地基基礎模型試驗原理與應用

摘要：地基基礎模型試驗是地基基礎建設設計和研究的重要手段，自從土木力學學科建設之后，通過地基基礎模型試驗對不同類型地基基礎的強度和變形情況進行研究已經成為了主要的研究方式之一，并取得了一定的成果。本文對地基基礎模型試驗進行了基本的介紹，對地基基礎模型試驗的重要性和基本原理進行了分析，并對其應用方式進行了介紹，目的在于提高讀者對地基基礎模型試驗的認識，以供參考。

Abstract： Foundation model test is an important means of foundation construction design and research. Since the construction of the discipline of civil mechanics， studying the strength and deformation of different types of foundations through foundation model tests has become one of the main research methods， and it has achieved certain results. This article gives a basic introduction to foundation model tests， analyzes the importance and basic principles of foundation model tests， and introduces its application methods. The purpose is to improve readers' understanding of foundation model tests and provide reference.

關鍵詞：地基基礎;模型試驗;原理;應用

Key words： foundation;model test;principle;application

中圖分類號：TU46??????????????????????????????????????? 文獻標識碼：A????????????????????????????????? 文章編號：1006-4311（2020）28-0124-02

0? 引言

在進行建筑設計和地基設計之前，要結合具體的工程設計要求和實際地質情況來進行受力分析和變形情況預測，而大部分工程都無法對工程實體進行現場的觀測和極限應力狀態試驗，因此需要通過地基基礎模型試驗來代替實際的工程原體進行研究分析。雖然隨著建筑業的發展和土木力學學科的進步，地基基礎模型試驗得到了較大程度的進步和發展，但是地基基礎模式試驗的理論和應用仍然存在著一定的問題和困擾，需要進行進一步的改進和深入研究。

1? 地基基礎模型試驗的重要性

1.1 重要性? 建筑物地基基礎的穩定性和安全性直接影響到整個房屋建筑工程的安全，是建筑工程的最根本內容，要對地基基礎受到壓力負荷后的變形情況和破壞性狀進行研究就要對建筑工程地基原體進行壓力負荷直到達到破壞，這顯然是實際的建設工程不能允許的。為了解決這一問題，除理論研究之外，室內模型試驗得到了廣泛的應用。

地基基礎模型試驗是非常重要的，雖然模型試驗的試驗結果不能完全代替原體工程進行研究，不能完全反應原體工程的特性，但是可以通過模型試驗來對工程的基本受力特性和變形情況得出基本的試驗預測，雖然不能達到精準的定量分析但是可以實現定性分析，提供有價值的參考數據。

地基基礎模型試驗的精確程度直接關系到建筑工程設計的安全程度，如果模型試驗得出的數據不準確，在之后進行工程設計時很容易出現設計偏差，從而導致在之后的建筑物使用時出現安全問題，造成人員生命安全和財產損失。

1.2 基本類型? 地基基礎模型試驗與一般的模型構件試驗不是一致的，在進行試驗時需要控制的因素較多，所產生的結果也較多，在進行數值參數的計算和確定時也難度較大，需要多次進行條件設置來進行試驗，不能在同一研究條件下進行反復試驗，因此有較大的技術難度。

地基基礎模型試驗包括多種地基類型的基礎形式，各種地基基礎例如樁基、箱基等都可以通過地基基礎模型試驗來進行研究，所涉及到的學科類型也較多，包括土動力學、土靜力學以及水動力學，具體研究類型和涉及學科類型可見圖1。

2? 地基基礎研究發展情況

與世界研究情況相比，我國地基基礎處理研究起步較晚，但是發展較為迅速，1962年，我國天津召開了第一屆全國土力學及基礎工程學術會議，之后每歷經四年均召開一屆，此會議對我國地基處理研究技術的發展起到了推動和綜述作用，目前我國地基處理技術已經得到了極大的發展，各種類型的處理技術均得到了有效應用。（表1）

目前隨著我國基礎建設的不斷發展，鐵路道路建設、基礎設施建設、城市化進程擴張等工程不斷進行，這就對地基處理的概念和技術水平提了更高的要求，尤其是目前一帶一路計劃和填海造陸、圍墾造田等工程的不斷發展，對鐵路建設和建筑建造的要求有了更高的要求和標準，這些工程建設的地質情況大多較為特殊，需要更高的地基處理技術，這也就對地基基礎建設提出了更大的挑戰，在此背景下地基基礎建造技術已經由單一技術逐漸向數種地基處理技術相結合的形式轉變。而對于地基基礎模型試驗而言，不斷發展的地基處理技術要求地基基礎模型試驗實現更高的精度和準確性。

3? 地基基礎模型試驗基本理論原理

3.1 地基基礎模型試驗基本類型

地基基礎模型實驗根據與實際情況的符合程度可以分為兩種類型，第一種類型是與實際的施工建筑情況存在數據差異的定性分析試驗，這種類型的試驗又可以視作不真實的定量分析試驗，在這種類型的試驗中，研究對象僅為研究地基基礎模型在受到負荷達到破壞狀態時的基本物理特征，不包含實際的幾何尺寸數據對模型的影響，不要求幾何相似;第二種類型是嚴格按照幾何相似理論構建真實地基基礎模型來進行的定量分析試驗，這種類型的試驗的研究對象為建筑物在正常使用情況下，即受到負荷而達不到破壞狀態或破壞狀態之前的物理特征。

3.2 地基基礎模型試驗原理

①相似準則。地基基礎模型試驗的幾何相似準則主要是對上述第二種定量分析試驗而言的，模型試驗要按照一定的幾何相似關系來進行設計和分析，通過確定地基基礎實際工程原體和模型的相似準則數，來使工程原體的物理特性和承壓性能能通過地基模型的性能按照相似比例關系來進行表達。得到相似準則數的基本方法有兩種，分別是方程式分析法和量綱分析法，方程式分析法的計算較為簡便，所得出的結果的物理意義也較為明顯和易懂，嚴格按照方程式分析法所得到的結論也較為正確，但是就實際的工程情況而言，在現實情況中面臨的數據和工程量較為復雜，對應的關系也并不是理想的線性關系，很難直接建立起相應的方程式，因此在實際工程中一般采用量綱分析法來進行相似準則數的確定。在工程應用時確定幾何相似系數的基本步驟可以參考如下過程。

對建筑物a進行地下連續墻施工，其基槽邊側與原有建筑物的基礎邊側具體為C，元基礎寬度為B，基槽開挖深度為T，通過模型試驗對這一工程進行模擬。可設Bp/Tp=（B/T）p=（B/T）m=Bm/Tm，p表示原體工程幾何相似準數，m表示模型的幾何相似準數，將這一式子進行變形，可得Bp/Bm=i=Tp/Tm，得到的i即為幾何相似比例系數。

②地基模擬。對地基進行的模擬也分為兩個部分，第一部分是對地基材料的性能進行模擬，第二是對地基的力學相似性進行研究，針對地基材料性能進行模擬這一問題，大部分研究學者都趨向于選擇使用真實建筑工程地基土來進行試驗，根據上世紀德國學者的研究，考慮地基土的自相似特征和模型試驗的效果，得出使用圓形粉顆粒細砂地基土材料來作為模擬材料進行地基的力學相似性研究的效果是比較好的。在確定力學相似準則數時，設這一無量綱參數為Π，Π=E/γt，E為壓縮模量，γ為重力密度，t為幾何尺寸，通過Π定律進行假定，得（E/γt）p=Π=（E/γt）m，這里所得到的Π即為力學相似準則數。

③基礎模擬。對地基基礎進行模擬不僅包含幾何相似研究，也包括力學相似研究，與地基相似準則數的確定相比，基礎相似準則數的研究比較易于得出，可以通過結構試驗研究結果來進行協助研究。通過幾何和力學相似研究，可以得出抗彎剛度、集中力應力的基本換算關系。

④實際應用實例。關于地基基礎模型試驗的實際應用可以參考中科院建筑研究院地基所于1990年8月所開展的北京醫院急診樓護坡樁的測試研究，測試其墻土壓力與護坡樁頂部位移的關系。

護坡樁的型號和尺寸多為Φ800-Φ1200的懸臂鋼筋混凝土護坡樁，樁距為1.8m，懸臂部分長度為5-10m，嵌固深度5m左右，其抗彎剛度約為7.8*1014kN·cm4。研究目標為探究被動土壓力區的壓力與頂部水平位移之間的數學關系。

首先進行幾何尺寸換算。可得i=tp/tm=10，進行剛度換算，得到（EI）m=7.8*1014/（γp/γm）=2.3*105（kN*cm4），根據此剛度數據可以確定選擇樁距為6cm的Φ30*1.5鋼管。

然后進行土壓力ep的換算，得到epm=epp/ai，得出這幾項基本數據之后來推算實際工程中的土壓力，經過核算與實際檢驗之后得出模型試驗的結果與實際結果非常相似，因此可以得出通過地基基礎模型試驗所得到的結果是較為準確的。

4? 總結

通過地基基礎模型試驗來對地基基礎建設設計和研究能起到有效的作用。本文對地基基礎模型試驗進行了基本的介紹，對地基基礎模型試驗的重要性和基本原理進行了分析，對模型試驗需要用到的基本換算公式以及其應用方式進行了介紹，目的在于提高讀者對地基基礎模型試驗的認識，以供參考。但是對這方面研究還存在著一定的不足之處，例如對粘性土進行地基設計時還需要進行進一步的研究和設計，希望在之后可以在試驗過程中得到進一步的成功應用。

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作者簡介：李路明（1974-），男，河北贊皇人，高級工程師，研究方向為建筑工程檢測技術。