RC方形基础下玄武岩土的实验与数值研究

《Scientific Reports》：Experimental and numerical investigation on basaltic soil under RC square footings

　　

摘要

准确预测钢筋混凝土基础下方接触应力的分布对于浅基础的安全性和使用性能至关重要。传统的分析模型将基础视为刚性体，将土壤视为均匀介质，无法体现应力集中和重新分布现象，尤其是在非均匀荷载作用下。以往的研究多集中在砂土上，而玄武岩土壤具有较高的刚度、角状特征以及互锁效应，其力学性质与砂土不同，同时这些模型也忽略了混凝土开裂导致的刚度损失。本研究通过实验和数值模拟，探讨了置于玄武岩土壤上的钢筋混凝土方形基础的性能，以及配筋率、钢材屈服强度和混凝土强度对其的影响，以弥补现有研究的不足。在实验室条件下，对配筋率为0.19%、0.36%、0.54%和3.43%的四种基础进行了单调加载试验，测量了其中部和边缘的位移情况。随后利用经过验证的有限元模型开展了参数研究，将配筋率范围扩大到0.54%至4.80%，钢材屈服强度范围扩大到240 MPa至450 MPa，混凝土抗压强度范围扩大到20 MPa至60 MPa，从而系统分析这些参数对基础中部接触应力、极限承载力、变形量及能量吸收能力的影响。研究结果表明，当配筋率从0.54%提高至4.80%时，基础中部接触应力增加73.4%，极限承载力增加34.1%，能量吸收能力增加55%。钢材屈服强度从240 MPa提高至450 MPa时，层合复合板的中部接触应力增加25.2%，极限承载力增加13%，能量吸收能力增加3.74%。混凝土抗压强度从20 MPa提高至60 MPa时，中部接触应力增加117.4%，极限承载力增加70.4%，能量吸收能力增加270%，这一因素的作用最为显著。这些结果表明，在坚硬的玄武岩土壤上，基础的性能主要取决于混凝土强度和配筋量，同时合理选择钢材屈服强度也很重要。本研究所得的结论对实际工程设计具有重要的指导意义。此外，在优化结构的强度和延性时，还需考虑非均匀接触应力、刚度退化以及土-结构相互作用等问题。