平板载荷试验的广泛应用

5.1.1　平板载荷试验

平板载荷试验（PLT）（plate　loading　test）是常规的载荷试验，应用广泛。其方法是在保持地基土天然状态的条件下，在一定面积的承压板上向地基土逐级施加压力，并观测每级荷载下地基土变形特征，达到确定地基土承载力及变形参数等目的。

平板载荷试验犹如基础的一种缩尺真型试验，整个试验过程模拟建筑物基础地基土的受荷条件，在基础影响范围内土层基本均一的条件下，其试验成果被认为最可靠，并作为其他原位测试成果的对比依据。

浅层平板载荷试验时，试土不存在边载，荷载作用于半无限体的表面；深层平板载荷试验时，试土存在边载，荷载作用于半无限体的内部。浅层平板载荷试验布置在基础底面标高处，只用于确定地基承载力和土的变形模量，不能用于确定桩的端阻力；深层平板载荷试验的条件与基础宽度、土的内摩擦角等有关，可用于确定地基承载力、桩的端阻力和土的变形模量。

载荷试验只是一种模拟，与实际工程的工作状态总是有差别的。深层载荷试验反映了土的应力水平，反映了侧向超载对试土承载力的影响，作为地基承载力，不必作深度修正，只需作宽度修正。

5.1.1.1　试验设备

目前国内普遍采用平板载荷试验装置，大体由承压板、加荷系统、反力系统、测力系统和观测系统五部分组成。其各部分机能是:加荷系统控制并稳定加荷的大小；反力系统作用于承压板，承压板将荷载均匀传递给地基土；测力系统量测加、卸荷载的量值，观测系统完成地基土变形量测定。

1.承压板

承压板一般用混凝土、钢板、铸铁等刚性材料制成，其中以肋板加固的钢板较多。承压板应具有足够的刚度，不破损、不挠曲，底板光平，尺寸和传力重心准确。

承压板的形状可加工成圆形或正方形，其中圆形受力条件较好，使用也最多。

《岩土工程勘察规范》（GB50021-2001）（2009版）规定土的浅层平板载荷试验承压板面积不应小于0.25m²，对软土和粒径较大的填土不应小于0.5m²；土的深层平板载荷试验承压板面积宜选用0.5m²；岩石载荷试验承压板的面积不宜小于0.07m²。在具体测试时，岩土层中承压板的尺寸应根据土的软硬或岩体裂隙密度选用合适的尺寸，以保证测试成果的可靠度。

2.加荷装置

加荷装置是指通过承压板对地基施加荷载的装置。按压力源主要有三种。

（1）压重加荷装置。一般将规则的钢锭、铅块、混凝土件等重物，顺序对称置放在加荷台上，逐级加荷（图5-1）。

（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。千斤顶装置又分两种:

①单个手动液压千斤顶加荷装置。该装置操作简易，用杠杆启动千斤顶活塞上升给地基施加荷载，但难免对地基土产生瞬时冲击力，劳动强度大，且须人力保持稳压（图5-2）。

②大小千斤顶串联的加荷装置。利用大小千斤顶活塞面积比值放大原理，做等压传递加荷，避免了单个千斤顶的缺陷。

图5-1　压重加荷装置示意图　　　　　　　　　图5-2　千斤顶加荷装置示意图

　　1-承压板；2-沉降观测装置；　　　　　　　　　　1-承压板；2-加荷千斤顶；3-荷重传感器；3-荷载台架；4-重物　　　　　　　　　　　　　4-沉降观测装置；5-反力装置

（3）重物、机械、液压放大加荷装置。该装置基本原理是:将重物（砝码）经轮系放大（动滑轮及杠杆轮），拖动拉力油缸活塞，造成有压油流，按帕斯卡原理构成等压传递，由于大小活塞不等（稳压器与加荷顶面积不等），构成面积比（液压放大比），从而达到轮系放大、液压放大双重目的。其实际加荷值可放大100倍以上，用砝码作重物可实现稳定。

3.反力系统

除压重加荷台装置外，其他加荷装置均需与反力系统配套。视试验地层和上覆土层的软硬程度可选择的反力系统大体有:锚固式、撑壁式、平洞式三种。如图5-3所示。其中撑壁式适用于坑壁土质稳定，坑深1.5m以上的试验；平洞式适用于稳定的岩壁或黄土陡坎下的试验，且其壁厚一般应大于3m；锚固式又分岩石地层的锚杆式、岩石或碎石类地基的锚桩式、细颗粒土地基的地锚式。此类反力系统均须配置简易钢轨梁或轨束梁、钢梁或桁构架、伞形构架等装置。

4.测力系统

测力系统是用来测试试验过程中加、卸荷载量值的测力装置。常用的测力装置有力传感器、压力表或测力钢环。这些测力装置的检测误差不应超过荷载增量的±2%。

5.观测系统

测定地基土沉降和压力板周围地面升降的观测系统。由观测支架部分和测量仪表两部分组成。前者是用来固定量测仪表的装置，后者是用以量测沉降的仪表。一般用百分表、电测位移计、水准仪等，测量精度不应低于±0.01mm。

5.1.1.2　测试方法

平板载荷试验按加荷方式可有常规慢速法与快速法之分。常规慢速法以分级维持荷载沉降相对稳定为标准；快速法则采用分级加荷沉降非稳定法或等沉降速率法。当试验目的是确定地基承载力时，可采用快速法；当试验目的是确定土的变形特性时，采用快速法测试结果只反应不排水条件的变形特性，采用慢速法能反映排水的固结变形特性。通常，快速法适于有地区经验时。

图5-3　载荷试验中常见反力系统类型示意图

（a）用于岩石地基的锚杆式；（b）用于细粒土地基的地锚式；（c）撑壁式；（d）用于岩壁或黄土坎的平洞式

1.仪表标定和准备工作

包括加荷装置的量值标定、观测系统的量值标定、试验地层和加荷等级的选定以及沉降稳定标准的选定。

加荷装置的量值标定也就是各类加荷系统的供力（载荷源）和测力（压力表、测力计等）装置的标定；观测系统的量值标定是指百分表、传感器等仪表的标定；加荷等级一般是按预估试验地层基本承载力的1/5或极限荷载的1/10为一级，当极限荷载不易确定时，也可根据试验地层的软硬程度确定（表5-2）。通常，第一级荷载（含设备自重）宜接近坑底以上土的有效自重压力，加荷等级宜取10～12级，并不应少于8级，荷载量测精度不应低于最大荷载的±1%。

表5-2　各种土层荷载增量参考表

对于常规慢速法，当试验对象是土体时，每级加载后，按间隔5min、5min、10min、10min、15min、15min测读一次沉降，以后每间隔30min测读一次沉降量。当连续2h内，每小时沉降量小于等于0.1mm时，可认为沉降已达到相对稳定标准，可施加下一级荷载；当试验对象是岩体时，间隔1min、2min、2min、5min测读一次沉降。以后每隔10min测读一次。当连续3次读数差小于等于0.01mm时，可认为沉降已达到相对稳定标准，可施加下一级荷载。快速法的加荷间隔时间是固定的，常采用10～30min。

2.试坑开挖和整平

（1）浅层平板载荷试验的试坑宽度或直径不应小于承压板宽度或直径的3倍；深层平板载荷试验的试井直径应等于承压板直径；当试井直径大于承压板直径时，紧靠承压板周围土的高度不应小于承压板直径。其目的是使试验达到或接近地基计算的半空间平面课题边界。

（2）试坑或试井底的岩土应避免扰动，保持其原状结构和天然湿度，并在承压板下铺设不超过20mm的砂垫层找平，并应尽快安装试验设备。撑壁式两侧坑壁与撑板接触面，一般开挖成60°左右的内倾角，撑板以上土壁可挖成直立状；当试验面较深或坑壁不稳定时，坑壁应予以支撑；当试验面在地下水位以下时，应先将试坑内地下水降至坑底以下，并防止因降水而可能产生土体破坏。

3.设备安装

设备的安装顺序是:先下后上，先中心后两侧，即:先轻放承压板并尽量一次性达到预定位置，再放置加荷装置（如千斤顶）及测力系统于其上，后安装反力系统，最后安装观测系统，确保反力系统、加荷装置和承压板的传力重心在一条垂直线上。

4.试验操作

（1）正式加荷前，将试验面打扫干净以观测地面变形，并将承压板上百分表调至零位，将测定地面升降的百分表调至量程的中值位置。

（2）按规定逐级加荷和记录沉降变形量。一般在加荷五级或能确定出比例界限点后，应注意观测地基土产生塑形变形使承压板周围地面出现裂缝和土体侧向挤出情况，并记录和描绘裂缝出现的时间和形状。

（3）试验过程各级荷载要始终确保稳压，百分表行程接近最大值时应在加下一级荷载前调零，并随时注意地锚拔起、撑板上爬、撑杆倾斜、坑壁变形等不安全因素。

（4）当需要卸载观测回弹时，每级卸载量可为加载增量的2倍，历时1h，每隔15min观测1次。荷载安全卸除后继续观测。

5.试验终止条件(www.xing528.com)

图5-4　平板载荷试验成果整理曲线

当出现下列情况之一时可终止试验。

（1）承压板周边的土出现明显的侧向挤出，周边的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级荷载沉降量5倍，荷载与沉降曲线出现明显陡降；

（3）在某级荷载下24h沉降速率不能达到相对稳定标准；

（4）总沉降量与承压板直径（或宽度）之比超过0.06。

5.1.1.3　资料整理

（1）对原始数据检查、校对后，整理出荷载与沉降值、时间与沉降值汇总表。

（2）绘制荷载（P）与沉降量（S）关系曲线（图5-4），必要时需绘制沉降量（S）与时间（t）或时间对数（lgt）曲线。P-S曲线的比例尺，一般按最终荷载与对应的最大沉降量在图幅之比，以0.9∶1.0～1.0∶1.2为宜。

（3）修正原始P-S曲线。

在试验中，由于各种因素影响，会使P-S曲线偏离坐标原点，这时应对P-S曲线加以修正，即修正沉降量观测值。修正方法有以下两种:

①图解法。在原始试验数据绘制的P-S曲线上找到比例界限点P0，从该点向坐标原点方向引一直线，使P0点前的各沉降点尽可能多地靠近直线，直线与纵坐标交点的截距即为S₀（有上截距时，S₀为负值，有下截距时，S₀为正值），相应该直线的斜率即为C。用求取的S₀和C按下式对沉降观测量S进行修正。

对比例界限点P0以前的点，按式（5-1）修正:

对比界限点P0以后的点，按式（5-2）修正:

式中:S′——修正后的沉降量。

②最小二乘法。按下式计算S₀和C，再用式（5-1）和式（5-2）进行修正得到S′，一般通过计算机完成。

式中:N——直线段加荷次数，其他符号意义同前。

根据修正后的S′和其相应的荷载值绘制出P-S′曲线（图5-5），即为平板载荷试验的成果曲线。

图5-5　P-S′曲线

5.1.1.4　试验成果应用

1.确定地基土承载力特征值

（1）当P-S′曲线上有明确的比例界限点时，取该点所对应的临塑荷载（即，比例界限荷载），即f_ak＝P0；

（2）当极限荷载能确定，且该值小于对应比例界限的荷载值的1.5倍时，取极限荷载值的一半，即；

（3）不能按上述两点确定时，如承压板面积为0.25～0.5m²，对于低压缩性土和砂土，可取S/b＝0.01～0.015所对应的荷载值，对中、高压缩性土可取S/b＝0.02所对应的荷载值。

2.计算地基土变形模量

浅层平板载荷试验的变形模量E₀（MPa），可按下式计算:

深层平板载荷试验和螺旋板载荷试验的变形模量E0（MPa），可按下式计算:

式中:P——P-S′曲线直线段的压力值，kPa；

S——P-S′曲线直线段上与压力值相应的沉降量，mm；

d——承压板直径或宽度，cm；

μ——土的泊松比（碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉质黏土取0.38，黏土取0.42）；

I₀——刚性承压板的形状系数，圆形承压板取0.785；方形承压板取0.886；

ω——与试验深度和土类有关的系数，可按表5-3选用。

表5-3　深层载荷试验计算系数ω

注:d/z为承压板直径和承压板底面深度之比。

3.计算基准基床系数K_v

基准基床系数Kv可根据承压板边长为30cm的平板载荷试验结果，按下式计算:

此外，平板载荷试验成果还可用于计算基础的沉降量、反算地基土不排水抗剪强度等。

影响平板载荷试验成果精度的主要因素是承压板尺寸、承压板底面深度、沉降稳定标准和地基土的均匀性。