淺基礎地基塑性區(qū)非接觸式測試裝置的研制與應用

姜 豪 彭 錕 張建偉 劉王苗 劉曉紅

(湖南理工學院土木建筑工程學院，湖南 岳陽414000)

地基承載力是土木工程領域的一個重要研究課題，亦是《土力學》課程的重點和難點之一。根據地基塑性區(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現行規(guī)范[1]中確定地基承載力設計值的方法之一。地基在荷載作用下，基礎邊緣處地基土中首先發(fā)生剪切破壞，繼而在基礎兩側形成小范圍的剪切破壞區(qū)即塑性區(qū)[2]。現有的塑性區(qū)邊界方程的理論推導假設側壓力系數k0=1，而實測地基土的側壓力系數一般介于0.35-0.80 之間[3]，故k0=1 的假設明顯不同于工程實際。可見在一定假設前提下推導出的地基塑性區(qū)與實際情況存在差距。從現有文獻看，地基塑性區(qū)的研究主要集中在理論分析[4]與數值模擬[5]，很少見有通過室內試驗的方法研究地基塑性區(qū)的文獻資料。據調研，目前國內市場上尚未見有地基塑性區(qū)測試儀器設備。為了通過試驗手段研究地基塑性區(qū)的動態(tài)形成過程及變形破壞機理，課題小組自主研制了基于PIV技術的地基塑性區(qū)非接觸式測試裝置。

圖1 裝置三視圖與實物圖

1 裝置設計與組成

本裝置由鋼結構模型箱、豎向加載與沉降系統(tǒng)、基于PIV 技術的圖像采集與處理系統(tǒng)等部分等組成，詳見圖1。鋼結構模型箱為長方體，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的數顯式壓力傳感器，可直接讀出每一級荷載的大小。承壓鋼板長300mm、寬200mm、厚20mm，鋼板置于填土表面，即假設基礎埋置深度為零。基于PIV技術的圖像采集與處理系統(tǒng)由LED無影光源、相機、計算機與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技術通過高清數碼相機實時連續(xù)拍攝系列照片，利用GeoPIV軟件對所有照片進行數字化處理，通過連續(xù)分析相繼兩幀數字圖像，獲得土體內部的量化剪應變場及其可視化動態(tài)發(fā)展過程。

2 功能與操作

本裝置主要功能特點有：(1)能實現基底壓力和土體內部變形的非接觸式測試。采用數顯式壓力傳感器獲得基底壓力大小，通過PIV 技術獲得地基土體位移場及剪應變場，無需在基底埋設土壓力、在土體中埋設應變計等元器件，相較于常規(guī)土工模型試驗，大大減少試驗過程中地基土體所受到的人工擾動，增加試驗結果的準確度，同時減少模型試驗耗材成本等。(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軟件直接對全過程照片進行分析處理，直接輸出荷載與土體剪應變的一一對應關系；同時能降低試驗操作難度，減少復雜數據的分析工作量，排除人為因素的干擾，提高試驗效率。(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）采用堆載預壓分層填筑填土并分層壓實，每分層厚度5cm，在分層界面上鋪設相同粒徑的色砂。（2）在填土表面放置條形剛性承載板，并在承壓板對角上設置倆個百分表，用以測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高清相機，在其兩側各布設一個無影光源，拍攝頻率設置為0.5 秒/張，相機與電腦相連，電腦中安裝GeoPIV照片處理軟件。（4）分級加載與高清相機同步啟動。在逐步增大豎向荷載的過程中用高清相機以0.5s/張拍照頻率對箱內受壓變形土體進行拍照，數顯壓力傳感器準確記錄分級荷載大小。（5）終止試驗標準：(a)承壓板周圍土體出現隆起，或明顯破壞性列縫，或明顯的側向擠出；(b)某級荷載的沉降量急劇增大，P-S曲線出現陡降段；(c) 在某級荷載下，2 小時沉降速率不能達到穩(wěn)定標準。當出現以上情況之一時，可認為地基達破壞階段，可終止加載，其對應的前一級荷載為極限荷載。（6）利用GeoPIV軟件對各級荷載下土體變形全過程圖像進行處理分析，獲得各級荷載作用下地基塑性區(qū)剪應變云圖及對應的沉降量。

3 試驗成果與分析

課題小組利用自行研制的裝置進行了砂土地基塑性區(qū)的試驗研究。試驗所用填土為洞庭湖河砂，黃色，由顆粒分析試驗得出，該砂土的不均勻系數Cu=2.9，曲率系數Cc=1.4，根據地基規(guī)范定名為級配不良粗砂。試驗測得其含水量為1.9%，內摩擦角為350，自由落砂法分層填筑砂土的重度為14.4kN/m3，靜置24 小時后開始實驗。實驗及拍照結束后，利用GeoPIV圖像處理軟件對連續(xù)拍攝的照片進行處理分析，獲得不同荷載下地基變形達到穩(wěn)定時對應的剪應變云圖，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，兩側塑性區(qū)下部逐漸向中間靠攏，當荷載增大至378kPa 時，兩側塑性區(qū)首先在其底部開始相交，可認為此時地基即將達到極限平衡狀態(tài)。荷載增大至422kPa 時，兩側塑性區(qū)在底部基本貫通，兩側塑性區(qū)相交范圍增大，承壓板兩側砂土出現部分隆起，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)，此時地基產生了局部剪切破壞，其極限承載力Pu 可取值422kPa 近。當荷載由422kPa增大至449kPa 時，兩側塑性區(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)進一步加劇。

4 結論

課題小組自主研制的地基塑性區(qū)非接觸式測試裝置，目前已獲得國家實用新型專利授權。該裝置由敞口鋼結構地基模型箱、豎向加載與沉降系統(tǒng)、基于PIV技術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)模擬實際地基的受荷過程，利用圖像采集與處理系統(tǒng)對模型箱中填筑地基土在不同荷載作用下圖像進行分析，獲得不同荷載作用下地基塑性區(qū)的動態(tài)發(fā)展過程及對應的沉降量。該裝置目前已用于師生的科研試驗及學生創(chuàng)新性試驗教學，性能及效果良好。目前國內市場上還沒有類似產品，本裝置填補了國內地基塑性區(qū)測試儀器設備的空白。