砂土地基承载力离心模型试验研究

摘要

随着土工离心模拟技术的不断发展，离心模型试验已成为解决岩土工程问题的一种强有力的手段。通过离心模型试验，可在原型应力状态下研究土工建筑、水利水电、近海、交通、采矿等工程中结构物的稳定、变形与破坏过程，验证设计工程是否安全可靠、经济合理，并能为其他分析方法提供可靠的参考依据。但是，离心模型试验本身也存在粒径效应等问题，这些问题直接影响离心模型试验对原型模拟的准确性，使试验结果产生误差，对实际应用造成困难。因此，必须对离心模型试验中存在的问题进行深入的研究，了解其作用规律及对试验结果的影响程度，设计出合理的模型，使模型真实的再现原型的各种性状，提高试验的合理性和准确性，更好的解决岩土工程中存在的各种问题。 本论文首先针对承载力离心模型试验中粒径效应存在的条件及其对试验结果的影响程度进行研究；其次，在可忽略粒径效应的条件下，利用离心模型试验研究地基承载力试验中的基础尺寸效应问题；最后，讨论基础形状和埋深对承载力特性的影响。 对于承载力离心模型试验中的粒径效应问题。首先，通过对原型的模拟(Modelling of prototype)结果进行总结，得出对于承载力试验只要离心试验中的模型基础宽度与重力场试验中的不同，离心试验中总是存在粒径效应问题。随着模型基础宽度与地基材料平均粒径比值的增大，离心试验结果逐渐接近重力场试验结果；当比值足够大时，离心试验结果趋于稳定且与重力场试验结果之差可忽略不计。因此，可利用模型模拟(Modelling of models)的方法讨论离心模型试验中的粒径效应问题。由于目前利用这种方法对粒径效应所进行的研究中，模型基础宽度与地基材料平均粒径的比值变化范围或其变化范围的上限不大，而且，都是通过肉眼比较荷载．沉降曲线之间的差异，来判断粒径效应的大小。因此，在本研究中使模型基础宽度与地基材料平均粒径的比值在较大范围内变化，即最大比值为最小比值的5倍，且其变化范围的上限达291。基于试验结果导入评价粒径效应对试验结果影响程度的指标，定量地讨论离心模型试验中的粒径效应问题。 对于地基承载力试验中的基础尺寸效应问题。在可忽略粒径效应的条件下，利用离心模型试验进行研究。基础尺寸效应是随砂土地基密度的变化而逐渐变化的。随着砂土地基密度的增大，基础尺寸效应的程度及其影响范围都逐渐增大。而前人只是对基础尺寸效应这个现象进行定性的描述，并没有定量研究这种连续的变化过程。本研究中通过密实砂土地基和疏松砂土地基上圆形基础承载力离心模型试验，并对前人的试验结果进行总结，确定应力水平依存系数、基础尺寸效应影响范围与砂土地基密度的具体对应关系，对基础尺寸效应随影响因素连续变化的过程进行定量讨论。并且，由基础尺寸效应的研究结果可知，对于平板载荷试验，当地基为中密砂土地基和疏松砂土地基时，在《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)规定的承压板尺寸范围内(56～80cm)基础尺寸效应可忽略不计。但是对于密实砂土地基，在规范规定的承压板尺寸范围内(56～80cm)仍然存在基础尺寸效应。为消除基础尺寸效应的影响，提出基础尺寸效应修正式和承压板尺寸换算式，对平板载荷试验结果进行修正。同样，在可忽略粒径效应的条件下，利用离心模型试验研究基础形状和埋深对承载力特性的影响。结果表明，在埋深相同的情况下，地基承载力按条形、圆形、正方形、长方形的顺序依次增大。对于密实砂土地基，随着基础埋深的增大，地基破坏形式由整体剪切破坏逐渐过渡为局部剪切破坏，且极限承载力增加了16.53﹪～56.72﹪；对于疏松砂土地基，基础埋深的增加对地基破坏形式的影响不大，但其极限承载力增加程度大于密实砂土地基，高达66.7﹪～117﹪。通过比较各种形状系数计算公式及试验结果，显示各种计算及试验结果相差较大，三维基础承载力的计算有待进一步研究。

目录

文摘

英文文摘

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0前言

1绪论

1.1土工离心模型试验的国内外发展状况

1.1.1概述

1.1.2国外发展现状

1.1.3国内发展现状

1.1.4本研究使用的土工离心机

1.2离心模型试验的原理

1.2.1概述

1.2.2离心模型试验的相似比

1.2.3地基承载力离心模型试验的有效性

1.3离心模型的误差分析

1.3.1离心机中的力场分析

1.3.2模型和原型的变形相似性

1.3.3离心机启动和制动误差

1.3.4边界效应问题

1.3.5局部模拟问题

1.3.6.粒径效应问题

1.3.7动态模拟技术（黄志全，1988）

1.3.8模型内应力变形数据采集系统

1.3.9对工程施工过程的模拟

1.4本论文的研究任务

参考文献

2砂土地基承载力离心模型试验中的粒径效应研究

2.1研究现状及本章的研究意义

2.2试验概要

2.2.1试验装置

2.2.2砂土地基的制作方法

2.2.3试验方案及方法

2.3试验结果及分析

2.3.1砂土地基承载力离心模型试验中的粒径效应

2.3.2粒径效应的评价指标

2.4小结及建议

参考文献

3地基承载力试验中的基础尺寸效应研究

3.1研究现状及本章的研究意义

3.2试验概要

3.2.1试验装置及模型地基制作方法

3.2.2试验方案及方法

3.3试验结果及分析

3.3.1双曲线模拟荷载-沉降曲线确定极限承载力

3.3.2砂土地基密度对基础尺寸效应程度的影响

3.3.3基础形状对基础尺寸效应程度的影响

3.3.4对基础尺寸效应的修正

3.3.5平板载荷试验结果的修正

3.4小结及建议

参考文献

4基础形状及埋深对承载力特性的影响研究

4.1研究现状及本章的研究意义

4.2试验概要

4.2.1试验装置及模型地基制作方法

4.2.2试验方案及方法

4.3试验结果及分析

4.3.1承载力特征

4.3.2基础形状系数问题

4.4小结

参考文献

5结论与展望

5.1主要结论

5.2进一步研究工作的展望

致谢