螺旋板载荷测试

Question

如题所述

Answer 1

（一）概述

螺旋板载荷测试是近20年来由常规的平板载荷测试演变而来的。它是将一个螺旋形的承载板（类似于地锚），借用机械或人力旋入地面以下预定的深度后，通过传力杆对螺旋形承载板施加荷载，并观测板下地基土体受压后板的位移，从而获得地基土的应力－应变－时间的关系曲线，通过计算可以求得地基土不同深度处的承载力、模量值、固结系数和软粘土的不排水抗剪强度等设计参数。

（二）螺旋板载荷测试仪器设备

目前，由华东电力设计院研制，由浙江省温岭市南光地质仪器厂生产的WDL型螺旋板载荷测试仪（图4—6）已批量生产。它由以下几部分组成。

图4—6　WDL型螺旋板载荷测试仪结构及安装图

1—螺旋承压板；2—测力传感器；3—传力杆；4—传力接杆（长短各一）；5—反力地锚；6—加长接杆；7—工字大梁；8—横支梁；9—磁性表座；10—机电百分表；11—液压千斤顶；12—千斤顶座；13—沉降支板；14—表座托板；15—小地锚

（1）加压部分：液压千斤顶、千斤顶头、顶座，传力杆及其长短接杆等。

（2）反力装置：由直径为300mm大地锚4个及其加长锚接杆、横支梁、工字大梁等组成反力架。

（3）沉降观测装置：2个小地锚，表座托板构成沉降支架，将磁性表座、机电百分表安装其上。

（4）测压仪器：电阻应变式传感器安装在螺旋板上，由五蕊插头座通过四蕊屏敝电缆跟地面上二次仪表联接（二次仪表可采用电阻应变仪、数字测力仪、微机等）。

（5）螺旋承压板为规定的几何形状与尺寸的圆形板。有适合软土、硬土的几种板型。通常型板：φ160mm，钢板厚5mm，截面为200cm²，螺距为40mm。特殊板型有：φ252mm，截面为500cm²，螺距为65mm；φ113mm，截面为100cm²，螺距为25mm。

（三）安装与调试

1.室内准备

（1）螺旋板探头率定：①接好仪表，将板头放入水中，观察其绝缘性（可放入15m深水中观测7d）；②将板头放在率定架上，观察加载与读数的线性关系，并写出率定报告。

（2）检查其它部件完好情况。

（3）将承压板的方榫插入板头传感器下端方孔中，须上下滑动自入；再用一根约3mm软金属丝（硬粘土可用钴丝，软粘土用保险丝）插入连接后的销孔中，这样使承压板与传感器连成一体，便可带到现场试验。

2.安装

（1）平整测试场地，择定测试孔。

（2）按测试孔位置，规划反力系统和沉降装置的安装位置；然后用下锚机或人力旋下4个大地锚和沉降支架2个小地锚，并再安装上各自组件。

（3）将传力杆贯串4芯电缆，并跟传感器和承压板连成一体，用人力或下锚机将其旋到既定测试深度。

（4）调整好传力杆顶部至载荷大梁间的距离，使其恰好能安装加压部分（液压千斤顶、顶头、顶座等）。先在传力杆上固定沉降支板，然后将液压千斤顶部分装上。

（5）在沉降支架上装上磁性表座及机电百分表。调整机电百分表量测头跟沉降支板接触的距离。

（6）将电缆接上二次仪表，按规定预热，并调零。

3.操作

（1）按应力法、应变法进行操作（详见测试方法）。

（2）孔内完成一个点的深度测试后，再加接传力杆，将螺旋承压板旋到下一个测试深度。一般点距等于或大于1m，特殊需要也不应小于0.75m。当土质均匀，层厚较大时，点距可取2—3m。

（3）当一个测试孔预定各点深度测试全部完成后，可用人力或机械力将传力杆上拔，拉出地面；将承压板与传感器连接的插销（软金属丝）拆断，此时承压板弃于孔内（因承压板造价低，弃了经济上划算）。

（四）测试方法

WDL型螺旋板载荷测试有应力法和应变法二种。

1.应力法

用压力控制沉降与时间的关系。将土作为弹性体来考虑，以较密实的有一定固结强度的粘土和砂性土为主。按稳定时间的不同又分为慢速法和快速法。

（1）慢速法（相对稳定法）：试验方法与要求可参照一般平板载荷测试进行。

（2）快速法（等速加荷法）：分级施加荷载，每级荷载保持5min—2h，每级荷载增量取预估极限承载力的1/10。

2.应变法

定时控制沉降速率，测定压力变化，将土作为塑性体考虑，以软粘土、淤泥为主。以相等沉降速率来控制加载速率，连续加载，直至土体破坏，并同时按沉降量间隔测记压力值。对沿海地区灵敏度高的饱和软粘土，沉降速度一般以0.25—0.5mm/min为宜；对一般粘性土、软粘土，可采用0.5—2.00mm/min。

3.测试方法选择原则

（1）试验目的主要是评价地基土的承载力时，可选用应力法中的快速法或应变法。

（2）当试验目的是计算地基土的模量（变形模量、压缩模量、固结系数）时，可选用应力法中的慢速法。

（3）当试验目的是计算地基土的不排水抗剪强度和不排水模量时，可采用应变法。

4.维护保养

（1）完成一个场地的全部试验后，须对全套设备分系统仔细揩擦清洗，绝对不许有泥污粘附现象。清理后，须涂油防锈，有条不紊地按系统分箱放置。

（2）对螺旋板传感器、机电百分表、电子秒表及二次数显仪表，切要放在干燥地方，妥善保管，严禁碰撞与曝晒。

（五）资料整理

1.应力法

相对稳定法，一般应绘制荷载与沉降量关系曲线（P-S），沉降量与时间对数关系曲线（S-lgt），绘制方法与要求可参照平板测试。可将同一孔内不同深度试验点的P-S曲线绘于同一张图上，以便相比较。等速加荷法，一般只绘制P-S曲线。当需要计算固结系数时，应绘制荷载级的

曲线，即以沉降量S（单位取mm）为纵坐标，以时间的平方根

（单位取“分”或“秒”）为横坐标。

2.应变法

一般应绘制P-S曲线，方法同应力法。

（六）试验成果的应用

1.P-S曲线上各特征值的确定（见图4—7）

（1）原位上覆压力P₀：为P-S曲线初始直线段的起点，确定方法是将P-S曲线上初始直线段延长，与P轴相交，其交点即为P₀值。在此压力之前，螺旋承压板应该没有或只有极小的沉降。但在实测曲线上，往往显示在P₀压力时就测得了一定量的沉降，这是由于螺旋承压板在旋入土中时对土的扰动所致。

（2）临塑压力P_f：当P-S曲线上有明显的直线段时，一般将初始直线段终点所对应的压力作为临塑压力P_f，又称比例界限值。

（3）极限压力P_u：将P-S曲线末直线段起点所对应的压力定为极限压力P_u。

以上特征值，也可参照平板载荷试验中的方法来确定。

图4—7　螺旋板载荷测试曲线

2.求地基承载力

用螺旋板载荷试验同样可以求地基承载力。其方法是将P-S曲线改为P-S/d曲线，用S/d=0.02来确定承载力，d为螺旋板直径。当螺旋板沉降量与其直径之比为2%时，所对应的压力即为地基容许承载力（地基承载力标准值）。铁三院冯宗禹和华东电力设计院陈继成等对比了用螺旋板与平板载荷试验求得的地基容许承载力值，其结果是一致的或近似的。证明应变法螺旋板载荷测试适合于在工程勘察中大量使用，且可大大缩短观测时间，有推广和实用价值。

3.求模量

（1）当采用等沉降速率法加荷时，可求土的不排水变形模量E_u，公式为：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：k——沉降系数，k=0.6—0.75；系数为0.6时，相当于螺旋板与土为完全粘结；为0.75时，相当于两者无粘结；

△P/△S—P-S曲线初始直线段的斜率；

R——螺旋板半径（cm）。

（2）当采用沉降稳定法加荷时，可求出土的排水模量E，即：

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中，P和S₁₀₀分别为施加的压力和固结完成后的最终沉降量；R为螺旋板半径。

4.求土的径向排水固结系数

根据各级荷载下的螺旋板的沉降量S与时间t值绘制

曲线（图4—8）。由图上t₉₀可计算径向排水固结系数C_h。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中，t₉₀为固结度达90%时的时间（s）。延伸

曲线初始直线段与S轴的交点，过此交点做一1.31倍初始直线斜率的直线，与

曲线的交点的横坐标即为t₉₀（图4—5）。

土体原位测试机理、方法及其工程应用

5.求地基土的不排水抗剪强度C_u

土体原位测试机理、方法及其工程应用

式中：P_j——所施加的极限荷载；

N_k——系数，其值为9—11.35。

（七）地基土体扰动问题

Selvadrai研究认为，如果对螺旋承压板有关部件的尺寸选择适当（例如c/R=0.125,b/R=0.02,t/R=0.02；其中，c为轴杆半径；R为螺旋板半径，t为螺旋板厚度，b为1/2螺距），就可以使旋转螺旋板入土时对土体产生的扰动最小。但目前国内生产的螺板尺寸均未达到上述要求，所以旋入时对土体的扰动可能偏大。也可以使螺板旋入一圈的进尺与其螺距一致，使二者同步。这一措施对硬粘性土或密实砂层特别重要，可减少对土层扰动程度，提高测试精度。