土壓力盒剛度對(duì)工程測(cè)試結(jié)果的影響分析

鐵富強(qiáng)， 胡　熠， 章學(xué)良

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610052)

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土壓力盒剛度對(duì)工程測(cè)試結(jié)果的影響分析

鐵富強(qiáng)， 胡熠， 章學(xué)良

(中國(guó)建筑西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 四川成都 610052)

【摘要】在工程測(cè)試工作中，測(cè)試元件的剛度一般都不等同于被測(cè)試的結(jié)構(gòu)物或巖土體， 土壓力盒是一種常用的巖土壓力測(cè)試元件，由于其采用厚壁金屬材料制成，因此具有較大的剛度，在巖土工程測(cè)試中發(fā)現(xiàn)土壓力盒自身剛度大小對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響很大，甚至出現(xiàn)了因所埋設(shè)測(cè)試元件的剛度問題使得結(jié)構(gòu)物的受力變形特征發(fā)生變化的情況。文章根據(jù)一組擴(kuò)展基礎(chǔ)地基反力測(cè)試試驗(yàn)中的測(cè)試結(jié)果對(duì)土壓力盒剛度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響進(jìn)行了分析，并采用數(shù)值模擬分析方法對(duì)不同剛度大小的土壓力盒對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響進(jìn)行了研究分析，確定了測(cè)試元件剛度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響特性。其研究成果可以為今后的巖土工程監(jiān)測(cè)、科研試驗(yàn)測(cè)試分析等工作提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】土壓力盒;剛度;測(cè)試結(jié)果;影響

土壓力盒是一種廣泛應(yīng)用與建筑、鐵路、交通及水利等工程領(lǐng)域的巖土壓力測(cè)試元件，常用的土壓力盒通常采用厚壁的金屬材料制成，因此其自身具有較大的剛度。在巖土壓力的測(cè)試過程中，技術(shù)人員一般都會(huì)忽略壓力盒與被測(cè)試巖土體間因其剛度或模量差異所帶來的測(cè)試結(jié)果誤差，但是在很多工程監(jiān)測(cè)和科研試驗(yàn)都逐漸發(fā)現(xiàn)，土壓力盒自身的剛度大小對(duì)巖土壓力或地基反力的測(cè)試結(jié)果影響很大，甚至還出現(xiàn)了很多因?yàn)樗裨O(shè)測(cè)試元件的剛度問題使得結(jié)構(gòu)物的受力特征發(fā)生變化的情況。此時(shí)土壓力盒的測(cè)試結(jié)果不但已經(jīng)無法真實(shí)地反映出結(jié)構(gòu)物或巖土體的受力特征，還可能會(huì)影響到地基基礎(chǔ)等工程結(jié)構(gòu)的正常工作狀態(tài)。

在本文中，首先介紹了一組無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)地基反力的測(cè)試試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)中所測(cè)試的數(shù)據(jù)對(duì)土壓力盒剛度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響進(jìn)行了分析，最后采用數(shù)值模擬分析方法對(duì)不同剛度大小的土壓力盒對(duì)巖土工程測(cè)試結(jié)果的影響進(jìn)行了研究討論分析，確定了土壓力盒剛度對(duì)巖土壓力測(cè)試結(jié)果的影響特性。其研究成果可以為今后的巖土工程監(jiān)測(cè)、科研試驗(yàn)測(cè)試分析等工作提供參考和借鑒。

1擴(kuò)展基礎(chǔ)地基反力測(cè)試結(jié)果介紹

無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)地基反力測(cè)試試驗(yàn)是為了確定無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)在承載過程中地基基礎(chǔ)反力分布特征。

在目前的測(cè)試工程中一般都是通過埋設(shè)在基礎(chǔ)底部的土壓力盒來對(duì)基礎(chǔ)底部的地基反力進(jìn)行測(cè)試，在本次試驗(yàn)中也采用了該測(cè)試方案。分別在基礎(chǔ)底部均勻布置了3×3個(gè)土壓力盒，土壓力盒膜面朝下。

試驗(yàn)中的地基是由人工挖填夯實(shí)而成，填土?xí)r采用無雜物土分層回填，每層回填30 cm，土按照最優(yōu)含水率灑水潤(rùn)濕后采用蛙式打夯機(jī)分層夯，每層夯實(shí)3遍至設(shè)計(jì)高度。為了提高土的強(qiáng)度，在試驗(yàn)開始之前在放模型的位置進(jìn)行了土的預(yù)壓，預(yù)壓的平均荷載達(dá)到600 kPa。地基土在靜置養(yǎng)護(hù)一個(gè)月后進(jìn)行靜載荷試驗(yàn)，采用0.5 m2的載荷板，得到的地基土P-S曲線(圖1)。

圖1　試驗(yàn)地基土P-S曲線

在加載過程中分別按照基底平均應(yīng)力100 kPa、200 kPa、300 kPa直至600 kPa換算出的荷載分級(jí)施加，將各級(jí)荷載條件下得到的土壓力盒測(cè)試結(jié)果繪制成基礎(chǔ)底面的應(yīng)力分布曲線(圖2)。

圖2　不同荷載條件下實(shí)測(cè)基底應(yīng)力分布曲線

從土壓力盒的實(shí)測(cè)結(jié)果中可以看出，基底呈現(xiàn)出兩側(cè)應(yīng)力較大中間應(yīng)力稍小的分布規(guī)律。從試驗(yàn)結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)了一個(gè)問題，即所有土壓力盒實(shí)測(cè)值均大于基底的平均應(yīng)力，例如當(dāng)根據(jù)荷載計(jì)算出的基底平均應(yīng)力為600 kPa時(shí)，按照一般的認(rèn)識(shí)基底土壓力盒的應(yīng)力應(yīng)該表現(xiàn)為部分大于600 kPa，部分小于600 kPa，但實(shí)際上基底土壓力盒實(shí)測(cè)應(yīng)力卻都在800 kPa以上，按照土壓力盒測(cè)試結(jié)果來看基底平均應(yīng)力必然遠(yuǎn)大于600 kPa，因此實(shí)測(cè)結(jié)果中必然存在一定問題。

試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)試驗(yàn)結(jié)果中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了分析，分析結(jié)果認(rèn)為土壓力盒剛度較大是造成測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)問題的主要原因。由于土壓力盒壁面為金屬材料，其模量遠(yuǎn)大于地基土體，因此在基礎(chǔ)底部成為了支撐柱體，加載過程中基底較多的應(yīng)力都集中在壓力盒上，而基底其它位置的地基土受力較小，基底應(yīng)力分布特征甚至都因土壓力盒的存在而發(fā)生了變化。試驗(yàn)完成后對(duì)基礎(chǔ)底部進(jìn)行觀察，基礎(chǔ)底部照片如圖3所示。通過觀察可以看出基礎(chǔ)底部土壓力盒上方基礎(chǔ)底部印記十分明顯，也可證明此處的應(yīng)力較別處更大。

圖3　試驗(yàn)結(jié)束后基礎(chǔ)底部照片

2土壓力盒剛度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響

以第一節(jié)中的擴(kuò)展基礎(chǔ)試驗(yàn)為原型建立數(shù)值模型進(jìn)行模擬計(jì)算分析，在模型基礎(chǔ)底部建立4×4個(gè)土壓力盒單元，通過調(diào)整單元的彈性模量來模擬不同的土壓力盒剛度，并計(jì)算得出不同測(cè)試元件剛度下的基底地基反力分布特征。由于數(shù)值計(jì)算僅對(duì)基底應(yīng)力分布特征進(jìn)行分析，因此不再按照擴(kuò)展基礎(chǔ)中所采用的分級(jí)加載方式，而是在基礎(chǔ)模型頂部按照基底平均應(yīng)力1 MPa換算出的荷載一次性完成荷載施加。建立出的數(shù)值模型如圖4所示，模型中共包括52 480個(gè)單元。

圖4　建立的數(shù)值模型

當(dāng)土壓力盒的剛度大于地基土體時(shí)，即模型中測(cè)試元件單元模量大于地基土單元兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，計(jì)算得到的基底地基反力分布如圖5所示。從圖中可以看出，土壓力盒位置的基底應(yīng)力約為2.5 MPa，其它位置的基底應(yīng)力約為750 kPa，兩者相差了近3倍。完全可以認(rèn)為在這樣的條件下測(cè)試得到的結(jié)果與實(shí)際相差很大，甚至由于土壓力盒剛度較大在基底已經(jīng)變成了承載的剛性柱體，完全改變了擴(kuò)展基礎(chǔ)原有的受力模式。

圖5　測(cè)試元件剛度大于地基土?xí)r基底應(yīng)力分布

當(dāng)土壓力盒的剛度與地基土體近似時(shí)，即土壓力盒單元模量與地基土單元模量處于相同數(shù)量級(jí)時(shí)，計(jì)算得到的基底地基反力分布如圖6所示。從圖中可以看出，在土壓力盒和除壓力盒以外的其它位置，基礎(chǔ)底部應(yīng)力均為750 kPa左右，兩者差異不大。因此可以認(rèn)為在這樣的條件下測(cè)試得到的結(jié)果與沒有布置土壓力盒時(shí)的地基反力近似相同，測(cè)試結(jié)果近似于實(shí)際情況。

圖6　測(cè)試元件剛度與地基土近似時(shí)基底應(yīng)力分布

當(dāng)土壓力盒的剛度小于地基土體時(shí)，即土壓力盒單元模量小于地基土單元模量?jī)蓚€(gè)數(shù)量級(jí)以上，計(jì)算得到的基底地基反力分布如圖7所示。從圖中可以看出，測(cè)試元件底部的應(yīng)力約為250 kPa，而其它位置的應(yīng)力約為1 MPa，測(cè)試元件測(cè)試結(jié)果遠(yuǎn)小于真實(shí)的基底反力，但基礎(chǔ)的受力模式并未發(fā)生較大改變。

從以上數(shù)值分析結(jié)果中可以看出，土壓力盒的剛度對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響很大，當(dāng)土壓力盒剛度很大時(shí)，大部分荷載都通過土壓力盒傳遞到基底下方的土體中，其它位置的基底地基反力則很小，這樣不但測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況相差很大，土壓力盒的存在甚至改變了整個(gè)基礎(chǔ)的受力模式；當(dāng)土壓力盒剛度較小時(shí)，土壓力盒上方的基底壓力則較其它位置的基底

圖7　測(cè)試元件剛度小于地基土?xí)r基底應(yīng)力分布

壓力要小，但并不會(huì)對(duì)基礎(chǔ)本身的受力模式產(chǎn)生改變；若土壓力盒的剛度與地基土剛度近似，則土壓力盒測(cè)得的基底壓力與其它位置基本相同，且對(duì)基礎(chǔ)自身受力模式?jīng)]有影響。由上述情況可以看出，在測(cè)試試驗(yàn)中為了保證試驗(yàn)結(jié)果的正確性，應(yīng)當(dāng)盡可能的保證測(cè)試元件和被測(cè)試介質(zhì)具有同樣和近似的剛度。

3結(jié)論

通過分析一組擴(kuò)展基礎(chǔ)試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，并采用數(shù)值模擬方法模擬分析了不同剛度土壓力盒對(duì)地基反力測(cè)試結(jié)果的影響，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)土壓力盒剛度很大時(shí)，大部分荷載都通過土壓力盒傳遞到基底下方的土體中，其它位置的基底地基反力則很小，這樣不但測(cè)試結(jié)果與實(shí)際情況相差很大，土壓力盒的存在甚至改變了整個(gè)基礎(chǔ)的受力模式；

(2)當(dāng)土壓力盒剛度較小時(shí)，土壓力盒上方的基底壓力則較其它位置的基底壓力要小，但并不會(huì)對(duì)基礎(chǔ)本身的受力模式產(chǎn)生改變；

(3)若土壓力盒的剛度與地基土剛度近似，則土壓力盒測(cè)得的基底壓力與其它位置基本相同，且對(duì)基礎(chǔ)自身受力模式?jīng)]有影響。

參考文獻(xiàn)

[1]劉先珊, 董存軍. 砂土介質(zhì)中土壓力盒的力學(xué)響應(yīng)特性[J]. 土木建筑與環(huán)境工程， 2012(4).

[2]張彬, 王釗, 楊俊峰. 土壓力盒在工程應(yīng)用中的誤差分析[J]. 探礦工程， 2005(S1).

【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】B

【中圖分類號(hào)】TU413.4

[作者簡(jiǎn)介]鐵富強(qiáng)，男，工程師，主要從事巖土工程設(shè)計(jì)工作。

[基金項(xiàng)目]中建股份科技研發(fā)課題(CSCEC-2014-Z-22)

[定稿日期]2015-07-31