1、4.6 载荷试验,概述,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。 平板载荷试验（Plate Loading Test，简称PLT）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。 载荷测试的主要优点是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，可直接用于工程设计。其成果还可用予预估建筑物的沉降量，效果也很好。因此，在对大
2、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。,载荷试验的定义,概述,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。在现场通过一个刚性承压板对测点逐级施加荷载，测定天然地基、复合地基或基桩的沉降变形随荷载的变化，确定被测工程体的变形特性和承载性能。,载荷试验的分类,概述,（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
3、）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。,载荷试验的应用,概述,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。局限性： （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，
4、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。,载荷试验的适用条件,试验的基本原理,测试原理 物理力学过程工程体受力变形破坏规律 地基：地基土体变形破坏滑移线理论 基桩：桩侧土层抗剪、桩端土层抗压过程、理论 荷载变形（Q-S）曲线类型 缓变型曲线 陡降型曲线平板静力载荷测试所反映的是承压板以下大约1.52倍承压板宽的深度内土层的应力应变时间关系的综合性状。,试验的基本原理,地基土体破坏滑移线普朗特尔原理,土体破坏滑移线,Q-S 曲线,试验的基本原理,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
5、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）。,平板载荷试验ps曲线,试验的基本原理,典型的平板载荷试验ps曲线可划分为三个阶段： （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
6、到稳定标准。,变形曲线三阶段及相应地基破坏情况,试验的基本原理,用力学原理进行解释: 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。,试验的基本原理,荷载变形
7、（Q-S）曲线类型与工程体性质及破坏方式工程体偏于塑性，变形速率随荷载的增加变化不大，以塑性变形为主，渐进式大变形，无明显的破裂。工程体承载力的判定以位移是否超标为准则。工程体偏于脆性，存在较明显的临界（极限）荷载。在荷载未超过临界荷载时工程体表现为弹性，超过临界荷载后，工程体即发生破坏，变形急剧增加。工程体承载力定为小于极限荷载的某一荷载值。,缓变型曲线,陡降型曲线,试验的基本原理,内力测试传感器 工程体内力测试传感器 在弹性基体安装（或粘贴）传感元件（振弦或变阻片），保证传感元件与弹性基体变形一致。传感器植入工程体，工程体受力产生内力和变形，弹性基体与工程体变形一致。传感元件将变形转换为电
8、信号。根据电信号与受力的标定关系即可实现内力测量。 类型 振弦式（钢筋计、土压力盒等） 应变片式（钢筋计等） 位移传感器 百分表 利用机械传动比放大微量位移，由指针表盘刻度表示位移值。 位移传感器 原理： 把位移转换为电量，根据电量变化测定的传感器。 类型 电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。,传感器原理,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,常见的载荷试验反力与加载布置方式,试验的仪器设备,承压板类型及尺寸 （1）承压板的基本要求： 材质要求：承压板可用混凝土、
9、钢筋混凝土、钢板、铸铁板等制成，多以肋板加固的钢板为主。 刚度要求：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。 形状要求：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。,试验的仪器设备,（2）承压板的尺寸： 对于浅层平板载荷试验，承压板尺寸不应小于0.25m2。 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，可以更大一些。 对于深层平板载荷试验，宜选用0.5m2或直径80cm。 对于岩石地基，承压板面积可用0.070.1m2。 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。 （3）承压板试坑大小：
10、 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。,试验的仪器设备,加荷系统 一般可分为千斤顶加载装置和重物加载装置。 （1）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）。,载荷台式加压装置 a木质或铁质载荷台； b低重心载荷台； 1载荷台； 2钢锭；3混凝土平台； 4测点； 5承压板,费时、费力 荷载稳定,千斤顶式加压装置 a钢桁架式装置； b拉杆式装置；1千斤顶；2地锚；3桁架；4立柱； 5分立柱；6拉杆,（2）千斤顶加载方式需要反力装置配合
11、，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。,试验的仪器设备,试验的仪器设备,（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。,锚固式反力系统,钢桁架式反力系统,试验的仪器设备,（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。,百分表,磁性表座,试验方法,试
12、验技术要求 试验加载要求 承载板、加荷分级、加荷终止条件 试验观测要求 采样记录时间和数据量 相关规范 GB 500072002，建筑地基基础设计规范北京：中国建筑工业出版社，2002 GB 500212001，岩土工程勘察规范北京：中国建筑工业出版社，2002 JGJ 792002，建筑地基处理技术规范北京：中国建筑工业出版社，2002,试验方法,试验技术关键 加荷 试验荷载如何施加？ 测量 荷载、位移如何测量？试验技术要求 试验加载要求 承载板、加荷分级、加荷终止条件 试验观测要求 采样记录时间和数据量,试验方法,试验方法 加荷 试验荷载如何施加？,试验方法,试验方法 加荷 试验荷载如何施
13、加？,试验方法,试验方法 测量 荷载、位移如何测量？ 荷载测量-两种方式 测量千斤顶活塞和反力装置之间的接触压力 测量千斤顶的液体压力 荷载测量 载荷试验荷载测量装置示意,试验方法,试验方法 测量 荷载、位移如何测量？ 位移测量 两个要点 测量点 荷载作用点 基准点 工程体变形影响范围以外 位移测量 载荷试验位移测量装置示意,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
14、设20mm的砂垫层找平，并尽快安装设备。,试验技术要求,（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
15、试验。,试验技术要求,（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
16、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。,试验技术要求,试验技术要求,（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 。,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
17、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。,试验设备的安装及操作步骤,（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
18、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。,试验设备的安装及操作步骤,测试记录内容荷载：荷载大小加荷过程变形：变形量值变形过程,试验设备的安装及操作步骤,载荷试验的测试记录样式,试验资料整理,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
19、形状、尺寸、荷载点试验深度、土性等等。,一、绘制曲线 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。 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。 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 （1）p-s曲线,试验资料整理,p-s/p关系曲线,p-s关系曲线,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。,试验资料整理,（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
20、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。,s-t关系曲线,试验资料整理,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。,p-s曲线修正的图解法,试验资料整理,二、p-s曲线的修正 （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，假设为：，求得后，即为修正后的沉降数据。 （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
21、过曲线拟合求得常数项，即，即为修正后的沉降数据。,试验资料整理,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。,试验资料整理,四、极限荷载pu的确定 极限荷
22、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。,外插法确定极限承载力,影响试验成果的主要因素,载荷测试方法比较简单，成果也比较可靠，但费时、费力。应深入分析其影响因素，消除不利影响，使测试成果精度符合要求。影响载荷测试成果的主要因素有以下几方面： （1）承压板尺寸 （2）沉降稳定标准 （3）承压板埋深 （4）地基土的均匀性,影响试验成果的主要因素,（1）承压板尺寸不同的承压板尺寸对试验土层的沉降量和极限压力值均有一定影响，载荷测试研究结果表明，在不超过直线变形阶段的荷载作用下，当承压板边长
23、或直径（B）小于某值时，S（沉降量）与B成反比；当B大于某值时，S与B成正比。 不同面积承压板的对比试验表明，对圆形承压板，此值（直径）为30cm；对方形承压板，此值（边长）为50cm。由于载荷测试是模拟基础工作条件的一种试验方法，基础宽度一般均超过30 cm，因而承压板不宜过小。但是，如承压板面积过大，势必所加总荷载也随之增大，这又增加了测试的困难。在大多数情况下，用面积为10005000 cm2的承压板进行试验，所获得的成果是可靠的。,影响试验成果的主要因素,（2）沉降稳定标准每级压力下的沉降稳定标准不同，则所观测的沉降量及所得出的PS曲线和变形模量等也不相同。为了消除这种影响，就要统一稳
24、定标准。在载荷试验中，广泛应用的是相对稳定法，即每施加一级荷载，待沉降速率达到相对稳定后再加下一级荷载。有的规程在规定相对稳定标准的同时，还提出了在不同土层中观测时间的附加规定。如每级荷载下的观测时间，对软粘性土，应不少于24h；对一般粘性土，不少于8h；对碎石土、砂土、老粘性土，不少于4h。如果按上述标准做一个载荷试验，所需时间，少则2d，多则10d以上。试验周期长是载荷试验的主要缺点。为了改变这种状况，对可塑至坚硬状态的粘性土、砂类土、碎石类土可采用快速法，即自每级加荷操作历时（按经验估算）的一半开始，每隔15min观测一次，每级荷载保持2h。按10级荷载计算，做一个载荷试验只需20h，不
25、足一天。经过一些单位的实践和研究表明，按快速法经外推计算的成果，可用于评价地基的承载力。,影响试验成果的主要因素,（3）承压板埋深承压板埋深应与基础埋深一致，这样求出的地基容许承载力等才比较符合实际。相同面积的承压板，埋深不同，所求出的PS曲线上的比例界限值也不一样。根据土力学基础埋深原理，一般来讲，埋深越浅，PS曲线的比例界限值越小。埋深如过大，会增加试验的困难。（4）地基土的均匀性载荷测试的影响深度一般为1.52倍承压板宽度（或直径）。在这个影响深度内，土层的时代、成因、类型及含水量一般应是相同的。只有这样，载荷测试成果才能反映同一土层的真实指标（土的工程性质），达到载荷测试的目的。如果建
26、筑场地土层较多，又都是重要建筑物的持力层，则要分层做载荷测试。如果土层较薄，达不到2倍承压板宽度（直径）的厚度，所求出的载荷测试成果就很难应用，满足不了基础设计的需要。这时，就要考虑采用符合要求的小承压板或做其他类型的试验，以满足设计要求。,成果应用,一、地基土承载力确定 （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。
27、 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。,成果应用,（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/b0.02所对应的荷载为承载力特征值；对砂土和低压缩性土，取s/b0.010.015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
28、合确定地基承载力特征值。,成果应用,（二）具体确定方法 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：,成果应用,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；
29、s与荷载p相对应的承压板沉降值，cm。,成果应用,二、变形模量计算 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，,成果应用,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。,成果应用,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
30、定基准基床系数Kv（国标岩土工程勘察规范（GB500212001）：,螺旋板载荷试验简介,一、概述 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。,螺旋板载
31、荷试验简介,螺旋板载荷试验装置示意,螺旋板载荷试验简介,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。,螺旋板载荷试验简介,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
32、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。,螺旋板载荷试验简介,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：,ps典型曲线,螺旋板载荷试验简介,（1）用ps曲线评定地基土承载力
33、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。,螺旋板载荷试验简介,（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，
34、cm； s对应p力的承压板沉降量，cmNs无因次沉降数，与pd及p有关，由图2-12查得。,螺旋板载荷试验简介,2绘制s 曲线 按每级荷载下的沉降量s与时间的平方根绘制曲线。 （1）土体达到某固结度所需的时间 作图法估算：过s 曲线初始段直线与s轴的交点，作一斜率为初始直线段斜率1.31倍的直线，其与曲线s 的交点所对应的时间，即为完成90固结度的时间t90，如图：,图 求t90的s 曲线,螺旋板载荷试验简介,（2）土的水平向固结系数 根据一维轴对称径向排水固结理论，径向固结系数Cv为：式中，Cv径向固结系数（cm2/min）；R螺旋板半径（cm）；T90相当于90固结度的时间因子，取为0.3
35、35；t90完成90固结度的时间。,什么是载荷试验？有什么优缺点？ 载荷试验有哪几种类型？各自的适用性又是怎样的？ 载荷试验典型ps曲线可以分为哪几个阶段？各阶段的变形特性及对应的力学原理分别是怎样的？ 载荷试验的加载方式、沉降观测、稳定标准分别是怎样规定的？ 浅层载荷试验的试验终止条件是什么？ 载荷试验有哪几个方面的应用？ 载荷试验确定地基承载力有哪几种方法？,复习思考题,4.7 旁压试验,概述,一、旁压试验的定义（Pressuremeter Test , PMT） 旁压试验（Pressuremeter Test）是将圆柱形旁压器放入土中，向旁压器内充水(或气)并施加压力，利用旁压器的扩张，
36、对周围土施加均匀压力，测量压力与体积扩张（径向变形）的关系，即可得地基土在水平方向上的应力应变关系。根据这种关系对地基土的承载力（强度）、变形性质等进行评价。,概述,二、旁压试验的分类 按旁压器放入土层中的方式，可分为：预钻式旁压试验、自钻式旁压试验和压入式旁压试验。 （1）预钻式旁压试验是事先在土层中预钻一竖直钻孔，再将旁压器下到孔内试验深度(标高)处进行旁压试验，预钻式旁压试验的结果很大程度上取决于成孔的质量。 （2）自钻式旁压试验是在旁压器的下端装置切削钻头和环形刃具，在以静力置入土中的同时，用钻头将进入刃具的土切碎，并用循环泥浆将碎土带到地面，钻到预定试验深度后，停止压入，进行旁压试验
37、。 （3）压入式旁压试验又分为圆锥压入式和圆筒压入式，都是用静力将旁压器压入指定的试验深度进行试验。 目前，国际上出现一种将旁压腔与静力触探探头组合在一起的仪器，在静力触探试验的过程中可随时停止贯入进行旁压试验。,概述,三、优缺点及适用性 1适用土层 适用于粘性土、粉土、砂土、碎石土、极软岩和软岩等地层的测试。 2优缺点 （1）预钻式旁压仪 优点：仪器比较简单、操作容易。 缺点：预先钻孔，孔壁土层中的天然应力卸除，加之钻孔孔径与旁压器外径难以有效配合，土层的扰动在所难免，使测试效果不太理想。 （2）自钻式旁压仪 优点：具有自钻功能，当钻到预定深度后进行旁压试验，旁压器周围土体内应力状态基本保持
38、原位的应力状态。 缺点：由于设备繁杂，操作技术较为复杂，人员要经过培训方可上岗，但所获得的资料仍需有丰富的使用经验方可取得较好的使用效果。 （3）压入式旁压仪 压入式旁压试验在压入过程中对周围有挤土效应，对试验结果有一定的影响。 自钻式、压入式推广效果不及预钻式旁压仪。,概述,四、旁压试验的应用 通过对旁压试验成果分析，并结合地区经验，可以用于以下岩土工程目的： 1对土进行分类； 2评价地基土的承载力； 3评价地基土的变形参数，进行沉降估算； 4根据旁压曲线，可推求地基土的原位水平应力、静止侧压力系数和不排水抗剪强度等参数。,试验的基本原理,一、试验基本原理表述 仪器工作时，由加压装置通过增压
39、缸的面积变换，将较低的气压转换为较高压力的水压，并通过高压导管传至旁压器，使旁压器弹性膜膨胀导致地基孔壁受压而产生相应的侧向变形。其变形量可由增压缸的活塞位移值S确定，压力p由与增压缸相连的力传感器测得。根据所测结果，得到压力p和位移值s间的关系，即旁压曲线。从而得到地基土层的临塑压力、极限压力、旁压模量等有关土力学指标。,典型的旁压曲线,试验的基本原理,二、理论解释 旁压试验可理想化为圆柱孔穴扩张课题，为轴对称平面应变问题。典型的旁压曲线(压力p体积变化量V曲线或压力p用测管水位下降值S) ，可分为三段： I段(曲线AB)：初步阶段，反映孔壁扰动土的压缩与恢复； II段(直线BC)：似弹性阶
40、段，压力与体积变化量大致成直线关系， III段(曲线CD)：塑性阶段，随着压力的增大，体积变化量逐渐增加到破坏。 III段的界限压力相当于初始水平压力p0，II一III段的界限压力相当于临塑压力pf，III段末尾渐近线的压力为极限压力pL。,典型的旁压曲线,试验的基本原理,依据旁压曲线似弹性阶段(BC段)的斜率，由圆柱扩张轴对称平面应变的弹性理论解，可得旁压模量EM和旁压剪切模量GM。土的泊松比； Vc旁压器的固有体积； V0与初始压力p0对应的体积增量； Vf与临塑压力Pf对应的体积增量；旁压曲线直线段的斜率。,试验的仪器设备,旁压试验所需的仪器设备主要由旁压器、变形测量系统和加压稳压装置等
41、部分组成。 国内使用的预钻式旁压仪有PY型和较新的PM型两种型号。两种型号的旁压仪外形结构相似，技术指标略有差异。其主要部件有： 1旁压器 为圆柱形骨架，外部套有密封的弹性橡皮膜。一般分上、中、下三个腔体中腔为主脏(测试腔，长250mm，初始体积为491mm3)，上、下腔以金属管相连通，为保护腔（各长100mm），与中腔隔离。 测试时，高压水从控制装置经管路进入主腔，使橡皮膜发生径向膨胀，压迫周围土体，得主腔压力与体积增量的关系。与此同时，以同样压力水向护控压入，这样，三腔同步向四周变形，以此保证主腔周围土体的变形呈平面应变状态。,试验的仪器设备,PM1型旁压器的结构原理图,试验的仪器设备,2
42、变形量测装置 变形测量装置是测读和控制进入旁压器的水量，由不锈钢储水筒、目测管、位移和压力传感器、显示记录仪、精密压力表、同轴导压管及阀门等组成。测管和辅管都是有机玻璃管，最小刻度1mm。 3加压稳压装置 加压稳压装置为控制旁压器给土体分级施加压力，并在试验规定的时间内自动精确稳定各级压力。由高压储气瓶（氮气）、精密调压阀、压力表及管路等组成。 4管路主要是两根注水管及两根导压管组成。,试验方法及技术要求,一、试验前准备工作 使用前，必须熟悉仪器的基本原理、管路图和各阀门的作用，并按下列步骤做好准备工作： 1充水：向水箱注满蒸馏水或干净的冷开水，旋紧水箱盖。注意，试验用水严禁使用不干净水，以防
43、生成沉积物而影响管道的畅通。2连通管路：用同轴导压管将仪器主机和旁压器细心连接，连接好气源导管，旋紧。,试验方法及技术要求,3注水、排气：打开高压气瓶阀门并调节其上减压器，使其输出压力为0.15MPa左右。 将旁压器竖置于地面，阀1置于注水加压位置，阀2置于注水位置，阀3置于排气位置，阀4置于试验位置。 旋转调压阀手轮，给水箱施加0.15MPa左右的压力，以水箱盖中的皮膜受力鼓起时为准，以加快注水速度。当水上升至(或稍高于)目测管的“0”位时，关闭阀2、阀1，旋松调压阀，打开水箱盖。在此过程中，应不断晃动拍打导压管和旁压器，以排出管路中滞留的空气。,试验方法及技术要求,4调零：把旁压器垂直提高
44、，使其测试腔的中点与目测管“0”刻度相齐平，小心地将阀4旋至调零位置，使目测管水位逐渐下降至“0”位时，随即关闭阀4，将旁压器放好待用。 5检查：检查传感器和记录仪的连接等是否处于正常工况，并设置好试验时间标准 。,试验方法及技术要求,1弹性膜约束力的标定 标定的目的是确定在某一体积增量时消耗于弹性膜本身的压力值。标定前，适当加压（0.05MPa）之后，当测水管水位降至36cm时，退压至零（旁压器中腔的中点与目测管水位齐平），使弹性膜呈不受压的状态，如此反复5次，之后开始校正。 校正时，按试验的压力增量（10kPa）逐级加压，并按试验的测读时间（1min观测，读数时间为15s、30s、60s）
45、记录测管水位下降值(或体积扩张值)。最后绘压力P与水位下降值s的Ps曲线。,弹性膜约束力校正曲线示意图,二、测试设备的标定、校正 测试设备的标定是保证旁压试验正常进行的前提，标定共包括两项内容：弹性膜约束力标定、仪器综合变形标定。,试验方法及技术要求,2仪器综合变形值的标定 主要是标定量管中的液体在到达旁压器主腔以前的体积损失值。此损失值主要是测管及管路中充满受压液体后所产生的膨胀。 率定前将旁压器放存一内径比旁压器外径略大的厚壁钢管（校正筒）内，使旁压器在侧限条件下分级加压，压力增量一般为100 kPa，加压57级后终止试验。在各级压力下的观测时间与正式试验一样(即15s、30s、60s、1
46、20s)，测量压力与扩张体积的关系，通常为直线关系。,取直线的斜率为综合变形校正系数。,仪器综合变形校正曲线示意图,试验方法及技术要求,三、保证钻孔质量是试验的关键 针对不同性质的土层及深度，可选用与其相应的提土器或与其相适应的钻机钻头。例如，对于软塑流塑状态的土层，宜选用提土器；对于坚硬可塑状态的土层，可采用勺型钻；对于钻孔孔壁稳定性差的土层，宜采用泥浆护壁钻进。 对预钻式旁压试验，要求尽量减少孔壁土的扰动，使钻孔截面为完整的圆形，其孔径应略大于旁压器外径，一般大23mm。对孔壁稳定性差的土层，宜采用泥浆护壁。成孔后应尽快进行试验以免缩孔，间隔时间一般不宜超过15min。 旁压试验的可靠性关
47、键在于成孔质量的好坏，钻孔直径应与旁压器的直径相适应，孔径太小，放入旁压器会发生困难，或因放入而扰动土体；孔径太大，很大一部分能量消耗在孔穴上，无法进行试验。 预钻成孔的孔壁要求垂直、光滑，孔形圆整，并尽量减少对孔壁土体的扰动，并保持孔壁土层的天然含水量。,试验方法及技术要求,a线正常的旁压曲线； b线反映孔壁严重扰动，因旁压器体积容量不够而迫使试验终止； c线反映孔径太大，旁压器的膨胀量有相当一部分消耗在空穴体积上，试验无法进行； d线钻孔直径太小，或有缩孔现象，试验前孔壁已受到挤压，故曲线没有前段。,试验方法及技术要求,四、加荷等级和变形稳定标准 加荷等级一般为预计临塑压力的15l7。各级
48、压力增量可相等，也可不等；如不易预估，根据我国行业标准PY型预钻式旁压试验规程（JGJ6990）。,压力增量建议值,变形稳定标准，即指每级压力下测体积变化的观测时间。各级压力下的观测时间，可根据土的特征等具体情况，采用1min或2min，按下列时间顺序测记测量管的水位下降值s。(1)观测时间为1min时：15s、30 s、60s；(2)观测时间为2min时：15s、30 s、60 s、120 s。,试验方法及技术要求,五、试验终止 当测管水位下降接近40cm或水位急剧下降无法稳定时，应立即终止试验，以防弹性膜胀破。可根据现场情况，采用下列方法之一终止试验： (1)尚需进行试验时： 当试验深度小
49、于2m可迅速将调压阀按逆时针方向旋至最松位置，使所加压力为零。利用弹性膜的回弹，迫使旁压器内的水回至测管。当水位接近“0”位时，关闭阀4，取出旁压器。 当试验深度大于2m时，将阀2置于注水位置。打开水箱盖，利用系统内的压力，使旁压器里的水回至水箱备用。旋松调压阀，使系统压力为零，此时关闭阀2，取出旁压器。 (2)试验全部结束： 将阀2置于排水位置，利用试验中当时系统内的压力将水排净后旋松调压阀。导压管快速接头取下后，应罩上保护套，严防泥沙等杂物带入仪器管道。,试验方法及技术要求,六、注意事项 1一次试验必须在同一土层，否则，不但试验资料难以应用，而当上、下两种土层差异过大时，会造成试验中旁压器弹性膜的破裂，导致试验失败。 2钻孔中取过土样或进行过标贯试验的孔段，由于土体已经受到不同程度的扰动，不宜进行旁压试验。 3试验点的垂直间距应根据地层条件和工程要求确定，但不宜小于1m；试验孔与已钻孔的水平距离也应不小于1m。 4在试验过程中，如由于钻孔直径过大或被测岩土体的弹性区较大时，可能水量不够，即岩土休仍处在弹性区域内，而施加压力尚未达到仪器最大压力值，且位移量已达到320mm以上。此时，如要继续试验，则应进行补水。 5试验完毕，若准备较长时间不使用仪器，须将仪器内部所有水排尽，并擦净外表，改放在阴凉、干燥处。,
