梁发云 王 杰 梁 轩 李元齐 王文广

(1.同济大学地下建筑与工程系,上海 200092; 2.同济大学建筑工程系,上海 200092;3.国网四川省电力公司经济技术研究院,成都 610041)

0 引 言

扩展基础基底压力分布是关乎基础设计方法的关键问题,常用的基础结构设计方法是以刚度为无穷大的基础形态和接触应力呈均匀分布、平面分布或抛物线分布为根据[1]。现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011)[2]和电力行业标准《架空输电线路基础设计技术规程》(DL/T 5219—2014)[3]要求基础宽高比小于或等于2.5且偏心距小于或等于1/6基础宽度,保证基础刚性,基底反力近似按直线分布计算。

早期模型试验研究多集中于砂土地基上刚性基础基底压力量测,且多有定论。Kögler和Scheidig[4]最早采用载荷板试验研究2 m厚砂层与刚体混凝土块界面间的分布接触应力,测出基底压力呈抛物线形分布;Faber[5]测得无黏性土的接触应力分布与Kögler和Scheidig[4]的结果基本一致;Lcussink 和Schweikert[1]报道了荷载接近土极限承载力时,密实砂层上1 m×1 m混凝土板的接触应力在中心处最大而在边缘处最小。

现阶段中模型试验有涉及柔性基础,但尚未有粘土地基上的室内模型试验,且均未涉及偏压相关研究。黄熙龄等[6-7]通过中压缩性地基土上钢筋混凝土板的轴压试验,以“高宽比”界定刚性、柔性筏板,并纳入相关规范[2-3];邸道怀[8]对人工换填的均匀粉土上刚性基础和柔性基础进行轴向加载,量测基础的挠曲变形及基底压力。

现有的基底压力工程实测多考虑大型上部结构-基础-地基共同作用,监测天然地基上建筑物基底压力及沉降。中国建筑科学研究院等研究机构在上海、北京等通过对一些新建高层建筑的大量基底压力实测,提出了箱形基础基底压力的“反力系数表”[9];滕延京等在“复杂体型的大底盘高层建筑基础设计”课题研究中[10],量测相对软弱的黏土地基上箱式基础的地基压力,结果显示,实测结果相比数值模拟差距较大。

目前扩展基础基底压力相关的模型试验多为轴压作用下的砂土、粉土地基,黏性土中的偏心加载试验研究未见报道。本文在室内大型模型槽中开展黏性土扩展基础基底压力分布研究,采用轴压、偏压两种加载方式,系统研究宽高比对黏土地基扩展基础基底压力分布规律的影响。

1 室内模型试验设计

1.1 扩展基础试件设计

本次试验中,混凝土扩展基础试件分两组:轴压试件(AF)、偏压试件(EF)。国家现行相关规范[2-3]中,宽高比限值为2.5,实际工程中的扩展基础台阶宽高比大多集中于2.0～2.5。考虑实际工程应用中的扩展基础基本都有水平荷载作用,只考虑轴压而设计的基础很少,结合工程经验,轴压试件宽高比只设2.0、4.0两种情况。为详细探究偏压作用下宽高比对扩展基础基底压力分布的影响,偏压试件选取宽高比为2.0、2.5、3.0及4.0四种情况。图1为试验用混凝土试件。

图1 扩展基础试件示意图Fig.1 Sample of spread foundation

考虑到室内试验操作、仪器、数据采集等误差,为使偏压基底反力分布更明显,又不致试件边缘发生很大翘起,偏心率选择较大值0.2,即偏心距10 cm。

各试件设计物理参数见表1,混凝土强度等级为C40,弹性模量3×104MPa,配筋为镀锌铁丝。(其中,L为基础长度,B为基础宽度,h为基础高度,e为偏心距,b为短柱边缘至基础外边缘的距离,偏心率为e/B,宽高比为b/h)

表1试件设计参数表

Table 1 The dimension of concrete sample

1.2 黏土重塑

原状黏土取自上海市青浦区某在建工地,地下-3～-6 m深度。选取试验室外开阔、通风、太阳照射的空旷场地,将原状土平铺进行晾晒,每日取土样,监测含水率变化;原状土晒干后,使用试验室叉车将其碾碎;过筛网(5目,孔径2 mm),过滤掉杂质,达到重塑土要求,装袋备用;按重塑土含水率25%的控制指标,加水重塑后装入2.5 m×2.5 m×1.5 m土箱,形成试验用重塑地基土,重塑过程见图2。

图2 地基土重塑过程Fig.2 Remoulding process of soil

地基土的主要物理、力学指标见表2,平板载荷试验测定p-s曲线见图3。

根据p-s曲线确定出地基承载力特征值为100 kPa,反算得到地基土变形模量为3.88 MPa。

表2地基土的主要物理、力学指标

Table 2 The main physical and mechanicalindexes of soil

图3 轴心荷载下p-s曲线Fig.3 The p-s diagram under axial loading

1.3 试验方法

本次室内模型试验在同济大学沪西校区结构试验室进行,使用试验室自平衡反力架作为加载装置,配合土箱实施静力加载。

基底反力量测系统由应变式BW-1微型土压力盒(直径16 mm,厚度4.8 mm,量程1 MPa,引线8 m)和采集仪组成。

加载时,油压控制千斤顶在自平衡的封闭反力架中对试件加载。试验开始后,预加载12.5 kPa并维持30 min后,卸载到0;10 min之后,开始逐级加载,进行数据采集(油压、位移、基底反力);初始加载等级为25 kPa,每级增加25 kPa,加载等级达到100 kPa或者试件出现肉眼可见明显裂缝之后,每级增量减半为12.5 kPa;直至试件发生破坏,不能继续承荷,加载结束。

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

2 轴压(AF)试验结果及分析

2.1 数据处理方法

对扩展基础试件底部地基土内铺设的压力盒编号,总数27,压力盒布局如图5所示(边缘预留10 mm,防止加载过程中压力盒侧向挤出)。

图5 压力盒布局示意简图Fig.5 The arrangement of pressure cells

压力盒底部平铺4 mm细砂找平,上覆10 mm细砂与扩展基础底面直接接触,压力盒埋设方法见图6。

图6 压力盒埋设示意图Fig.6 The design of pressure cells in soil

若将一条线上的压力盒实测数据作为试件基底压力分布,无法反映基础的“整体”基底压力分布情况,故对所有实测27个压力盒数据进行“均值”处理以表现试件基底压力整体分布模式。

区域1、区域2对称布置压力盒,互相校对,将对称位置压力盒数据相加取均值,如21号、16号压力盒数据取均值,作为(21/16)位置的基底压力数据,如图7(a)所示。

图7 均值法数据处理示意图Fig.7 The diagram of data processing

将图7(b)中路径1～4数据求和取均值,可得到基础底面纵向1/2的整体压力分布情况,轴压情况下,对其进行对称,可得到整个基础底面的纵向整体压力分布。同理将图7(c)中路径5～8进行求和取均值,可得到整个基础底面的横向整体压力分布。

将“均值法”横向、纵向基底反力取均值,可最大限度减小实测误差对基底反力整体分布的影响,构建试验结果唯一“整体”基底压力分布模式。

2.2 轴压试件基底压力分析

扩展基础试件AF1、AF2进行室内试验轴压加载,其宽高比分别为2(刚性)、4(柔性)。AF1、AF2的加载等级及试件挠曲随时间变化图如图8所示(其中t为加载时间,p0为每级荷载作用下的基础平均基底压力;B为基础宽度,s为图5“轴线2”中21、7、16号压力盒对应的基础试件相应位置位移)。

每级荷载加载过程中,待基础沉降、压力盒读数稳定后,即进行下一级加载。AF1试件在加载100 kPa时出现明显裂缝,而AF2试件在75 kPa时,表面裂缝开展已较为明显,两者极限载荷分别为225 kPa、125 kPa。AF1在225 kPa加载等级持续很短时间即发生破坏,无法承荷。由图8(b)可知AF1在150 kPa加载等级之前,试件基本保持平稳下沉,相对挠曲很小;162.5 kPa加载等级时,中部沉降陡增,试件发生显著挠曲,裂缝开展明显,但试件仍可继续承荷。图8(d)为柔性基础AF2试件挠曲曲线,随加载等级的逐渐增大,试件挠曲平稳增长,未呈现突变态势。

绘制AF1、AF2试件轴压下基底压力曲线,见图9。图9(a)为宽高比为2的刚性基础AF1的基底压力曲线,可知加载等级为25～100 kPa时,边缘基底压力较均匀但大于中间部位;加载到100～150 kPa时,基底压力呈“波浪形”;大于150 kPa时,基底反力呈较明显的中间大于边缘分布,此时试件裂缝开展较大。由宽高比为4的柔性基础AF2的基底压力曲线图9(b)可知,黏土地基上柔性基础的基底压力分布趋于复杂,在加载等级为25～87.5 kPa时,均呈“波浪形”分布;加载等级大于87.5 kPa时,中间部位基底压力增速加快,边缘压力不再增加;到125 kPa时,边缘压力反而减小,中间部位压力继续增加。

3 偏压(EF)试验结果及分析

3.1 数据处理方法

偏心加载试件底部地基土内铺设压力盒总数为21,压力盒布置见图10。

将轴线1、2、3对应的压力盒数据取均值(图11),作为偏压试件基底反力分布代表值。

图8 轴压加载等级及试件挠曲示意图Fig.8 The loading level and deflection of samples under axial load

图9 轴压加载下基底压力曲线Fig.9 The diagram of contact pressure under axial loading

3.2 偏压试件基底压力分析

偏心加载试件有EF1、EF2、EF3、EF4,宽高比分别为2、2.5、3、4,加载偏心率为0.2 (偏心距为10 cm),极限荷载分别为200 kPa、200 kPa、150 kPa、137.5 kPa。各试件表面出现肉眼可见裂缝时加载等级均为100 kPa左右,故本文只分析加载等级在100 kPa之前各试件的基底压力。如图12所示,(a)、(b)、(c)、(d)分别为试件EF1、EF2、EF3、EF4的基底压力曲线。

图12(a)宽高比2的EF1试件地基压力曲线显示,各级荷载下,偏心左侧边缘基底压力明显高于平均值,偏心右侧分布较均匀;EF2基底压力总体分布较均匀,最大值出现在偏心左侧,试件中心压力值较小,最小值出现在左边缘;EF3试件偏心右侧基底压力呈线性分布,左边缘压力值较小,最大值出现在偏心左侧;EF4试件偏心左侧基底压力总体高于右侧。EF2、EF3、EF4试件基底压力最大值均出现在偏心左侧测点,左边缘压力反而减小。

图10 压力盒布置示意简图Fig.10 The arrangement of pressure cells

图11 均值法数据处理示意图Fig.11 The diagram of data processing

图12 偏压加载下基底压力曲线Fig.12 The contact pressure of eccentric loading samples

图13(a)～(d)分别为试件EF1、EF2、EF3、EF4的“轴线2”位移示意图。EF1、EF2刚性试件在偏压作用下发生整体偏移,左边缘下沉较大,试件整体挠曲很小;EF3试件在偏压荷载等级较小时,呈现整体偏移,100 kPa时试件出现裂缝,中间位移增大,出现明显挠曲形态;EF4试件在75 kPa荷载等级时即出现了明显挠曲现象,在100 kPa时,试件出现了肉眼可见裂缝。

4 结 论

(1) 黏土地基上小宽高比扩展基础在轴压作用下,其基底压力分布总体较均匀,但中间部位压力较小。当加载等级大于地基土的承载力特征值时,中间部位压力增速慢慢超过边缘,但此时试件表面已出现明显裂缝;大宽高比柔性基础基底压力趋于复杂,呈“波浪形”分布,当试件出现裂缝,加载等级超过黏土承载力特征值时,压力集中于中间部位。

(2) 偏压加载作用下,随着宽高比的增大,基础刚度减小,基底压力最大值从边缘开始右移,偏心一侧基底压力所占比例减小。小宽高比刚性基础基底压力最大值出现在试件左边缘(偏心一侧),总体呈线性分布;宽高比增大,基底压力最大值变为偏心左侧测点,边缘压力减小。

(3) 小宽高比刚性扩展基础在轴压作用下发生突然挠曲变形,且无预兆,而大宽高比柔性基础则表现出较好的延性,挠曲变形缓慢发展;偏压作用下,试件挠曲缓慢发展,小宽高比试件多为整体偏移,大宽高比试件则较早出现挠曲变形。

图13 偏压试件挠曲变形图Fig.13 The deflection of eccentric loading samples