地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)原理與應(yīng)用

摘要：地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)是地基基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)計(jì)和研究的重要手段，自從土木力學(xué)學(xué)科建設(shè)之后，通過地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)對(duì)不同類型地基基礎(chǔ)的強(qiáng)度和變形情況進(jìn)行研究已經(jīng)成為了主要的研究方式之一，并取得了一定的成果。本文對(duì)地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)進(jìn)行了基本的介紹，對(duì)地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)的重要性和基本原理進(jìn)行了分析，并對(duì)其應(yīng)用方式進(jìn)行了介紹，目的在于提高讀者對(duì)地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，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(guān)鍵詞：地基基礎(chǔ);模型試驗(yàn);原理;應(yīng)用

Key words： foundation;model test;principle;application

中圖分類號(hào)：TU46??????????????????????????????????????? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A????????????????????????????????? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）28-0124-02

0? 引言

在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)和地基設(shè)計(jì)之前，要結(jié)合具體的工程設(shè)計(jì)要求和實(shí)際地質(zhì)情況來進(jìn)行受力分析和變形情況預(yù)測(cè)，而大部分工程都無法對(duì)工程實(shí)體進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)的觀測(cè)和極限應(yīng)力狀態(tài)試驗(yàn)，因此需要通過地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)來代替實(shí)際的工程原體進(jìn)行研究分析。雖然隨著建筑業(yè)的發(fā)展和土木力學(xué)學(xué)科的進(jìn)步，地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)得到了較大程度的進(jìn)步和發(fā)展，但是地基基礎(chǔ)模式試驗(yàn)的理論和應(yīng)用仍然存在著一定的問題和困擾，需要進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)和深入研究。

1? 地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)的重要性

1.1 重要性? 建筑物地基基礎(chǔ)的穩(wěn)定性和安全性直接影響到整個(gè)房屋建筑工程的安全，是建筑工程的最根本內(nèi)容，要對(duì)地基基礎(chǔ)受到壓力負(fù)荷后的變形情況和破壞性狀進(jìn)行研究就要對(duì)建筑工程地基原體進(jìn)行壓力負(fù)荷直到達(dá)到破壞，這顯然是實(shí)際的建設(shè)工程不能允許的。為了解決這一問題，除理論研究之外，室內(nèi)模型試驗(yàn)得到了廣泛的應(yīng)用。

地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)是非常重要的，雖然模型試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果不能完全代替原體工程進(jìn)行研究，不能完全反應(yīng)原體工程的特性，但是可以通過模型試驗(yàn)來對(duì)工程的基本受力特性和變形情況得出基本的試驗(yàn)預(yù)測(cè)，雖然不能達(dá)到精準(zhǔn)的定量分析但是可以實(shí)現(xiàn)定性分析，提供有價(jià)值的參考數(shù)據(jù)。

地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)的精確程度直接關(guān)系到建筑工程設(shè)計(jì)的安全程度，如果模型試驗(yàn)得出的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確，在之后進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)很容易出現(xiàn)設(shè)計(jì)偏差，從而導(dǎo)致在之后的建筑物使用時(shí)出現(xiàn)安全問題，造成人員生命安全和財(cái)產(chǎn)損失。

1.2 基本類型? 地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)與一般的模型構(gòu)件試驗(yàn)不是一致的，在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)需要控制的因素較多，所產(chǎn)生的結(jié)果也較多，在進(jìn)行數(shù)值參數(shù)的計(jì)算和確定時(shí)也難度較大，需要多次進(jìn)行條件設(shè)置來進(jìn)行試驗(yàn)，不能在同一研究條件下進(jìn)行反復(fù)試驗(yàn)，因此有較大的技術(shù)難度。

地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)包括多種地基類型的基礎(chǔ)形式，各種地基基礎(chǔ)例如樁基、箱基等都可以通過地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)來進(jìn)行研究，所涉及到的學(xué)科類型也較多，包括土動(dòng)力學(xué)、土靜力學(xué)以及水動(dòng)力學(xué)，具體研究類型和涉及學(xué)科類型可見圖1。

2? 地基基礎(chǔ)研究發(fā)展情況

與世界研究情況相比，我國地基基礎(chǔ)處理研究起步較晚，但是發(fā)展較為迅速，1962年，我國天津召開了第一屆全國土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會(huì)議，之后每歷經(jīng)四年均召開一屆，此會(huì)議對(duì)我國地基處理研究技術(shù)的發(fā)展起到了推動(dòng)和綜述作用，目前我國地基處理技術(shù)已經(jīng)得到了極大的發(fā)展，各種類型的處理技術(shù)均得到了有效應(yīng)用。（表1）

目前隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)的不斷發(fā)展，鐵路道路建設(shè)、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、城市化進(jìn)程擴(kuò)張等工程不斷進(jìn)行，這就對(duì)地基處理的概念和技術(shù)水平提了更高的要求，尤其是目前一帶一路計(jì)劃和填海造陸、圍墾造田等工程的不斷發(fā)展，對(duì)鐵路建設(shè)和建筑建造的要求有了更高的要求和標(biāo)準(zhǔn)，這些工程建設(shè)的地質(zhì)情況大多較為特殊，需要更高的地基處理技術(shù)，這也就對(duì)地基基礎(chǔ)建設(shè)提出了更大的挑戰(zhàn)，在此背景下地基基礎(chǔ)建造技術(shù)已經(jīng)由單一技術(shù)逐漸向數(shù)種地基處理技術(shù)相結(jié)合的形式轉(zhuǎn)變。而對(duì)于地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)而言，不斷發(fā)展的地基處理技術(shù)要求地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)更高的精度和準(zhǔn)確性。

3? 地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)基本理論原理

3.1 地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)基本類型

地基基礎(chǔ)模型實(shí)驗(yàn)根據(jù)與實(shí)際情況的符合程度可以分為兩種類型，第一種類型是與實(shí)際的施工建筑情況存在數(shù)據(jù)差異的定性分析試驗(yàn)，這種類型的試驗(yàn)又可以視作不真實(shí)的定量分析試驗(yàn)，在這種類型的試驗(yàn)中，研究對(duì)象僅為研究地基基礎(chǔ)模型在受到負(fù)荷達(dá)到破壞狀態(tài)時(shí)的基本物理特征，不包含實(shí)際的幾何尺寸數(shù)據(jù)對(duì)模型的影響，不要求幾何相似;第二種類型是嚴(yán)格按照幾何相似理論構(gòu)建真實(shí)地基基礎(chǔ)模型來進(jìn)行的定量分析試驗(yàn)，這種類型的試驗(yàn)的研究對(duì)象為建筑物在正常使用情況下，即受到負(fù)荷而達(dá)不到破壞狀態(tài)或破壞狀態(tài)之前的物理特征。

3.2 地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)原理

①相似準(zhǔn)則。地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)的幾何相似準(zhǔn)則主要是對(duì)上述第二種定量分析試驗(yàn)而言的，模型試驗(yàn)要按照一定的幾何相似關(guān)系來進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，通過確定地基基礎(chǔ)實(shí)際工程原體和模型的相似準(zhǔn)則數(shù)，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(guān)系來進(jìn)行表達(dá)。得到相似準(zhǔn)則數(shù)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(jì)算較為簡(jiǎn)便，所得出的結(jié)果的物理意義也較為明顯和易懂，嚴(yán)格按照方程式分析法所得到的結(jié)論也較為正確，但是就實(shí)際的工程情況而言，在現(xiàn)實(shí)情況中面臨的數(shù)據(jù)和工程量較為復(fù)雜，對(duì)應(yīng)的關(guān)系也并不是理想的線性關(guān)系，很難直接建立起相應(yīng)的方程式，因此在實(shí)際工程中一般采用量綱分析法來進(jìn)行相似準(zhǔn)則數(shù)的確定。在工程應(yīng)用時(shí)確定幾何相似系數(shù)的基本步驟可以參考如下過程。

對(duì)建筑物a進(jìn)行地下連續(xù)墻施工，其基槽邊側(cè)與原有建筑物的基礎(chǔ)邊側(cè)具體為C，元基礎(chǔ)寬度為B，基槽開挖深度為T，通過模型試驗(yàn)對(duì)這一工程進(jìn)行模擬?？稍O(shè)Bp/Tp=（B/T）p=（B/T）m=Bm/Tm，p表示原體工程幾何相似準(zhǔn)數(shù)，m表示模型的幾何相似準(zhǔn)數(shù)，將這一式子進(jìn)行變形，可得Bp/Bm=i=Tp/Tm，得到的i即為幾何相似比例系數(shù)。

②地基模擬。對(duì)地基進(jìn)行的模擬也分為兩個(gè)部分，第一部分是對(duì)地基材料的性能進(jìn)行模擬，第二是對(duì)地基的力學(xué)相似性進(jìn)行研究，針對(duì)地基材料性能進(jìn)行模擬這一問題，大部分研究學(xué)者都趨向于選擇使用真實(shí)建筑工程地基土來進(jìn)行試驗(yàn)，根據(jù)上世紀(jì)德國學(xué)者的研究，考慮地基土的自相似特征和模型試驗(yàn)的效果，得出使用圓形粉顆粒細(xì)砂地基土材料來作為模擬材料進(jìn)行地基的力學(xué)相似性研究的效果是比較好的。在確定力學(xué)相似準(zhǔn)則數(shù)時(shí)，設(shè)這一無量綱參數(shù)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(jìn)行假定，得（E/γt）p=Π=（E/γt）m，這里所得到的Π即為力學(xué)相似準(zhǔn)則數(shù)。

③基礎(chǔ)模擬。對(duì)地基基礎(chǔ)進(jìn)行模擬不僅包含幾何相似研究，也包括力學(xué)相似研究，與地基相似準(zhǔn)則數(shù)的確定相比，基礎(chǔ)相似準(zhǔn)則數(shù)的研究比較易于得出，可以通過結(jié)構(gòu)試驗(yàn)研究結(jié)果來進(jìn)行協(xié)助研究。通過幾何和力學(xué)相似研究，可以得出抗彎剛度、集中力應(yīng)力的基本換算關(guān)系。

④實(shí)際應(yīng)用實(shí)例。關(guān)于地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)的實(shí)際應(yīng)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(yī)院急診樓護(hù)坡樁的測(cè)試研究，測(cè)試其墻土壓力與護(hù)坡樁頂部位移的關(guān)系。

護(hù)坡樁的型號(hào)和尺寸多為Φ800-Φ1200的懸臂鋼筋混凝土護(hù)坡樁，樁距為1.8m，懸臂部分長(zhǎng)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(biāo)為探究被動(dòng)土壓力區(qū)的壓力與頂部水平位移之間的數(shù)學(xué)關(guān)系。

首先進(jìn)行幾何尺寸換算?？傻胕=tp/tm=10，進(jìn)行剛度換算，得到（EI）m=7.8*1014/（γp/γm）=2.3*105（kN*cm4），根據(jù)此剛度數(shù)據(jù)可以確定選擇樁距為6cm的Φ30*1.5鋼管。

然后進(jìn)行土壓力ep的換算，得到epm=epp/ai，得出這幾項(xiàng)基本數(shù)據(jù)之后來推算實(shí)際工程中的土壓力，經(jīng)過核算與實(shí)際檢驗(yàn)之后得出模型試驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果非常相似，因此可以得出通過地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)所得到的結(jié)果是較為準(zhǔn)確的。

4? 總結(jié)

通過地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)來對(duì)地基基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)計(jì)和研究能起到有效的作用。本文對(duì)地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)進(jìn)行了基本的介紹，對(duì)地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)的重要性和基本原理進(jìn)行了分析，對(duì)模型試驗(yàn)需要用到的基本換算公式以及其應(yīng)用方式進(jìn)行了介紹，目的在于提高讀者對(duì)地基基礎(chǔ)模型試驗(yàn)的認(rèn)識(shí)，以供參考。但是對(duì)這方面研究還存在著一定的不足之處，例如對(duì)粘性土進(jìn)行地基設(shè)計(jì)時(shí)還需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究和設(shè)計(jì)，希望在之后可以在試驗(yàn)過程中得到進(jìn)一步的成功應(yīng)用。

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作者簡(jiǎn)介：李路明（1974-），男，河北贊皇人，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)榻ㄖこ虣z測(cè)技術(shù)。