6.1.2.1 工况设计遵循的理论依据

本次载荷试验物理模型有以下几个特征：

1）载荷试验采用中心荷载形式，不考虑偏心荷载；

2）基底粗糙；

3）载荷板位于地基表层，相当于基底以上无填土，不考虑填土自重对基底的超载，不考虑填土的抗剪强度；

4）鉴于风积砂粘粒含量低、分选好、级配差、低压缩性、整体性好等物理力学特性和模拟地基铺设过程中对其均一性的严格控制，试验中的模拟地基是一个均质体，在同一种工况中忽略风积砂颗粒组成及物理力学性质的差异。

图6.1 试验基坑平面图及剖面图

图6.2 静力载荷试验反力加载装置设计

1943年太沙基（K.Terzaghi）在推导均质地基上的条形基础受中心荷载作用下的极限承载力时，把土作为有重力的介质，并有如下一些假设：

1）基础底面完全粗糙，即它与土之间有摩擦力存在；

2）基土是有重力的（γ≠0），但忽略地基土重度对滑移线形状的影响。因为，根据极限平衡理论，如果考虑土的重度，塑性区内的两组滑移线形状就不一定是直线；

3）当基础埋置深度为D时，则基底以上两侧的土体用当量均布超载q＝γ0D来代替（γ0为比重），不考虑两侧土体抗剪强度的影响。

根据以上假定，滑动面的形状如图6.3a所示，也可以分成三个区。

Ⅰ区：基础底面下的土楔aa′d，由于假定基底是粗糙的，具有很大的摩擦力，因此aa′面不会发生剪切位移，该区的土体处于弹性压密状态，它与基础底面一起移动，该部分土体称为弹性楔体（刚性核），代替了普朗特尔解的朗肯主动区。根据几何条件，滑动面ad（或a′d）与水平面夹角Ψ＝φ。

Ⅱ区：假定与普朗特尔假定一样，滑动面一组是通过a、a′点的辐射线，另一组是对数螺旋曲线de、de′，同时忽略土的重力对滑移线形状的影响。

Ⅲ区：仍是朗肯被动状态区，滑动面及a′e′与水平面成 角。

图6.3 太沙基（K.Terzaghi）极限承载力

当作用在基底压力为极限承载力Pu时，发生整体剪切破坏，弹性压密区（Ⅰ区）a′ad将贯入土中，向两侧挤压土体adef及a′de′f′达到被动破坏。因此，在ad及a′d面上将作用被动力Ep，与作用面的法线方向成φ角，如图6.3b所示。取Ⅰ区弹性楔体ada′作为脱离体，考虑单位长基础，分析其力的平衡条件来推求地基的极限承载力。

本次载荷模拟试验较好地符合了太沙基极限承载力理论的假定条件，以该理论为基础设计的试验工况，在圆形基础作用下，地基内各点应力状态在同一水平面上关于地基中心轴对称。

6.1.2.2 试验工况设计

在苏里格天然气第三处理厂实测地下水位线以上风积砂平均天然密度为1.64g/cm3，平均含水量为4％，计算其对应的干密度为1.58g/cm3。本次试验针对由单一风积砂构成的地基设计三种试验类型。

（1）第一种类型

为了研究风积砂干密度对地基承载力的影响及地基中应力分布的影响，保持风积砂天然干密度1.58g/cm3不变，设计2％、4％、6％、8％四个低含水量和12％、16％两个高含水量，共六种工况。根据基坑尺寸，分10层铺设，每层厚12cm，具体设计见表6.1 。试验采用人工夯实法铺设，在铺设过程中严格控制每层地基的铺设砂土质量、铺设后的体积，并及时跟踪监测砂土含水量，为了避免人为造成的地基分层现象，在每层铺设完毕将表层砂土体刮花，及时铺设下一层，以保证模拟地基达到设计要求。

表6.1 同一干密度下不同含水量工况设计

为了研究在上部荷载作用下地基中附加应力大小和分布特征，在地基内不同位置设置JXY-2型钢铉式土压力盒。压力盒埋置遵循以下设计原则：

1）承载板下方沿中心轴在不同地基深度水平布置压力盒，研究上部荷载作用下中心附加应力变化特征。

2）考虑到压力盒本身的体积和质量对地基材料属性和地基附加应力分布的影响，要尽量提高压力盒的利用效率。鉴于本次载荷在同一水平面上各点应力状态关于地基中心轴对称的特点，在同一地基深度平面上只在中心轴一侧布置压力盒，另一侧可由对称性求出，相邻两个水平面上压力盒应交错布置。

3）参照太沙基理论的假定滑动面，计算出本次模拟试验中的弹性区、过渡区和被动土压力区，并在被动土压力区垂直布设土压力盒，测其水平附加应力变化特征。

4）中心点以外水平布置的压力盒除测定该点处竖向附加应力外还应控制附加应力的影响范围，根据2004年中国建筑工业出版社出版的叶书麟的《地基处理》，当砂垫层厚度z（本次模拟试验处理深度为1.5m）与地基宽度B（即载荷板直径0.2m）的比值大于0.5，地基应力扩散角取30°，计算附加应力影响范围，布置压力盒。

第一类试验中压力盒布置如图6.4所示。

图6.4 压力盒布置示意图（单位：cm）

图6.5 标志层染色剂的配制

为监测地基破坏后地基内部的变形破坏特征，在载荷板以下地基深度12cm范围内铺设标志层，标志层深度间隔采取3cm，每层标志层水平铺设厚度1cm，面积为10×60cm2。为了避免标志层因材料属性不同而造成的试验误差，特采用染色后天然干燥的风积砂作为标志层（通过使用纯度为36％的乙酸配制甲基红溶液来实现染色，图6.5）。

（2）第二种类型

为了研究风积砂含水量对地基承载力的影响及地基中应力分布的影响，保持风积砂天然含水量4％不变，设计1.53g/cm3、1.58g/cm3、1.62g/cm3三种干密度工况（表6.2）。铺设工艺与第一类型相同。

表6.2 同一含水量下不同干密度工况设计

（3）第三种类型

采用毛乌素沙漠地区最常见的地基处理方法———水坠垫层法设计两种工况。

1）水坠法：根据水坠法试验结果，每次虚铺砂土厚度采取30cm，注水至15cm水头高度，待排水至水头高度为零，铺设下一层。

2）水坠加振动密实法（饱和振坠）：每次虚铺砂土厚度30cm，注水至水头高于砂层表面15cm后，使用插入式混凝土振动器振捣，振点布局按梅花形布设，振点平面间距为25cm×25cm，完毕后进行下一层施工。