基于PIV 非接觸式測(cè)試技術(shù)的黏土地基塑性區(qū)研究

張 華 曾永慶＊ 劉曉紅 江思卿 張應(yīng)歡 曾帆聰盛

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

地基作為建筑的基礎(chǔ)，直接承受來(lái)自上部結(jié)構(gòu)的各種荷載；建筑基礎(chǔ)的勘察、設(shè)計(jì)和施工質(zhì)量直接影響到建筑的正常使用[1-2]。基礎(chǔ)與地基的相互作用決定了建筑結(jié)構(gòu)的沉降和地基的承載力，是土力學(xué)和地基工程的主要內(nèi)容之一[3]。當(dāng)?shù)鼗磳⒊霈F(xiàn)塑性變形時(shí)地基基底對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱為臨塑荷載。已有研究證明，采用臨塑荷載作為地基承載力是過于保守的，常采用控制地基塑性區(qū)發(fā)展深度的方法確定地基承載力；合理的地基承載力應(yīng)允許地基有一定的塑性區(qū)范圍，且不存在過大的沉降和沉降差[4]。通過確定地基塑性區(qū)深度，可以有效地預(yù)測(cè)地基承載力。地基塑性區(qū)的確定是一個(gè)典型的彈塑性平衡問題，目前尚無(wú)嚴(yán)格的理論解。一般情況下，近似解是使依據(jù)彈性理論得到的地基應(yīng)力滿足屈服條件，或使半無(wú)限地基中的應(yīng)力達(dá)到極限平衡得到臨界塑性荷載，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和具體條件，通過控制塑性區(qū)發(fā)育深度來(lái)確定地基的承載力特征值。國(guó)內(nèi)外高校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)地基承載力計(jì)算和塑性區(qū)確定方法進(jìn)行了廣泛的研究。王立忠[5]在ABAQUS 二次開發(fā)的基礎(chǔ)上，應(yīng)用Hill 穩(wěn)定條件和有限元方法，計(jì)算了條形基礎(chǔ)的極限承載力和地基的潛在失穩(wěn)區(qū)域。柔性界面和梯形荷載是公路路基下地基的主要特征，劉怡林[6]采用有限元方法，研究了公路路基地基的承載力特性和破壞模式，并與剛性條形地基進(jìn)行了對(duì)比分析。為確定塑性區(qū)范圍、發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)力演化過程，李順群[7]基于Mohr-Coulomb 準(zhǔn)則和彈性理論，推導(dǎo)了側(cè)壓力系數(shù)變化時(shí)均布條形載荷下地基塑性區(qū)的控制方程。陳樂意[8]假定靜止土壓力系數(shù)隨地基土內(nèi)摩擦角變化，基于分布荷載作用于地基內(nèi)部的附加應(yīng)力公式計(jì)算分析了地基的臨界荷載。

在工程應(yīng)用中，常采用如下兩種方法確定地基承載力：一是依據(jù)地基的破壞特點(diǎn)和土的強(qiáng)度準(zhǔn)則，采用各種理論方法進(jìn)行求解；二是結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法確定地基承載力。地基承載力的研究涉及巖土材料種類、力學(xué)性質(zhì)、地基尺寸、埋深等多種因素。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，絕大多數(shù)理論公式均存在不符合實(shí)際情況的假設(shè)，而經(jīng)驗(yàn)公式只是進(jìn)行了一定程度的數(shù)學(xué)變換，往往缺乏理論依據(jù)；原位測(cè)試既耗時(shí)又昂貴[9]。針對(duì)淺基礎(chǔ)，本文利用粒子圖像測(cè)速(PIV)技術(shù)，研究了黏土地基塑性區(qū)、地基破壞模式和地基承載力的動(dòng)態(tài)定量特征；探討了地基塑性區(qū)發(fā)展過程中力學(xué)機(jī)制的演化模式，可用于研究淺基礎(chǔ)地基塑性區(qū)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程、塑性區(qū)形態(tài)特征和基礎(chǔ)承載力數(shù)值優(yōu)化。該方法在一定程度上避免了上述問題，為確定地基極限承載力提供了理論和數(shù)據(jù)支持。

1 黏土塑性區(qū)試驗(yàn)流程

地基塑性區(qū)試驗(yàn)流程圖如圖1 所示。地基塑性區(qū)試驗(yàn)裝置由敞口式鋼結(jié)構(gòu)地基模型箱、豎向加載系統(tǒng)、基于PIV 技術(shù)的圖像采集與處理系統(tǒng)組成。通過鋼結(jié)構(gòu)地基模型箱和豎向加載系統(tǒng)，模擬真實(shí)建筑基礎(chǔ)的加載過程；由高速攝像機(jī)采集試驗(yàn)圖像，采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)進(jìn)行處理，分析模型箱中填充的地基土的位移場(chǎng)和剪應(yīng)變場(chǎng)，可得到地基土塑性區(qū)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程、邊界范圍和形態(tài)特征。

圖1 地基塑性區(qū)試驗(yàn)流程圖

2 地基模型箱及豎向加載系統(tǒng)

地基塑性區(qū)模型試驗(yàn)中，以黏土為填充材料，地基模型箱設(shè)計(jì)圖和地基塑性區(qū)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)分別如圖2 和圖3 所示。采用地基模型箱內(nèi)填土模擬建筑基礎(chǔ)以下土體。鋼結(jié)構(gòu)地基模型箱為由鋼板和槽鋼焊接而成的長(zhǎng)方體，模型箱內(nèi)部尺寸長(zhǎng)600mm，寬335mm，高1055mm。頂面開敞，安裝可調(diào)反力架，左右兩側(cè)為12mm 厚鋼板；前后兩側(cè)均采用16mm 厚透明鋼化玻璃，方便直接觀察荷載作用下地基變形過程。豎向加載系統(tǒng)由液壓千斤頂、反力架、承壓鋼板、壓力傳感器組成。液壓千斤頂用于施加豎向壓力；在液壓千斤頂與承壓鋼板之間軸向放置一個(gè)最大量程為500kpa 的數(shù)顯壓力傳感器，可直接讀取各級(jí)載荷。長(zhǎng)300mm、寬65mm、厚20mm 的承壓鋼板放置在填土表面。

圖2 地基模型箱設(shè)計(jì)圖

圖3 地基塑性區(qū)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

3 圖像采集與處理系統(tǒng)

20 世紀(jì)70 年代末，粒子圖像測(cè)速(PIV)作為一種瞬態(tài)、多點(diǎn)、非接觸的流體動(dòng)力速度測(cè)量方法得到了迅速發(fā)展[10]，PIV 技術(shù)已廣泛應(yīng)用于巖土工程試驗(yàn)中土體的非接觸變形測(cè)量，基于PIV 技術(shù)的圖像采集與處理系統(tǒng)由數(shù)碼相機(jī)、LED 無(wú)影光源、計(jì)算機(jī)和GOM Correlate 圖像分析軟件組成；在地基塑性區(qū)測(cè)試過程中，光源應(yīng)放置在測(cè)試設(shè)備的兩側(cè)，以減少鏡面反射。PIV 技術(shù)使用高清數(shù)碼相機(jī)實(shí)時(shí)拍攝一系列照片，并使用GOM Correlate圖像分析軟件對(duì)所有照片進(jìn)行數(shù)字化處理；可以完成連續(xù)攝影、圖像采集和圖像分析。通過對(duì)兩個(gè)連續(xù)的數(shù)字圖像的連續(xù)分析，得到了定量的剪應(yīng)變場(chǎng)和可視化的動(dòng)態(tài)剪切發(fā)展過程。在地基塑性區(qū)測(cè)量過程中，PIV 測(cè)試系統(tǒng)以黏土為分析對(duì)象，采用數(shù)碼相機(jī)以0.5 秒的拍攝間隔自動(dòng)拍照，獲取土體位移，并使用GOM Correlate 圖像分析軟件進(jìn)行分析。

4 測(cè)試安排方案

地基塑性區(qū)試驗(yàn)的主要操作步驟如下：(1) 為模擬建筑基礎(chǔ)下黏土地基，在地基模型箱中填入一定寬高比的黏土。(2)在填土表面放置條狀剛性承壓板，模擬剛性基礎(chǔ)，其中，剛性支承板寬度小于填土寬度的1/3，滿足無(wú)限土體的條件。液壓千斤頂垂直放置在剛性承重板的中心，壓力傳感器放置在液壓千斤頂和剛性承壓板之間。(3)關(guān)掉室內(nèi)燈，為保證有足夠的光線，在透明鋼化玻璃表面兩側(cè)各放一盞LED 燈，要求地基模型箱內(nèi)土體的可視化區(qū)域沒有明顯的光影。將高清相機(jī)置于前方，設(shè)置焦距、拍攝頻率。(4)豎向加載與高清相機(jī)同步啟動(dòng)，在豎向荷載逐漸增大的過程中，用高清攝像機(jī)以0.5秒的拍攝頻率對(duì)箱內(nèi)土體的變形過程進(jìn)行拍攝。數(shù)字壓力傳感器能夠準(zhǔn)確反映豎向載荷的大小，記錄豎向載荷隨時(shí)間的變化規(guī)律。(5)當(dāng)壓力傳感器值在某一時(shí)刻急劇下降時(shí)，剛性承載板周圍土體出現(xiàn)隆起，試驗(yàn)可終止。(6) 根據(jù)位移與剪應(yīng)變的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過GOM Correlate 軟件對(duì)土體變形全過程圖像進(jìn)行處理和分析，可以得到土體位移場(chǎng)和剪應(yīng)變場(chǎng)，獲得塑性區(qū)動(dòng)態(tài)發(fā)展過程，通過分析塑性區(qū)與豎向荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以直觀地觀察塑性區(qū)邊界范圍和形態(tài)特征。最后，建立豎向荷載與位移場(chǎng)、剪應(yīng)變的關(guān)系。

5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

試驗(yàn)所用黏土的物理力學(xué)指標(biāo)為：孔隙比e=0.86，天然含水率ω=27%，塑限含水率ωp=22.5%，重力γ=19kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=16o，黏聚力c=25KPa；在箱內(nèi)填充黏土的過程中，將黏土分層填充，厚度為50cm，每層壓實(shí)采用相同標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)在加載完黏土并靜置24 小時(shí)以上后開始。加載并拍攝地基塑性區(qū)后，利用GOM Correlate 圖像分析軟件對(duì)連續(xù)照片進(jìn)行分析，可有效獲得不同荷載作用下地基變形達(dá)到穩(wěn)定時(shí)對(duì)應(yīng)的剪應(yīng)變?cè)茍D；最終，采用壓力傳感器和PIV 測(cè)試技術(shù)，獲得了不同荷載下地基塑性區(qū)實(shí)測(cè)分布圖如圖4 所示。

由圖4(a)可知，在較小的20KPa 外荷載作用下，地基土體首先出現(xiàn)壓縮變形，地基任意點(diǎn)處的剪應(yīng)力均小于抗剪強(qiáng)度，地基未出現(xiàn)塑性區(qū)，地基土體的應(yīng)力仍處于彈性平衡階段。從圖4(b-d)可以看出，隨著豎向荷載從20KPa 增加到80KPa，地基土在地基兩端底邊逐漸出現(xiàn)局部塑性區(qū)。隨著基礎(chǔ)荷載的增加，地基下土體的塑性區(qū)向下擴(kuò)展，兩側(cè)塑性區(qū)下部逐漸向中部靠近。雖然在地基土的某些區(qū)域發(fā)生了塑性極限平衡，但在地基中塑性區(qū)沒有貫通；地基仍具有一定的穩(wěn)定性，但地基的安全性隨著塑性區(qū)擴(kuò)大而降低。從圖4(e)-(h)可以看出，隨著豎向荷載從90kpa 增加到120kpa，塑性區(qū)范圍增加，基礎(chǔ)下地基兩側(cè)塑性區(qū)域形成一個(gè)連續(xù)破壞面，基礎(chǔ)兩側(cè)土體出現(xiàn)向上隆起現(xiàn)象，表明土體的應(yīng)力狀態(tài)已從塑性變形階段發(fā)展到塑性流動(dòng)階段；此外，圖4(i)表明較小的荷載增量會(huì)引起地基較大的變形，這種變形不是由土體壓縮引起的，而是由地基土的塑性流動(dòng)引起的。它是一種隨時(shí)間變化的不穩(wěn)定變形；其結(jié)果是基礎(chǔ)向較弱一側(cè)傾倒，整個(gè)基礎(chǔ)失去穩(wěn)定性，基礎(chǔ)向左發(fā)生沉降破壞，此時(shí)，地基極限承載力可取120KPa。

圖4 不同荷載作用下地基塑性區(qū)實(shí)測(cè)分布圖

6 結(jié)論

在較小的外荷載作用下，黏土地基首先出現(xiàn)壓縮變形，地基任意點(diǎn)處的剪應(yīng)力均小于抗剪強(qiáng)度，地基內(nèi)不存在塑性區(qū)，地基內(nèi)的應(yīng)力仍處于彈性平衡階段。隨著荷載的增加，地基下土體的塑性區(qū)變形區(qū)向下擴(kuò)展，兩側(cè)塑性區(qū)下部逐漸向中部靠近。雖然在黏土地基的某些區(qū)域發(fā)生了塑性極限平衡，但在地基中塑性區(qū)沒有貫通；地基仍具有一定的穩(wěn)定性，但地基的安全性隨著塑性區(qū)擴(kuò)大而降低。

隨著豎向荷載的增加，基礎(chǔ)下地基兩側(cè)塑性區(qū)域形成一個(gè)連續(xù)破壞面，基礎(chǔ)兩側(cè)土體出現(xiàn)向上隆起現(xiàn)象；由黏土地基的塑性流動(dòng)，較小的荷載增量會(huì)引起地基較大的變形，最終基礎(chǔ)向較弱一側(cè)傾倒，整個(gè)基礎(chǔ)失去穩(wěn)定性，基礎(chǔ)發(fā)生沉降破壞。