土壓力盒剛度對工程測試結(jié)果的影響分析

鐵富強， 胡　熠， 章學(xué)良

(中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610052)

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土壓力盒剛度對工程測試結(jié)果的影響分析

鐵富強， 胡熠， 章學(xué)良

(中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司, 四川成都 610052)

【摘要】在工程測試工作中，測試元件的剛度一般都不等同于被測試的結(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，在巖土工程測試中發(fā)現(xiàn)土壓力盒自身剛度大小對測試結(jié)果的影響很大，甚至出現(xiàn)了因所埋設(shè)測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)地基反力測試試驗中的測試結(jié)果對土壓力盒剛度對測試結(jié)果的影響進(jìn)行了分析，并采用數(shù)值模擬分析方法對不同剛度大小的土壓力盒對測試結(jié)果的影響進(jìn)行了研究分析，確定了測試元件剛度對測試結(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、科研試驗測試分析等工作提供參考和借鑒。

【關(guān)鍵詞】土壓力盒;剛度;測試結(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。在巖土壓力的測試過程中，技術(shù)人員一般都會忽略壓力盒與被測試巖土體間因其剛度或模量差異所帶來的測試結(jié)果誤差，但是在很多工程監(jiān)測和科研試驗都逐漸發(fā)現(xiàn)，土壓力盒自身的剛度大小對巖土壓力或地基反力的測試結(jié)果影響很大，甚至還出現(xiàn)了很多因為所埋設(shè)測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。此時土壓力盒的測試結(jié)果不但已經(jīng)無法真實地反映出結(jié)構(gòu)物或巖土體的受力特征，還可能會影響到地基基礎(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)地基反力的測試試驗，并根據(jù)試驗中所測試的數(shù)據(jù)對土壓力盒剛度對測試結(jié)果的影響進(jìn)行了分析，最后采用數(shù)值模擬分析方法對不同剛度大小的土壓力盒對巖土工程測試結(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巖土壓力測試結(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、科研試驗測試分析等工作提供參考和借鑒。

1擴(kuò)展基礎(chǔ)地基反力測試結(jié)果介紹

無筋擴(kuò)展基礎(chǔ)地基反力測試試驗是為了確定無筋擴(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基礎(chǔ)底部的地基反力進(jìn)行測試，在本次試驗中也采用了該測試方案。分別在基礎(chǔ)底部均勻布置了3×3個土壓力盒，土壓力盒膜面朝下。

試驗中的地基是由人工挖填夯實而成，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)含水率灑水潤濕后采用蛙式打夯機分層夯，每層夯實3遍至設(shè)計高度。為了提高土的強度，在試驗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)一個月后進(jìn)行靜載荷試驗，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換算出的荷載分級施加，將各級荷載條件下得到的土壓力盒測試結(jié)果繪制成基礎(chǔ)底面的應(yīng)力分布曲線(圖2)。

圖2　不同荷載條件下實測基底應(yīng)力分布曲線

從土壓力盒的實測結(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。從試驗結(jié)果中還發(fā)現(xiàn)了一個問題，即所有土壓力盒實測值均大于基底的平均應(yīng)力，例如當(dāng)根據(jù)荷載計算出的基底平均應(yīng)力為600 kPa時，按照一般的認(rèn)識基底土壓力盒的應(yīng)力應(yīng)該表現(xiàn)為部分大于600 kPa，部分小于600 kPa，但實際上基底土壓力盒實測應(yīng)力卻都在800 kPa以上，按照土壓力盒測試結(jié)果來看基底平均應(yīng)力必然遠(yuǎn)大于600 kPa，因此實測結(jié)果中必然存在一定問題。

試驗結(jié)束后對試驗結(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。試驗完成后對基礎(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　試驗結(jié)束后基礎(chǔ)底部照片

2土壓力盒剛度對測試結(jié)果的影響

以第一節(jié)中的擴(kuò)展基礎(chǔ)試驗為原型建立數(shù)值模型進(jìn)行模擬計算分析，在模型基礎(chǔ)底部建立4×4個土壓力盒單元，通過調(diào)整單元的彈性模量來模擬不同的土壓力盒剛度，并計算得出不同測試元件剛度下的基底地基反力分布特征。由于數(shù)值計算僅對基底應(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，即模型中測試元件單元模量大于地基土單元兩個數(shù)量級以上，計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試得到的結(jié)果與實際相差很大，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，即土壓力盒單元模量與地基土單元模量處于相同數(shù)量級時，計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試得到的結(jié)果與沒有布置土壓力盒時的地基反力近似相同，測試結(jié)果近似于實際情況。

圖6　測試元件剛度與地基土近似時基底應(yīng)力分布

當(dāng)土壓力盒的剛度小于地基土體時，即土壓力盒單元模量小于地基土單元模量兩個數(shù)量級以上，計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，測試元件測試結(jié)果遠(yuǎn)小于真實的基底反力，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，土壓力盒的剛度對測試結(jié)果的影響很大，當(dāng)土壓力盒剛度很大時，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，這樣不但測試結(jié)果與實際情況相差很大，土壓力盒的存在甚至改變了整個基礎(chǔ)的受力模式；當(dāng)土壓力盒剛度較小時，土壓力盒上方的基底壓力則較其它位置的基底

圖7　測試元件剛度小于地基土?xí)r基底應(yīng)力分布

壓力要小，但并不會對基礎(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，則土壓力盒測得的基底壓力與其它位置基本相同，且對基礎(chǔ)自身受力模式?jīng)]有影響。由上述情況可以看出，在測試試驗中為了保證試驗結(jié)果的正確性，應(yīng)當(dāng)盡可能的保證測試元件和被測試介質(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)試驗測試結(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地基反力測試結(jié)果的影響，得出以下結(jié)論：

(1)當(dāng)土壓力盒剛度很大時，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，這樣不但測試結(jié)果與實際情況相差很大，土壓力盒的存在甚至改變了整個基礎(chǔ)的受力模式；

(2)當(dāng)土壓力盒剛度較小時，土壓力盒上方的基底壓力則較其它位置的基底壓力要小，但并不會對基礎(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，則土壓力盒測得的基底壓力與其它位置基本相同，且對基礎(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】TU413.4

[作者簡介]鐵富強，男，工程師，主要從事巖土工程設(shè)計工作。

[基金項目]中建股份科技研發(fā)課題(CSCEC-2014-Z-22)

[定稿日期]2015-07-31