基于PIV 非接觸式測試技術的黏土地基塑性區研究

張 華 曾永慶＊ 劉曉紅 江思卿 張應歡 曾帆聰盛

(湖南理工學院土木建筑工程學院，湖南 岳陽 414000)

地基作為建筑的基礎，直接承受來自上部結構的各種荷載；建筑基礎的勘察、設計和施工質量直接影響到建筑的正常使用[1-2]。基礎與地基的相互作用決定了建筑結構的沉降和地基的承載力，是土力學和地基工程的主要內容之一[3]。當地基即將出現塑性變形時地基基底對應的應力值稱為臨塑荷載。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發展深度的方法確定地基承載力；合理的地基承載力應允許地基有一定的塑性區范圍，且不存在過大的沉降和沉降差[4]。通過確定地基塑性區深度，可以有效地預測地基承載力。地基塑性區的確定是一個典型的彈塑性平衡問題，目前尚無嚴格的理論解。一般情況下，近似解是使依據彈性理論得到的地基應力滿足屈服條件，或使半無限地基中的應力達到極限平衡得到臨界塑性荷載，結合實際經驗和具體條件，通過控制塑性區發育深度來確定地基的承載力特征值。國內外高校和研究機構對地基承載力計算和塑性區確定方法進行了廣泛的研究。王立忠[5]在ABAQUS 二次開發的基礎上，應用Hill 穩定條件和有限元方法，計算了條形基礎的極限承載力和地基的潛在失穩區域。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行了對比分析。為確定塑性區范圍、發展趨勢和應力演化過程，李順群[7]基于Mohr-Coulomb 準則和彈性理論，推導了側壓力系數變化時均布條形載荷下地基塑性區的控制方程。陳樂意[8]假定靜止土壓力系數隨地基土內摩擦角變化，基于分布荷載作用于地基內部的附加應力公式計算分析了地基的臨界荷載。

在工程應用中，常采用如下兩種方法確定地基承載力：一是依據地基的破壞特點和土的強度準則，采用各種理論方法進行求解；二是結合施工經驗，采用現場試驗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、力學性質、地基尺寸、埋深等多種因素。為了簡化計算，絕大多數理論公式均存在不符合實際情況的假設，而經驗公式只是進行了一定程度的數學變換，往往缺乏理論依據；原位測試既耗時又昂貴[9]。針對淺基礎，本文利用粒子圖像測速(PIV)技術，研究了黏土地基塑性區、地基破壞模式和地基承載力的動態定量特征；探討了地基塑性區發展過程中力學機制的演化模式，可用于研究淺基礎地基塑性區動態發展過程、塑性區形態特征和基礎承載力數值優化。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據支持。

1 黏土塑性區試驗流程

地基塑性區試驗流程圖如圖1 所示。地基塑性區試驗裝置由敞口式鋼結構地基模型箱、豎向加載系統、基于PIV 技術的圖像采集與處理系統組成。通過鋼結構地基模型箱和豎向加載系統，模擬真實建筑基礎的加載過程；由高速攝像機采集試驗圖像，采用粒子圖像測速技術進行處理，分析模型箱中填充的地基土的位移場和剪應變場，可得到地基土塑性區動態發展過程、邊界范圍和形態特征。

圖1 地基塑性區試驗流程圖

2 地基模型箱及豎向加載系統

地基塑性區模型試驗中，以黏土為填充材料，地基模型箱設計圖和地基塑性區測試現場分別如圖2 和圖3 所示。采用地基模型箱內填土模擬建筑基礎以下土體。鋼結構地基模型箱為由鋼板和槽鋼焊接而成的長方體，模型箱內部尺寸長600mm，寬335mm，高1055mm。頂面開敞，安裝可調反力架，左右兩側為12mm 厚鋼板；前后兩側均采用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最大量程為500kpa 的數顯壓力傳感器，可直接讀取各級載荷。長300mm、寬65mm、厚20mm 的承壓鋼板放置在填土表面。

圖2 地基模型箱設計圖

圖3 地基塑性區測試現場

3 圖像采集與處理系統

20 世紀70 年代末，粒子圖像測速(PIV)作為一種瞬態、多點、非接觸的流體動力速度測量方法得到了迅速發展[10]，PIV 技術已廣泛應用于巖土工程試驗中土體的非接觸變形測量，基于PIV 技術的圖像采集與處理系統由數碼相機、LED 無影光源、計算機和GOM Correlate 圖像分析軟件組成；在地基塑性區測試過程中，光源應放置在測試設備的兩側，以減少鏡面反射。PIV 技術使用高清數碼相機實時拍攝一系列照片，并使用GOM Correlate圖像分析軟件對所有照片進行數字化處理；可以完成連續攝影、圖像采集和圖像分析。通過對兩個連續的數字圖像的連續分析，得到了定量的剪應變場和可視化的動態剪切發展過程。在地基塑性區測量過程中，PIV 測試系統以黏土為分析對象，采用數碼相機以0.5 秒的拍攝間隔自動拍照，獲取土體位移，并使用GOM Correlate 圖像分析軟件進行分析。

4 測試安排方案

地基塑性區試驗的主要操作步驟如下：(1) 為模擬建筑基礎下黏土地基，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，其中，剛性支承板寬度小于填土寬度的1/3，滿足無限土體的條件。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)關掉室內燈，為保證有足夠的光線，在透明鋼化玻璃表面兩側各放一盞LED 燈，要求地基模型箱內土體的可視化區域沒有明顯的光影。將高清相機置于前方，設置焦距、拍攝頻率。(4)豎向加載與高清相機同步啟動，在豎向荷載逐漸增大的過程中，用高清攝像機以0.5秒的拍攝頻率對箱內土體的變形過程進行拍攝。數字壓力傳感器能夠準確反映豎向載荷的大小，記錄豎向載荷隨時間的變化規律。(5)當壓力傳感器值在某一時刻急劇下降時，剛性承載板周圍土體出現隆起，試驗可終止。(6) 根據位移與剪應變的對應關系，通過GOM Correlate 軟件對土體變形全過程圖像進行處理和分析，可以得到土體位移場和剪應變場，獲得塑性區動態發展過程，通過分析塑性區與豎向荷載的對應關系，可以直觀地觀察塑性區邊界范圍和形態特征。最后，建立豎向荷載與位移場、剪應變的關系。

5 試驗結果及分析

試驗所用黏土的物理力學指標為：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，內摩擦角φ=16o，黏聚力c=25KPa；在箱內填充黏土的過程中，將黏土分層填充，厚度為50cm，每層壓實采用相同標準。試驗在加載完黏土并靜置24 小時以上后開始。加載并拍攝地基塑性區后，利用GOM Correlate 圖像分析軟件對連續照片進行分析，可有效獲得不同荷載作用下地基變形達到穩定時對應的剪應變云圖；最終，采用壓力傳感器和PIV 測試技術，獲得了不同荷載下地基塑性區實測分布圖如圖4 所示。

由圖4(a)可知，在較小的20KPa 外荷載作用下，地基土體首先出現壓縮變形，地基任意點處的剪應力均小于抗剪強度，地基未出現塑性區，地基土體的應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局部塑性區。隨著基礎荷載的增加，地基下土體的塑性區向下擴展，兩側塑性區下部逐漸向中部靠近。雖然在地基土的某些區域發生了塑性極限平衡，但在地基中塑性區沒有貫通；地基仍具有一定的穩定性，但地基的安全性隨著塑性區擴大而降低。從圖4(e)-(h)可以看出，隨著豎向荷載從90kpa 增加到120kpa，塑性區范圍增加，基礎下地基兩側塑性區域形成一個連續破壞面，基礎兩側土體出現向上隆起現象，表明土體的應力狀態已從塑性變形階段發展到塑性流動階段；此外，圖4(i)表明較小的荷載增量會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引起的。它是一種隨時間變化的不穩定變形；其結果是基礎向較弱一側傾倒，整個基礎失去穩定性，基礎向左發生沉降破壞，此時，地基極限承載力可取120KPa。

圖4 不同荷載作用下地基塑性區實測分布圖

6 結論

在較小的外荷載作用下，黏土地基首先出現壓縮變形，地基任意點處的剪應力均小于抗剪強度，地基內不存在塑性區，地基內的應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變形區向下擴展，兩側塑性區下部逐漸向中部靠近。雖然在黏土地基的某些區域發生了塑性極限平衡，但在地基中塑性區沒有貫通；地基仍具有一定的穩定性，但地基的安全性隨著塑性區擴大而降低。

隨著豎向荷載的增加，基礎下地基兩側塑性區域形成一個連續破壞面，基礎兩側土體出現向上隆起現象；由黏土地基的塑性流動，較小的荷載增量會引起地基較大的變形，最終基礎向較弱一側傾倒，整個基礎失去穩定性，基礎發生沉降破壞。