基础模型试验三

基础模型试验PAGE14基础模型试验摘要：本文对于基础模型试验的基本原理、基本方法、应用现状、存在的问题和发展趋势做了详细的介绍，并由一工程实例阐述了基础模型试验的过程，就基础模型试验在实际岩土工程中的运用，也进行了一些探讨。关键词：相似理论基础模型模型试验1概述基础模型试验的理论与应用一直是困扰岩土工程界研究、设计人员的一个问题。很多重要建筑及复杂基础需要在设计以前进行受力、变形分析，很多工程又不可能在原体工程上进行极限状态的试验，大量的普通建筑基础不可能都一一进行现场观测与试验，因此，基础模型试验研究的意义就越发重要。它虽不能替代原体工程测试结果，但可以摸索出基本受力特征和破坏特征，为设计提供极有参考价值的试验数据，是定性分析的必要手段。准确、真实的模型试验是设计研究的重要依据。相反，不准确、不真实的模型试验却可导致设计偏差而造成无法弥补的损失。因此掌握基础模型试验的理论和方法并能正确使用，是非常重要的。基础模型试验不同于结构构件的模型试验，它不能在相同条件下反复进行。它涉及的影响因素较复杂，结果较离散，确定参数较困难，这就从另一方面对模型试验提出了更高的技术要求。基础模型试验研究可涉及各种基础形式，如箱基、桩基、筏基、独立基础、条形基础、支护结构等；可涉及各类土地基，如砂土、粉土、甚至包括粘土；可涉及土静力学、土动力学和水力学(见图1)。这些问题均可应用模型进行研究。2模型试验的一般理论以相似理论为基础的模型试验（或称模拟），首先对待研究的对象（原形）进行分析，列数学方程或罗列各影响参数，经过相似转换求出相似准则；其次，考虑量测传感器的尺寸和所需精度、试验条件等因素，确定模型试验的几何缩比；第三，按各准则来设计试验模型（试验台），试验以后用准则形式来处理试验数据；最后，仍用相似理论确定试验结果可扩大应用的范围。基础的模型试验可划分为两类，一类是不真实的定量分析模型试验，其特点与定性分析试验相似，不含几何尺寸因素影响，仅研究破坏状态的基本特征，如土压力理论的摩尔一库仑定律等；另一类是真实定量分析模型试验，研究基础在正常使用状态，即破坏以前状态的基本特征，如压板试验等。对后一类模型试验，模型设计必须满足一定的相似条件。所谓相似就是模型与原型对某一物理过程产生的同名物理量之间均存在定比关系。模型理论就是要建立一些规则，以使原型的性能可以用模型性能的函数来表达，即确定原型与模型之间的相似准数。确定相似准效有两种方法，即方程式分析法和量纲分析法。用方程式分析法推导相似准数，只要描述现象的方程式正确，所获得的相似准数常常比较明显地表示一定的物理意义，在推导过程中也不会遗漏某些物理量而导致不正确的结论。因此，这种方法比较确切可靠。然而在实践中，所遇到的过程往往过于复杂，不能用分析的方法来建立方程式，因此无法用方程式分析法获得相似准数。此时量纲分析法成为求得相似准数的唯一方法。量纲分析方法的依据是量纲分析的普遍理论--白金汉(Buckingham)π定理。定理内容如下：设有一物理现象可以用一个量纲齐次方程来表示：(1)式中n是这个现象包括的物理量个数，q1是要估计的一个量，q2～qn是q1所依赖的量。根据π定理，包括n个物理量的量纲齐次方程可以用以n-N个独立无量纲参数π1、π2、…πn-N完全表达出来，即π1=F(π2，π3，…πn-N)(2)逐式中扰的灯π顺1渡～杠π示n-N耻是独立的潜无量纲参糖数，它分膨别是物理秀量影q弯1高愧～殃q悉n默不同乘方揭的乘积三。竞轨N明等于描述焰这些物理被量所需要绩基本单位挎的个数。茅由于公曾式炼(2货)警与公挂式础(1渣)呆是相同的演，它描述询同一物理梦现象，汤但孝(2臂)疤式是无量辽纲的形式撤。所以，穿如果要达甜到相似的孟话虎，睁(2始)乏式对原型讲和模型必中须同样有廊效。因此票，完全相挺似的充分米条件是：脏孤希险谨吧叨(速π烤1细)臂p状=幸(筝π欠1箩)危m劣(酬π阴2旷)旬p度=嚼(床π谦2崭)飘m恨逼三吴棚厌┇种厨帐女鄙滥恳（阳3柴）瞧(堡π屈n-N帜)广p势=这(或π据n-N茎)讨m愉式中脚波标查P选和谦m战表示原型舟和模型。修其中豪第蚂1层个方程通舅常称为预欣期方程污，榜巷而其余方湾程组则为隙模型的设泽计条件朽。赶(3路)沿式就是相多似准数关订系式。师用量纲分轮析法来推私导相似准酬效叶，谦糖是根据方茫程式量纲纳和谐的原吊理出发的守，付橡它不要求网建立现象粪的方程式烫，骆笋而只要求征确定哪些帅物理量参箱加所研究毁的现象田，邮温以及知道株量测这些储量的单位桥系统的量鹊纲就够了怠。疾原则上用勉上述方法旗都可以得现到模型的主相似准数坊方程式。锹但是由于选有些物理汇现象很复谈杂，影响债因素很多呜，很难完历全考虑各就种因素的岔影响么，手躁很难求得第完全相似耕的条件。土无量纲参朋数既π耻1命可以用量呢纲分析的净方法求得渐，但当影痕响因素较燥多时，求潜解过程也盾较复杂嘴。啊π浅1困亦可根据菜工程经验护，考虑主物要影响因恨素来确定萄。基础模型试验斤3疯基础模型眨试验的基辅本原理、扩基本方法斑进行基础淋模型试验婚，应从以总下三方面集考虑。唯3.1深膊几何相似寒任何模型猾试验都是震按一定几古何比例关敬系设计的阀。以棚图村2钱为例广，侦启某建筑物元基础边侧助拟进行地升下连续墙着施工杆，属路基槽边侧线距原有建烘筑基础边堂侧距离粮为愉C匪，高老原基础宽肢度商为偶B蓄，类婆基槽开挖和深度球为烤T婆。为了分为析研究基扭槽开挖对楼原有建筑斑的影响欧，揉斩需进行模云型试验，荐可设：不云漠士（本4陷）铅式中的角乞标腊P往表示原体瞧工程几何茎相似准数副，左茫角州标锤m平表示模型舰的几何相窃似准数。隙将网(4茫)垄式改变形春式，有本筹保塘晒晌（很5奴）育式中洲，草i派为几何比派例系数，结即宇为治π增定律中倒的竿π圈1寿，趣照它反映几呼何相似准蹄数的特征楚。炉3.2攻撕地基的模吨拟胳地基的模毅拟包括两承方面界：程垃一是地基庄土材料性傻能的摸拟尤问题，二猛是地基的逐力学相似院问题。许宅多学者进补行地基基新础模型试支验倾向于清真实材料益试验。德柏国鼓Gude漏hu吼s柄教授对圆幻形颗粒粉帆细砂和中慰砂的自相挨似特征进沟行了研究僻，仁郊提出了以堡下方法：加地基土的识材料宜控债制内摩擦终角出、剪胀角餐、孔隙盘率违n斧(尾或孔隙乳比扮e五)嫩，即模型施试验的三嘉项指标与乌实体工程缓的三项指值标完全相坡等，有：帐根据这种司地基土材东料假定所及进行的地袍基力学相块似模拟效绕果较为理写想拍,恒这主要指叼对以粉土杆、砂土为卡代表的地惨基土。根逆据鸣π压定续律篇,敞应确定地孩基的无量茄纲参数，绿即地基的筹力学相似恐准数，设膀为索π半t烧，取：至π向t敏=龄惨完健缸症（剧6优）塑式额中胳E绩s症—箱压缩模量协；捆—烛重力密度首；突纯驾t丧—足几何尺寸庸。海基毯于素π位定律，假罗定穿:（7）节在这里狭π狂2拉反映土性扣参数，为饱力学相似叶准数。打3.3典错基础的模联拟梁基础的模纽拟，除了办几何相似译以外，出承是力学相刷似问题，捧其相似准要数的建立诵较地基相边似准数建桶立的研究殊要容易，遗这主要是战借助于结固构试验研泪究的结果缩。布根据因次蕉分析，可夫将基础的店抗弯刚度决与其弹性依长菊度鄙L相肿直接建立副关系，将附弹性长度疲与实际长呆度之间的锤比值作为界基础力学苹相似准晒数故,胆设进:闸讽佣茧素（堤8淋）版式捞中顶阳L坏e不—梳弹性长度懂；贵L膊秧—殃实际长度谨；蠢E沈I件一抗弯刚块度；索—们干土重力脱密度；宅弹性长贱度况L翠e饭与长哗度灶L古的比值为吃无量纲的傻基础的力望学相似准面数，又有陪：帜手滩（县9-乏1蹈）或他棒犁是（押9-附2匠）或伞斜顽品（档9-缓3盼）由于荒=L嗽p怖/L峰m故卫桨汁烤（温9-负4圾）若则急凡折聪爆（阅9-窃5坦）肾根据以上去对地基和理基础的几源何与力学刷相似分析拖，估锣现将抗弯鲁刚度、弯腥矩、集中撒力、线性扣分布力、炸应力的换逝算关系列课于忘表影1恒。沫表桑1错名席梳冤称锦单恩速厨位蜂条件：烂条件：谣长哪度筝L绕m哪L盈m盈=L育p红/捕L调m淋=L拉p每/测刚导度径EI置kN·m滋4冬EI碑m坑=EI漆p毒/桑5员EI脑m躁=EI途p系/杂·里5壁弯剑矩首M忍kN·m孝M尽m犹=M却p疮/垃4破M俘m扑=太M稳p目/询·忌4才集中塔力斗P戏kN靠P威m邀=P住p遣/斥3坝P东m航=P钞p疑/序·苍3石线形校力仰q督kN/m衰q抢m哗=q钱p造/义3日q期m宁=q攻p旬/逼·喂3吨应概力嫩σ性kN/m拌3反σ役m引=轰σ爪p穴/赖σ患m下=掌σ筝p沟/蔽·什重力密停度妹γ骂庙kN/m乔3您=时=盟/纺4舌矩应用实例否为了详尽夜说明地基药基础模型掏试验的设戏计方法。钞现举一例味：致例：管某试验项膝目预探讨旅嵌入土意内检4货m坊，悬腊出熊2.5芬m工，蝇φ妻400m渔m拥的钢筋混址凝土桩的州水平受力火特征临，钓滥要求设计胃模型试验按。解：烫(1始)索直接有关啦的参数：漠重力密度炸，内摩擦猪角式，雄芽剪胀角维，压缩模时量淘E土s填，集中力秩与水平面疲的夹角陈，地面倾屋斜咱角顾β俗，单桩人婚土深纱度辨t请。单桩几泽何尺央寸肉a×b顽(上或圆形截抵面直昌径教d励)余，单桩地确面以上高弯度赚h怕，集中作保用锯力百P扛，懒甲单桩抗弯战刚闯度她E摇I脚。饥(2铺)插非直接有台关参数：匙土颗粒粒伐径辱d啊s铅墨。多(3跨)倡无因次物楼理量；原子体工程与沉模型试验皱完全相等咏的参数有陶：骄、边、演、束、怕β替需要换算键的参数有果三组瓦，惹葱分别为：、、鄙(4衰)裕设计原则若为力学相偏似原理，删即所有银无因次物普理传量感丘值在原体贞工程和模赛型试验中材完全相同章，璃蚂包括弹性梨相似和应撒力相似。治(5尊)库几何尺寸扇换算：稍h仅m重=h马p录/尸；仁t催m骑=t谊p爸/暂(6巨)飘力的换算就：则：才若绢佛=庙殿即遭=1劣涂则：摔(尝见融表魔1)慎(滨7征)笔抗弯刚度详的换算：责直接按纱式挡(贱9折—站5买)候，有环EI滔m奔=EI蹄p来/册5图(8湾)达结果吃模型比例贯=l版0婆，载壮有原体工程音D井p视=40枪cm轻h维p塑=25捏0cm念t姨p谊=400扛cm毛P和p移=25k部N模型试验灵h工m己=25斑cm外t悔m堂=40木.0cm太P告m帅=25/林(10)悄3千=25×奶l0览-3丙kN顾(9士)衡水平桩选价取死原体工爆程扛秋钢筋混凝膊土欧。陷C2摆5裁混凝土枝，小若正常配筋塘。蜡(颈EI)桨p老=0.夺85E佳m馆I链m好=0.8仓5×2.垮80×l胆0傍3医×(1+槐5%)×爆=3.3掏×1嫁0拾8物(商kN·c哗m的4赴)窜式猜中惯E鞠m嫂—岗混凝士弹僻性模量；望I役m愈—体截面惯性蝶矩；升d睛—断桩径。锁模型试验直，蛮汤钢管乎，警恳按呈表码l创(斯E1)惠m雹=(EI杂)侨p凶/10煌5菠=3.爱3×10采3丸(kN险·cm誉4显)挡选须2雪2歪钢棋管屋(员壁蒙厚庙1mm存)聋实钓际萄(牧EI)孙m胶=1.逝1×10阔4冲×嫂(狡2.2化2磁-2.达0锋2础)=4.摔0×10搁3共(kN饲·cm)副原体工程蓬与模型试俗验简图如殃图勇3企。森5壶招发展现状参基础镇模型试验仆是研究工再程问题的滨重要方法庄。欢它虽不能等替代原体抛工程测试朗结果，但跑可以摸索医出基本受乳力特征和言破坏特征过，为设计校提供极有但参考价值机的试验数羞据，是定俭性分析的也重列要手段。绒今年来，咽基础痰模型试验火理论得到角一定发展害，尤其是滋在研究各删种基础形链式与地质林体间相互博作用方面怕的课题很贤多。在实倾践中，弟在大型桥顽梁桥墩设踪计、海上拥作业平台伴基础设计渐、高层建蕉筑基础设冈计等大型顽工程设计南过程中，戴其理论起愿了至关重皇要的作用赢，振基础乏模型试验买也是必不丸可少的一云个步骤。呈6零时存在的问牺题眉试验实施念过程权中吴,包茄模型的制唱作、加载莫、量测等虏试验条件削对试验结刺果的正确禽性具有极布其重要的俭作用对于持结果可信叫度影响极河大。模型忙上的力学铲现象相对能原型说来荣是近似脂的沈,织篇两者不可鼠能完全相欺同。试验每结果在多沾大程度上距能反映原眠型原力学项特绵征刚,印柄是一个很专值得探讨火的问贞题染,浊车应从两个占方面进行钥分析。一袭是从相似鸡规律方童面绣,琴脖应使相似等关系上保畏持正确性另；给一是试验鲜条件方面益应保持一窝定的试验年精度识。跪7粉践葡发展方向女基础模型漂试验随着益设备的迅震速发展和番普及，以搞及模拟技热术的提高挥，在岩土如工程中的希应用将会奇越来越大察。其发展滚趋势可归食纳为以下拐几个方面穴：果7朴.1外慢量测和数业据采集系致统惧梁诵能否从基勤础模型中辅获得更多瞎的信息和知可靠的数军据，量测顿仪器和数同采系统是狡关键。精搏度寸高体积小谨对模型干免扰较小的龙传感器如虹光纤传感在器以及非虑接触型量豪测技术的款研制将对局基础模型纸试验技术扑的发展有遣巨大的推娱动作用。业随着有关誉技术的进陆一步发展您，基础模逼型将能够挡更准确地诱再现原型装特性。徐7舌.2柿墨相似比的种研究统迹马任何一种醒物理模型考都不可能洲与原型完辽全等效，扫在基础模离型试验中馒，只有在械深入了解腊其物理机巷制和相似塘规律的基专础上，才歪能作出对慧试验数据魔的正确分叼析。对于旬几何与力态学比尺不站同的试验谜相似理论雕以及等效滨材料的选季取原则，初也在探讨僻之中。膨7夹.3醒狂与数值模费拟相结合近基础模型谈试验是研尿究、设计腹的重要辅养助手段。府基础模型敢试验将提踏供具有较冶高参考意飞义的数据听，用于校很正目前所谜用的数值歇模型或建市立新的模活型，提高默数学模型永的预测能塌力。勺基础模型牺试验技术确在岩土工殖程中的应句用还有不爷少不成熟纠的地方，南有许多问降题还待解庭决。但是蔑作为一种旬模型试验灿手段，基赤础模型试估验能够近旺似模拟基砌础在环境特条件（承跃受外力等蚊）下的大吹致反应，屑可以在对攀基础结构躬不产生损折坏的前提血下，一定告程度上预乎测基础可歇能的破坏匠情况争。奥假为实际施榴工中预防锡措施的设摔计提供一铁定的颜实验蓄依据。更辽为重要的溪是，试验最时间较原归型大大缩医短，对长墨历时岩土貌工程问题串进行研究隐。因此，肆它必将得俗到越来越蚀广泛的应逆用。结语蓬经过了地皇下工程测闷试理论与己监测技术诞课程的学棒习，在理纪论上对于剥地下工程检中所运用宫的各种测盲试仪器和寄技术有了欧基本的了题解，加上活这次论文沙方式的结疏业考试，搭我学到了焦不少东西墙。在完成丰论文的过饭程中，亦莲遇到了不咸少困难，妈主要表现铲为关于基俗础模型试够验的文章央较少，普兵遍都你是海200碎0窄年以前的受文章，有滑些穿插在姑一些与次去有一定联兄系，但联赞系不太密询切的文章蛇里，且描涨述的很不慎详细，可退见投身这脑个领域是朗大有可为润的。为此钉我也到学俊校虹桥基吩本书库和炕丁家桥图即书馆查阅冠了相关资泄料，力求助收集更多柜有用的信崇息。总的只来说，这待次论文考蛋试给我提舱供了一次爬锻炼信息虏收集能