浅基础地基塑性区非接触式测试装置的研制与应用

姜 豪 彭 锟 张建伟 刘王苗 刘晓红

(湖南理工学院土木建筑工程学院，湖南 岳阳414000)

地基承载力是土木工程领域的一个重要研究课题，亦是《土力学》课程的重点和难点之一。根据地基塑性区边界方程及塑性区开展深度最大值确定地基承载力是目前我国现行规范[1]中确定地基承载力设计值的方法之一。地基在荷载作用下，基础边缘处地基土中首先发生剪切破坏，继而在基础两侧形成小范围的剪切破坏区即塑性区[2]。现有的塑性区边界方程的理论推导假设侧压力系数k0=1，而实测地基土的侧压力系数一般介于0.35-0.80 之间[3]，故k0=1 的假设明显不同于工程实际。可见在一定假设前提下推导出的地基塑性区与实际情况存在差距。从现有文献看，地基塑性区的研究主要集中在理论分析[4]与数值模拟[5]，很少见有通过室内试验的方法研究地基塑性区的文献资料。据调研，目前国内市场上尚未见有地基塑性区测试仪器设备。为了通过试验手段研究地基塑性区的动态形成过程及变形破坏机理，课题小组自主研制了基于PIV技术的地基塑性区非接触式测试装置。

图1 装置三视图与实物图

1 装置设计与组成

本装置由钢结构模型箱、竖向加载与沉降系统、基于PIV 技术的图像采集与处理系统等部分等组成，详见图1。钢结构模型箱为长方体，采用钢板、槽钢焊接而成，正面、反面、顶面为敞口，左右两侧为为12mm厚钢板。前后两面为厚16mm的透明钢化玻璃，便于直接观看地基受荷变形过程及拍摄受荷变形照片。竖向加载与沉降系统由反力架、油压千斤顶、压力传感器、承压钢板、百分表等组成，采用油压千斤顶施加垂向压力，在千斤顶与承压钢板间轴向放置最大量程为50kN的数显式压力传感器，可直接读出每一级荷载的大小。承压钢板长300mm、宽200mm、厚20mm，钢板置于填土表面，即假设基础埋置深度为零。基于PIV技术的图像采集与处理系统由LED无影光源、相机、计算机与GeoPIV 图像分析软件等组成，完成连续拍照、图像采集与分析等。PIV技术通过高清数码相机实时连续拍摄系列照片，利用GeoPIV软件对所有照片进行数字化处理，通过连续分析相继两帧数字图像，获得土体内部的量化剪应变场及其可视化动态发展过程。

2 功能与操作

本装置主要功能特点有：(1)能实现基底压力和土体内部变形的非接触式测试。采用数显式压力传感器获得基底压力大小，通过PIV 技术获得地基土体位移场及剪应变场，无需在基底埋设土压力、在土体中埋设应变计等元器件，相较于常规土工模型试验，大大减少试验过程中地基土体所受到的人工扰动，增加试验结果的准确度，同时减少模型试验耗材成本等。(2)能直观地得到模型地基剪切变形及塑性区的动态发生发展过程。在加载过程中同步连续拍摄照片，通过GeoPIV软件直接对全过程照片进行分析处理，直接输出荷载与土体剪应变的一一对应关系；同时能降低试验操作难度，减少复杂数据的分析工作量，排除人为因素的干扰，提高试验效率。(3)采用可视化模型箱，通过透明钢化玻璃面板能清晰直观地观察到土体在荷载作用下的位移变化情况。本装置主要操作步骤：（1）采用堆载预压分层填筑填土并分层压实，每分层厚度5cm，在分层界面上铺设相同粒径的色砂。（2）在填土表面放置条形刚性承载板，并在承压板对角上设置俩个百分表，用以测读地基加载过程中的沉降量。在刚性承载板中心竖向放置千斤顶，千斤顶与刚性承载板之间竖向放置压力传感器。（3）在模型箱正前方布设高清相机，在其两侧各布设一个无影光源，拍摄频率设置为0.5 秒/张，相机与电脑相连，电脑中安装GeoPIV照片处理软件。（4）分级加载与高清相机同步启动。在逐步增大竖向荷载的过程中用高清相机以0.5s/张拍照频率对箱内受压变形土体进行拍照，数显压力传感器准确记录分级荷载大小。（5）终止试验标准：(a)承压板周围土体出现隆起，或明显破坏性列缝，或明显的侧向挤出；(b)某级荷载的沉降量急剧增大，P-S曲线出现陡降段；(c) 在某级荷载下，2 小时沉降速率不能达到稳定标准。当出现以上情况之一时，可认为地基达破坏阶段，可终止加载，其对应的前一级荷载为极限荷载。（6）利用GeoPIV软件对各级荷载下土体变形全过程图像进行处理分析，获得各级荷载作用下地基塑性区剪应变云图及对应的沉降量。

3 试验成果与分析

课题小组利用自行研制的装置进行了砂土地基塑性区的试验研究。试验所用填土为洞庭湖河砂，黄色，由颗粒分析试验得出，该砂土的不均匀系数Cu=2.9，曲率系数Cc=1.4，根据地基规范定名为级配不良粗砂。试验测得其含水量为1.9%，内摩擦角为350，自由落砂法分层填筑砂土的重度为14.4kN/m3，静置24 小时后开始实验。实验及拍照结束后，利用GeoPIV图像处理软件对连续拍摄的照片进行处理分析，获得不同荷载下地基变形达到稳定时对应的剪应变云图，即可获得不同荷载下的地基塑性区，详见图2。

图2 地基塑性区随荷载增大的发展过程

如图2 所示，地基剪切破坏区即塑性区从承压板两侧边缘开始，随着荷载的增大逐渐向下发展，其分布范围也逐渐增大，两侧塑性区下部逐渐向中间靠拢，当荷载增大至378kPa 时，两侧塑性区首先在其底部开始相交，可认为此时地基即将达到极限平衡状态。荷载增大至422kPa 时，两侧塑性区在底部基本贯通，两侧塑性区相交范围增大，承压板两侧砂土出现部分隆起，形成“V”字形剪切破坏区，在承压板底部形成了三角形压密区，此时地基产生了局部剪切破坏，其极限承载力Pu 可取值422kPa 近。当荷载由422kPa增大至449kPa 时，两侧塑性区在底部完全贯通并连成一片，塑性区面积增大，压密区面积减小，地基破坏状态进一步加剧。

4 结论

课题小组自主研制的地基塑性区非接触式测试装置，目前已获得国家实用新型专利授权。该装置由敞口钢结构地基模型箱、竖向加载与沉降系统、基于PIV技术的图像采集与处理系统等部分组成。该装置通过模型箱和竖向加载系统模拟实际地基的受荷过程，利用图像采集与处理系统对模型箱中填筑地基土在不同荷载作用下图像进行分析，获得不同荷载作用下地基塑性区的动态发展过程及对应的沉降量。该装置目前已用于师生的科研试验及学生创新性试验教学，性能及效果良好。目前国内市场上还没有类似产品，本装置填补了国内地基塑性区测试仪器设备的空白。