载荷试验确定承载力特征值应符合的规定 1当ps曲线上有比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值。 2当试验满足终止加荷条件之一时，其对应的前一级荷载为极限 荷载，当该值小于对应比例极限荷载值的2倍时，取荷载极限值的 一半。 3不能按上述两条规则确定时，可取s/b0.010.05所对应的值， 但其值不应大于最大加载量的一半。 4同一土层参加统计的试验点不应少于三点，当试验实测值的极 差不超过平均值的30时，取此平均值作为该土层的地基承载力特 征值fak。 （二）具体确定方法 1强度控制法（又称为拐点法、比例界限法） 此法是指以比例界限压力p0作为地基土承载力。适用于硬塑坚 硬的粘性土、粉土、砂土和碎石土。 2相对沉降法 根据沉降量和承压板直径（或边长）的比值（s/b）确定承载力特 征值： a当承压板面积为0.250.5m2时，对中高压缩性土，取s/b 0.02所对应的荷载为承载力特征值；对砂土和低压缩性土，取s/b 0.010.015所对应的荷载为承载力特征值。 b当承压板面积为大于0.5m2时，应结合一些特殊要求综合确 定地基承载力特征值。 3极限荷载法 a当比例界限p0与极限荷载pu接近时（pu2p0），可 按下式计算： 二、变形模量计算 1对于厚层均质各向同性地基土，当地表无超载时，按弹性半无 限体表面受荷原理，计算土的变形模量： 式中，E0土的变形模量； b承压板直径或边长（m）； I0承压板位于半空间表面的影响系数；对于圆形刚性板 ， ；对于方形承压板，I00.886； Kp-s曲线直线段的斜率（KN/m3）； 土的泊松比，碎石土取0.25，砂土、亚砂土、粉土取 0.30，亚粘土、粉质粘土取0.35，粘土取0.42。 或者用此公式： 式中，p承压板上直线变形阶段的荷载，KN； s与荷载p相对应的承压板沉降值，cm。 2当地表有超载时，将计算公式进行修正： I1为承压板埋深z修正系数， 当zb时， 其他符号意义同前。 三、估算地基土的不排水抗剪强度 用快速载荷试验（相当于不排水条件）的极限荷载pu，可估算饱 和粘性土的不排水抗剪强度Cu。 式中，pu快速载荷试验所得的极限荷载，kPa； pd承压板周边外的超载或土的自重应力，kPa； Nc当周边无超载时，Nc6.15；当承压板埋深大于或 等于4倍板径或边长时，Nc9.25；当承压板埋深小于4倍板径或 边长时，Nc由线性内插确定。 四、确定地基土的基床反力系数 依据平板载荷试验ps曲线直线段的斜率，可直接确定基准基床系 数Kv（国标岩土工程勘察规范（GB500212001）： 一、概述 第六节第六节 螺旋板载荷试验简介螺旋板载荷试验简介 平板载荷试验只能确定浅层地基的承载力等问题，而无法解决深 基础的工程问题。1973年，挪威Janbu等人研制出螺旋板载荷试验 。 该试验是在不同深度处的原始应力条件下进行的载荷试验，将螺 旋形的承压板旋入地面以下预定的试验深度处，用千斤顶通过传力 杆对螺旋板施加荷载，由位于螺旋板上端的传感器测定压力，并用 百分表观测承压板的位移。 其装置见图2-10，同样包括三个系统：加载系统、反力系统、量 测系统。 目前，欧美很多国家已将试验成果用于实际工程，在我国也在少 数单位得到应用。最大试验深度已达30米。 图2-10 螺旋板载荷试验装置示意 二、适用性和参数确定 螺旋板载荷试验适用于地下水位以下一定深度处的砂土、软粘土 、一般粘性土和硬粘性土层。 可确定的参数有：地基土的承载力、变形模量、基床系数、固结 系数等。 三、技术要求 1承压板应有足够刚度，加工准确。一般，板头面积为100、200 、500cm2，相当于半径为113、160、252mm。 2螺旋板旋入土中会引起一定的土体扰动，为减小扰动，应保证 ： （1）选择适当的轴径（2c）、板径（2a）、螺距（2b）及板厚（t ），使c/a=0.125，b/a=0.25，t/a=0.02； （2）螺旋板头的旋入进尺与螺距一致； （3）螺旋板与土接触面加工光滑。 3加载方式与平板载荷试验一样，有慢速法、快速法和等沉降速 率法（一般可采用0.52mm/min）。 4试验加荷等级、试验结束条件与平板载荷试验相同。 5在同一试验孔内，在垂直方向的试验点间距一般应大于1米，可 结合土层变化和均匀性布置。 四、资料整理及成果应用 1绘制ps曲线 与平板荷载试验相比，螺旋板载荷试验除临塑压力p0（比例界限 ）及极限压力pu外，还多一个特征值pd。p0与pu的物理意义和平板 载荷试验相同；pd为试验深度处的原位有效自重压力。典型的ps 曲线如图2-11： 图2-11 ps典型曲线 （1）用ps曲线评定地基土承载力特征值时，与平板试验一样 ，无需作深度修正。 （2）变形模量计算 式中，E不排水变形模量（MPa）； p某一级荷载压力（MPa）； s压力p下固结完成后的最终沉降量（mm）； b螺旋板直径（mm）。 与试验深度和土类有关的系数，可以按表21选取 。 （3）一维压缩模量 当试验在排水条件下进行时，可按Janbu公式推求Es： 式中，Es一维压缩模量，kPa； m模量系数； pa参考压力，一般取1个大气压力100kPa； p施加的压力值，取直线段内任一压力值，kPa； 应力指数，对正常固结饱和粘土取0；砂土与粉土取0.5； 超固结饱和粘土取1。 p承压板上的压力增量，pppd，kPa； b螺旋板直径，cm； s对应p力的承压板沉降量，cm Ns无因次沉降数，与pd及p有关，由图2-12查得。 2绘制s 曲线