薛 嫻，杜金名，耿 鋒，謝 建，姜 澎

(1.第二炮兵工程學(xué)院，西安 710025，salt－snow1975@yahoo.com.cn;2.第二炮兵裝備研究院，北京 100085;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院，哈爾濱 150086)

一般均質(zhì)地面承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

薛 嫻1，2，杜金名2，耿 鋒2，謝 建1，姜 澎3

(1.第二炮兵工程學(xué)院，西安 710025，salt－snow1975@yahoo.com.cn;2.第二炮兵裝備研究院，北京 100085;3.哈爾濱工業(yè)大學(xué)能源學(xué)院，哈爾濱 150086)

為了評(píng)判施力盤作用下地面的承載安全，進(jìn)行了一般均質(zhì)地面承載力靜態(tài)與動(dòng)態(tài)荷載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn).采用平板載荷靜態(tài)加載方法進(jìn)行了模擬施力盤靜態(tài)荷載的平板載荷試驗(yàn)，根據(jù)相似準(zhǔn)則π定理進(jìn)行了縮比施力盤動(dòng)載試驗(yàn).在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究了靜載條件下沉降量隨時(shí)間變化的S－t曲線，不同尺寸承載板在相應(yīng)載荷作用下的地面土體沉降量之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的P－S/D曲線及動(dòng)、靜荷載下載荷與沉降量關(guān)系的P－S曲線以及動(dòng)靜載荷對(duì)比的P－S曲線.分析結(jié)果表明:對(duì)于進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的均質(zhì)地面，S－t曲線表明靜態(tài)加載方法合理;P－S/D曲線在極限載荷內(nèi)呈線性比例關(guān)系;動(dòng)載下的沉降量S遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜載條件下的沉降量S，動(dòng)載下的土體變形剛度較靜載下的變形剛度高，瞬間動(dòng)態(tài)荷載造成的地面沉降可忽略.

均質(zhì)地面;靜載;相似準(zhǔn)則;氣動(dòng)沖擊;沉降量;P－S曲線

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)依據(jù)

1.1 靜態(tài)荷載試驗(yàn)依據(jù)

平板載荷試驗(yàn)被公認(rèn)為是靜載條件下確定地基承載力的可靠方法，是理論計(jì)算和數(shù)值模擬方法的基本對(duì)比依據(jù)［2］.依據(jù)國(guó)家建筑規(guī)范GB50007－2002規(guī)定平板載荷試驗(yàn)每級(jí)載荷加載需要穩(wěn)定2 h，并且只有當(dāng)連續(xù)兩次測(cè)量的地基沉降量＜0.1 mm/h時(shí)，才認(rèn)為沉降已趨穩(wěn)定，再施加下一級(jí)的載荷，以保證地基土的充分固結(jié)［3］.施力盤對(duì)地面的沉降量要求較建筑行業(yè)地基寬松很多，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定加載穩(wěn)定時(shí)間可適情縮短.實(shí)施平板載荷加載的載荷壓力穩(wěn)定期間，每隔1 min記錄一次載荷壓力和土體沉降量，如果連續(xù)兩次記錄的地面沉降量相同時(shí)，則認(rèn)為地面沉降量已經(jīng)達(dá)到穩(wěn)定，繼續(xù)加載下一級(jí)載荷.

1.2 相似準(zhǔn)則第二定理

1911年俄國(guó)學(xué)者費(fèi)德?tīng)柭岢隽讼嗨茰?zhǔn)則第二定理，簡(jiǎn)稱π定理，3年后美國(guó)學(xué)者伯金漢證明了量綱分析的π定理［4］.相似準(zhǔn)則被廣泛地應(yīng)用于風(fēng)洞試驗(yàn)［5］、模爆試驗(yàn)［6］等領(lǐng)域，并一直在數(shù)學(xué)研究領(lǐng)域得以深入研究［7－8］.

假定聯(lián)系于某一具體問(wèn)題的特征量a，a1，a2，ar，ar+1…an間有如下函數(shù)關(guān)系［9］

式中:量a1，a2，…，ar是r個(gè)量綱不同的參數(shù)，而ar+1，ar+2…an和a1，a2，…，ar是量綱相關(guān)的.

如果不存在這樣的數(shù)m1，m2，mr，mr+1…mn，使得表達(dá)式am11，am22，…amnn具有量a的量綱，也就是說(shuō)式(2)是無(wú)量綱的.

表達(dá)式(3)是無(wú)量綱的.

記

Evaluation on the fracture rock mass quality and obtain Strength Parameters LI Gang WANG Xun FU Kun et al.(97)

式(2)、(3)代入式(4)得式(5)，式(5)無(wú)量綱.

假設(shè)地面沉降量S與作用在承載板上載荷壓力P，載荷作用時(shí)間τ，承載板的直徑D和質(zhì)量M，土的變形模量Ei，土分層厚度hi，i=1，2，…，n有關(guān).

式中:S為地面沉降量(mm)，dimS=L;P為載荷(MPa)，dimP=ML－1T－1;τ 為載荷作用時(shí)間(s)，dimτ=T;D為承載板直徑(mm)，dimS=L;M為質(zhì)量(kg)，dimM=M;Ei為地面土的變形模量(MPa)，dimEi=ML－1T－1;hi為地面土分層厚度(mm)，dimhi=L.

其中L、M、T為3個(gè)基本量綱，式(6)的量綱表達(dá)式為

經(jīng)計(jì)算整理可得

由式(5)的π定理，知式(8)是無(wú)量綱的，g為重力加速度.式(8)說(shuō)明對(duì)于均質(zhì)地面，在相同的載荷壓力下，土體沉降量與承載板的直徑成正比，承載板的直徑越大，地面沉降量越大.但是對(duì)分層土，只有當(dāng)土層的厚度也進(jìn)行相應(yīng)的縮比之后，大小承載板在相同的載荷作用下的地面沉降量才成比例關(guān)系，因此本次試驗(yàn)選擇比較均質(zhì)的地面區(qū)域進(jìn)行.對(duì)于無(wú)分層的均質(zhì)土，土沉降量的相似準(zhǔn)則為

對(duì)于同一試驗(yàn)場(chǎng)地，地面的變形模量E是相同的.在相同的載荷壓力P作用下，采用縮比的承載板進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，縮比承載板與實(shí)際施力盤之間應(yīng)同時(shí)滿足以下相似關(guān)系:

下標(biāo)1、2表示縮比承載板和實(shí)際施力盤.

氣動(dòng)沖擊載荷加載試驗(yàn)，采用Φ200 mm尺寸縮比板，根據(jù)式(11)～(12)，可得到縮比盤沖擊載荷作用時(shí)間τ，及縮比板質(zhì)量、沖擊壓力等參數(shù)，計(jì)算從略.

2 均質(zhì)地面承載力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

均質(zhì)地面現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了靜態(tài)加載平板載荷試驗(yàn)、氣動(dòng)沖擊試驗(yàn).平板載荷試驗(yàn)分別對(duì)直徑Φ300 mm、Φ500 mm和Φ700 mm的承載板進(jìn)行靜態(tài)加載，測(cè)試土質(zhì)地面的承載力和沉降量.對(duì)Φ200 mm的縮比承載板進(jìn)行氣動(dòng)沖擊載荷試驗(yàn)，氣缸加載得出額定沖擊載荷下的地面沉降量.

2.1 靜態(tài)荷載平板載荷試驗(yàn)

平板載荷試驗(yàn)為靜態(tài)分級(jí)加載并測(cè)量對(duì)應(yīng)載荷下的地面沉降量S，以獲得載荷壓力和沉降量的關(guān)系曲線P－S.試驗(yàn)用液壓千斤頂對(duì)Φ300 mm、Φ500 mm和Φ700 mm承載板進(jìn)行加載，千斤頂反力通過(guò)由工字鋼制作的主梁傳遞到堆載平臺(tái)上.堆載平臺(tái)由支架和橫梁組成，平臺(tái)堆垛沙袋提供了加載過(guò)程中的支反力.采用測(cè)力傳感器監(jiān)測(cè)并記錄加載載荷的大小，用對(duì)稱安裝的3個(gè)位移傳感器測(cè)試地面的沉降量，取3個(gè)位移傳感器輸出的平均值作為地面的沉降量，以消除地面沉降過(guò)程中承載板發(fā)生傾斜的影響.

2.2 氣動(dòng)沖擊縮比試驗(yàn)

氣動(dòng)沖擊試驗(yàn)利用支架本身的重量和堆載的沙袋提供支反力，采用并聯(lián)高速氣缸，對(duì)加載板進(jìn)行沖擊加載.試驗(yàn)首先利用吊鉤通過(guò)拉桿將氣缸活塞桿、測(cè)力傳感器和加載板組成沖擊組合體懸掛在支架上，限制氣缸活塞桿在充氣的過(guò)程中向下伸出.受拉桿的限制，氣缸活塞桿無(wú)法伸出沖擊組合體依然保持靜止，當(dāng)氣缸充氣氣壓達(dá)到穩(wěn)定壓力釋放吊鉤，沖擊組合體在高壓氣體的作用下快速運(yùn)動(dòng)，撞擊承載板形成沖擊載荷.

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 靜態(tài)加載平板載荷試驗(yàn)結(jié)果

如圖1所示的平板載荷試驗(yàn)的沉降量隨時(shí)間變化曲線可以看出，當(dāng)載荷壓力小于地面承載極限載荷時(shí)(Pu=473 kPa，Pu為極限載荷)，在很短的時(shí)間內(nèi)地面沉降量就能達(dá)到穩(wěn)定.當(dāng)載荷壓力超過(guò)地面承載極限載荷時(shí)，地面土體的沉降量在8 min后無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定，由此可知試驗(yàn)中確定加載穩(wěn)定時(shí)間可適當(dāng)縮短是合理的.

由1.2節(jié)式(9)可知，對(duì)于同一試驗(yàn)場(chǎng)地，變形模量相同，且同一承載板的質(zhì)量一定，在加載時(shí)間間隔τ恒定的前提下，S/D是關(guān)于加載載荷P的函數(shù)，曲線P－S/D可以反映出不同承載板在相應(yīng)載荷下的沉降量關(guān)聯(lián)關(guān)系.圖2為靜態(tài)加載的P－S/D曲線試驗(yàn)結(jié)果，圖中J表示靜載，A1～A3代表外場(chǎng)試驗(yàn)3個(gè)不同試驗(yàn)區(qū)域，由試驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)載荷壓力小于地面承載極限載荷時(shí)，Φ300 mm、Φ500 mm、Φ700 mm 3種不同直徑的承載板在相同的壓力下，地面的沉降量滿足線性比例關(guān)系.當(dāng)載荷壓力超過(guò)地面承載極限載荷(Pu=473 kPa)時(shí)，地面沉降量分散性很大，不再滿足線性關(guān)系.

圖1 沉降量隨時(shí)間的變化曲線

圖2 靜態(tài)加載不同尺寸承載板曲線

由試驗(yàn)可知，當(dāng)載荷壓力小于地面承載極限載荷，相應(yīng)載荷作用下用線性比例關(guān)系由小尺寸承載板的沉降量試驗(yàn)結(jié)果可推導(dǎo)出大尺寸承載板的沉降量，也可由大尺寸承載板的沉降量推導(dǎo)出小尺寸承載板的沉降量.

3.2 氣動(dòng)沖擊縮比試驗(yàn)結(jié)果分析

均質(zhì)地面在沖擊載荷作用下的沉降量非常小，且P－S曲線沒(méi)有明顯的拐點(diǎn)，沉降＜5 mm，說(shuō)明在動(dòng)態(tài)沖擊加載情況下土中的水來(lái)不及排出，地面變形剛度高.圖3給出了Φ200 mm承載板在沖擊載荷作用下A1～A3不同區(qū)域的P－S曲線，圖中D200表示Φ200 mm承載板動(dòng)態(tài)沖擊加載.

圖3 沖擊載荷作用下Φ200 mm承載板P－S曲線

3.3 靜態(tài)加載和氣動(dòng)沖擊試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

在相同的載荷壓力下，靜態(tài)分級(jí)加載引起的地面沉降量比動(dòng)態(tài)沖擊加載造成的地面沉降量大很多，圖4中J200為靜載條件下由其他大尺寸承載板推得的Φ200 mm A1～A3不同區(qū)域靜載數(shù)值，D200為沖擊加載A1～A3不同區(qū)域的試驗(yàn)數(shù)值.

圖4 靜態(tài)加載與動(dòng)態(tài)沖擊加載Φ200mm承載板P－S曲線

由圖4可知瞬間作用下的動(dòng)態(tài)加載地面沉降量遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于靜態(tài)加載下的地面沉降量，表征為沖擊加載情況下均質(zhì)土的變形剛度比靜態(tài)加載下均質(zhì)土的變形剛度高.

4 結(jié)論

1)總結(jié)的平板載荷試驗(yàn)靜態(tài)加載方法及動(dòng)態(tài)沖擊縮比試驗(yàn)可用于由于支反力制約，無(wú)法實(shí)施大尺寸大荷載的試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng).

2)由于小尺寸承載板影響深度小，若地面承載力測(cè)試裝置的小尺寸承載板比施力盤尺寸小很多，就需要其他輔助測(cè)試手段確定地面均質(zhì)性.

3)沖擊載荷的承載板地面沉降量很小，其對(duì)地面動(dòng)態(tài)荷載的影響可忽略.

4)在后續(xù)的研究中需要采用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)一步對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)深入研究，并建立反映地面土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系對(duì)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行數(shù)值計(jì)算驗(yàn)證.

［1］杜金名，耿鋒，薛嫻.地面強(qiáng)度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方法研究［C］//中國(guó)航天學(xué)會(huì).中國(guó)航天2008年度學(xué)術(shù)交流會(huì).北京:中國(guó)航天科技出版社，2008:2－4.

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Outfield tests on bearing capacity of general homogeneous soil ground

XUE Xian1，2，DU Jin-ming2，GENG Feng2，XIE Jian1，JIANG Peng3

(1.The Second Artillery Engineering Institute，Xi’an 710025，China，salt－snow1975@yahoo.com.cn;2.The Second Artillery Equipment Institute，Beijing 100085，China;3 Energy Institute，Harbin Institute of Technology，Harbin 150086，China)

In order to judge the bearing safety of homogeneous ground that the heavy forcing plates acted on，static and dynamic outfield tests were carried out.According the static plate loading method，the outfield test that bearing plates simulating the static procedure of heavy forcing plates was performed.By the similarity criterion π theorem，the pneumatic impact test of reduced proportional plate simulating the dynamic procedure of forcing plate was completed.Based on the outfield tests，the paper studied theS－tcurves that express the variety of settlement with time，theP－S/Dcurves that express the soil settlement correlative relation among bearing plates with different sizes under the corresponding load，theP－Scurves under static and dynamic loads as well as the contrast between them.To the homogeneous soil ground in outfield tests，S－tcurves indicate that the static load method is reasonable，andP－S/Dcurves appear a linear proportional relation in the limit load range.The settlement under dynamic load is much less than that under static load.The deformation stiffness under dynamic load is higher than that under static load.The settlement caused by instant dynamic impact can be ignored.

homogeneous ground;static load;similarity criterion;pneumatic impact;settlement;P－Scurves

TU317

A

0367－6234(2010)08－1341－04

2009－02－15.

薛 嫻(1975—)，女，博士研究生;

謝 建(1967—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 趙麗瑩)