土的载荷试验及变形模量

土的压缩性指标除了由室内压缩试验测定外,还可以通过现场载荷试验确定。变形模量E0是土在无侧限条件下由现场静载荷试验确定的,表示土在侧向自由变形条件下竖向应力与竖向总应变之比。其物理意义与材料力学中的杨氏弹性模量相同,只是土的总应变中既有弹性应变又有部分不可恢复的塑性应变,因此,称之为变形模量。

土的载荷试验是一种地基土的原位测试方法,可用于测定承压板下应力主要影响范围内岩土的承载力和变形特性。载荷试验可分为浅层平板载荷试验、深层平板载荷试验和螺旋板载荷试验三种。浅层平板载荷试验适用于浅层地基土;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;螺旋板载荷试验适用于深层地基土或地下水位以下的地基土。

1.静载荷试验

静载荷试验是通过承压板对地基土分级施加压力p,测试压板的沉降s,便可得到压力和沉降(p-s)关系曲线。然后根据弹性力学公式即可求得土的变形模量和地基承载力。

平板载荷试验装置如图4-4所示,一般由加荷稳压装置、反力装置及观测装置三部分组成。加荷稳压装置包括承压板、千斤顶及稳压器等;反力装置常用平台堆载或地锚;观测装置包括百分表及固定支架等。

图4-4　平板载荷试验的常用装置

试验时必须注意保持试验土层的原状结构和天然湿度,在坑底宜铺设不大于20mm厚的粗、中砂层找平。若试验土层为软塑或流塑状态的薪性土或饱和的松软土时,载荷板周围应留有200～300mm高的原土作为保护层。

《岩土工程勘察规范[2009年版]》(GB50021—2001)中规定:

(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三倍;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。

(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,尽快安装试验设备;螺旋板头入土时,应按每转一圈下入一个螺距进行操作,减少对土的扰动。

(3)载荷试验宜采用圆形刚性承压板,根据土的软硬或岩体裂隙密度选用合适的尺寸;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。

(4)载荷试验加荷方式应采用分级维持荷载沉降相对稳定法(常规慢速法);有地区经验时,可采用分级加荷沉降非稳定法(快速法)或等沉速率法;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%。

(5)承压板的沉降可采用百分表或电测位移计量测,其精度不应低于±0.01mm;5min、10min、15min测读一次沉降,以后间隔30min测读一次沉降,当连读两小时每小时沉降量小于或等于0.1mm时,可认为沉降已达相对稳定标准,施加下一级荷载;当试验对象是岩体时,间隔1min、2min、5min测读一次沉降,以后每隔10min测读一次,当连续三次读数差小于或等于0.01mm时,可认为沉降已达相对稳定标准,施加下一级荷载。

(6)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侧向挤出,周边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的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。

根据载荷试验成果分析要求,应绘制荷载(p)与沉降(s)曲线,必要时绘制各级荷载下沉降(s)与时间(t)或时间对数(lgt)曲线。应根据p-s曲线拐点,必要时结合s-lgt曲线特征,确定比例界限压力和极限压力。当p-s呈缓变曲线时,可取对应于某一相对沉降值(即s/d, d为承压板直径)的压力评定地基土承载力。

2.变形模量

土的变形模量是指土体在无侧限条件下的应力与应变的比值,并以符号E0表示,E0值的大小可由载荷试验结果求得,在p-s曲线的直线段或接近于直线段任选一压力P1和它对应的沉降s1,利用弹性力学公式,即按式(4-6)反求出地基的变形模量。

式中 w——沉降影响系数,方形承压板取0.88,圆形承压板取0.79;

　　μ——地基土的泊松比(参见相关经验值);

　　b——承压板的边长或直径(mm);

　　s1——与所取定的比例界限p1相对应的沉降。

有时p-s曲线并不出现直线段,建议对中、高压缩性土取s1＝0.02b及其对应的荷载;对低压缩性粉土、黏性土、碎石土及砂土,可取s1＝(0.01～0.015)b及其对应的荷载。

现场静载荷试验测定的变形模量E0与室内侧限压缩试验测定的压缩模量Es有如下关系:

式中 β——与土的泊松比μ有关的系数(β＝1－)。

由于土的泊松比变化范围一般为0～0.5,所以β≤1.0,即E0≤Es。然而,由于土的变形性质不能完全由线弹性常数来概括,因而由不同的试验方法测得的E0和Es之间的关系,往往不一定符合式(4-7)。对硬土,其E0可能较βEs大数倍;而对软土,E0和βEs则比较接近。

表4-1　不同土的变形模量经验值

载荷试验在现场进行,对地基土扰动较小,土中应力状态在承载板较大时与实际基础情况比较接近,测出的指标能较好地反映土的压缩性质。但载荷试验工作量大,时间长,所规定沉降稳定标准带有较大的近似性,据有些地区的经验,它所反映的土的固结程度通常仅相当于实际建筑施工完毕时的早期沉降量。此外,载荷试验的影响深度一般只能达(1.5～2)b,对于深层土,曾在钻孔内用小型承压板借助钻杆进行深层载荷试验。但由于在地下水位以下清理孔底困难,加上受力条件复杂等因素,数据不易准确。故国内外常用旁压或触深试验测定深层的变形模量。