基础模型试验

基础模型试验本文对于基础模型试验的基本原理、基本方法、应用现状、存在的问题和发展趋势做了详细的介绍，并由一工程实例阐述了基础模型试验的过程，就基础模型试验在实际岩土工程中的运用，也进行了一些探讨。1概述基础模型试验的理论与应用一直是困扰岩土工程界研究、设计人员的一个问题。很多重要建筑及复杂基础需要在设计以前进行受力、变形分析，很多工程又不可能在原体工程上进行极限状态的试验，大量的普通建筑基础不可能都一一进行现场观测与试验，因此，基础模型试验研究的意义就越发重要。它虽不能替代原体工程测试结果，但可以摸索出基本受力特征和破坏特征，为设计提供极有参考价值的试验数据，是定性分析的必要手段。准确、真实的模型试验是设计研究的重要依据。相反，不准确、不真实的模型试验却可导致设计偏差而造成无法弥补的损失。因此掌握基础模型试验的理论和方法并能正确使用，是非常重要的。基础模型试验不同于结构构件的模型试验，它不能在相同条件下反复进行。它涉及的影响因素较复杂，结果较离散，确定参数较困难，这就从另一方面对模型试验提出了更高的技术要求。基础模型试验研究可涉及各种基础形式，如箱基、桩基、筏基、独立基础、条形基础、支护结构等；可涉及各类土地基，如砂土、粉土、甚至包括粘土；可涉及土静力学、土动力学和水力学(见图1)。这些问题均可应用模型进行研究。2模型试验的一般理论以相似理论为基础的模型试验（或称模拟），首先对待研究的对象（原形）进行分析，列数学方程或罗列各影响参数，经过相似转换求出相似准则；其次，考虑量测传感器的尺寸和所需精度、试验条件等因素，确定模型试验的几何缩比；第三，按各准则来设计试验模型（试验台），试验以后用准则形式来处理试验数据；最后，仍用相似理论确定试验结果可扩大应用的范围。基础的模型试验可划分为两类，一类是不真实的定量分析模型试验，其特点与定性分析试验相似，不含几何尺寸因素影响，仅研究破坏状态的基本特征，如土压力理论的摩尔一库仑定律等；另一类是真实定量分析模型试验，研究基础在正常使用状态，即破坏以前状态的基本特征，如压板试验等。对后一类模型试验，模型设计必须满足一定的相似条件。所谓相似就是模型与原型对某一物理过程产生的同名物理量之间均存在定比关系。模型理论就是要建立一些规则，以使原型的性能可以用模型性能的函数来表达，即确定原型与模型之间的相似准数。确定相似准效有两种方法，即方程式分析法和量纲分析法。用方程式分析法推导相似准数，只要描述现象的方程式正确，所获得的相似准数常常比较明显地表示一定的物理意义，在推导过程中也不会遗漏某些物理量而导致不正确的结论。因此，这种方法比较确切可靠。然而在实践中，所遇到的过程往往过于复杂，不能用分析的方法来建立方程式，因此无法用方程式分析法获得相似准数。此时量纲分析法成为求得相似准数的唯一方法。量纲分析方法的依据是量纲分析的普遍理论--白金汉(Buckingham)π定理。定理内容如下：设有一物理现象可以用一个量纲齐次方程来表示：(1)式中n是这个现象包括的物理量个数，q1是要估计的一个量，q2～qn是q1所依赖的量。根据π定理，包括n个物理量的量纲齐次方程可以用以n-N个独立无量纲参数π1、π2、…πn-N完全表达出来，即π1=F(π2，π3，…πn-N)(2)式中的π1～πn-N是独立的无量纲参数，它分别是物理量q1～qn不同乘方的乘积。N等于描述这些物理量所需要基本单位的个数。由于公式(2)与公式(1)是相同的，它描述同一物理现象，但(2)式是无量纲的形式。所以，如果要达到相似的话，(2)式对原型和模型必须同样有效。因此，完全相似的充分条件是：(π1)p=(π1)m(π2)p=(π2)m┇（3）(πn-N)p=(πn-N)m式中脚标P和m表示原型和模型。其中第1个方程通常称为预期方程，而其余方程组则为模型的设计条件。(3)式就是相似准数关系式。用量纲分析法来推导相似准效，是根据方程式量纲和谐的原理出发的，它不要求建立现象的方程式，而只要求确定哪些物理量参加所研究的现象，以及知道量测这些量的单位系统的量纲就够了。原则上用上述方法都可以得到模型的相似准数方程式。但是由于有些物理现象很复杂，影响因素很多，很难完全考虑各种因素的影响，很难求得完全相似的条件。无量纲参数π1可以用量纲分析的方法求得，但当影响因素较多时，求解过程也较复杂。π1亦可根据工程经验，考虑主要影响因素来确定。3基础模型试验的基本原理、基本方法进行基础模型试验，应从以下三方面考虑。3.1几何相似任何模型试验都是按一定几何比例关系设计的。以图2为例，某建筑物基础边侧拟进行地下连续墙施工，基槽边侧距原有建筑基础边侧距离为C，原基础宽度为B，基槽开挖深度为T。为了分析研究基槽开挖对原有建筑的影响，需进行模型试验，可设：（4）式中的角标P表示原体工程几何相似准数，角标m表示模型的几何相似准数。将(4)式改变形式，有（5）式中，i为几何比例系数，即为π定律中的π1，它反映几何相似准数的特征。3.2地基的模拟地基的模拟包括两方面：一是地基土材料性能的摸拟问题，二是地基的力学相似问题。许多学者进行地基基础模型试验倾向于真实材料试验。德国Gudehus教授对圆形颗粒粉细砂和中砂的自相似特征进行了研究，提出了以下方法：地基土的材料宜控制内摩擦角、剪胀角、孔隙率n(或孔隙比e)，即模型试验的三项指标与实体工程的三项指标完全相等，有：根据这种地基土材料假定所进行的地基力学相似模拟效果较为理想,这主要指对以粉土、砂土为代表的地基土。根据π定律,应确定地基的无量纲参数，即地基的力学相似准数，设为πt，取：πt=（6）式中Es—压缩模量；—重力密度；t—几何尺寸。基于π定律，假定:（7）在这里π2反映土性参数，为力学相似准数。3.3基础的模拟基础的模拟，除了几何相似以外，出是力学相似问题，其相似准数的建立较地基相似准数建立的研究要容易，这主要是借助于结构试验研究的结果。根据因次分析，可将基础的抗弯刚度与其弹性长度L直接建立关系，将弹性长度与实际长度之间的比值作为基础力学相似准数,设:（8）式中Le—弹性长度；L—实际长度；EI一抗弯刚度；—干土重力密度；弹性长度Le与长度L的比值为无量纲的基础的力学相似准数，又有：（9-1）或（9-2）或（9-3）由于=Lp/Lm故（9-4）若则（9-5）根据以上对地基和基础的几何与力学相似分析，现将抗弯刚度、弯矩、集中力、线性分布力、应力的换算关系列于表1。表1名称单位条件：条件：长度LmLm=Lp/Lm=Lp/刚度EIkN·m4EIm=EIp/5EIm=EIp/·5弯矩MkN·mMm=Mp/4Mm=Mp/·4集中力PkNPm=Pp/3Pm=Pp/·3线形力qkN/mqm=qp/3qm=qp/·3应力σkN/m3σm=σp/σm=σp/·重力密度γkN/m3==/4应用实例为了详尽说明地基基础模型试验的设计方法。现举一例：例：某试验项目预探讨嵌入土内4m，悬出2.5m，φ400mm的钢筋混凝土桩的水平受力特征，要求设计模型试验。解：(1)直接有关的参数：重力密度，内摩擦角，剪胀角，压缩模量Es，集中力与水平面的夹角，地面倾斜角β，单桩人土深度t。单桩几何尺寸a×b(或圆形截面直径d)，单桩地面以上高度h，集中作用力P，单桩抗弯刚度EI。(2)非直接有关参数：土颗粒粒径ds。(3)无因次物理量；原体工程与模型试验完全相等的参数有：、、、、β需要换算的参数有三组，分别为：、、(4)设计原则为力学相似原理，即所有无因次物理量值在原体工程和模型试验中完全相同，包括弹性相似和应力相似。(5)几何尺寸换算：hm=hp/；tm=tp/(6)力的换算：则：若=即=1则：(见表1)(7)抗弯刚度的换算：直接按式(9—5)，有EIm=EIp/5(8)结果模型比例=l0，有原体工程Dp=40cmhp=250cmtp=400cmPp=25kN模型试验hm=25cmtm=40.0cmPm=25/(10)3=25×l0-3kN(9)水平桩选取原体工程钢筋混凝土。C25混凝土，正常配筋。(EI)p=0.85EmIm=0.85×2.80×l03×(1+5%)×=3.3×108(kN·cm4)式中Em—混凝士弹性模量；Im—截面惯性矩；d—桩径。模型试验，钢管，按表l(E1)m=(EI)p/105=3.3×103(kN·cm4)选22钢管(壁厚1mm)实际(EI)m=1.1×104×(2.22-2.02)=4.0×103(kN·cm)原体工程与模型试验简图如图3。5发展现状基础模型试验是研究工程问题的重要方法。它虽不能替代原体工程测试结果，但可以摸索出基本受力特征和破坏特征，为设计提供极有参考价值的试验数据，是定性分析的重要手段。今年来，基础模型试验理论得到一定发展，尤其是在研究各种基础形式与地质体间相互作用方面的课题很多。在实践中，在大型桥梁桥墩设计、海上作业平台基础设计、高层建筑基础设计等大型工程设计过程中，其理论起了至关重要的作用，基础模型试验也是必不可少的一个步骤。6存在的问题试验实施过程中,模型的制作、加载、量测等试验条件对试验结果的正确性具有极其重要的作用对于结果可信度影响极大。模型上的力学现象相对原型说来是近似的,两者不可能完全相同。试验结果在多大程度上能反映原型原力学特征,是一个很值得探讨的问题,应从两个方面进行分析。一是从相似规律方面,应使相似关系上保持正确性；一是试验条件方面应保持一定的试验精度。7发展方向基础模型试验随着设备的迅速发展和普及，以及模拟技术的提高，在岩土工程中的应用将会越来越大。其发展趋势可归纳为以下几个方面：7.1量测和数据采集系统能否从基础模型中获得更多的信息和可靠的数据，量测仪器和数采系统是关键。精度高体积小对模型干扰较小的传感器如光纤传感器以及非接触型量测技术的研制将对基础模型试验技术的发展有巨大的推动作用。随着有关技术的进一步发展，基础模型将能够更准确地再现原型特性。7.2相似比的研究任何一种物理模型都不可能与原型完全等效，在基础模型试验中，只有在深入了解其物理机制和相似规律的基础上，才能作出对试验数据的正确分析。对于几何与力学比尺不同的试验相似理论以及等效材料的选取原则，也在探讨之中。7.3与数值模拟相结合基础模型试验是研究、设计的重要辅助手段。基础模型试验将提供具有较高参考意义的数据，用于校正目前所用的数值模型或建立新的模型，提高数学模型的预测能力。基础模型试验技术在岩土工程中的应用还有不少不成熟的地方，有许多问题还待解决。但是作为一种模型试验手段，基础模型试验能够近似模拟基础在环境条件（承受外力等）下的大致反应，可以在对基础结构不产生损坏的前提下，一定程度上预测基础可能的破坏情况。为实际施工中预防措施的设计提供一定的实验依据。更为重要的是，试验时间较原型大大缩短，对长历时岩土工程问题进行研究。因此，它必将得到越来越广泛的应用。结语经过了地下工程测试理论与监测技术课程的学习，在理论上对于地下工程中所运用的各种测试仪器和技术有了基本的了解，加上这次论文方式的结业考试，我学到了不少东西。在完成论文的过程中，亦遇到了不少困难，主要表现为关于基础模型试验的文章较少，普遍都是2000年以前的文章，有些穿插在一些与次有一定联系，但联系不太密切的文章里，且描述的很不详细，可见投身这个领域是大有可为的。为此我也到学校虹桥基本书库和丁家桥图书馆查阅了相关资料，力求收集更多有用的信息。总的来说，这次论文考试给我提供了一次锻炼信息收集能力和语言组织能力的好机会。致谢感谢韩老师在这一学期中孜孜不倦地教授我们专业知识，并以诚恳的态度，与我们交流思想，激发了我们学习专业知识的热情参考文献[1]高明中.模型试验中几个问题的分析[J]西安科技学院学报,1996,(04)；[2]李钟.\o"土工模型试验研究状况综述"土工模型试验研究状况综述.岩土工程技术,1994,(04)；[3]宋彧,张贵文,党星海等.\o"相似模型与缩尺模型特点分析"相似模型与缩尺模型特点分析.高等建筑教育,2003,(04)；[4]吴慧明,龚晓南.刚性基础与柔性基础下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