（地质工程专业论文）浅基础地基模型试验研究.pdf

摘要 浅基础的地基强度及变形历来是土力学与基础工程学的重要内容之一。自从 土力学学科形成以来，国内外对该问题作了广泛的研究，取得了系列成果。目前 国内在确定地基承载力的实践中普遍采用的是古典塑性理论的刚一塑性极限平衡 方法，它最基本的假定是在整个加荷过程中土体不会发生任何变形，一旦达到极 限平衡状态，则土体开始沿某破裂面产生剪切变形。然而天然土体并非刚塑性体， 如果实际的土体离开刚塑性假设太远，则极限分析设计原则就只能当作一种半经 验的方法采用。模型试验作为研究岩土力学性状的重要手段，是了解岩土变形机 理和建立、检测与改进岩土本构模型的必要手段，同时也为地基处理、隧道开挖 和边坡支护等工程设计提供重要的参考依据。本文在相似理论的指导下，自行设 计并完成了两组模型试验，模拟粉质粘土和砂土地基受荷后变形直到破坏的全过 程，测量并分析地基中不同点处的土压力大小和分布规律、土体中各变形控制点 的位移，观测剪切带的形成与发展过程、分析地基变形破坏模式、变形机制、承 载机理并与相关理论和有限元计算结果作对比、验证。 关键词：模型试验；浅基础；承载力：沉降；有限元方法 a b s t r a c t t h eb e a r i n gc a p a c i t ya n ds e t t l e m e n to ft h es h a l l o wf o u n d a t i o no n s o i li st h ei m p o r t a n ts u b j e c to ft h es o i lm e c h a n i c sa n df o u n d a t i o n e n g i n e e r i n g a t t h e p r e s e n tt i m e ，w eo f t e na d o p tr i g i d p l a s t i c l i m i t e q u i l i b r i u mm e t h o dt od e t e r m i n et h eg r o u n db e a r i n gc a p a c i t y , i tr a d i c a l h y p o t h e s i si s t h es o i li sn o td e f o r m a t i o ni nw h o l el o a d i n gp r o c e s s ，b u t w h e na r r i v ea t1 i m i tb a l a n c es t a t ei tw i l ls h e a rd e f o r m a t i o n n a t u r a ls o i l i s n o tr i g i d p l a s t i cb o d y , s ol i m i ta n a l y s i sj u s to n l yas e m ie m p i r i c a lm e t h o d m o d e lt e s ti sa n i m p o r t a n t m e a n st od e t e r m i n et h em e c h a n i c a l c h a r a c t e r i 3 t i c so fs o i la n dc r e a t e ，v e r i f ya n di m p r o v et h es o i lc o n s t i t u t i v e e q u a t i o n i na d d i t i o n ，i tc a na l s op r o v i d er e f e r e n c es t a n d a r df o rt h ed e s i g n o ff o u n d a t i o n ，t u n n e la n ds l o p ee n g i n e e r i n g ，e t c u n d e rd i r e c t i o no f s i m i l a r i t yt h e o r y ，m o d e lt e s ti sd e s i g n e da n dm a d et os i m u l a t ef o u n d a t i o n d e f o r m a t i o ni ni tw h o l el o a d i n gp r o c e s si no r d e rt oa n a l y z ed e f o r m a t i o n m e c h a n i s m sa n dp a r a l l e lw i t hc o r r e l a t i v et h e o r i e sa n dr e s u l to ff i n i t e e l e m e n t k e yw o r d s ：m o d e lt e s t ；s h a l l o wf o u n d a t i o n ；b e a r i n gc a p a c i t y ； s e t t l e m e n t ；f i n i t ee l e m e n tm e t h o d 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论 文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成 果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 论文知识产权权属声明 年月 日 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归 属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请 专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的 学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 导师签名：彳皮 1 年月 日 劾南年6 日刍f tm 年6 玛6 第章绪论 1 1问题的提出 地基的稳定性直接影响着建筑物的安全运营，是建筑物设计中的控制和操作 因素之一。为了认识地基受荷后变形直到破坏过程的性状，应对建筑物加荷直至 地基达到破坏阶段，而破坏性试验是工程所不容许也不容易做到的。所以，通常 除了理论研究外我们只能通过室内模型试验加以研究并以此验证理论研究所得 的结果，还可以从中得到一些有益的信息和启发。因此，土工模型试验在土力学 研究中起着重要的作用：它能揭示土体各种力学行为的机理，对验证及完善土的 变形和强度理论提供途径，也为岩土工程设计提供依据，以及检验地基承载力、 土压力和边坡的稳定。 建筑物因地基问题引起的破坏，一般有两种可能：一种是由于建筑物在荷载 作用下产生了过大的沉降或沉降差，致使建筑物严重下沉、上部结构开裂、倾斜 而失去使用价值；另一种是由于建筑物的荷载过大，超过了持力层所能承受荷载 的能力，使得地基土体内出现剪切破坏( 塑性变形) 区域，地基发生破坏丧失稳 定性，导致建筑物产生倾倒、塌陷等灾难性破坏。大量工程经验表明，绝大多数 与岩土工程有关的事故，如上部结构的变形破坏、路基沉陷等，主要原因是地基 的过量变形问题，包括总沉降、差异沉降、倾斜和局部倾斜等，而很少是由于地 基强度不足造成的失稳。特别是对于软土地基而言，强度和变形这两个条件，变 形条件显得更为重要。所谓“地基承载力”主要并不取决于地基的强度，而取决 于地基的变形。因此，地基基础设计的原则是变形控制“埘。 地基承受荷载的能力与地基的变形条件和稳定状态是密切相关的。也就是说 在不同的外荷载作用下，地基承受荷载的能力与地基的变形是相互适应的，这种 对应关系一直维持到地基出现失稳破坏为止。由于岩土工程的复杂性和时空性， 地基的受力变形特征、地基中各点的真实应力状态及变化规律一直是岩土工程研 究中的热点和难点问题。大量的试验与实践表明，随着基础的埋深变化，地基的 破坏型式有着很大的不同，因此，深基础和浅基础的评价型式是不同的。本文将 着重讨论、分析条形浅基础地基变形破坏机制、承载机理并与相关理论和有限元 计算结果作对比、验证。 1 2 国内外研究现状 最初，瑞斯诺( r e i s s n e rh ) 、太沙基( t e r z a g h ik ) 等人在普朗特尔( l p r a n d t l ) 研究的基础上先后进行模型试验和理论假设，推出了被广泛应用的地基承载力计 算公式。后来，迈耶霍夫( m e y e r h o f g g ) 、汉森( h a n s e nj b ) 、魏锡克( v e s i c a s ) 、松冈元、m s a s i d d i q q u e e 和龙冈文夫等学者以及国内在2 0 世纪八十年代 后龚晓南、沈珠江、胡幼常、袁凡凡、吴慧明等，对软土地基、复合地基等连续 的和不连续的地基土做了各种各样的模型试验，模拟地基在浅基础、桩基础等不 同基础形式下的受荷及变形，得出地基土在不同形式的基础及荷载下的变形与破 坏的具体关系。 近年来一些学者对地基的变形特性进行了室内的模型研究，主要有利用离 心试验机对研究对象进行离心试验取得了一些定性结论o 。由于离心试验能 加速土体的固结，缩短固结沉降的时间模拟土层的固结状态，这种独特的优点， 对模拟以自重为主要荷载的岩土结构物的性状特别有效“1 。然而，离心试验的费 用很高，一组试验就近万元，这还不包括观测变形和应力应变仪器费用，这使得 一般的研究者难以问津。同时，它也存在一些缺点，如加速度不均匀，快速运转 时土体中各点的位移观测成问题、高加速条件下土体应力应变的特性与常重力加 速度状态下存在差别等。在数值分析方面，数值模拟是解决岩土工程问题的重要 手段，它已越来越多地应用于岩土体稳定性、岩土工程设计和岩土工程基本问题 分析中。但岩土状态参数大多是随机变量，甚至可能是时间或空间的随机过程， 所以岩体工程的状态参数具有随机分布特性，其破坏模式及破坏过程也具有随机 性。而在以有限元为代表的数值计算中，未能考虑这些参数中任何内在的变异性， 因此也无法体现出这些参数的随机分稚特性，再加上所选的物理力学模型的不合 理性等，使得用数值模拟方法计算出来的结果往往不准确，有的与工程实际相差 甚远“。物理模型是真实的物理实体，在基本满足相似原理的条件下，它能更真 实地反映地质构造和工程结构空间关系，更准确地模拟开挖施工过程和影响，并 可给出更为直观的试验结果，与数值计算结果相比，它所给出的结果形象、直观， 能给人以更深刻的印象，使人们更容易全面把握岩体工程的整体受力特征、变 形趋势及稳定性特点。大量的工程实践证明，模型试验方法是研究大型岩土工 程问题，特别是地下工程问题的一种行之有效的方法”“”。1 。 1 3 地基的变形和失稳破坏模式“帅小”儿”儿圳 1 3 1 地基变形破坏的三个阶段 t 图1 1 地基变形破坏的三个阶段 ( a ) 压缩阶段；( b ) 剪切阶段；( c ) 隆起阶段 ： ( a ) 压缩阶段，又称直线变形阶段，对应p s 曲线的o a 段。在这个阶 段外加荷载较小，土体处于弹性平衡状态，地基土以压缩变形为主，压力与变形： 之间基本呈线性关系，地基中任一点的剪应力均小于该点的抗剪强度。 ( b ) 剪切阶段，又称塑性变形阶段，对应p s 曲线的a b 段。在这一阶 段从基础两侧底边缘开始，局部位置土中剪应力等于该处土的抗剪强度，土体处 于塑性极限平衡状态，宏观上p s 曲线呈现非线性的变化。随着荷载的增大， 基础下土的塑性平衡区扩大，载荷一变形曲线的斜率增大。在这一阶段，虽然地 基土部分区域发生了塑性极限平衡，但塑性区并未在地基中连成一片，地基基础 仍有一定的稳定性，地基的安全度则随着塑性区的扩大而降低。 ( c ) 破坏阶段，又称塑性流动阶段，对应p s 曲线的b c 段。该阶段基 础以下两侧的地基塑性区贯通并连成一片，基础两侧土体隆起，很小的荷载增量 都会引起基础大的沉陷，这时变形主要不是由土的压缩引起，而是由地基土的塑 性流动引起，是一种随时间不稳定的变形，其结果是基础向比较薄弱侧倾倒， 地基整体失去稳定性。 从以上可知，地基的三个变形阶段完整地描述了地基的破坏过程。相应于地 基变形破坏的三个阶段，有两个界限荷载：前一个是相当于从压缩阶段过渡到剪 切阶段的界限荷载，称为比例界限荷载或临塑荷载，一般记为p 。它是p s 曲线上a 点所对应的荷载；后一个是相应于从剪切阶段过渡到隆起阶段的界限 荷载，称为极限荷载，记为p u ，它是p s 曲线上b 点所对应的荷载。临塑 荷载p c ，与极限荷载p u 对确定地基的承载力具有很重要的意义，值得说明的是， 通常采用的地基承载力计算公式都是在整体剪切破坏条件下得到的。对于局部剪 切破坏或冲切破坏的情况，目前尚无完整的理论公式可循。有些学者建议将整体 剪切破坏的计算公式适当的加以修正，即可用于其他破坏形式的地基承载力计 算。 1 3 2 地基的破坏模式 裟专氯骖 、 j l 、- ：= 一y 黔霸瑚 l 产。i 囊銎述矿 要垫 图l 一2 地基破坏模式 ( a ) 整体剪切破坏：( b ) 局部剪切破坏：( c ) 冲切破坏 在荷载作用下地基因承载力不足引起的破坏，一般都由地基土的剪切破坏 引起。由于实际工程的现场条件千变万化，所以地基的实际破坏形式是多种多样 的，但基本上有三种破坏模式：整体剪切破坏、局部剪切破坏和冲切剪切破坏， 如图1 2 所示。 整体剪切破坏是一种在基础荷载作用下地基发生连续剪切滑动面的地基 破坏模式，其概念最早由普朗特尔( p r a n d t l ，1 9 2 0 ) 提出：地基在荷载作用 下产生近似线弹性( p s 曲线的首段呈线性) 变形；当荷载达到一定数值时， 在基础的边缘以下土体首先发生剪切破坏，随着荷载的继续增加，剪切破坏区也 逐渐扩大，p s 曲线由线性开始弯曲；当剪切破坏区在地基中形成一片，成 为连续的滑动面时，基础就会急剧下沉并向一侧倾斜、倾倒，基础两侧的地面向 上隆起，地基发生整体剪切破坏，地基基础失去了继续承载能力。描述这种破坏 模式的典型的荷载沉降曲线( p s 曲线) 具有明显的转折点，破坏前建 筑物一般不会发生过大的沉降，它是一种典型的土体强度破坏，破坏有一定的突 然性。如图1 2 ( a ) 所示。 局部剪切破坏是一种在基础荷载作用下地基某一范围内发生剪切破坏区的 地基破坏型式，其概念最早由太沙基( t e r z a g h i ，1 9 4 3 ) 提出：在荷载作用下， 地基在基础边缘以下开始发生剪切破坏，之后，随着荷载的继续增大，地基变形 增大，剪切破坏区继续扩大，基础两侧土体有部分隆起，但剪切破坏区滑动面没 有发展到地面，基础没有明显的倾斜和倒塌。基础由于产生过大的沉降而丧失继 续承载能力。描述这种破坏模式的p s 曲线，一般没有明显的转折点，其直 线段范围较小，如图l 一2 ( b ) 所示。 冲切剪切破坏是一种在荷载作用下地基土体发生垂直剪切破坏，使基础产生 过大沉降的一种地基破坏模式，也称刺入剪切破坏。冲切剪切破坏的概念由德贝 ， 尔和魏锡克( d eb e e r ， v e s i c ，1 9 5 8 ) 提出：在荷载作用下基础产生较大沉 降，基础周围的部分土体也产生下陷，破坏时基础好象“刺入”地基土层中，不 出现明显的破坏区和滑动面，基础没有明显的倾斜，其p s 曲线没有转折点， 是一种典型的以变形为特征的破坏模式，如图1 2 ( c ) 所示。 1 3 3 地基的破坏特征 从大量模型试验与载荷试验的资料显示“”“州”m 1 ，整体剪切破坏、刺入剪切 破坏、局部剪切破坏有以下的特征： 整体剪切破坏的特征是：有一个轮廓分明的破坏图式，包括一个从基础一侧 到地面的连续滑动面。在大多数加荷过程中，在基础两侧能够记录到邻近土体有 隆起的趋向，常出现地表开裂等破坏现象。土体的最终失稳一般只在基础的一侧 发生。整体剪切破坏一般在密砂和坚硬的粘土中最有可能发生。 刺入剪切破坏的特征是：它的破坏形式不易被观察到。当荷载增加时，随着 直接位于它下面持力层土的压缩，基础竖直向下移动。在荷载面积以外的土体， 相对来说，并不受到牵连，基础两边的土实际上没有移动，是一种典型的以变形 为特征的破坏。在压缩性较大的松砂、软土地基或基础埋深较大时相对容易发生 冲切剪切破坏。 局部剪切破坏的特征是：破坏图式包括一个楔形体以及与整体剪切破坏情况 下完全一样的，从基础边缘开始的滑动面，基础下的竖向压缩是显著的，滑动面 在土体内某处终止。在基础的两侧土体一般有较明显的隆起。局部剪切破坏保留 了整体剪切破坏和刺入剪切破坏两种破坏模式的某些特征，表示了一种过渡的模 式，以变形为主要特征。在中等密实的地基土中容易发生这种破坏。 应该说明的是，地基出现哪种破坏形式的影响因素是很复杂的，除了与地基 土的性质、基础埋置深度有关外，还与加载方式和速率、应力水平及基础的形状 等因素有关。如对于密实砂土地基，当基础埋置深度较大，并且快速加载时，也 会发生局部剪切破坏；而当基础埋置很深，作用荷载很大时，密砂地基也会产生 较大的压缩变形而出现冲切破坏。在软粘土地基中，当加荷速度很快时，由于土 体不能及时产生压缩变形，就可能会发生整体剪切破坏。 1 4 本文的研究目的、意义、方法 1 4 1 研究目的 ( 1 ) 弄清地基中应力的大小及其分布、变化规律及地基承载力，并与理论分 析、数值计算的结果作比较和验证； ( 2 ) 通过对砂土、均质土体为地基的模型试验分析比较两者的地基变形破坏 特征和剪切带的形成、发展等特征。 1 4 2 研究的意义 建筑物采用浅基础具有造价低，施工的机具及条件方便，工期短等独特的优 点，在进行基础设计时，应首先考虑采用浅基础的可能性。基础造价般占整个 工程的2 0 一3 0 ，能否选用经济合理，与基础型式的选择有关。在多层房屋 建筑中，当地基软弱不均匀，容许承载力较低或建筑荷载较大时，宜选用十字交 叉条形基础。因为它有利于充分发挥上部持力层的容许承载力，并较容易满足下 卧软弱土层容许承载力的要求，加上沉降量小和沉降稳定时间短，工程量较小等 优点，故应作为首选“。鉴于条形浅基础的重要性、实用性与广泛性，有必要对 条形浅基础地基的应力、应变特性及承载机理做研究。 小比例的模型与实际工程不具可对比性，即并不能将其研究成果直接应 用于某个实际工程实践。但在研究其变形过程、破坏形态和变形机理等方面 仍具有理论研究意义。1 。 1 4 3 研究方法 土力学是一门试验性很强的学科，离开了试验和测试就无法发展。另一方面， 土工试验如果离开了理论的指导，也就失去了意义。二者是相辅相成的。“。在土 力学的应力、应变分析中，模型试验是一种行之有效的方法，它能探索许多运用 数学分析方法不易解决的问题，诸如岩土体在弹性、塑性、粘性范围直到破坏的 机理，以及运动与动力学等问题，其参数选择具有可控性和灵活性，研究周期较 短。它还能够与有限元结合，既保存了模型试验固有的优点，又可充分发挥快速 高效的数学计算功能，减少重复进行模型试验的工作量。 本文在相似理论的指导下，自行设计并完成了两组模型试验，模拟粉质粘土 和砂土地基受荷后变形直到破坏的全过程，测量并分析地基中不同点处的土压力 大小和分布规律、土体中各变形控制点的位移，观测剪切带的形成与发展过程、i 分析地基变形破坏模式、承载机理并与相关理论、有限元计算结果作对比和验证。 第二章条形基础地基二维模型试验 2 。1 模型设计理论 2 1 1 模型的定义恤1 可以援引我国著名学者华罗庚、宋健在模型与实体一文中提出的论述： 模型是对实体的特征和变化规律的一种定量的抽象，而且是对那些所要研究 的特定的特征的定量抽象。模型能在所要研究的主题范围内更普遍、更集中、更 深刻地描述实体的特征。通过建立模型而达到的抽象反映了人们对实体认识的深 化，是认识论的一个飞跃。模型的作用不在于也不可能表达实体的一切特征，而 在于表达它的主要特征，特别是表达我们最需要知道的那些特征。从这个意义上 讲，模型又优于实体，因为模型更深刻和更集中地反映客观事物的主要特征和规 律。 2 1 2 相似原理踟 相似理论是说明自然界和工程中各种相似现象相似原理的学说，由于其能 将工程实际与模型试验联系起来，揭示具体工程的实际问题，因此在试验理论学 科中得到了广泛应用。相似原理由3 个相似定理组成。这3 个相似定理从理论上 阐明了相似现象有什么性质，满足什么条件才能实现现象的相似。 第1 相似定理相似正定理：彼此相似的现象，单值条件相同，其相似判 据的数值也相同。这里的单值条件，指决定一个现象的特性，并使它从一群现象 中区分出来的那些条件。 第2 相似定理了c 定律：当某一现象由n 个物理量的函数关系来表示，且这 些物理量中含有m 种基本量纲时，则能得到( n m ) 各相似判据；描述这一现象 的函数关系式，可表示成如下过程： 一般物理方程 ( x 1 ，x 2 ，x 3 ，x n ) 20 按第2 相似定理，可改写成 妒( 巧1 ，玎2 ，巧3 ，兀。一。) = o 第3 相似定理相似逆定律：现象的单值条件相似，并且由单值条件导出 来的相似判据在数值上相等，是现象彼此相似的充分和必要条件。 8 单值条件相同是指：该系统激活条件相似，在被研究过程中具有根本意义的 物理常数成正比例。 主导相似判据是指在系统中具有重要意义的物理常数和几何性质所组成的 判据。 上述表明，支配研究对象的物理量越多，相应的相似条件也越多，模型与原 型相似的条件也愈严格，模型与原型的完全相似则愈难于满足。所以在模型设计 中，应根据任务明确试验研究具体目的，尽量保证满足主要物理量的相似条件， 而对次要物理量的分析以解析方法进行补充或将现象分割使其部分相似来缓和。 对此只能通过不断改善试验条件在积累更多经验的基础上加以完善。 因此，模型设计不仅仅是模型本身尺寸比例的缩小或放大的问题，而是要 考虑为了使模型试验结果可以推算到原型上去，需对整个试验过程做周密的设 计，如模型试验对加载设备、量测仪器、模型制作材料等系列问题的考虑。一 般来讲，对于研究弹性阶段应力状态的模型试验，模型材料应尽可能与一般弹性 理论的基本假定一致，即材料是均匀、各向同性，应力与应变呈线性变化，且有 不变的泊松系数。对于研究结构的全部特性( 即弹性和强度以及破坏时的特性) 的模型试验，通常要求模型材料与原型材料的特性极相似，最好是模型材料与原 型材料一致瞄1 。 2 1 3 模型试验的相似准则 为了简化模拟技术，节省经费和时间，本项试验采用了缩尺结构( 几何比尺 为1 5 0 ) 和原形土进行试验。对于条形基础地基在荷载作用下的承载力和变形 机理来说，属于比较复杂的物理现象，除了受地基土的物理、力学性质影响，还 与基础埋置深度、加载方式和速率、应力水平、时间等因素有关，缺乏一个统一 的物理方程描述，因此目前只能从物理模拟的角度进行研究。本试验以条形基础 地基为原型，采用物理模拟方法，在以下方面进行模拟，以达到在与实际工程大体 一致情况下通过模型试验来研究条形基础地基： 1 材料相似。地基模型采用与原型相同的介质( 粉质粘土与细砂) ，故本构 模型具有天然的相似性。 2 几何条件相似。因相似现象必定发生在几何相似的空间内，故模型中地基 9 的几何形状应与实际地基相似，主要是长、宽和深度几何相似。 3 载荷相似。模型和原形在对应点所受的载荷方向一致、大小成比例。载荷 试验实质上是基础的模拟试验，最能体现地基在荷载作用下的真实状况。 4 边界条件相似。充分考虑到实际情况，模型的边界按半无限空间设计为： 横向柔性边界条件；纵向平面应变边界条件。 5 起始应力条件相似。把土填至模型槽内预定高度后，用1 5 个沙袋装满细沙 ( 约7 5 i ( n ) 预压4 8 4 , 时，使之与土体在天然自重条件下的正常固结状态基本相 似。 。 可以看出，由于影响地基应力、变形的因素很多，要在模型试验中满足所有相 似条件很难做到，部分条件只能近似满足，对此只能通过不断改善试验条件在积 累更多经验的基础上加以完善。 最后，根据现有经验公式和理论分析，筛选出起决定作用的物理量( 见表2 1 ) 采用矩阵法推导相似准则方程，可写出如下函数式： f ( a s c w 。r p ) = o 用矩阵法求准则方程，列矩阵表( 见表2 2 ) 从表的上半部分可以列出各参 数指数间的代数方程： a + d + f + g = 0 2 a + b 。2 d 3 f 2 9 = 0 仅有2 个方程，但未知数有7 个，分别将n 1 、2 、3 、4 、n5 之左侧 值带入公式求出f ，g 值 得到 表2 1 影响地基的参数 符号意义量纲 o 土体应力 【k n m 2 】 s 基础沉降m 西 土体的内摩擦角 门 c 土体的粘聚力 【k n m 2 】 w 含水率 r 土体的密度 【k n m 】 p基础的压力 【k n m 。 1 0 玎，2 詈 。等 二加。2 詈 5 矿玎，2 了川：。了川。2 妒邝。2i s 5 矿 则地基沉降的准则方程为 序号 abcdef g 参数 0 s 中 cwr p 【f 】 1o o 1 0 1l 【l 】 一2102o32 l0o0o01 丌l 01o00l一1 2 0o100o0 3 00o10o一1 n 。 00001oo 5 蝴u 一2 暑得：暑2 考且哮2 吃p - - 即乞2q ( 2 ) 蝴口呢= 詈得：詈= 等耳汪sr = p p 臣眨= 乞 皿口 ( 3 ) 由准则= 妒，由于采用原形土，故c m 2 1 搠u 吼2 暑得：盖。景睨= g ( 5 ) 由准则呢= 矿，由于采用原形土，故c 。= 1 以上关系式中：加脚标m 者为模型参数，未加者为原型参数，c + 为相似比。 以上相似判据在本模型中较好满足，根据相似第3 定理，现象的单值条件相 似，并且由单值条件导出来的相似判据在数值上相等，故模型中的现象必与原型 中的现象相似。 = 矿 cp表 ， 阵 痧 矩旦耙 盯一p 2 2 试验模型的介绍 2 2 1 模型槽及基础 整个模型槽采用厚度为1 5 r a m 的有机玻璃板制成，长、宽、高为( 净尺寸) ： 2 4 0 5 5 1 2 0c m 。 试验模型槽选择使用有机玻璃制成主要是因为有机玻璃材 质轻，有利于模型槽搬动与安装，以减轻重量，减少劳动强度，并且通过透明的 有机玻璃材料还可以直接观察到整个试验过程。模型槽四周由三道槽钢组成的框 架箍紧，以限制有机玻璃的变形并防止其破坏。此次试验主要研究平面课题，使 用条形基础模型，基础分别由长、宽、高为5 0 2 0x2 c m 的钢板与长、宽、高 为5 0 1 5 3 0c m 的素混凝土块制成，两次试验基础埋深均为零。 2 2 2 加载设备与反力系统 采用1 0 0 k n 油压千斤顶施加垂向压力，试验前经过标定，所施加的荷载可 由安装在千斤顶上的油压表直接读出经公式换算后得到。反力由地锚提供，地锚 根据锚桩受力方向的不同可分为斜拉式和竖直式，斜拉式中的锚桩受土的竖向阻 力和水平阻力，竖直式中的锚桩只受土的竖向阻力。本次试验采用斜拉式锚杆反 力装置，示意图如下 图2 - 1 斜拉式锚杆反力装置 模型试验装置及加载设备示意图如下两幅图所示 图2 2 a 模型试验装置及加载设备示意图 图2 - 2 1 模型试验装置及加载设备示意图 注意事项：千斤顶及衬垫物必须保持垂直，以免加压时千斤顶倾倒发生事故 并影响测试数据的准确性。千斤顶加荷时，启动杠杆要轻抬慢压，以免对地基造 成脉冲荷载，增大沉降量。严格控制好加荷速率，若果速率过快，由于土体不能 及时产生压缩变形，就可能会改变地基变形破坏的特征。 2 2 3 土样制备 模型试验共计两组，一组试验材料为粉质粘土( 以下简称试验) ，另一组 试验材料为细砂( 以下简称试验) 。通过砂土、粉质粘土的模型试验分析比较 两者的地基变形破坏特征以及地基土中土压力的大小及其分布、变化规律。 试验中的土料取自西安市南郊某建筑工地基坑内，取土深度约为6 米，物 理力学性质指标见表2 3 。用铁锹把从工地运回来的土体摊开、捣匀，过5 m m 的筛，以便除去土中杂物。在模型槽内装土料时，进行分层铺装压密。分层厚度 为5 c m ，经计算后每层加入相同质量的土料( 以保证与原形土的容重相同) ，整 平后，用特制的捣实器按照某种次序夯实，以保证每层土的密实度基本相同。填 土料时要注意模型槽四壁的土体是否有缝隙、孑l 洞存在，如果有，就要依次多夯 几次。经室内土工试验资料显示，模型槽内上部土体与下部土体的物理及力学性 质相差极小，基本一致。模型槽内土的物理力学性质指标见表2 4 。 表2 - 3 原状土的物理力学性质指标 取：暾含水率重度r液限塑限塑懒 液黻獭内嘲麴 ( m )w ( )o 洲m )w l ( ) w p ( )pkc ( k p a ) 由( 。) 5 0 - 6 09 316 82 9 71 5 51 4 2o 22 1 3忽7 表2 - 4 模型槽内土的物理力学性质指标 取士寝含水率重皮液限塑限塑懒 液懒 粘聚力内摩i 麴 ( m )w ( )r ( 可科)w l ( )w p ( ) 肇kc ( k p a ) 巾( 。) o 3 - 0 77 116 62 9 71 5 5l 生2o 22 1 22 3 5 试验中的砂料取自西安市霸河河床，把砂料风干后过5 m m 的筛，以便除 去其中杂物与大粒径的砂。装料方法同试验，砂料的颗粒级配见表2 - 5 。模型 槽内砂的含水量2 4 ，砂的内摩擦角3 5 。，密度1 4 2 7 9 c m 3 。 表2 - 5 砂的颗粒级配表 颗粒组成( ) 平凇雨效& 陉不均辙 d 6 0d 加 d f ：o d l o s n a l m n 0 7 5 n n o 5 r i m o 2 5 n n f ，、 夕，。 少形 。量三三三孑少 051 01 52 02 53 03 54 04 5 荷载( k n ) 图3 1 5 第二层压力盒随荷载变化曲线 + 7 号压力盘 一8 号压力盒 一9 号压力盒 口一1 0 号压力盒 + 1 2 号压力盒 加 册 加 6 0 5 0 4 0 芒 荸3 0 隶 坦 2 0 1 0 0 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 皇1 0 0 r 坦8 0 6 0 4 0 2 0 0 广 l l 、 二一 形l j 矽 ! ，! ! ! ：；：，r 一一。，- 一 05i 01 52 02 53 03 54 04 5 荷载( k n ) 图3 1 6 第三层压力盒随荷载变化曲线 ， 一， ?广 八 7一 ，j 。， 乡等一 051 01 5z uz 53 u3 54 04 5 荷载( 1 c n ) 图3 一1 71 9 、2 0 、2 1 号压力盒随荷载变化曲线 从图3 1 4 ( 即第一层压力盒) 可见，随着荷载的增加，压力盒读数逐渐增 加，尤其是距基底中心线较近的第3 、第4 号压力盒读数的增长较为显著，峰值 比同一层的压力盒高出5 6 倍，当施加的荷载达到4 0 千牛左右时，压力盒的值 开始下降，第3 、第4 号压力盒读数的下降较为明显，由此可见，此时第一层压 力盒附近土体基本全部破坏； 从图3 一1 5 ( 即第二层压力盒) 可见，随着荷载的增加，压力盒读数逐渐增 加，距基底中心线较近的第9 、第l o 号压力盒读数的增长较为明显，峰值比同 一层的压力盒高出35 倍，垂直埋设的第7 、第1 2 号压力盒读数增长最慢，当 施加的荷载达到4 0 千牛左右时，第8 、9 、1 2 号压力盒的值开始下降，第7 、1 0 号压力盒的值继续上升； 从图3 1 6 ( 即第三层压力盒) 可见，随着荷载的增加，压力盒读数逐渐增 加，距基底中心线较近的第1 3 、第1 6 号压力盒读数的增长较快，但不如第一、 第二层压力盒读数那样增幅明显，即这一层土体的受力比较均匀，不像上层土体 那样局部受力较大，因而压力盒读数增长较为平稳；距基底中心线较较远的第 1 8 号压力盒读数增长缓慢，当施加的荷载达到4 0 千牛左右时，第1 3 、第1 6 号 压力盒读数开始缓慢下降，第1 4 、1 7 、1 8 号压力盒读数继续上升，由此可见， 此时第三层压力盒附近的大部分土体较之第一、第二层压力盒附近土体而言，破 坏的区域小且大部分土体仍然处于挤密状态，大部分土体没有达到抗剪强度。 从图3 1 7 ( 第1 9 、2 0 、2 1 号压力盒) 可见，随着荷载的增加，压力盒读数 增长迅速，距基底最近的第2 1 号压力盒读数增长最快( 峰值为1 8 6 千帕) ，距基 底较远的第2 0 、1 9 号压力盒读数增长次之( 峰值分别为1 3 3 千帕、9 9 千帕) ， 由此可见此地基中，上部荷载主要由基础下方3 5 b ( b 为基础宽度) 范围内的土 体承担，当施加的荷载达到4 0 千牛左右时，距基底最远的1 9 号压力盒读数开始 下降，2 0 、2 1 号压力盒读数继续增长，即基底正下方2 b 范围内土体一直处于挤 密状态( 即基底以下存在一个压密核) 。这与3 1 节中所提到的，试验后取基底 2 0 c m 内土体测试，密度均有所增大的现象相符。 由以上四幅图可知，随着深度的增加压力盒读数的增长逐渐放缓，距基底中 轴线越近的压力盒读数增长最快，峰值也比同一层的压力盒读数高处许多，刚开 始加压时垂直埋设的压力盒读数变化幅度最小，基底水平埋设的压力盒读数变化 幅度最大，即此时地基土体的受力主要是垂向的，水平方向的力很小，随着千斤 顶压力的增大，太沙基地基破坏图示中的i 区( 弹性压密区) 与基础成为整体， 竖直向下移动，并挤压两侧i i 区和i i i 区( 过渡区和郎肯被动区) 的土体，水平推 力逐渐增大，垂直埋设的压力盒读数变化幅度也逐渐增大。当施加的荷载达到 4 0 千牛左右时，多数压力盒读数开始下降( 尤其是第一和第二层压力盒) ，即大 部分地基二l 体发生破坏而卸荷，部分土体仍然处于挤密状态( 第三层及其以下土 体) ，由以上压力盒的变化曲线可知，第一和第二层土体为地基的持力屡，第三 层及其以下土体为地基的下卧层。 两次试验压力盒都是按基底中轴线对称埋设，压力盒距中轴线的距离与应力 的关系如以下3 幅图所示： 剐 u r 倒 量 一 r 倒 距离( c m ) 6 04 53 01 501 53 04 56 0 歹个2 ：j 初。 ；* j 删 7 广 | fl 。j。? + 第5 级荷载 | jj sj - 第1 0 级荷载 i j 。 一一第2 0 级荷载 。 图3 1 8 基底中轴线附近土中应力分布( 第1 层压力盒) 距离( c ) r 8 0 6 0 4 0 2 002 04 06 08 0 乏。 心? j j? j 7 乃、) l、_一 7 ” f j 7 图3 1 9 基底中轴线附近土中应力分布( 第2 层压力盒) 、， r 目 距离( c m ) - 1 0 0 7 5 5 0 - 2 50 2 55 07 51 0 0 冬心一 心 j - y j _ 么心 ， 乒 | ? 图3 2 0 基底中轴线附近土中应力分布( 第3 层压力盒) 从以上3 幅图可知，距基底越近的土体受力越大，同一层面上，距中轴线越 近的土体所承受力越大，增幅也最为明显，地基土体受力成抛物线型分布。 本次载荷试验历时9 9 5 分钟完成，下图显示了各个压力盒读数随时间变化的 曲线。图中变化明显的压力盒都是距基底中轴线较近或埋深较浅的，读数增幅平 缓的都是距基底中轴线较远或埋深较大的压力盒。 2 0 0 1 8 0 1 6 0 1 4 0 1 2 0 皇 v 1 0 0 式 _80 6 0 4 0 2 0 0 ， ，一 一 一 一 箩乏今 ，? 7 乡7 ，彳 磊一一 2 0 04 0 06 0 08 0 0 时阳l ( m i n ) 图3 2 l 压力盒读数随时问变化曲线 1 2 0 0 一l 号压力盒 一2 号压力盒 一3 号压力盒 和4 号压力盒 一6 号压力盒 一7 号压力盒 卜8 号压力盒 一9 号压力盒 一1 0 号压力盒 1 2 号压力盒 一1 3 号压力盘 一1 4 号压力盒 卜1 6 号压力盘 1 7 号压力盒 一一1 8 号压力盒 一 1 9 号压力盘 一2 0 号压力盒 一2 i 号压力盒 3 4 2 试验地基应力分析 本次荷载共分2 3 级施加完成，分级加载见表3 2 表3 - 2 试验加载分级表 荷载等级 l23456789 荷载( k n )4 25 8 7 491 0 61 2 21 3 8 1 5 5 1 7 1 时间( r a i n ) 3 06 09 01 2 01 5 01 8 02 1 02 4 02 7 0 荷载等级 l ol l1 21 31 41 51 61 71 8 荷载( k n ) 1 8 72 0 32 1 92 3 52 5 12 6 72 8 32 9 93 1 5 时间( m i n ) 3 0 03 3 03 6 03 9 04 3 54 6 55 1 05 4 05 8 5 荷载等级1 92 02 12 22 3 荷载( k n ) 3 3 13 4 83 6 43 83 9 6 时间( m i n )6 3 06 7 57 3 57 9 58 7 0 试验过程中用万用表实时的纪录了压力盒的数据( 有关压力盒的埋设等说明 详见2 4 1 土中应力的测量) ，处理资料时发现第4 号压力盒数据失真，因此不 采用。现将第一层( 1 、2 、3 、4 、6 号压力盒) 、第二层( 7 、8 、9 、1 0 、1 2 号压 力盒) 、第三层( 1 3 、1 4 、1 6 、1 7 、1 8 号压力盒) 以及基础正下方1 9 、2 0 、2 1 号压力盒随荷载变化的曲线分别绘制如下： 1 0 0 9 0 8 0 7 0 6 0 盘 兰5 0 r 皇4 0 3 0 2 0 1 0 0 今 。 f 声 一 _ 岁笔三髦盛嘉璺薹吾车浮宰矧q 0 51 01 52 0 2 5 3 0 3 5 4 04 5 荷载( k n ) 图3 2 2 第一层压力盒随荷载变化曲线 9 0 8 0 7 0 6 0 妥5 0 、一 r4 0 出 3 0 2 0 1 0 0 5 0 4 5 4 0 3 5 ，、3 0 芒 詈2 5 r 出2 0 1 5 1 0 5 0 纠 矿n 一 、 庐 亏簪兰黟萋多一 o51 01 52 02 53 03 54 04 5 荷载( k n ) 图3 2 3 第二层压力盒随荷载变化曲线 、 八 、 ，一瓜 p 日，。 一一一。舻二。j 一逛 l 。5 一一 一一 一 、 l 051 01 52 02 53 03 54 04 5 荷载( k n ) 图3 2 4 第三层压力盒随荷载变化曲线 一7 号压力盒 + 8 号压力盒 一9 号压力盒 口一1 0 号压力盒 + 1 l 号压力盒 一1 2 号压力盒 一1 3 号压力盒 + 1 4 号压力盒 1 5 号压力盒 - - o - 1 6 号压力盒 一1 7 号压力盒 一1 8 号压力盘 5 0 0 4 5 0 4 0 0 3 5 0 3 0 0 詈2 5 0 r 鼍2 0 0 1 5 0 1 0 0 5 0 0 广 丁 广 ? 一一一 ；二= o ， 051 01 52 02 5 荷载( i 【n ) 图3 2 51 9 、2 0 、2 l 号压力盒随荷载变化曲线 从图3 2 2 ( 即第一层压力盒) 可见，随着荷载的增加，压力盒读数逐渐增加 ( 增长幅度较试验小) ，距基底中心线较近的第3 号压力盒读数的增长较为显 著，峰值比同一层的压力盒高出4 5 倍；垂直埋设的6 号压力盒( 基础右边) 读数 总是比垂直埋设的1 号压力盒( 基础左边) 读数大，证明基础右边的土体受到的 水平推力比左边受到的水平推力大( 可能基础产生了一定程度的倾斜) ，当施加 的荷载达到3 8 千牛左右时，压力盒的值开始下降，第3 号压力盒读数的下降较为 明显，由此可见，第一层压力盒附近土体基本全部破坏。 从图3 2 3 ( 即第二层压力盒) 可见，随着荷载的增加，压力盒读数逐渐增加 ( 增长幅度与峰值较试验小) ，距基底中心线较近的第9 、第1 0 号压力盒读数的 增长较为明显，峰值比同一层的压力盒高出5 6 倍，其余压力盒读数增长缓慢； 垂直埋设的1 2 号压力盒( 基础右边) 读数总是比7 号压力盒( 基础左边) 读数大， 进一步证明了基础右边的土体受到的水平推力比左边受到的水平推力大。当施加 的荷载达n 3 8 千牛左右时，第二层所有的压力盒的值开始下降，由此可见，此时 第二层压力盒附近土体基本全部破坏。 从图3 2 4 ( 即第三层压力盒) 可见，随着荷载的增加，距基底中心线较近的 第1 3 、第1 6 号压力盒读数缓慢增长，其余压力盒读数几乎不增长，直到荷载达到 2 8 千牛后，第1 4 、1 7 号压力盒读数才缓慢增长，而第1 5 、1 8 号压力盒读数此时已 成下降趋势( 即其附近土体开始破坏而卸载) ，当施加的荷载达n 3 8 千牛左右时， 第三层压力盒读数已全部下跌，由此可见，此时第三层压力盒附近的大部分土体 业已破坏，地基完全丧失稳定。 从图3 2 5 ( 第1 9 、2 0 、2 1 号压力盒) 可见，随着荷载的增加，压力盒读数增 长迅速，距基底最近的第2 l 号压力盒读数增长最快，峰值达到了