梁發(fā)云 王 杰 梁 軒 李元齊 王文廣

(1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系,上海 200092; 2.同濟(jì)大學(xué)建筑工程系,上海 200092;3.國網(wǎng)四川省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院,成都 610041)

0 引 言

擴(kuò)展基礎(chǔ)基底壓力分布是關(guān)乎基礎(chǔ)設(shè)計方法的關(guān)鍵問題,常用的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)設(shè)計方法是以剛度為無窮大的基礎(chǔ)形態(tài)和接觸應(yīng)力呈均勻分布、平面分布或拋物線分布為根據(jù)[1]。現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007—2011)[2]和電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《架空輸電線路基礎(chǔ)設(shè)計技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5219—2014)[3]要求基礎(chǔ)寬高比小于或等于2.5且偏心距小于或等于1/6基礎(chǔ)寬度,保證基礎(chǔ)剛性,基底反力近似按直線分布計算。

早期模型試驗(yàn)研究多集中于砂土地基上剛性基礎(chǔ)基底壓力量測,且多有定論。K?gler和Scheidig[4]最早采用載荷板試驗(yàn)研究2 m厚砂層與剛體混凝土塊界面間的分布接觸應(yīng)力,測出基底壓力呈拋物線形分布;Faber[5]測得無黏性土的接觸應(yīng)力分布與K?gler和Scheidig[4]的結(jié)果基本一致;Lcussink 和Schweikert[1]報道了荷載接近土極限承載力時,密實(shí)砂層上1 m×1 m混凝土板的接觸應(yīng)力在中心處最大而在邊緣處最小。

現(xiàn)階段中模型試驗(yàn)有涉及柔性基礎(chǔ),但尚未有粘土地基上的室內(nèi)模型試驗(yàn),且均未涉及偏壓相關(guān)研究。黃熙齡等[6-7]通過中壓縮性地基土上鋼筋混凝土板的軸壓試驗(yàn),以“高寬比”界定剛性、柔性筏板,并納入相關(guān)規(guī)范[2-3];邸道懷[8]對人工換填的均勻粉土上剛性基礎(chǔ)和柔性基礎(chǔ)進(jìn)行軸向加載,量測基礎(chǔ)的撓曲變形及基底壓力。

現(xiàn)有的基底壓力工程實(shí)測多考慮大型上部結(jié)構(gòu)-基礎(chǔ)-地基共同作用,監(jiān)測天然地基上建筑物基底壓力及沉降。中國建筑科學(xué)研究院等研究機(jī)構(gòu)在上海、北京等通過對一些新建高層建筑的大量基底壓力實(shí)測,提出了箱形基礎(chǔ)基底壓力的“反力系數(shù)表”[9];滕延京等在“復(fù)雜體型的大底盤高層建筑基礎(chǔ)設(shè)計”課題研究中[10],量測相對軟弱的黏土地基上箱式基礎(chǔ)的地基壓力,結(jié)果顯示,實(shí)測結(jié)果相比數(shù)值模擬差距較大。

目前擴(kuò)展基礎(chǔ)基底壓力相關(guān)的模型試驗(yàn)多為軸壓作用下的砂土、粉土地基,黏性土中的偏心加載試驗(yàn)研究未見報道。本文在室內(nèi)大型模型槽中開展黏性土擴(kuò)展基礎(chǔ)基底壓力分布研究,采用軸壓、偏壓兩種加載方式,系統(tǒng)研究寬高比對黏土地基擴(kuò)展基礎(chǔ)基底壓力分布規(guī)律的影響。

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)計

1.1 擴(kuò)展基礎(chǔ)試件設(shè)計

本次試驗(yàn)中,混凝土擴(kuò)展基礎(chǔ)試件分兩組:軸壓試件(AF)、偏壓試件(EF)。國家現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范[2-3]中,寬高比限值為2.5,實(shí)際工程中的擴(kuò)展基礎(chǔ)臺階寬高比大多集中于2.0～2.5。考慮實(shí)際工程應(yīng)用中的擴(kuò)展基礎(chǔ)基本都有水平荷載作用,只考慮軸壓而設(shè)計的基礎(chǔ)很少,結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),軸壓試件寬高比只設(shè)2.0、4.0兩種情況。為詳細(xì)探究偏壓作用下寬高比對擴(kuò)展基礎(chǔ)基底壓力分布的影響,偏壓試件選取寬高比為2.0、2.5、3.0及4.0四種情況。圖1為試驗(yàn)用混凝土試件。

圖1 擴(kuò)展基礎(chǔ)試件示意圖Fig.1 Sample of spread foundation

考慮到室內(nèi)試驗(yàn)操作、儀器、數(shù)據(jù)采集等誤差,為使偏壓基底反力分布更明顯,又不致試件邊緣發(fā)生很大翹起,偏心率選擇較大值0.2,即偏心距10 cm。

各試件設(shè)計物理參數(shù)見表1,混凝土強(qiáng)度等級為C40,彈性模量3×104MPa,配筋為鍍鋅鐵絲。(其中,L為基礎(chǔ)長度,B為基礎(chǔ)寬度,h為基礎(chǔ)高度,e為偏心距,b為短柱邊緣至基礎(chǔ)外邊緣的距離,偏心率為e/B,寬高比為b/h)

表1試件設(shè)計參數(shù)表

Table 1 The dimension of concrete sample

1.2 黏土重塑

原狀黏土取自上海市青浦區(qū)某在建工地,地下-3～-6 m深度。選取試驗(yàn)室外開闊、通風(fēng)、太陽照射的空曠場地,將原狀土平鋪進(jìn)行晾曬,每日取土樣,監(jiān)測含水率變化;原狀土?xí)窀珊?使用試驗(yàn)室叉車將其碾碎;過篩網(wǎng)(5目,孔徑2 mm),過濾掉雜質(zhì),達(dá)到重塑土要求,裝袋備用;按重塑土含水率25%的控制指標(biāo),加水重塑后裝入2.5 m×2.5 m×1.5 m土箱,形成試驗(yàn)用重塑地基土,重塑過程見圖2。

圖2 地基土重塑過程Fig.2 Remoulding process of soil

地基土的主要物理、力學(xué)指標(biāo)見表2,平板載荷試驗(yàn)測定p-s曲線見圖3。

根據(jù)p-s曲線確定出地基承載力特征值為100 kPa,反算得到地基土變形模量為3.88 MPa。

表2地基土的主要物理、力學(xué)指標(biāo)

Table 2 The main physical and mechanicalindexes of soil

圖3 軸心荷載下p-s曲線Fig.3 The p-s diagram under axial loading

1.3 試驗(yàn)方法

本次室內(nèi)模型試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)滬西校區(qū)結(jié)構(gòu)試驗(yàn)室進(jìn)行,使用試驗(yàn)室自平衡反力架作為加載裝置,配合土箱實(shí)施靜力加載。

基底反力量測系統(tǒng)由應(yīng)變式BW-1微型土壓力盒(直徑16 mm,厚度4.8 mm,量程1 MPa,引線8 m)和采集儀組成。

加載時,油壓控制千斤頂在自平衡的封閉反力架中對試件加載。試驗(yàn)開始后,預(yù)加載12.5 kPa并維持30 min后,卸載到0;10 min之后,開始逐級加載,進(jìn)行數(shù)據(jù)采集(油壓、位移、基底反力);初始加載等級為25 kPa,每級增加25 kPa,加載等級達(dá)到100 kPa或者試件出現(xiàn)肉眼可見明顯裂縫之后,每級增量減半為12.5 kPa;直至試件發(fā)生破壞,不能繼續(xù)承荷,加載結(jié)束。

圖4 自平衡反力架示意圖Fig.4 The self-balancing reaction frame

2 軸壓(AF)試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

對擴(kuò)展基礎(chǔ)試件底部地基土內(nèi)鋪設(shè)的壓力盒編號,總數(shù)27,壓力盒布局如圖5所示(邊緣預(yù)留10 mm,防止加載過程中壓力盒側(cè)向擠出)。

圖5 壓力盒布局示意簡圖Fig.5 The arrangement of pressure cells

壓力盒底部平鋪4 mm細(xì)砂找平,上覆10 mm細(xì)砂與擴(kuò)展基礎(chǔ)底面直接接觸,壓力盒埋設(shè)方法見圖6。

圖6 壓力盒埋設(shè)示意圖Fig.6 The design of pressure cells in soil

若將一條線上的壓力盒實(shí)測數(shù)據(jù)作為試件基底壓力分布,無法反映基礎(chǔ)的“整體”基底壓力分布情況,故對所有實(shí)測27個壓力盒數(shù)據(jù)進(jìn)行“均值”處理以表現(xiàn)試件基底壓力整體分布模式。

區(qū)域1、區(qū)域2對稱布置壓力盒,互相校對,將對稱位置壓力盒數(shù)據(jù)相加取均值,如21號、16號壓力盒數(shù)據(jù)取均值,作為(21/16)位置的基底壓力數(shù)據(jù),如圖7(a)所示。

圖7 均值法數(shù)據(jù)處理示意圖Fig.7 The diagram of data processing

將圖7(b)中路徑1～4數(shù)據(jù)求和取均值,可得到基礎(chǔ)底面縱向1/2的整體壓力分布情況,軸壓情況下,對其進(jìn)行對稱,可得到整個基礎(chǔ)底面的縱向整體壓力分布。同理將圖7(c)中路徑5～8進(jìn)行求和取均值,可得到整個基礎(chǔ)底面的橫向整體壓力分布。

將“均值法”橫向、縱向基底反力取均值,可最大限度減小實(shí)測誤差對基底反力整體分布的影響,構(gòu)建試驗(yàn)結(jié)果唯一“整體”基底壓力分布模式。

2.2 軸壓試件基底壓力分析

擴(kuò)展基礎(chǔ)試件AF1、AF2進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)軸壓加載,其寬高比分別為2(剛性)、4(柔性)。AF1、AF2的加載等級及試件撓曲隨時間變化圖如圖8所示(其中t為加載時間,p0為每級荷載作用下的基礎(chǔ)平均基底壓力;B為基礎(chǔ)寬度,s為圖5“軸線2”中21、7、16號壓力盒對應(yīng)的基礎(chǔ)試件相應(yīng)位置位移)。

每級荷載加載過程中,待基礎(chǔ)沉降、壓力盒讀數(shù)穩(wěn)定后,即進(jìn)行下一級加載。AF1試件在加載100 kPa時出現(xiàn)明顯裂縫,而AF2試件在75 kPa時,表面裂縫開展已較為明顯,兩者極限載荷分別為225 kPa、125 kPa。AF1在225 kPa加載等級持續(xù)很短時間即發(fā)生破壞,無法承荷。由圖8(b)可知AF1在150 kPa加載等級之前,試件基本保持平穩(wěn)下沉,相對撓曲很小;162.5 kPa加載等級時,中部沉降陡增,試件發(fā)生顯著撓曲,裂縫開展明顯,但試件仍可繼續(xù)承荷。圖8(d)為柔性基礎(chǔ)AF2試件撓曲曲線,隨加載等級的逐漸增大,試件撓曲平穩(wěn)增長,未呈現(xiàn)突變態(tài)勢。

繪制AF1、AF2試件軸壓下基底壓力曲線,見圖9。圖9(a)為寬高比為2的剛性基礎(chǔ)AF1的基底壓力曲線,可知加載等級為25～100 kPa時,邊緣基底壓力較均勻但大于中間部位;加載到100～150 kPa時,基底壓力呈“波浪形”;大于150 kPa時,基底反力呈較明顯的中間大于邊緣分布,此時試件裂縫開展較大。由寬高比為4的柔性基礎(chǔ)AF2的基底壓力曲線圖9(b)可知,黏土地基上柔性基礎(chǔ)的基底壓力分布趨于復(fù)雜,在加載等級為25～87.5 kPa時,均呈“波浪形”分布;加載等級大于87.5 kPa時,中間部位基底壓力增速加快,邊緣壓力不再增加;到125 kPa時,邊緣壓力反而減小,中間部位壓力繼續(xù)增加。

3 偏壓(EF)試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)處理方法

偏心加載試件底部地基土內(nèi)鋪設(shè)壓力盒總數(shù)為21,壓力盒布置見圖10。

將軸線1、2、3對應(yīng)的壓力盒數(shù)據(jù)取均值(圖11),作為偏壓試件基底反力分布代表值。

圖8 軸壓加載等級及試件撓曲示意圖Fig.8 The loading level and deflection of samples under axial load

圖9 軸壓加載下基底壓力曲線Fig.9 The diagram of contact pressure under axial loading

3.2 偏壓試件基底壓力分析

偏心加載試件有EF1、EF2、EF3、EF4,寬高比分別為2、2.5、3、4,加載偏心率為0.2 (偏心距為10 cm),極限荷載分別為200 kPa、200 kPa、150 kPa、137.5 kPa。各試件表面出現(xiàn)肉眼可見裂縫時加載等級均為100 kPa左右,故本文只分析加載等級在100 kPa之前各試件的基底壓力。如圖12所示,(a)、(b)、(c)、(d)分別為試件EF1、EF2、EF3、EF4的基底壓力曲線。

圖12(a)寬高比2的EF1試件地基壓力曲線顯示,各級荷載下,偏心左側(cè)邊緣基底壓力明顯高于平均值,偏心右側(cè)分布較均勻;EF2基底壓力總體分布較均勻,最大值出現(xiàn)在偏心左側(cè),試件中心壓力值較小,最小值出現(xiàn)在左邊緣;EF3試件偏心右側(cè)基底壓力呈線性分布,左邊緣壓力值較小,最大值出現(xiàn)在偏心左側(cè);EF4試件偏心左側(cè)基底壓力總體高于右側(cè)。EF2、EF3、EF4試件基底壓力最大值均出現(xiàn)在偏心左側(cè)測點(diǎn),左邊緣壓力反而減小。

圖10 壓力盒布置示意簡圖Fig.10 The arrangement of pressure cells

圖11 均值法數(shù)據(jù)處理示意圖Fig.11 The diagram of data processing

圖12 偏壓加載下基底壓力曲線Fig.12 The contact pressure of eccentric loading samples

圖13(a)～(d)分別為試件EF1、EF2、EF3、EF4的“軸線2”位移示意圖。EF1、EF2剛性試件在偏壓作用下發(fā)生整體偏移,左邊緣下沉較大,試件整體撓曲很小;EF3試件在偏壓荷載等級較小時,呈現(xiàn)整體偏移,100 kPa時試件出現(xiàn)裂縫,中間位移增大,出現(xiàn)明顯撓曲形態(tài);EF4試件在75 kPa荷載等級時即出現(xiàn)了明顯撓曲現(xiàn)象,在100 kPa時,試件出現(xiàn)了肉眼可見裂縫。

4 結(jié) 論

(1) 黏土地基上小寬高比擴(kuò)展基礎(chǔ)在軸壓作用下,其基底壓力分布總體較均勻,但中間部位壓力較小。當(dāng)加載等級大于地基土的承載力特征值時,中間部位壓力增速慢慢超過邊緣,但此時試件表面已出現(xiàn)明顯裂縫;大寬高比柔性基礎(chǔ)基底壓力趨于復(fù)雜,呈“波浪形”分布,當(dāng)試件出現(xiàn)裂縫,加載等級超過黏土承載力特征值時,壓力集中于中間部位。

(2) 偏壓加載作用下,隨著寬高比的增大,基礎(chǔ)剛度減小,基底壓力最大值從邊緣開始右移,偏心一側(cè)基底壓力所占比例減小。小寬高比剛性基礎(chǔ)基底壓力最大值出現(xiàn)在試件左邊緣(偏心一側(cè)),總體呈線性分布;寬高比增大,基底壓力最大值變?yōu)槠淖髠?cè)測點(diǎn),邊緣壓力減小。

(3) 小寬高比剛性擴(kuò)展基礎(chǔ)在軸壓作用下發(fā)生突然撓曲變形,且無預(yù)兆,而大寬高比柔性基礎(chǔ)則表現(xiàn)出較好的延性,撓曲變形緩慢發(fā)展;偏壓作用下,試件撓曲緩慢發(fā)展,小寬高比試件多為整體偏移,大寬高比試件則較早出現(xiàn)撓曲變形。

圖13 偏壓試件撓曲變形圖Fig.13 The deflection of eccentric loading samples