一般均質地面承載力現場試驗

薛 嫻，杜金名，耿 鋒，謝 建，姜 澎

(1.第二炮兵工程學院，西安 710025，salt－snow1975@yahoo.com.cn;2.第二炮兵裝備研究院，北京 100085;3.哈爾濱工業大學能源學院，哈爾濱 150086)

一般均質地面承載力現場試驗

薛 嫻1，2，杜金名2，耿 鋒2，謝 建1，姜 澎3

(1.第二炮兵工程學院，西安 710025，salt－snow1975@yahoo.com.cn;2.第二炮兵裝備研究院，北京 100085;3.哈爾濱工業大學能源學院，哈爾濱 150086)

為了評判施力盤作用下地面的承載安全，進行了一般均質地面承載力靜態與動態荷載現場試驗.采用平板載荷靜態加載方法進行了模擬施力盤靜態荷載的平板載荷試驗，根據相似準則π定理進行了縮比施力盤動載試驗.在現場試驗的基礎上研究了靜載條件下沉降量隨時間變化的S－t曲線，不同尺寸承載板在相應載荷作用下的地面土體沉降量之間關聯關系的P－S/D曲線及動、靜荷載下載荷與沉降量關系的P－S曲線以及動靜載荷對比的P－S曲線.分析結果表明:對于進行現場試驗的均質地面，S－t曲線表明靜態加載方法合理;P－S/D曲線在極限載荷內呈線性比例關系;動載下的沉降量S遠遠小于靜載條件下的沉降量S，動載下的土體變形剛度較靜載下的變形剛度高，瞬間動態荷載造成的地面沉降可忽略.

均質地面;靜載;相似準則;氣動沖擊;沉降量;P－S曲線

1 現場試驗依據

1.1 靜態荷載試驗依據

平板載荷試驗被公認為是靜載條件下確定地基承載力的可靠方法，是理論計算和數值模擬方法的基本對比依據［2］.依據國家建筑規范GB50007－2002規定平板載荷試驗每級載荷加載需要穩定2 h，并且只有當連續兩次測量的地基沉降量＜0.1 mm/h時，才認為沉降已趨穩定，再施加下一級的載荷，以保證地基土的充分固結［3］.施力盤對地面的沉降量要求較建筑行業地基寬松很多，現場試驗確定加載穩定時間可適情縮短.實施平板載荷加載的載荷壓力穩定期間，每隔1 min記錄一次載荷壓力和土體沉降量，如果連續兩次記錄的地面沉降量相同時，則認為地面沉降量已經達到穩定，繼續加載下一級載荷.

1.2 相似準則第二定理

1911年俄國學者費德爾曼提出了相似準則第二定理，簡稱π定理，3年后美國學者伯金漢證明了量綱分析的π定理［4］.相似準則被廣泛地應用于風洞試驗［5］、模爆試驗［6］等領域，并一直在數學研究領域得以深入研究［7－8］.

假定聯系于某一具體問題的特征量a，a1，a2，ar，ar+1…an間有如下函數關系［9］

式中:量a1，a2，…，ar是r個量綱不同的參數，而ar+1，ar+2…an和a1，a2，…，ar是量綱相關的.

如果不存在這樣的數m1，m2，mr，mr+1…mn，使得表達式am11，am22，…amnn具有量a的量綱，也就是說式(2)是無量綱的.

表達式(3)是無量綱的.

記

Evaluation on the fracture rock mass quality and obtain Strength Parameters LI Gang WANG Xun FU Kun et al.(97)

式(2)、(3)代入式(4)得式(5)，式(5)無量綱.

假設地面沉降量S與作用在承載板上載荷壓力P，載荷作用時間τ，承載板的直徑D和質量M，土的變形模量Ei，土分層厚度hi，i=1，2，…，n有關.

式中:S為地面沉降量(mm)，dimS=L;P為載荷(MPa)，dimP=ML－1T－1;τ 為載荷作用時間(s)，dimτ=T;D為承載板直徑(mm)，dimS=L;M為質量(kg)，dimM=M;Ei為地面土的變形模量(MPa)，dimEi=ML－1T－1;hi為地面土分層厚度(mm)，dimhi=L.

其中L、M、T為3個基本量綱，式(6)的量綱表達式為

經計算整理可得

由式(5)的π定理，知式(8)是無量綱的，g為重力加速度.式(8)說明對于均質地面，在相同的載荷壓力下，土體沉降量與承載板的直徑成正比，承載板的直徑越大，地面沉降量越大.但是對分層土，只有當土層的厚度也進行相應的縮比之后，大小承載板在相同的載荷作用下的地面沉降量才成比例關系，因此本次試驗選擇比較均質的地面區域進行.對于無分層的均質土，土沉降量的相似準則為

對于同一試驗場地，地面的變形模量E是相同的.在相同的載荷壓力P作用下，采用縮比的承載板進行試驗時，縮比承載板與實際施力盤之間應同時滿足以下相似關系:

下標1、2表示縮比承載板和實際施力盤.

氣動沖擊載荷加載試驗，采用Φ200 mm尺寸縮比板，根據式(11)～(12)，可得到縮比盤沖擊載荷作用時間τ，及縮比板質量、沖擊壓力等參數，計算從略.

2 均質地面承載力現場試驗

均質地面現場進行了靜態加載平板載荷試驗、氣動沖擊試驗.平板載荷試驗分別對直徑Φ300 mm、Φ500 mm和Φ700 mm的承載板進行靜態加載，測試土質地面的承載力和沉降量.對Φ200 mm的縮比承載板進行氣動沖擊載荷試驗，氣缸加載得出額定沖擊載荷下的地面沉降量.

2.1 靜態荷載平板載荷試驗

平板載荷試驗為靜態分級加載并測量對應載荷下的地面沉降量S，以獲得載荷壓力和沉降量的關系曲線P－S.試驗用液壓千斤頂對Φ300 mm、Φ500 mm和Φ700 mm承載板進行加載，千斤頂反力通過由工字鋼制作的主梁傳遞到堆載平臺上.堆載平臺由支架和橫梁組成，平臺堆垛沙袋提供了加載過程中的支反力.采用測力傳感器監測并記錄加載載荷的大小，用對稱安裝的3個位移傳感器測試地面的沉降量，取3個位移傳感器輸出的平均值作為地面的沉降量，以消除地面沉降過程中承載板發生傾斜的影響.

2.2 氣動沖擊縮比試驗

氣動沖擊試驗利用支架本身的重量和堆載的沙袋提供支反力，采用并聯高速氣缸，對加載板進行沖擊加載.試驗首先利用吊鉤通過拉桿將氣缸活塞桿、測力傳感器和加載板組成沖擊組合體懸掛在支架上，限制氣缸活塞桿在充氣的過程中向下伸出.受拉桿的限制，氣缸活塞桿無法伸出沖擊組合體依然保持靜止，當氣缸充氣氣壓達到穩定壓力釋放吊鉤，沖擊組合體在高壓氣體的作用下快速運動，撞擊承載板形成沖擊載荷.

3 現場試驗結果分析

3.1 靜態加載平板載荷試驗結果

如圖1所示的平板載荷試驗的沉降量隨時間變化曲線可以看出，當載荷壓力小于地面承載極限載荷時(Pu=473 kPa，Pu為極限載荷)，在很短的時間內地面沉降量就能達到穩定.當載荷壓力超過地面承載極限載荷時，地面土體的沉降量在8 min后無法達到穩定，由此可知試驗中確定加載穩定時間可適當縮短是合理的.

由1.2節式(9)可知，對于同一試驗場地，變形模量相同，且同一承載板的質量一定，在加載時間間隔τ恒定的前提下，S/D是關于加載載荷P的函數，曲線P－S/D可以反映出不同承載板在相應載荷下的沉降量關聯關系.圖2為靜態加載的P－S/D曲線試驗結果，圖中J表示靜載，A1～A3代表外場試驗3個不同試驗區域，由試驗結果可知，當載荷壓力小于地面承載極限載荷時，Φ300 mm、Φ500 mm、Φ700 mm 3種不同直徑的承載板在相同的壓力下，地面的沉降量滿足線性比例關系.當載荷壓力超過地面承載極限載荷(Pu=473 kPa)時，地面沉降量分散性很大，不再滿足線性關系.

圖1 沉降量隨時間的變化曲線

圖2 靜態加載不同尺寸承載板曲線

由試驗可知，當載荷壓力小于地面承載極限載荷，相應載荷作用下用線性比例關系由小尺寸承載板的沉降量試驗結果可推導出大尺寸承載板的沉降量，也可由大尺寸承載板的沉降量推導出小尺寸承載板的沉降量.

3.2 氣動沖擊縮比試驗結果分析

均質地面在沖擊載荷作用下的沉降量非常小，且P－S曲線沒有明顯的拐點，沉降＜5 mm，說明在動態沖擊加載情況下土中的水來不及排出，地面變形剛度高.圖3給出了Φ200 mm承載板在沖擊載荷作用下A1～A3不同區域的P－S曲線，圖中D200表示Φ200 mm承載板動態沖擊加載.

圖3 沖擊載荷作用下Φ200 mm承載板P－S曲線

3.3 靜態加載和氣動沖擊試驗結果對比

在相同的載荷壓力下，靜態分級加載引起的地面沉降量比動態沖擊加載造成的地面沉降量大很多，圖4中J200為靜載條件下由其他大尺寸承載板推得的Φ200 mm A1～A3不同區域靜載數值，D200為沖擊加載A1～A3不同區域的試驗數值.

圖4 靜態加載與動態沖擊加載Φ200mm承載板P－S曲線

由圖4可知瞬間作用下的動態加載地面沉降量遠遠小于靜態加載下的地面沉降量，表征為沖擊加載情況下均質土的變形剛度比靜態加載下均質土的變形剛度高.

4 結論

1)總結的平板載荷試驗靜態加載方法及動態沖擊縮比試驗可用于由于支反力制約，無法實施大尺寸大荷載的試驗現場.

2)由于小尺寸承載板影響深度小，若地面承載力測試裝置的小尺寸承載板比施力盤尺寸小很多，就需要其他輔助測試手段確定地面均質性.

3)沖擊載荷的承載板地面沉降量很小，其對地面動態荷載的影響可忽略.

4)在后續的研究中需要采用有限元數值模擬方法進一步對現場試驗深入研究，并建立反映地面土體的應力應變關系對現場試驗結果進行數值計算驗證.

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Outfield tests on bearing capacity of general homogeneous soil ground

XUE Xian1，2，DU Jin-ming2，GENG Feng2，XIE Jian1，JIANG Peng3

(1.The Second Artillery Engineering Institute，Xi’an 710025，China，salt－snow1975@yahoo.com.cn;2.The Second Artillery Equipment Institute，Beijing 100085，China;3 Energy Institute，Harbin Institute of Technology，Harbin 150086，China)

In order to judge the bearing safety of homogeneous ground that the heavy forcing plates acted on，static and dynamic outfield tests were carried out.According the static plate loading method，the outfield test that bearing plates simulating the static procedure of heavy forcing plates was performed.By the similarity criterion π theorem，the pneumatic impact test of reduced proportional plate simulating the dynamic procedure of forcing plate was completed.Based on the outfield tests，the paper studied theS－tcurves that express the variety of settlement with time，theP－S/Dcurves that express the soil settlement correlative relation among bearing plates with different sizes under the corresponding load，theP－Scurves under static and dynamic loads as well as the contrast between them.To the homogeneous soil ground in outfield tests，S－tcurves indicate that the static load method is reasonable，andP－S/Dcurves appear a linear proportional relation in the limit load range.The settlement under dynamic load is much less than that under static load.The deformation stiffness under dynamic load is higher than that under static load.The settlement caused by instant dynamic impact can be ignored.

homogeneous ground;static load;similarity criterion;pneumatic impact;settlement;P－Scurves

TU317

A

0367－6234(2010)08－1341－04

2009－02－15.

薛 嫻(1975—)，女，博士研究生;

謝 建(1967—)，男，教授，博士生導師.

(編輯 趙麗瑩)