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3. 荷载试验
3.1地基土浅层平板荷载试验
浅层平板荷载试验是在一定面积的承压板上向地基土逐级施加荷载，测求浅部地基土承载力和变形模量，它反映承压板下1.5~2.0倍承压板直径的范围内地基土强度、变形的综合特征。
本试验适于所有土层，也是动探、静探、标贯、十字板及旁压及等测试技术进行相关分析的基准性试验。该试验费用较高、耗时较长，多用于大型工程。
试验理论基于土力学变形和强度理论，工程经验丰富、试验数据充分，经验丰富，测试成果可信度较高。
3.1.1试验设备
由加荷及稳压系统、反力系统、观测系统三部分组成，图4-1。
(1)加荷及稳压系统：由承压板、加荷千斤顶板、传力柱、油泵及稳压装置、高压油管、压力表组成。承压板面积有1㎡、0.5㎡、0.25㎡几种规格，分别适于较软至较硬的土层（对于软土不应小于0.5㎡）。
本试验承压板面积为0.5㎡（直径d为79.8cm），厚4cm的圆板。加荷千斤顶100吨，油泵为大容量手摇油泵。
(2)反力系统：有堆载法与地锚法两种。本试验采用堆载法。整个反力系统荷载大于50吨。
(3)量测系统：用百分表（50mm行程）或位移传感器，磁力表座。
本试验由4支行程50mm的位移传感器与SP8型位移数显仪组成，观测方便，读数精确。
3.1.2试验步骤
3.1.2.1设备安装（图3-1）：
（1）试坑直径应≥3d（d为承压板直径）。
（2）承压板底面与土层接触处应铺设厚约2cm左右中、粗砂，以保证承压板水平，并与土层均匀接触。
（3）依次安放千斤顶、传力板、支托工字钢，整个安装过程中一定要用水准尺操平。
（4）安放磁性表座托梁，托梁两支点距离应≥3d。
（5）在承压板边缘均布安放4支位移传感器。位移数显仪每个道数字均调至50mm以上。
（6）由于整个测试时间较长，因此试坑应采取防雨、排水措施。

图3-1 土体平板荷载试验装置示意图
反力系统： 1-加载材料； 2-长1．5m，宽0．25m的钢筋混凝土条形板铺设层（50块），整体面积6m×3m； 3-长6m，宽0．2m，厚0．25m工字钢（7根），组成反力系统底横梁； 4-承台；5-承台钢筋混凝土垫层。
加荷系统： 6-支托工字钢，长3m，宽0．2m，厚0．25m（2根），垂直与底横梁放置； 7-传力柱； 8-千斤顶； 11-承压板（圆板）； 13-手摇油泵； 14-压力表； 15-高压油管。
测试系统： 9-位移传感器或百分表； 10-磁力表座； 12-磁性表座托梁，两支点距离≥3d（d为承压板直径）； 16-位移数显仪。
3.1.2.2 试验操作：
（1）加荷标准：荷载按等量分级施加，加荷等级不应少于8级，最大荷载量不应小于设计要求的两倍，每级荷载增量见表3-1。
（2）稳定标准：每加一级荷载，第一小时按10、10、10、15、15min观测沉降，以后时间每隔30min观测一次沉降。直到连续两小时内，四只位移传感器沉降量小于0．1mm / h时，认为变形稳定，可施加下一级荷载。
（3）终止试验（下列任一种情形的出现皆可）；
a.承压板周围的土明显出现环状张裂隙或土明显隆起；
b.在某级荷载下，24小时内沉降速率不能达到稳定标准；
c.总沉降量与承压板直径或宽度比值（S/d）≥0．06；
d.沉降量急剧增大，P-S曲线出现陡降段。
满足以上任一种情形时，其对应的前一级荷载定为极限荷载。

表3-1 每级荷载荷载增量参考表
试验土质特征
每级荷载（KPa）
软塑粘性土、粉土、稍密砂土
15-25
可塑-硬塑粘性土、粉土、中密砂土
25-50
坚硬粘性土、粉土、密实砂土
50-100
碎石土、软岩石、风化岩石
100-200

3.1.3资料整理
(1)绘制沉降量S（mm）与荷载P（KPa）之间的P-S曲线。
(2)承载力特征值fa的确定：
依据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002），
a.当P-S曲线上有明显的比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值（强度控制法）。
b.当极限荷载能确定，且小于2倍比例极限荷载，取极限荷载的二分之一（极限荷载控制法）。
c.不能按上述两点确定时，当压板面积为0.25㎡~0.50㎡,可取S/b=0,01-0.015所对应的荷载,但其值不应大于最大加载荷载的一半（相对沉降控制法）。
.同一土层参加统计的试验点不应少于三点，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fa。
(3)计算变形模量E0(MPa)：

式中 —比例界限所对应的荷重(kN)。若比例极限点不能确定，则取s/b=0.01-0.015所对应的荷载P；
—与相对应的沉降量（cm）；
—土的泊松比，碎石土取0.25,砂土和粉土取0.30,粉质粘土取0.35,粘土取0.42。
I0—刚性承压板形状系数。圆形承压板取0.785，方形承压板取0.866；
d—承压板直径或边长。
3.1.4记录表格
土的平板荷载试验记录表
工程名称 地 点 编 号

加载系统自重 KN 承压板面积 m2 千斤顶活塞面积 ㎡

观测时间
荷载级数
每级荷载增量
总荷载量
传感器读数
沉降增量
每小时沉降量
总沉降量
备注
1
2
3
4
平均

KPa
KPa
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm
mm

3.2 单桩竖向荷载试验
本试验是确定单桩竖向承载力。试桩数量不宜少于2根，当工程桩数量>200根时，试桩数量应酌情增加。
3.2.1试验设备
(1)加载系统：油压千斤顶及稳压设备、高压油管、压力表。
(2)反力系统：有以下两类。
a.锚桩提供反力，锚桩强度必按1.2~1.4倍测试桩破坏荷载设计。多数是采用工程桩作锚桩，则要求锚桩数量不应少于4根，锚桩上拔量不超过工程要求。图4-3。
b.堆载重物提供反力，可参见平板荷载试验（图3-1）。
(3)量测系统：用位移传感器及数显仪，或大量程百分表；磁力表座。
3.2.2试验步骤
（1）安装如图3-2。预制桩按要求达到混凝土养护时间，桩顶一般应予增加强度。试桩与锚桩的中心距离不应小于2m，并大于3d（d为桩直径）。安放磁力表座的基准梁的支点与试桩或工作桩的距离均应大于4d。

图3-2 桩垂直静载试验装置示意

（2）试验按《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89），采用慢速荷载维持法。
a.荷载分级：加载分级一般为等量，每级荷载值约为单桩承载力的设计值的1/5~1/8。
b.测读桩沉降量的间隔时间：每级加载后，隔5、10、15min各测读一次，以后每隔15min读一次，累计一小时后每隔半小时读一次。
c.稳定标准：在每级荷载作用下，桩的沉降量在每小时内小于0.1mm。
d.终止加载条件：当出现下列情况之一时，即可终止加载：
当荷载—沉降（Q—s）曲线上有可判定极限承载力的陡降段，且桩顶总沉降量超过40mm；
桩顶总沉降量达到40mm后，继续增加二级或二级以上荷载仍无陡降段。(注：桩底支承在坚硬的岩（土）层上，桩的沉降量很小时，最大加载量不应小于设计荷载的两倍。)
e.卸载观测的规定：每级卸载值为加载值的两倍。卸载后每隔15min测读一次，读两次后，隔半小时再读一次，即可卸下一级荷载。全部卸载后，隔3~4h再测读一次。
3.2.3资料整理
(1)单桩极限承载力的确定：
绘制荷载—沉降（Q—s）曲线图，图中应标明试桩的结构尺寸和地质剖面以及各土层的物理力学指标。
a. 当陡降段明显时，取相应于陡降段起点的荷载值；
b. 对于直径或桩宽在550mm以下的预制桩，当某级荷载作用下，其沉降增量与相应荷载增量的比值（）≥0.1mm/kN时，取前一级荷载之值；
c. 当符合终止加载条件第二点时，在Q—s曲线上取桩顶总沉降量s为40mm时的相应荷载值；
(2)参加统计的试桩，当满足其极差不超过平均值的30%时，可取其平均值为单桩竖向极限承载力(注：对桩数为3根及3根以下的柱下桩台，取最小值。)。当极差超过时，应查明原因，必要时宜增加试桩数。
(3)单桩承载力特征值fa的确定：将单桩竖向极限承载力除以安全系数2，即得单桩竖向承载力特征值fa。

3．3 旁压试验
旁压试验又称横压试验。是在钻孔中放入一个可扩张的圆筒形旁压器，通过地面控制装置，使旁压器对钻孔壁施加横向均匀压力，孔壁土体产生变形直至破坏，通过量测施加的压力和土变形之间的关系，即可得到地基土在水平方向上的应力-应变关系，这实质上是在钻孔中进行横向荷载试验。图3-3为旁压测试示意图。
根据将旁压器设置于土中的方法，可以将旁压仪分为预钻式旁压仪（PMT）、自钻式旁压仪（SBPMT）和压入式旁压仪。其中，预钻式旁压仪一般需有竖向钻孔，自钻式旁压仪利用自转的方式钻到预定试验位置后进行试验，压入式旁压仪以静压方式压到预定试验位置后进行旁压试验。
和静荷载试验相对比，旁压试验有精度高、设备轻便、测试时间短不受地下水限制、扰动小等特点，测试成果的可靠性受成孔质量的影响较大。
旁压试验适用于测定粘性土、粉土、砂土、碎石土、软质岩石和风化岩的承载力、旁压模量和应力-应变关系等。

图3-3旁压测试示意图

图3-4 旁压器结构图

3.3.1 试验设备
旁压设备由旁压器（探头）、加压、稳压装置及连接软管、变形量测装置组成（图3-3）。
（1）旁压器：是由一空心金属圆柱筒和固定在金属筒上的橡皮膜组成。一般为三腔式，上下两腔为辅助腔，两腔由管路连通，中腔为测量腔，中腔与辅助腔密封隔离。辅助腔作用是延长孔壁受压土层的长度，减小中腔端部影响，使土层近似的处于平面应变状态。旁压器中轴空心，用来排泄地下水（图3-4）。
（2）加压、稳压装置：压力源为高压氮气或人工打气（附压力表），稳压采用调压阀。连接软管与旁压器连接，内有辅助腔加压和中腔加压管。
（3）变形量测装置：由测管量测孔壁土体受压后的相应变形值。正式试验前，应对旁压器进行标定，包括旁压器的稳定性（反复加压、卸压），橡皮膜的约束力，中腔实际充水量等。
3.3.2 试验步骤
试验前，最好先进行静力触探试验，选择有代表性的位置和深度进行。旁压器的量测腔在同一土层内。为了避免相邻试点应力影响范围的重叠，试验点的垂直间距不宜小于1m，且每层土测点不应少于1个，厚度大于3m的土层测点不应少于2个。
成孔质量是预钻式旁压试验成败的关键，应保证成孔的质量，成孔直径比旁压器外壁大2~8mm为宜，孔形要圆整，孔壁要垂直，成孔深度比试验深度大50cm,不宜在软弱地基中使用。
（1）先将压力表调为零，并对控制装置、连接软管和旁压器充水排气。准备工作完成后，将旁压仪放入预定的试验位置即可进行试验。
（2）加压。加荷等级可采用预计极限压力的1/8~1/12。表3-2为《岩土工程勘察规范》（GB50021—94）规定的加荷等级。
每级压力应持续1min或3min再施加下一级压力，读数时间按15s、30s、60s、120s和180s读数。
（3）当加荷接近或达到极限压力；或者某级压力下60秒与30秒的体积读数差值大于50cm3，中腔充水量达600~700cm3；或者量测腔的扩张体积相当于量测腔的固有体积时，应停止旁压试验。
（4）试验结束后，解除旁压器的压力，直至水位恢复到零位或零位以上，关闭中腔阀门，取出旁压器。
表3-2 旁压试验加荷等级
土的特征
加荷等级（kPa）
临塑压力前
临塑压力后
淤泥、淤泥质土、流塑粘性土、粉土、饱和或松散的粉细砂
≤15
≤30
软塑粘性土、粉土、疏松黄土、稍密很湿粉细砂、稍密中粗砂
15~25
30~50
可塑~硬塑粘性土、粉土、黄土、中密~密实很湿粉细砂、稍密中密中粗砂
25~50
50~100
坚硬粘性土、粉土、密实中粗砂
50~100
100~200
中密~密实碎石土、软质岩石
≥100
≥200

3.3.3 资料整理
旁压试验的测试成果主要是压力和扩张体积（p—V）曲线。
典型p—V曲线(图3-5)，曲线分三段：Ⅰ段为初步阶段；Ⅱ段为似弹性阶段，压力与体积变化量大致成线形关系；Ⅲ段为塑性阶段。Ⅰ—Ⅱ段的界限压力相当于初始水平应力p0 ；Ⅱ—Ⅲ段的界限压力相当于临塑压力pf ；Ⅲ段末尾渐近线的压力为极限压力pp 。各个特征压力值的确定方法如下：
(1) p0的确定：将旁压曲线（p—V）的直线段延长与V轴交于V0，过V0作平行于p轴的直线，该直线与旁压曲线交点对应的压力即p0值。
(2)pf为旁压曲线中直线的末尾点对应的压力。
(3) pp为V=2 V0+Vc所对应的压力，其中Vc为旁压器量腔的固有体积或关系末段直线延长线与p轴交点相应的压力。
3.4.4 试验成果的应用
(1)评定地基承载力：
利用旁压曲线的特征值可以评定地基承载力。评定方法包括：
a.临塑压力法：地基承载力特征值fa为

b.极限压力法：地基承载力特征值fa为

式中：K—安全系数。
(2)旁压弹模Em：
根据弹性理论，旁压模量为

式中：—旁压模量（KPa）；
—泊松比；
Vc—旁压仪量测腔初始固有体积(cm3)；
—旁压曲线直线段头尾中间的平均扩张体积（cm3）；
—旁压曲线直线段斜率（Kpa/ cm3）。