加筋地基室内大模型试验尺寸效应分析

　　摘 要：为了研究基础尺寸效应对加筋地基的影响，利用自行设计的3 000 mm(L)×1 600 mm(W)×2 000 mm(H)大比例模型箱，进行不同宽度加载板的载荷试验，分析方形基础下加筋地基的荷载—沉降关系、土压力分布和土工格栅的受力变形规律，探讨尺寸效应对加筋地基破坏模式的影响.研究表明：随着加载板宽度(B)的增加，加筋地基的极限承载力也随之增大，B=300 mm、400 mm、500 mm的极限承载力比B=200 mm时分别增大1.07、1.13、1.27倍.B=200 mm时加筋地基的破坏模式为冲切破坏，B≥300 mm时为整体剪切破坏.在竖向荷载小于 240 kPa时，土工格栅应变很小，格栅加筋作用较弱;随竖向荷载进一步增大，格栅加筋作用明显增强，地基达到极限承载力时格栅应变最大;格栅应变随加载板尺寸增大而增大，随距加载板中心距离的增大而减小，且呈非线性变化.

　　关键词：加筋地基;尺寸效应;地基承载力;破坏模式

　　《中国住宅设施》(月刊)创刊于2003年，是由建设部主管，中国房地产及住宅研究会主办，住宅设施委员会承办的住宅设施领域唯一的中央级专业性科技类期刊。

　　0 引言

　　载荷试验具有简单直观、数据可靠等优点，被广泛用于确定地基承载力，但其受外界因素影响较大，如压板埋设深度、土体的均匀性及透水性、每级荷载沉降稳定标准、加载板的形状及尺寸等，尤其以加载板尺寸对试验结果的影响最大，故研究加载板的尺寸效应很有必要.

　　目前，国内外众多学者利用试验及数值模拟对不同形式的地基尺寸效应做了大量的研究工作.Abu-Farsakh[1]，Moghadas Tafreshi[2]等学者指出，基础的极限承载力随着基础宽度的增加而增加;张文龙等[3]通过内蒙粉细砂进行原位载荷试验，发现加载板宽度介于一定范围内存在尺寸效应，但加载板宽度超出一定范围后，尺寸效应不明显;刘鹏等[4]开展了4种加载板尺寸单桩复合地基载荷试验，发现复合地基沉降随压板尺寸增大而增大;Mehrjardi等[5]通过开展循环动载下地基的载荷试验得出，随着加载板的增大，动载作用下地基的承载力也随之增大;张玉成等[6]对比分析不同加载板宽度下的地基沉降，基于非线性切线模量推导出如何利用小加载板载荷试验结果得出实际P-s曲线;李胜伟等[7]采用ABAQUS有限元分析软件模拟条形荷载下双层地基的载荷试验，得出了随着加载板宽度的增加，地基沉降也随之增加，但增长幅度逐渐变缓.杨光华等[8]基于FLAC3D软件研究了不同宽度条形基础下的地基承载力，认为尺寸效应在不同土质条件下对地基承载力的影响程度不同;辛明静[9]采用有限差分法FLAC3D软件进行了静载作用下地基的载荷试验的模拟，得出了地基的沉降随加载板尺寸的增加而减小;蒋明镜等[10]用离散单元法模拟了平板基础作用下的载荷试验过程，从细观角度探索产生地基尺寸效应的机理，得出随着基础宽度的增加，地基承载力系数随之减小，然后逐渐趋于稳定.

　　综上所述，关于天然地基和复合地基的加载板尺寸效应研究取得了较多的成果，但目前对于加筋地基的尺寸效应研究较少.近年来，土工合成材料(土工格栅、土工格室等)在地基、路基应用更加广泛，且加筋地基承载机理及破坏模式较无筋地基存在一定程度的改变[11-14]，故有必要研究加筋地基承载特性受基础尺寸变化的影响规律.本文采用自行设计的3 000 mm(L)×1 600 mm(W)×2 000 mm(H)模型箱，通过DJM-500双轴振动电液伺服加载系统对加筋地基施加竖向荷载，开展不同尺寸方形基础的平板载荷试验.根据试验结果对方形基础下加筋地基的荷载-沉降关系、土压力分布和土工格栅的受力变形进行了分析，对比分析了不同宽度方形基础下加筋地基的力学响应，可为实际加筋工程设计提供有益参考.

　　1 室内大模型试验概述

　　1.1 试验材料及特性

　　本次室内试验采用的填埋材料为柳州市本地普通河砂，颗分结果确定其为级配良好的中砂，图1为砂土的级配曲线，采用常规土工测试方法测定其参数，所得基本物理性质见表1.

　　本次试验所用土工格栅是山东省肥城联谊工程塑料有限公司所生产，如图2所示，具体技术指标见表2.

　　1.2 试验装置

　　试验装置由3部分组成：模型箱、DJM-500双轴振动电液伺服加载系统、数据采集系统，如图3所示.

　　本次试验采用自行设计的尺寸为3 000 mm(L)×1 600 mm(W)×2 000 mm(H)大体积模型箱.模型箱外侧焊有槽钢钢架以保证足够的刚度，长度方向两侧分别为20 mm的钢化玻璃和6 mm的钢板，便于砂土的填筑与压实.在宽度方向焊接三角钢用以放置10 mm厚的钢板，每侧4块，在填筑过程中依次安装.

　　试验数据采集采用JM3841动态应变仪和JMZR2012柔性位移采集模块.在土体预定位置处埋设土压力盒采集水平和竖向土压力，将柔性位移计固定在土工格栅指定位置处来获取筋材的变形量，采用DJM-500双轴振动电液伺服加载系统施加荷载，地基土体的沉降由其系统中的传感器实时读取(10次/s).监测元器件的埋設与整体布设见图4.

　　试验所用加载设备是DJM-500双轴振动电液伺服加载系统，能实时测取输出荷载和沉降位移.本次试验主要探讨加载板尺寸对加筋地基承载力的影响，故采用不同宽度的加载板模拟不同的方形基础，板厚30 mm，通过螺栓与加载筒连接，加载过程中加载板不会发生弯曲变形.

　　1.3 试验方案

　　本次模型试验模拟了加筋地基在方形基础下的受力情况，主要探讨静载作用下不同宽度加载板对加筋地基承载性能的影响，共设计了4种工况的模型试验(如表3所示).