平板荷载试验在国际工程中应用两例

杨 深 红

平板荷载试验或称荷载板试验(Plate Load Test,简称PLT),是在具有一定面积和厚度的刚性承压板上向地基土逐级施加荷载,同时观测地基土承压和变形的一种原位试验。本方法依美国ASSHTO T221规范或ASTM D1195规范设计,每级荷载设计不小于工程技术规范要求的相应数值,荷载级差为所确定的第1级荷载值。试验结果经处理后,所形成的试验报告为:①变形模量计算,包括荷载及沉降量随时间变化曲线,即P-t曲线及S-t曲线,和沉降随荷载而变化的曲线,即P-S曲线;②地基承载力报告,包括荷载及沉降量随时间的变化曲线,即P-t曲线及S-t曲线和双对数坐标下的沉降随荷载而变化的曲线,即lgP-lgS曲线。

荷载板试验在卡塔尔场地平整项目和利比亚房建项目中两次应用,且两次试验的方法及程序完全相同,所不同的只是对试验成果的分析处理。在卡塔尔场地平整项目中是根据试验成果计算地基土的变形模量E0,而利比亚房建项目中,是根据试验成果确定地基土的承载力特征值fak。因此,试验结果的处理,参照《工程地质手册》第4版荷载试验“成果应用”一节 “绘制lgP-lgS曲线,曲线上转折点所对应的荷载即为比例极限”,来确定地基土的承载力。

1 在卡塔尔场地平整项目中确定回填土的变形模量

卡塔尔场地平整项目是将约5km×7km的场地由0～1m高程的原始地面回填至2.5m高程,按每层60cm计,大多数部位需要回填至少4层,部分地块需要回填6～7层,每层回填碾压后,按每1000m2三个荷载板试验点的频次进行回填质量控制,平均每天约10个试验点,为保证施工不中断,荷载板试验必须快速完成。为此,在ASSHTO T221规范或ASTM D1195规范(三级重复荷载静力平板试验)的基础上,对试验方法进行简化,即同样为三级荷载但每级荷载试验不再重复,由此,试验时间耗时由原来的最少1.5 h大大减少为最多1 h,一般在45min左右。此方法经过与监理工程师的多次协商,并在3年的施工期中证明是可靠和可行的。

1.1 场地工程地质概况

试验点为回填碾压后的平面,回填料为海沙与破碎石灰石的混合料,最大粒径300mm,要求回填面的变形模量不小于30mPa。

1.2 试验方法及依据

1.2.1 试验设备

试验设备包括:千斤顶1个(承载力不小于300kN,依试验所需最大荷载而定)、油压手动泵1台、压力表1块(量程为70mPa)、高压油管1根、百分表3块、刚性承压板1块(直径不小于305mm,厚度不小于25mm)、支架1副。

1.2.2 试验方法

小心地将表面松软的部分土壤清除,然后松铺不超过1mm厚的细沙找平,由装载机提供荷载,通过位于装载机底部中间部位且置于承载板上的千斤顶施加各级荷载,所施加的荷载由压力表读出,土层沉降由分布在承载板上的3块百分表读出。

三级荷载分别为284,578,872kN/m2。每一级荷载施加后,每隔1min记录3块百分表的读数,直至连续3min的沉降量为0.03mm/min,视为本级荷载试验终止,然后卸载,观察回弹,直至连续3 min的回弹量为0.03mm/min,视为回弹终止。

1.3 试验结果分析

对试验结果进行处理后,形成的试验报告包括两部分,一是荷载及沉降量随时间变化曲线,即P-t曲线及S-t曲线,二是沉降量随荷载而变化的曲线,即P-S曲线,并计算变形模量。如图1、2所示。

图1 P-t曲线及S-t曲线

图2 P-S曲线

根据《岩土工程勘察规范》之10.2载荷试验,浅层(深度小于3 m)荷载板试验的变形模量 E0(MPa),可按下式计算:

E0=I0d(1-μ2)P/S

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

μ——土的泊松比,碎石土取0.27,砂土取0.30,粉土取 0.35,粉质粘土取0.38,粘土取0.42;

d——承压板的直径或边长,mm;

P——P-S曲线线性段的压力,kPa;

S——与 P对应的沉降量,mm。

经过3年的实践证明,依据ASSHTO T221或ASTM D1195简化而来的本试验方法是可靠和可行的,在工程实践中获得了良好的实际应用效果,得到监理工程师及业主的充分肯定。由于简化后的试验大大缩短了试验耗时,保证了高强度回填工作的顺利进展,是回填工程快速而有效的质量控制手段。

2 在利比亚房建项目中确定土的地基承载力

利比亚房建项目共分为15个施工区块,分布在约130km长的地段内,小的区块建筑房屋200套,大的区块建筑房屋1000套,总计4500套,大多为1层建筑。根据监理工程师的要求,最小区块需要6～7个试验点,大的区块需要试验点10个以上。

根据检索结果,目前在国内做荷载板试验的工地不是很多,且试验方法耗时且繁琐,不可能进行大量试验和快速确定地基土的承载力及其变化特征。而本方法耗时最长不会超过1.5 h(试验时间依土层的硬度而定),且所需要的荷载是每一个施工工地都具备的装载机或挖掘机可以提供的(如果需要做浅层荷载试验的话)。

2.1 场地工程地质概况

由于需要确定原始地表以下1～1.5m深度地基土的承载力,所以试验是在1m深度的地层进行。而该地层的地质状况,15个地块是各不相同的,但大多以粉土、粉沙土及粉土或粉沙并伴有部分或大或小的石灰岩石为主。由于工程地处非洲撒哈拉沙漠,气候异常干燥,降水量非常稀少,所以无论是单独的粉土、粉沙土及粉土或粉沙伴有或大或小的石灰岩石的地基土都异常坚硬。

2.2 试验方法及依据

2.2.1 试验设备

试验设备同卡塔尔场地平整项目采用的设备。

2.2.2 试验方法

试验是在开挖后的土层上人工小心地将表面松软的部分土壤清除,然后松铺不超过1mm厚的细沙找平,由装载机提供荷载,通过位于装载机底部中间部位且置于承载板上的千斤顶施加各级荷载,所施加的荷载由压力表读出,土层沉降由分布在承载板上的3块百分表读出。

本试验方法共设计了6级荷载,见表1。

表1 加荷级别

第1级荷载的设计原则是不小于工程设计对地基承载力的要求。本项目设计要求地基承载力为不小于250 kPa/m2,因此,初始设计时第1级荷载设计为284 kPa/m2,荷载级差为284 kPa/m2,共设计了3级荷载,最大荷载为872 kPa/m2,其后,在数据处理中发现3级荷载下,计算土的变形模量是足够了,但用来确定土的承载力却远远不够。考虑方便现场试验及数据处理的要求,遂改为6级荷载。从现场试验结果来看,对于本地区的土层,采用6级荷载的设计方案已经足够,否则,需要增加到7级至10级荷载。

2.3 试验结果分析

通过比较分析,如果采用P-S曲线,在沉降量较小时不易于判定曲线拐点,如图3和图4所示。由于工程实际的需要,需对所有试验结果进行汇总处理,采用P-S曲线是非常不方便的。而由于施工区域的土质比较坚硬,试验中小沉降量出现的频率比较大,所以决定采用lgP-lgS曲线。

根据现场试验记录,绘制出lgP-lgS曲线,该曲线上的第1个拐点所对应的荷载即地基承载力值。

对试验结果进行处理后,形成的试验报告包括两部分,一是荷载及沉降量随时间变化曲线,即P-t曲线及S-t曲线,如图1所示;二是双对数坐标下的沉降量随所施加荷载变化的曲线,即lgP-lgS曲线,如图3所示。

图3 lgP-lgS曲线

图4 P-S曲线

对于地基承载力的确定,无非有两种方法,一是公式计算法,二是图解法。而目前尚无理论公式和经验公式可以根据荷载试验结果,通过计算得到地基承载力。因此,只能根据试验结果,通过绘图得出近似的地基承载力。即使如此,由此而得到的地基承载力值与由静力触探试验而得到的估算值相比,不仅更接近于实际的基承载力值,而且更为重要的是,比起静力触探试验来要经济得多。

总之,根据ASSHTO T221或ASTM D1195简化而来的本试验方法,比国内目前普遍采用的方法耗时要短得多,可以说快捷、经济、方便及可靠是本方法的最大特点。在上述两个工程项目的实践中,得到国外监理工程师的充分肯定和认可,为施工方节约了相当可观的施工成本。如在利比亚项目中,根据技术规范的要求,基础开挖深度原为2～2.5m,此深度需根据静力触探试验结论所确定,为了节省施工成本,施工企业想尽办法想减少基础开挖深度。由于静力触探试验价格高昂,施工方迟迟拿不出实际的数值说服监理工程师。而采用得到监理工程师认可的本方法后,监理方随即同意将基础开挖深度减少为1m,这样就大大减少了混凝土的使用量和回填量,同时回填的质量也更易得到有效控制,所节约的施工成本是相当可观的。

1 T221—2002,ASSHTO[S].

2 D1195,ASTM[S].

3 工程地质手册编委会.工程地质手册(第4版)[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.

4 GB50021-2001,岩土工程勘察规范[S].