加筋地基室內大模型試驗尺寸效應分析

　　摘 要：為了研究基礎尺寸效應對加筋地基的影響，利用自行設計的3 000 mm(L)×1 600 mm(W)×2 000 mm(H)大比例模型箱，進行不同寬度加載板的載荷試驗，分析方形基礎下加筋地基的荷載—沉降關系、土壓力分布和土工格柵的受力變形規律，探討尺寸效應對加筋地基破壞模式的影響.研究表明：隨著加載板寬度(B)的增加，加筋地基的極限承載力也隨之增大，B=300 mm、400 mm、500 mm的極限承載力比B=200 mm時分別增大1.07、1.13、1.27倍.B=200 mm時加筋地基的破壞模式為沖切破壞，B≥300 mm時為整體剪切破壞.在豎向荷載小于 240 kPa時，土工格柵應變很小，格柵加筋作用較弱;隨豎向荷載進一步增大，格柵加筋作用明顯增強，地基達到極限承載力時格柵應變最大;格柵應變隨加載板尺寸增大而增大，隨距加載板中心距離的增大而減小，且呈非線性變化.

　　關鍵詞：加筋地基;尺寸效應;地基承載力;破壞模式

　　《中國住宅設施》(月刊)創刊于2003年，是由建設部主管，中國房地產及住宅研究會主辦，住宅設施委員會承辦的住宅設施領域唯一的中央級專業性科技類期刊。

　　0 引言

　　載荷試驗具有簡單直觀、數據可靠等優點，被廣泛用于確定地基承載力，但其受外界因素影響較大，如壓板埋設深度、土體的均勻性及透水性、每級荷載沉降穩定標準、加載板的形狀及尺寸等，尤其以加載板尺寸對試驗結果的影響最大，故研究加載板的尺寸效應很有必要.

　　目前，國內外眾多學者利用試驗及數值模擬對不同形式的地基尺寸效應做了大量的研究工作.Abu-Farsakh[1]，Moghadas Tafreshi[2]等學者指出，基礎的極限承載力隨著基礎寬度的增加而增加;張文龍等[3]通過內蒙粉細砂進行原位載荷試驗，發現加載板寬度介于一定范圍內存在尺寸效應，但加載板寬度超出一定范圍后，尺寸效應不明顯;劉鵬等[4]開展了4種加載板尺寸單樁復合地基載荷試驗，發現復合地基沉降隨壓板尺寸增大而增大;Mehrjardi等[5]通過開展循環動載下地基的載荷試驗得出，隨著加載板的增大，動載作用下地基的承載力也隨之增大;張玉成等[6]對比分析不同加載板寬度下的地基沉降，基于非線性切線模量推導出如何利用小加載板載荷試驗結果得出實際P-s曲線;李勝偉等[7]采用ABAQUS有限元分析軟件模擬條形荷載下雙層地基的載荷試驗，得出了隨著加載板寬度的增加，地基沉降也隨之增加，但增長幅度逐漸變緩.楊光華等[8]基于FLAC3D軟件研究了不同寬度條形基礎下的地基承載力，認為尺寸效應在不同土質條件下對地基承載力的影響程度不同;辛明靜[9]采用有限差分法FLAC3D軟件進行了靜載作用下地基的載荷試驗的模擬，得出了地基的沉降隨加載板尺寸的增加而減小;蔣明鏡等[10]用離散單元法模擬了平板基礎作用下的載荷試驗過程，從細觀角度探索產生地基尺寸效應的機理，得出隨著基礎寬度的增加，地基承載力系數隨之減小，然后逐漸趨于穩定.

　　綜上所述，關于天然地基和復合地基的加載板尺寸效應研究取得了較多的成果，但目前對于加筋地基的尺寸效應研究較少.近年來，土工合成材料(土工格柵、土工格室等)在地基、路基應用更加廣泛，且加筋地基承載機理及破壞模式較無筋地基存在一定程度的改變[11-14]，故有必要研究加筋地基承載特性受基礎尺寸變化的影響規律.本文采用自行設計的3 000 mm(L)×1 600 mm(W)×2 000 mm(H)模型箱，通過DJM-500雙軸振動電液伺服加載系統對加筋地基施加豎向荷載，開展不同尺寸方形基礎的平板載荷試驗.根據試驗結果對方形基礎下加筋地基的荷載-沉降關系、土壓力分布和土工格柵的受力變形進行了分析，對比分析了不同寬度方形基礎下加筋地基的力學響應，可為實際加筋工程設計提供有益參考.

　　1 室內大模型試驗概述

　　1.1 試驗材料及特性

　　本次室內試驗采用的填埋材料為柳州市本地普通河砂，顆分結果確定其為級配良好的中砂，圖1為砂土的級配曲線，采用常規土工測試方法測定其參數，所得基本物理性質見表1.

　　本次試驗所用土工格柵是山東省肥城聯誼工程塑料有限公司所生產，如圖2所示，具體技術指標見表2.

　　1.2 試驗裝置

　　試驗裝置由3部分組成：模型箱、DJM-500雙軸振動電液伺服加載系統、數據采集系統，如圖3所示.

　　本次試驗采用自行設計的尺寸為3 000 mm(L)×1 600 mm(W)×2 000 mm(H)大體積模型箱.模型箱外側焊有槽鋼鋼架以保證足夠的剛度，長度方向兩側分別為20 mm的鋼化玻璃和6 mm的鋼板，便于砂土的填筑與壓實.在寬度方向焊接三角鋼用以放置10 mm厚的鋼板，每側4塊，在填筑過程中依次安裝.

　　試驗數據采集采用JM3841動態應變儀和JMZR2012柔性位移采集模塊.在土體預定位置處埋設土壓力盒采集水平和豎向土壓力，將柔性位移計固定在土工格柵指定位置處來獲取筋材的變形量，采用DJM-500雙軸振動電液伺服加載系統施加荷載，地基土體的沉降由其系統中的傳感器實時讀取(10次/s).監測元器件的埋設與整體布設見圖4.

　　試驗所用加載設備是DJM-500雙軸振動電液伺服加載系統，能實時測取輸出荷載和沉降位移.本次試驗主要探討加載板尺寸對加筋地基承載力的影響，故采用不同寬度的加載板模擬不同的方形基礎，板厚30 mm，通過螺栓與加載筒連接，加載過程中加載板不會發生彎曲變形.

　　1.3 試驗方案

　　本次模型試驗模擬了加筋地基在方形基礎下的受力情況，主要探討靜載作用下不同寬度加載板對加筋地基承載性能的影響，共設計了4種工況的模型試驗(如表3所示).