地基基础模型试验原理与应用

摘要：地基基础模型试验是地基基础建设设计和研究的重要手段，自从土木力学学科建设之后，通过地基基础模型试验对不同类型地基基础的强度和变形情况进行研究已经成为了主要的研究方式之一，并取得了一定的成果。本文对地基基础模型试验进行了基本的介绍，对地基基础模型试验的重要性和基本原理进行了分析，并对其应用方式进行了介绍，目的在于提高读者对地基基础模型试验的认识，以供参考。

Abstract： Foundation model test is an important means of foundation construction design and research. Since the construction of the discipline of civil mechanics， studying the strength and deformation of different types of foundations through foundation model tests has become one of the main research methods， and it has achieved certain results. This article gives a basic introduction to foundation model tests， analyzes the importance and basic principles of foundation model tests， and introduces its application methods. The purpose is to improve readers' understanding of foundation model tests and provide reference.

关键词：地基基础;模型试验;原理;应用

Key words： foundation;model test;principle;application

中图分类号：TU46                                        文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）28-0124-02

0  引言

在进行建筑设计和地基设计之前，要結合具体的工程设计要求和实际地质情况来进行受力分析和变形情况预测，而大部分工程都无法对工程实体进行现场的观测和极限应力状态试验，因此需要通过地基基础模型试验来代替实际的工程原体进行研究分析。虽然随着建筑业的发展和土木力学学科的进步，地基基础模型试验得到了较大程度的进步和发展，但是地基基础模式试验的理论和应用仍然存在着一定的问题和困扰，需要进行进一步的改进和深入研究。

1  地基基础模型试验的重要性

1.1 重要性  建筑物地基基础的稳定性和安全性直接影响到整个房屋建筑工程的安全，是建筑工程的最根本内容，要对地基基础受到压力负荷后的变形情况和破坏性状进行研究就要对建筑工程地基原体进行压力负荷直到达到破坏，这显然是实际的建设工程不能允许的。为了解决这一问题，除理论研究之外，室内模型试验得到了广泛的应用。

地基基础模型试验是非常重要的，虽然模型试验的试验结果不能完全代替原体工程进行研究，不能完全反应原体工程的特性，但是可以通过模型试验来对工程的基本受力特性和变形情况得出基本的试验预测，虽然不能达到精准的定量分析但是可以实现定性分析，提供有价值的参考数据。

地基基础模型试验的精确程度直接关系到建筑工程设计的安全程度，如果模型试验得出的数据不准确，在之后进行工程设计时很容易出现设计偏差，从而导致在之后的建筑物使用时出现安全问题，造成人员生命安全和财产损失。

1.2 基本类型  地基基础模型试验与一般的模型构件试验不是一致的，在进行试验时需要控制的因素较多，所产生的结果也较多，在进行数值参数的计算和确定时也难度较大，需要多次进行条件设置来进行试验，不能在同一研究条件下进行反复试验，因此有较大的技术难度。

地基基础模型试验包括多种地基类型的基础形式，各种地基基础例如桩基、箱基等都可以通过地基基础模型试验来进行研究，所涉及到的学科类型也较多，包括土动力学、土静力学以及水动力学，具体研究类型和涉及学科类型可见图1。

2  地基基础研究发展情况

与世界研究情况相比，我国地基基础处理研究起步较晚，但是发展较为迅速，1962年，我国天津召开了第一届全国土力学及基础工程学术会议，之后每历经四年均召开一届，此会议对我国地基处理研究技术的发展起到了推动和综述作用，目前我国地基处理技术已经得到了极大的发展，各种类型的处理技术均得到了有效应用。（表1）

目前随着我国基础建设的不断发展，铁路道路建设、基础设施建设、城市化进程扩张等工程不断进行，这就对地基处理的概念和技术水平提了更高的要求，尤其是目前一带一路计划和填海造陆、围垦造田等工程的不断发展，对铁路建设和建筑建造的要求有了更高的要求和标准，这些工程建设的地质情况大多较为特殊，需要更高的地基处理技术，这也就对地基基础建设提出了更大的挑战，在此背景下地基基础建造技术已经由单一技术逐渐向数种地基处理技术相结合的形式转变。而对于地基基础模型试验而言，不断发展的地基处理技术要求地基基础模型试验实现更高的精度和准确性。

3  地基基础模型试验基本理论原理

3.1 地基基础模型试验基本类型

地基基础模型实验根据与实际情况的符合程度可以分为两种类型，第一种类型是与实际的施工建筑情况存在数据差异的定性分析试验，这种类型的试验又可以视作不真实的定量分析试验，在这种类型的试验中，研究对象仅为研究地基基础模型在受到负荷达到破坏状态时的基本物理特征，不包含实际的几何尺寸数据对模型的影响，不要求几何相似;第二种类型是严格按照几何相似理论构建真实地基基础模型来进行的定量分析试验，这种类型的试验的研究对象为建筑物在正常使用情况下，即受到负荷而达不到破坏状态或破坏状态之前的物理特征。

3.2 地基基础模型试验原理

①相似准则。地基基础模型试验的几何相似准则主要是对上述第二种定量分析试验而言的，模型试验要按照一定的几何相似关系来进行设计和分析，通过确定地基基础实际工程原体和模型的相似准则数，来使工程原体的物理特性和承压性能能通过地基模型的性能按照相似比例关系来进行表达。得到相似准则数的基本方法有两种，分别是方程式分析法和量纲分析法，方程式分析法的计算较为简便，所得出的结果的物理意义也较为明显和易懂，严格按照方程式分析法所得到的结论也较为正确，但是就实际的工程情况而言，在现实情况中面临的数据和工程量较为复杂，对应的关系也并不是理想的线性关系，很难直接建立起相应的方程式，因此在实际工程中一般采用量纲分析法来进行相似准则数的确定。在工程应用时确定几何相似系数的基本步骤可以参考如下过程。

对建筑物a进行地下连续墙施工，其基槽边侧与原有建筑物的基础边侧具体为C，元基础宽度为B，基槽开挖深度为T，通过模型试验对这一工程进行模拟。可设Bp/Tp=（B/T）p=（B/T）m=Bm/Tm，p表示原体工程几何相似准数，m表示模型的几何相似准数，将这一式子进行变形，可得Bp/Bm=i=Tp/Tm，得到的i即为几何相似比例系数。

②地基模拟。对地基进行的模拟也分为两个部分，第一部分是对地基材料的性能进行模拟，第二是对地基的力学相似性进行研究，针对地基材料性能进行模拟这一问题，大部分研究学者都趋向于选择使用真实建筑工程地基土来进行试验，根据上世纪德国学者的研究，考虑地基土的自相似特征和模型试验的效果，得出使用圆形粉颗粒细砂地基土材料来作为模拟材料进行地基的力学相似性研究的效果是比较好的。在确定力学相似准则数时，设这一无量纲参数为Π，Π=E/γt，E为压缩模量，γ为重力密度，t为几何尺寸，通过Π定律进行假定，得（E/γt）p=Π=（E/γt）m，这里所得到的Π即为力学相似准则数。

③基础模拟。对地基基础进行模拟不仅包含几何相似研究，也包括力学相似研究，与地基相似准则数的确定相比，基础相似准则数的研究比较易于得出，可以通过结构试验研究结果来进行协助研究。通过几何和力学相似研究，可以得出抗弯刚度、集中力应力的基本换算关系。

④实际应用实例。关于地基基础模型试验的实际应用可以参考中科院建筑研究院地基所于1990年8月所开展的北京医院急诊楼护坡桩的测试研究，测试其墙土压力与护坡桩顶部位移的关系。

护坡桩的型号和尺寸多为Φ800-Φ1200的悬臂钢筋混凝土护坡桩，桩距为1.8m，悬臂部分长度为5-10m，嵌固深度5m左右，其抗弯刚度约为7.8*1014kN·cm4。研究目标为探究被动土压力区的压力与顶部水平位移之间的数学关系。

首先进行几何尺寸换算。可得i=tp/tm=10，进行刚度换算，得到（EI）m=7.8*1014/（γp/γm）=2.3*105（kN*cm4），根据此刚度数据可以确定选择桩距为6cm的Φ30*1.5钢管。

然后进行土压力ep的换算，得到epm=epp/ai，得出这几项基本数据之后来推算实际工程中的土压力，经过核算与实际检验之后得出模型试验的结果与实際结果非常相似，因此可以得出通过地基基础模型试验所得到的结果是较为准确的。

4  总结

通过地基基础模型试验来对地基基础建设设计和研究能起到有效的作用。本文对地基基础模型试验进行了基本的介绍，对地基基础模型试验的重要性和基本原理进行了分析，对模型试验需要用到的基本换算公式以及其应用方式进行了介绍，目的在于提高读者对地基基础模型试验的认识，以供参考。但是对这方面研究还存在着一定的不足之处，例如对粘性土进行地基设计时还需要进行进一步的研究和设计，希望在之后可以在试验过程中得到进一步的成功应用。

参考文献：

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作者简介：李路明（1974-），男，河北赞皇人，高级工程师，研究方向为建筑工程检测技术。