淺基礎(chǔ)地基塑性區(qū)非接觸式測(cè)試裝置的研制與應(yīng)用

姜 豪 彭 錕 張建偉 劉王苗 劉曉紅

(湖南理工學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，湖南 岳陽(yáng)414000)

地基承載力是土木工程領(lǐng)域的一個(gè)重要研究課題，亦是《土力學(xué)》課程的重點(diǎn)和難點(diǎn)之一。根據(jù)地基塑性區(qū)邊界方程及塑性區(qū)開展深度最大值確定地基承載力是目前我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范[1]中確定地基承載力設(shè)計(jì)值的方法之一。地基在荷載作用下，基礎(chǔ)邊緣處地基土中首先發(fā)生剪切破壞，繼而在基礎(chǔ)兩側(cè)形成小范圍的剪切破壞區(qū)即塑性區(qū)[2]。現(xiàn)有的塑性區(qū)邊界方程的理論推導(dǎo)假設(shè)側(cè)壓力系數(shù)k0=1，而實(shí)測(cè)地基土的側(cè)壓力系數(shù)一般介于0.35-0.80 之間[3]，故k0=1 的假設(shè)明顯不同于工程實(shí)際。可見在一定假設(shè)前提下推導(dǎo)出的地基塑性區(qū)與實(shí)際情況存在差距。從現(xiàn)有文獻(xiàn)看，地基塑性區(qū)的研究主要集中在理論分析[4]與數(shù)值模擬[5]，很少見有通過室內(nèi)試驗(yàn)的方法研究地基塑性區(qū)的文獻(xiàn)資料。據(jù)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上尚未見有地基塑性區(qū)測(cè)試儀器設(shè)備。為了通過試驗(yàn)手段研究地基塑性區(qū)的動(dòng)態(tài)形成過程及變形破壞機(jī)理，課題小組自主研制了基于PIV技術(shù)的地基塑性區(qū)非接觸式測(cè)試裝置。

圖1 裝置三視圖與實(shí)物圖

1 裝置設(shè)計(jì)與組成

本裝置由鋼結(jié)構(gòu)模型箱、豎向加載與沉降系統(tǒng)、基于PIV 技術(shù)的圖像采集與處理系統(tǒng)等部分等組成，詳見圖1。鋼結(jié)構(gòu)模型箱為長(zhǎng)方體，采用鋼板、槽鋼焊接而成，正面、反面、頂面為敞口，左右兩側(cè)為為12mm厚鋼板。前后兩面為厚16mm的透明鋼化玻璃，便于直接觀看地基受荷變形過程及拍攝受荷變形照片。豎向加載與沉降系統(tǒng)由反力架、油壓千斤頂、壓力傳感器、承壓鋼板、百分表等組成，采用油壓千斤頂施加垂向壓力，在千斤頂與承壓鋼板間軸向放置最大量程為50kN的數(shù)顯式壓力傳感器，可直接讀出每一級(jí)荷載的大小。承壓鋼板長(zhǎng)300mm、寬200mm、厚20mm，鋼板置于填土表面，即假設(shè)基礎(chǔ)埋置深度為零。基于PIV技術(shù)的圖像采集與處理系統(tǒng)由LED無(wú)影光源、相機(jī)、計(jì)算機(jī)與GeoPIV 圖像分析軟件等組成，完成連續(xù)拍照、圖像采集與分析等。PIV技術(shù)通過高清數(shù)碼相機(jī)實(shí)時(shí)連續(xù)拍攝系列照片，利用GeoPIV軟件對(duì)所有照片進(jìn)行數(shù)字化處理，通過連續(xù)分析相繼兩幀數(shù)字圖像，獲得土體內(nèi)部的量化剪應(yīng)變場(chǎng)及其可視化動(dòng)態(tài)發(fā)展過程。

2 功能與操作

本裝置主要功能特點(diǎn)有：(1)能實(shí)現(xiàn)基底壓力和土體內(nèi)部變形的非接觸式測(cè)試。采用數(shù)顯式壓力傳感器獲得基底壓力大小，通過PIV 技術(shù)獲得地基土體位移場(chǎng)及剪應(yīng)變場(chǎng)，無(wú)需在基底埋設(shè)土壓力、在土體中埋設(shè)應(yīng)變計(jì)等元器件，相較于常規(guī)土工模型試驗(yàn)，大大減少試驗(yàn)過程中地基土體所受到的人工擾動(dòng)，增加試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，同時(shí)減少模型試驗(yàn)耗材成本等。(2)能直觀地得到模型地基剪切變形及塑性區(qū)的動(dòng)態(tài)發(fā)生發(fā)展過程。在加載過程中同步連續(xù)拍攝照片，通過GeoPIV軟件直接對(duì)全過程照片進(jìn)行分析處理，直接輸出荷載與土體剪應(yīng)變的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系；同時(shí)能降低試驗(yàn)操作難度，減少?gòu)?fù)雜數(shù)據(jù)的分析工作量，排除人為因素的干擾，提高試驗(yàn)效率。(3)采用可視化模型箱，通過透明鋼化玻璃面板能清晰直觀地觀察到土體在荷載作用下的位移變化情況。本裝置主要操作步驟：（1）采用堆載預(yù)壓分層填筑填土并分層壓實(shí)，每分層厚度5cm，在分層界面上鋪設(shè)相同粒徑的色砂。（2）在填土表面放置條形剛性承載板，并在承壓板對(duì)角上設(shè)置倆個(gè)百分表，用以測(cè)讀地基加載過程中的沉降量。在剛性承載板中心豎向放置千斤頂，千斤頂與剛性承載板之間豎向放置壓力傳感器。（3）在模型箱正前方布設(shè)高清相機(jī)，在其兩側(cè)各布設(shè)一個(gè)無(wú)影光源，拍攝頻率設(shè)置為0.5 秒/張，相機(jī)與電腦相連，電腦中安裝GeoPIV照片處理軟件。（4）分級(jí)加載與高清相機(jī)同步啟動(dòng)。在逐步增大豎向荷載的過程中用高清相機(jī)以0.5s/張拍照頻率對(duì)箱內(nèi)受壓變形土體進(jìn)行拍照，數(shù)顯壓力傳感器準(zhǔn)確記錄分級(jí)荷載大小。（5）終止試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)：(a)承壓板周圍土體出現(xiàn)隆起，或明顯破壞性列縫，或明顯的側(cè)向擠出；(b)某級(jí)荷載的沉降量急劇增大，P-S曲線出現(xiàn)陡降段；(c) 在某級(jí)荷載下，2 小時(shí)沉降速率不能達(dá)到穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)出現(xiàn)以上情況之一時(shí)，可認(rèn)為地基達(dá)破壞階段，可終止加載，其對(duì)應(yīng)的前一級(jí)荷載為極限荷載。（6）利用GeoPIV軟件對(duì)各級(jí)荷載下土體變形全過程圖像進(jìn)行處理分析，獲得各級(jí)荷載作用下地基塑性區(qū)剪應(yīng)變?cè)茍D及對(duì)應(yīng)的沉降量。

3 試驗(yàn)成果與分析

課題小組利用自行研制的裝置進(jìn)行了砂土地基塑性區(qū)的試驗(yàn)研究。試驗(yàn)所用填土為洞庭湖河砂，黃色，由顆粒分析試驗(yàn)得出，該砂土的不均勻系數(shù)Cu=2.9，曲率系數(shù)Cc=1.4，根據(jù)地基規(guī)范定名為級(jí)配不良粗砂。試驗(yàn)測(cè)得其含水量為1.9%，內(nèi)摩擦角為350，自由落砂法分層填筑砂土的重度為14.4kN/m3，靜置24 小時(shí)后開始實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)及拍照結(jié)束后，利用GeoPIV圖像處理軟件對(duì)連續(xù)拍攝的照片進(jìn)行處理分析，獲得不同荷載下地基變形達(dá)到穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變?cè)茍D，即可獲得不同荷載下的地基塑性區(qū)，詳見圖2。

圖2 地基塑性區(qū)隨荷載增大的發(fā)展過程

如圖2 所示，地基剪切破壞區(qū)即塑性區(qū)從承壓板兩側(cè)邊緣開始，隨著荷載的增大逐漸向下發(fā)展，其分布范圍也逐漸增大，兩側(cè)塑性區(qū)下部逐漸向中間靠攏，當(dāng)荷載增大至378kPa 時(shí)，兩側(cè)塑性區(qū)首先在其底部開始相交，可認(rèn)為此時(shí)地基即將達(dá)到極限平衡狀態(tài)。荷載增大至422kPa 時(shí)，兩側(cè)塑性區(qū)在底部基本貫通，兩側(cè)塑性區(qū)相交范圍增大，承壓板兩側(cè)砂土出現(xiàn)部分隆起，形成“V”字形剪切破壞區(qū)，在承壓板底部形成了三角形壓密區(qū)，此時(shí)地基產(chǎn)生了局部剪切破壞，其極限承載力Pu 可取值422kPa 近。當(dāng)荷載由422kPa增大至449kPa 時(shí)，兩側(cè)塑性區(qū)在底部完全貫通并連成一片，塑性區(qū)面積增大，壓密區(qū)面積減小，地基破壞狀態(tài)進(jìn)一步加劇。

4 結(jié)論

課題小組自主研制的地基塑性區(qū)非接觸式測(cè)試裝置，目前已獲得國(guó)家實(shí)用新型專利授權(quán)。該裝置由敞口鋼結(jié)構(gòu)地基模型箱、豎向加載與沉降系統(tǒng)、基于PIV技術(shù)的圖像采集與處理系統(tǒng)等部分組成。該裝置通過模型箱和豎向加載系統(tǒng)模擬實(shí)際地基的受荷過程，利用圖像采集與處理系統(tǒng)對(duì)模型箱中填筑地基土在不同荷載作用下圖像進(jìn)行分析，獲得不同荷載作用下地基塑性區(qū)的動(dòng)態(tài)發(fā)展過程及對(duì)應(yīng)的沉降量。該裝置目前已用于師生的科研試驗(yàn)及學(xué)生創(chuàng)新性試驗(yàn)教學(xué)，性能及效果良好。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上還沒有類似產(chǎn)品，本裝置填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)地基塑性區(qū)測(cè)試儀器設(shè)備的空白。