碎石类土地基静力载荷试验检测成果

一、工作任务

通过原位测试知识的学习，学生应能够承担以下工作任务：

（1）掌握静力载荷试验的操作步骤。

（2）掌握试验检测方法的数据采集并能对试验成果进行整理分析。

（3）了解试验检测方法的工作原理及其优缺点。

二、相关配套知识

（一）地基的变形阶段与破坏形态

1.地基的变形阶段

地基土现场载荷试验可得到其载荷p与沉降s的p-s关系曲线，从p-s曲线形态来看，地基破坏的过程一般将经历以下3个阶段，如图6-8所示。

1）压密阶段

压密阶段也称线弹性变形阶段，即p-s曲线中的Oa段。载荷与变形基本上呈直线关系，土中各点的剪应力均小于土的抗剪强度，土体处于弹性平衡状态。载荷板沉降主要是由于土的压密变形引起的，即土内孔隙减少、土粒靠拢挤紧。将p-s曲线上相应于a点的载荷称为临塑载荷pcr，表示载荷板底面以下的地基土体将要出现而尚未出现塑性变形区时的基底压力。

2）剪切阶段

剪切阶段也称弹塑性变形阶段，即p-s曲线中的ab段。当载荷超过临塑载荷pcr后，它已不再保持线性变化而是向下弯曲，沉降的增长率随载荷的增大而增加。在这个阶段，从载荷板边缘开始，地基土中局部范围内的剪应力达到土的抗剪强度，土体发生剪切破坏，塑性变形区（剪切破坏区）以外仍然是弹性平衡状态区，剪切阶段是地基中塑性变形区的发生与发展阶段。将p-s曲线上相应于b点的载荷称为极限载荷pu，它表示地基即将丧失稳定时的基底压力。

3）破坏阶段

破坏阶段也称完全塑性变形阶段，即p-s曲线上b点以后的曲线。当载荷超过极限载荷pu 后，载荷板急剧下沉，即使不增加载荷，沉降也不能稳定，这表明地基进入了破坏阶段。由于土中塑性变形区范围的不断扩展，最后在土中形成连续滑动面，土从载荷板四周挤出隆起，地基土产生剪切破坏而失稳。

2.地基的破坏形式

地基破坏的形式是多种多样的，根据土的性质、基础的埋深、加荷速率等因素而异，大体上可分成3种主要形式，如图6-8所示：

图6-8 地基的破坏形式

1）整体剪切破坏

当地基为密实的砂类土和较坚硬的黏性土，且基础埋置较浅时，常出现整体剪切破坏。当基底压力p＜pcr时，p-s曲线呈直线关系；当基底压力p≥pcr时，塑性变形区首先在基础底面边缘处产生，然后逐渐向侧面向下扩展，此时基础的沉降速率较前一阶段增大，p-s曲线表现为明显的曲线特征；当基底压力达到pu时，剪切破坏面与地表面连通形成弧形的滑动面，地基土沿着此滑动面从一侧或两侧大量挤出，造成基础侧面地面隆起，整个地基将失去稳定，形成破坏状态，如图6-8（a）所示。

2）局部剪切破坏

当地基为一般黏性土或中密砂土，基础埋深较浅时或当地基为砂性土或黏性土，基础埋深较大时，常出现局部剪切破坏。

随着载荷的增加，塑性变形区同样从基础底面边缘处开始发展，但被限制在地基内部的某一区域内，而不能形成延伸至地面的连续滑动面，如图 6-8（b）所示。图中虚线仅表示滑动面的延展趋势，并非实际破裂面。地基失稳时，基础两侧土没有挤出现象，地面只有微微的隆起。p-s曲线有转折点，但不如整体剪切破坏那么明显，转折点b后的沉降速率虽然较前一阶段为大，但不如整体剪切破坏那样急剧增加。

3）冲切破坏

冲切破坏也称为冲剪破坏或刺入破坏。当地基为松砂、饱和软黏土时，随着载荷的增加，基础下土层发生压缩变形，基础随之下沉，当载荷继续增加，在基础边缘下及基础正下方土体产生垂直剪切破坏，使基础刺入土中，而基础两边的土体并无隆起现象。p-s曲线上没有明显的转折点，也无明显的临塑载荷及极限载荷，如图 6-8（c）所示。冲切破坏的主要特征是基础发生了显著的沉降。（二）按规范确定地基承载力

确定地基承载能力的方法，除了按照理论公式以外，还可以采用各地区和各产业部门制定的地基基础设计规范。这些规范所提供的数据和确定地基承载力的方法是根据大量的工程实践经验、土工试验和地基载荷试验等综合分析总结出来的。因为这些数据和方法在地基的稳定和变形方面均具有一定的安全储备，不致因种种意外情况而导致地基破坏，所以它们是确定地基承载力的一种可靠而实用的方法。

《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB 10093—2017）对于一般铁路桥涵基础给出了各种土体基本承载力σ0的数据表，并推荐了计算地基容许承载力[σ]的经验公式。在一般情况下，按照规范确定的地基容许承载力进行设计的建筑物，其地基强度和稳定性可以得到保证，同时其沉降量也在容许范围以内。

1.地基的基本承载力

地基的基本承载力是指当基础宽度b≤2 m，埋置深度h≤3 m时，地质情况简单（指地基土比较均匀或水平成层）的地基容许承载力。基础宽度b的含义：对于矩形基础为短边宽度；对于圆形或正多边形基础为F为基础的底面积。

规范中各类土的基本承载力数据（表 6-16～表 6-25）是根据我国各地不同地基上已有建筑物的观测资料和载荷试验资料，结合工程实践经验，采用统计分析方法制定出来的。若要利用这些表中数据，必须先在现场取出土样，进行室内试验，以划分土的类别和测定土的物理力学指标，然后根据土的分类和测出的有关指标，从表中查取基本承载力。由于我国幅员辽阔，自然条件复杂，不是在任何条件下上述各表都能适用的，因此如经原位测试、理论公式的计算、邻近旧桥涵的调查对比、既有地区建筑经验的调查，确定基本承载力时可不受表列数值的限制；对于地质复杂（指地基土不均匀，或土层倾斜较大，易引起建筑物不均匀沉降）和结构复杂的桥涵地基，应根据实际情况尽量进行原位测试。

表6-16 岩石地基的基本承载力σ0 单位：kPa

注：① 对于溶洞、断层、软弱夹层、易溶岩石等，应个别研究确定；
② 裂隙张开或有泥质填充时，应取低值；
③ 对风化成土、砂、砾状的，可比照土、砂土、碎石土确定，并可根据具体情况按式（6-16）计算容许承载力，当风化后颗粒之间还保持一定联系时可适当提高。

表6-17 碎石土地基的基本承载力σ0 单位：kPa

注：① 半胶结的碎石土，可按密实的同类土的σ0值，提高10%～30% 计算；
② 由硬质岩块组成，充填砂土者用高值；由软质岩块组成，充填黏性土者用低值；
③ 松散的在天然河床中很少遇到，需特别注意鉴定；
④ 漂石、块石的σ0值，可参照卵石、碎石土适当提高。

表6-18 砂土地基的基本承载力σ0 单位：kPa

表6-19 Q4冲、洪积黏性土地基的基本承载力σ0 单位：kPa

注：土中含有粒径大于2 mm的颗粒且按其土重占全重30%以上时，0σ可酌情提高。

表6-20 Q3及其以前冲、洪积黏性土地基的基本承载力σ0

注：①
式中 e1——压力为0.1 MPa时土样的孔隙比；
a1～2——对应于0.1～0.2 MPa压力段的压缩系数（MPa－1）。
② 当Es＜10 MPa时，其基本承载力按表6-21确定。

表6-21 残积黏性土地基的基本承载力σ0

注：本表适用于西南地区碳酸盐类岩层的残积红土，其他地区可参照使用。

表6-22 新黄土（Q4、Q3）地基的基本承载力σ0 单位：kPa

续表

注：① 对Q3新黄土，当0.85＜e＜0.95时，可按表中σ0值提高15%；
② 本表不适用于坡积、崩积和人工堆积层。

表6-23 老黄土（Q2、Q1）地基的基本承载力σ0 单位：kPa

注：① wn——天然含水量， wL——液限含水量；
② 山东老黄土性质较差，σ0应降低100～200 kPa。

表6-24 多年冻土地基的基本承载力σ0 单位：kPa

注：① 本表序号1～5类的地基基本承载力，适合于少冰冻土、多冰冻土，当序号1～5类的地基为富冰冻土时，表列数值应降低20%；
② 含土冰层的承载力应实测确定；
③ 基础置于饱冰冻土的土层上时，基础底面应敷设厚度不小于0.20～0.30 m的砂垫层；
④ 表列数值不适用于含盐量大于0.3% 的冻土。

2.地基的容许承载力

当基础的宽度b＞2 m，基础底面的埋置深度h＞3 m，且h/b≤4 m 时，地基的容许承载力可按式（6-14）计算

式中 [σ]——地基的容许承载力（kPa）。

σ0——地基的基本承载力（kPa）。

b——对于矩形基础为短边宽度（m），对于圆形或正多边形基础为（F为基础的底面积），b大于10 m时，按10 m计算。

h——基础底面的埋置深度（m）（对于受水流冲刷的墩台，由一般冲刷线算起；不受水流冲刷者，由天然地面算起；位于挖方内，由开挖后地面算起）。

γ1——基底以下持力层土的天然容重（ kN/m3），如持力层在水面以下，且为透水者，应采用浮重度。

γ2——基底以上土的天然容重的平均值（ kN/m3）。如持力层在水面以下，且为透水者，水中部分应采用浮重度；如为不透水者，不论基底以上水中部分土的透水性质如何，应采用饱和重度。

k1、k2——宽度、深度修正系数，按持力层土决定，见表6-25。

表6-25 宽度、深度修正系数

注：① 节理不发育或较发育的岩石不作宽深修正，节理发育或很发育的岩石，k1、k2可按碎石土的系数，但对已风化成砂、土状者，则按砂土、黏性土的系数；
② 稍松状态的砂土和松散状态的碎石土，k1、k2值可采用表列中密值的50%；
③ 冻土的k1＝0、k2＝0。

3.软土地基的容许承载力

软土地基的容许承载力必须同时满足稳定和变形两方面的要求，可按下列方法确定，但应同时检算基础的沉降量，并符合有关规定

对于小桥和涵洞基础，也可由式（6-16）确定软土地基容许承载力

式中 [σ]——地基的容许承载力（kPa）；

m′——安全系数，可视软土灵敏度及建筑物对变形的要求等因素选用1.5～2.5；

cu ——不排水剪切强度（kPa）；

γ2、h——同式（6-14）；

σ0——由表6-26确定。

表6-26 软土地基的基本承载力σ0

（三）地基静力载荷试验检测

静力载荷试验（Plate Load Test，PLT）是工程地质上的一种现场试验，指通过一定垂直压力测定土在天然产状条件下的变形模量、土的变形随时间的延续性及在载荷板接近于实际基础条件下估计地基承载力等。静力载荷试验应在建筑物基础砌置深度的承压层中进行。当需要测定黄土的湿陷性时，可在试验中进行人工注水。由于取样方法的改进以及其他先进现场试验方法的出现，现场静力载荷试验已渐逊色，但仍可与其他方法校核使用。试验目的用于确定地基土的比例界限压力、极限应力，为评定地基土的承载力提供依据，还可用于确定地基土的变形模量和基床系数，估算地基土的不排水抗剪强度等。

静力载荷试验分为平板试验、螺旋板载荷试验、深层平板载荷试验等。其中平板测试最为常见。

1.试验设备

平板载荷试验因试验土层软硬程度、压板大小和试验面深度等不同，采用的测试设备也不同。除早期常用的压重加荷台试验装置外，目前国内采用的试验装置，大体可归纳为由承压板、加荷系统、反力系统、观测系统 4 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，通过反力系统反作用于承压板，承压板将载荷均匀传递给地基土，地基土的变形由观测系统测定。

1）承压板类型和尺寸

承压板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，多以肋板加固的钢板为主。承压板形状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。

2）承压板面积

我国勘察规范规定一般宜采用 0.25～0.50 m2，对均质密实的土，可采用 0.1 m2，对软土和人工填土，不应小于0.5 m2。

3）加荷系统

加荷系统是指通过承压板对地基施加载荷的装置，大体有：

（1）压重加荷装置。一般将规则方正或条形的钢锭、钢轨、混凝土件等重物，依次对称置放在加荷台上，逐级加荷，此类装置费时费力且控制困难，已很少采用。

（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。

4）反力系统

一般反力系统由主梁、平台、堆载体（锚桩）等构成。

5）量测系统

量测系统包括基准梁、位移计、磁性表座、油压表（测力环）。

机械类位移计可采用百分表，其最小刻度 0.01 mm，量程一般为 5～30 mm，为常用仪表。电子类位移计一般具有量程大、无人为读数误差等特点，可实现自动记录和绘图。

2.设备的现场布置(www.xing528.com)

当场地尚未开挖基坑时，需在研究的土层上挖试坑，坑底标高与基底设计标高相同。如在基底压缩层范围内有若干不同性质的土层，则对每一土层均应挖一试坑，坑底达到土层顶面，在坑底置放刚性压板，试坑宽度不小于压板宽度的 3 倍。设备的具体布置方式有以下两种：

1）堆载平台方式（图6-9）

图6-9 平板载荷试验装置示意

2）锚桩反力梁方式（图6-10）

图6-10 锚桩反力梁载荷试验装置示意

设备安装时应确保载荷板与地基表面接触良好且反力系统和加荷系统的共同作用力与承板中心在一条垂线上。当对试验的要求较高时，可在加荷系统与反力系统之间，安设一套传力支座装置，它是借助球面、滚珠等，调节反力系统与加荷系统之间的力系平衡，使载荷始终保持竖直传力状态。

3.测试方法与数据采集

平板载荷试验适用于浅层地基，螺旋板载荷试验适用于深层地基或地下水位以下的地基。

承压板形状和尺寸的选择：一般用圆形刚性承压板；一般地基承压板面积0.25～0.5 m2，岩石地基根据节理裂隙的密度确定，一般直径为 300 mm［《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011），以下简称《地基规范》］，复合地基根据加固体的具体情况确定。

试验用的加载设备，最常见的是液压千斤顶加载设备。位移测试可采用机械式百分表或电测式位移计，测试时将位移计用磁性表座固定在基准梁上。液压加载设备和位移量测设备要定期标定，以最大可能地消除其系统误差。

试验的加载方式可采用分级维持载荷沉降相对稳定法（慢速法）、沉降非稳定法（快速法）和等沉降速率法，以慢速法为主。

载荷试验较费时费力，在勘测设计阶段，一般是根据工程设计要求，在一条线路或一个工程地质分区内，选择具有代表性的均质地层（厚度大于2倍压板直径）进行试验。

以下是《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）对于慢速法加载过程的规定：

载荷分级：不少于8级，总加载量不应少于载荷设计值的两倍。

稳定标准：当连续两小时内，每小时内沉降增量小于0.1 mm时，则认为沉降已趋稳定，可施加下一级载荷。

数据测读：每级加载后，按间隔10 min、10 min、10 min、15 min、15 min，以后每半小时读一次沉降，直至沉降稳定。

加载终止标准：

（1）承压板周围的土明显地侧向挤出。

（2）沉降急骤增大，载荷-沉降曲线出现陡降段。

（3）在某一级载荷的作用下，24 h内沉降速率不能达到稳定标准。

（4）s/b≥0.06（b为承压板宽度或直径）。

卸载：该规范没有对卸载过程做出规定，但完整的试验应包含卸载过程。

注意各规范的规定有一些差别。

试验操作过程：

（1）正式加荷前，将试验面打扫干净以观测地面变形，将百分表的指针调至接近于最大读数位置。

（2）按规定逐级加荷和记录百分表读数，达到沉降稳定标准后再施加下一级载荷，一般在加荷 5 级或已能定出比例界限点后，注意观测地基土产生塑性变形使压板周围地面出现裂纹和土体侧向挤出的情况，记录并描绘地面裂纹形状（放射状或环状、长短粗细）及出现时间。

（3）试验过程的各级载荷要始终确保稳压，百分表行程接近零值时应在加下一级载荷前调整，并随时注意平台上翘、锚桩拔起、撑板上爬、撑杆倾斜、坑壁变形等不安全因素，及时采取处置措施，必要时可终止试验。

快速法加载：特点是加荷速率快、试验周期短，一般情况下试验过程仅数小时至十多个小时，但其测试成果和适用条件与常规方法略有差异。

快速载荷试验仍是逐级加荷，但前后两级加荷的间隔时间是固定的，一般为10～30 min，有规定为 60 min 的。根据研究结果，在比例界限点以内的弹性变形阶段，快速载荷试验的沉降量s一般偏小，当载荷超过pl后地基土已处于塑性变形阶段，快速载荷试验的沉降量 s 一般增幅较大，当载荷接近或超过地基土的极限载荷时，快速与常规两种试验p-s曲线逐渐接近，所定极限载荷值相同或差一个载荷级。因此，两种试验方法确定的pl、pz和基本承载力 0σ值基本相近，其极差（最大与最小值间）不会超过平均值的30%，符合规范要求。快速载荷试验主要适用于沉降速率快的地层，如岩石、碎石类土、砂类土等，对毋须作沉降检算的建筑物，结合施工时限也可对黏性土地层采用快速试验。

4.试验成果的整理分析

1）曲线绘制

一般地，地基静载试验主要应绘制p-s曲线，但根据需要，还可绘制各级载荷作用下的沉降和时间之间的关系曲线以及地面变形曲线。

完整的p-s曲线包含了3个阶段，如图6-11所示。

图6-11 某地基静载试验的载荷、位移曲线（p-s曲线）

0A段为弹性阶段，曲线特征为近似线性，基本上反映了地基土的弹性性质，A点为比例界限，对应的载荷称为临塑载荷；

AB段为塑性发展阶段，曲线特征为曲率加大，表明地基由弹性过渡到弹塑性，并逐步进入破坏；

BC段为破坏阶段，曲线特征为产生陡降段，C点对应的载荷称为破坏载荷，在该级载荷作用下压板的沉降通常不能稳定或总体位移太大，C 点载荷的前一级载荷（不一定是B点）称为极限载荷。

若绘出的p-s曲线的直线段不通过坐标原点，可按直线段的趋势确定曲线的起始点，以便对p-s曲线进行修正。

2）试验资料的整理

（1）根据原始记录绘制p-s和s-t曲线图。

（2）修正沉降观测值，先求出校正值s0和p-s曲线斜率C。s0和C的求法有图解法和最小二乘法。

① 图解法。在p-s曲线草图（图 6-12）上找出比例界限点，从比例界限点引一直线，使比例界限前的各点均匀靠近该直线，直线与纵坐标交点的截距即为 s0。将直线上任意一点的s、p和s0代入下式求得C值

② 最小二乘法。计算式如下

解上两式求得

式中 N——加荷次数；

s0——校正值（cm）；

p——单位面积压力（kPa）；

s′——各级载荷下的原始沉降值（cm）；

C——斜率。

图6-12 p-s曲线修正沉降观测

求得s0和C值后，按下述方法修正沉降观测值s，对于比例界限以前各点，根据C、p值按 s=Cp 计算；对于比例界限以后各点，则按 s=s-s0计算。

根据p和修正后的s值绘制p-s曲线。

5.地基承载力的判断

就总体而言，建筑物的地基应有足够的强度和稳定性，这也就是说地基要有足够的承载能力和抗变形能力。确定地基的承载力时既要控制强度，一般至少确保安全系数不小于2，又要能确保建筑物不致产生过大沉降。但具体到各类工程时侧重点有所不同，这与工程的使用要求和使用环境有关。铁路建筑物一般以强度控制为主、变形控制为辅；工业与民用建筑则一般以变形控制为主、强度控制为辅。

《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）附录C对于确定地基承载力的规定如下：

（1）当p-s曲线上有明确的比例界限时，取该比例界限所对应的载荷值。

（2）当极限载荷小于对应比例界限的载荷值的2倍时，取极限载荷值的一半。

（3）当不能按上述两款要求确定时，当压板面积为 0.25～0.5 m2，可取s/b＝0.01～0.015所对应的载荷，但其值不应大于最大加载量的一半。

1）确定地基承载力特征值

在求得地基承载力实测值后，该规范规定按下述方法确定地基承载力特征值：

同一土层参加统计的试验点不应少于 3 点，当试验实测值的极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fak。

铁道部第一勘测设计院曾对全国各地的500多个载荷试验资料进行分析，认为地基基本承载力σ0的取值标准应与地基土的性质结合起来考虑，具体做法是：

（1）对Ql～Q3的老黏性土和Q1～Q2的老黄土，比例界限对应的s/d的平均值为0.03，取相应载荷值的1/2定σ0，其对应的s/d的平均值为0.007。

（2）对一般 Q4黏性土、Q3～Q4新黄土、砂类土一般以比例界限定σ0，它所对应的s/d值为：

① Ip＞10的黏性土和新黄土平均为0.01；

② Ip≤10的黏性土平均为0.012；

③ 砂类土平均为0.015。

当比例界限p1和极限载荷p2不明显时，以s/d＝0.06对应的载荷当作p2，并以p2/2定σ0。

（3）对高压缩性软弱土层一般仍以 p1 定σ0，在满足建筑物的沉降要求时，也可取s/d=0.02对应的载荷定为σ0。

2）确定地基土承载力方法

（1）强度控制法。

即以比例界限p0作为地基土承载力。这种方法适用于硬塑～坚硬的黏性土、粉土、砂土、碎石土。比例界限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时，一般采用直线段的终点所对应的压力即为比例界限。

② 当p-s曲线上无明显的直线段时，可用下述方法确定：

a.在某一载荷下，其沉降量超过前一级载荷下沉降量的2倍。即 Δsn ＞ 2Δsn-1的点所对应的压力即为比例界限。

b.绘制lgp～lgs曲线，曲线上转折点所对应的压力即为比例界限。

c.绘制曲线，曲线上的转折点所对应的压力即为比例界限。其中Δp为载荷增量，Δs 为相应的沉降增量，如图6-13所示。

图6-13 曲线

（2）相对沉降量控制法。

根据沉降量和承压板宽度的比值s/b确定。当承压板面积为 0.25～0.5 m2，可取s/ b= 0.01～0.015对应的压力为地基承载力。

（3）极限载荷法。

当p-s曲线上的比例界限点出现后，土很快达到极限载荷，即比例界限p0与极限载荷pu接近时，将pu除以安全系数 Fs（ Fs=2～3）作为地基承载力；当比例界限p0与极限载荷pu不接近时，可按式（6-21）计算

式中 fk——地基土承载力（kPa）；

p0——比例界限（kPa）；

pu ——极限载荷（kPa）；

Fs——安全系数，一般取3～5。

（4）极限载荷的确定方法。

当载荷试验加载至破坏载荷，则取破坏载荷的前一级载荷为极限载荷pu。

（5）承载力特征值的确定应符合的规定。

① 当p-s曲线上有比例界限时，取该比例界限所对应的载荷值。

② 满足终止试验前三条终止加载条件之一时，其对应的前一级载荷为极限载荷，当该值小于对应比例界限的载荷值的2倍时，取载荷极限值的一半。

③ 不能按上述两款要求确定时，可取 s/ b= 0.01～0.05所对应的载荷值，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3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。