平板荷載試驗在國際工程中應用兩例

楊 深 紅

平板荷載試驗或稱荷載板試驗(Plate Load Test,簡稱PLT),是在具有一定面積和厚度的剛性承壓板上向地基土逐級施加荷載,同時觀測地基土承壓和變形的一種原位試驗。本方法依美國ASSHTO T221規范或ASTM D1195規范設計,每級荷載設計不小于工程技術規范要求的相應數值,荷載級差為所確定的第1級荷載值。試驗結果經處理后,所形成的試驗報告為:①變形模量計算,包括荷載及沉降量隨時間變化曲線,即P-t曲線及S-t曲線,和沉降隨荷載而變化的曲線,即P-S曲線;②地基承載力報告,包括荷載及沉降量隨時間的變化曲線,即P-t曲線及S-t曲線和雙對數坐標下的沉降隨荷載而變化的曲線,即lgP-lgS曲線。

荷載板試驗在卡塔爾場地平整項目和利比亞房建項目中兩次應用,且兩次試驗的方法及程序完全相同,所不同的只是對試驗成果的分析處理。在卡塔爾場地平整項目中是根據試驗成果計算地基土的變形模量E0,而利比亞房建項目中,是根據試驗成果確定地基土的承載力特征值fak。因此,試驗結果的處理,參照《工程地質手冊》第4版荷載試驗“成果應用”一節 “繪制lgP-lgS曲線,曲線上轉折點所對應的荷載即為比例極限”,來確定地基土的承載力。

1 在卡塔爾場地平整項目中確定回填土的變形模量

卡塔爾場地平整項目是將約5km×7km的場地由0～1m高程的原始地面回填至2.5m高程,按每層60cm計,大多數部位需要回填至少4層,部分地塊需要回填6～7層,每層回填碾壓后,按每1000m2三個荷載板試驗點的頻次進行回填質量控制,平均每天約10個試驗點,為保證施工不中斷,荷載板試驗必須快速完成。為此,在ASSHTO T221規范或ASTM D1195規范(三級重復荷載靜力平板試驗)的基礎上,對試驗方法進行簡化,即同樣為三級荷載但每級荷載試驗不再重復,由此,試驗時間耗時由原來的最少1.5 h大大減少為最多1 h,一般在45min左右。此方法經過與監理工程師的多次協商,并在3年的施工期中證明是可靠和可行的。

1.1 場地工程地質概況

試驗點為回填碾壓后的平面,回填料為海沙與破碎石灰石的混合料,最大粒徑300mm,要求回填面的變形模量不小于30mPa。

1.2 試驗方法及依據

1.2.1 試驗設備

試驗設備包括:千斤頂1個(承載力不小于300kN,依試驗所需最大荷載而定)、油壓手動泵1臺、壓力表1塊(量程為70mPa)、高壓油管1根、百分表3塊、剛性承壓板1塊(直徑不小于305mm,厚度不小于25mm)、支架1副。

1.2.2 試驗方法

小心地將表面松軟的部分土壤清除,然后松鋪不超過1mm厚的細沙找平,由裝載機提供荷載,通過位于裝載機底部中間部位且置于承載板上的千斤頂施加各級荷載,所施加的荷載由壓力表讀出,土層沉降由分布在承載板上的3塊百分表讀出。

三級荷載分別為284,578,872kN/m2。每一級荷載施加后,每隔1min記錄3塊百分表的讀數,直至連續3min的沉降量為0.03mm/min,視為本級荷載試驗終止,然后卸載,觀察回彈,直至連續3 min的回彈量為0.03mm/min,視為回彈終止。

1.3 試驗結果分析

對試驗結果進行處理后,形成的試驗報告包括兩部分,一是荷載及沉降量隨時間變化曲線,即P-t曲線及S-t曲線,二是沉降量隨荷載而變化的曲線,即P-S曲線,并計算變形模量。如圖1、2所示。

圖1 P-t曲線及S-t曲線

圖2 P-S曲線

根據《巖土工程勘察規范》之10.2載荷試驗,淺層(深度小于3 m)荷載板試驗的變形模量 E0(MPa),可按下式計算:

E0=I0d(1-μ2)P/S

式中 I0——承壓板的形狀系數,圓形承壓板取0.785 ,方形承壓板取0.886;

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

d——承壓板的直徑或邊長,mm;

P——P-S曲線線性段的壓力,kPa;

S——與 P對應的沉降量,mm。

經過3年的實踐證明,依據ASSHTO T221或ASTM D1195簡化而來的本試驗方法是可靠和可行的,在工程實踐中獲得了良好的實際應用效果,得到監理工程師及業主的充分肯定。由于簡化后的試驗大大縮短了試驗耗時,保證了高強度回填工作的順利進展,是回填工程快速而有效的質量控制手段。

2 在利比亞房建項目中確定土的地基承載力

利比亞房建項目共分為15個施工區塊,分布在約130km長的地段內,小的區塊建筑房屋200套,大的區塊建筑房屋1000套,總計4500套,大多為1層建筑。根據監理工程師的要求,最小區塊需要6～7個試驗點,大的區塊需要試驗點10個以上。

根據檢索結果,目前在國內做荷載板試驗的工地不是很多,且試驗方法耗時且繁瑣,不可能進行大量試驗和快速確定地基土的承載力及其變化特征。而本方法耗時最長不會超過1.5 h(試驗時間依土層的硬度而定),且所需要的荷載是每一個施工工地都具備的裝載機或挖掘機可以提供的(如果需要做淺層荷載試驗的話)。

2.1 場地工程地質概況

由于需要確定原始地表以下1～1.5m深度地基土的承載力,所以試驗是在1m深度的地層進行。而該地層的地質狀況,15個地塊是各不相同的,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巖石為主。由于工程地處非洲撒哈拉沙漠,氣候異常干燥,降水量非常稀少,所以無論是單獨的粉土、粉沙土及粉土或粉沙伴有或大或小的石灰巖石的地基土都異常堅硬。

2.2 試驗方法及依據

2.2.1 試驗設備

試驗設備同卡塔爾場地平整項目采用的設備。

2.2.2 試驗方法

試驗是在開挖后的土層上人工小心地將表面松軟的部分土壤清除,然后松鋪不超過1mm厚的細沙找平,由裝載機提供荷載,通過位于裝載機底部中間部位且置于承載板上的千斤頂施加各級荷載,所施加的荷載由壓力表讀出,土層沉降由分布在承載板上的3塊百分表讀出。

本試驗方法共設計了6級荷載,見表1。

表1 加荷級別

第1級荷載的設計原則是不小于工程設計對地基承載力的要求。本項目設計要求地基承載力為不小于250 kPa/m2,因此,初始設計時第1級荷載設計為284 kPa/m2,荷載級差為284 kPa/m2,共設計了3級荷載,最大荷載為872 kPa/m2,其后,在數據處理中發現3級荷載下,計算土的變形模量是足夠了,但用來確定土的承載力卻遠遠不夠。考慮方便現場試驗及數據處理的要求,遂改為6級荷載。從現場試驗結果來看,對于本地區的土層,采用6級荷載的設計方案已經足夠,否則,需要增加到7級至10級荷載。

2.3 試驗結果分析

通過比較分析,如果采用P-S曲線,在沉降量較小時不易于判定曲線拐點,如圖3和圖4所示。由于工程實際的需要,需對所有試驗結果進行匯總處理,采用P-S曲線是非常不方便的。而由于施工區域的土質比較堅硬,試驗中小沉降量出現的頻率比較大,所以決定采用lgP-lgS曲線。

根據現場試驗記錄,繪制出lgP-lgS曲線,該曲線上的第1個拐點所對應的荷載即地基承載力值。

對試驗結果進行處理后,形成的試驗報告包括兩部分,一是荷載及沉降量隨時間變化曲線,即P-t曲線及S-t曲線,如圖1所示;二是雙對數坐標下的沉降量隨所施加荷載變化的曲線,即lgP-lgS曲線,如圖3所示。

圖3 lgP-lgS曲線

圖4 P-S曲線

對于地基承載力的確定,無非有兩種方法,一是公式計算法,二是圖解法。而目前尚無理論公式和經驗公式可以根據荷載試驗結果,通過計算得到地基承載力。因此,只能根據試驗結果,通過繪圖得出近似的地基承載力。即使如此,由此而得到的地基承載力值與由靜力觸探試驗而得到的估算值相比,不僅更接近于實際的基承載力值,而且更為重要的是,比起靜力觸探試驗來要經濟得多。

總之,根據ASSHTO T221或ASTM D1195簡化而來的本試驗方法,比國內目前普遍采用的方法耗時要短得多,可以說快捷、經濟、方便及可靠是本方法的最大特點。在上述兩個工程項目的實踐中,得到國外監理工程師的充分肯定和認可,為施工方節約了相當可觀的施工成本。如在利比亞項目中,根據技術規范的要求,基礎開挖深度原為2～2.5m,此深度需根據靜力觸探試驗結論所確定,為了節省施工成本,施工企業想盡辦法想減少基礎開挖深度。由于靜力觸探試驗價格高昂,施工方遲遲拿不出實際的數值說服監理工程師。而采用得到監理工程師認可的本方法后,監理方隨即同意將基礎開挖深度減少為1m,這樣就大大減少了混凝土的使用量和回填量,同時回填的質量也更易得到有效控制,所節約的施工成本是相當可觀的。

1 T221—2002,ASSHTO[S].

2 D1195,ASTM[S].

3 工程地質手冊編委會.工程地質手冊(第4版)[M].北京:中國建筑工業出版社,2006.

4 GB50021-2001,巖土工程勘察規范[S].