基于透明土材料的异形桩拔桩过程对比模型试验①

曹兆虎，孔纲强，周航，孙学谨

(1.河海大学岩土力学与堤坝工程教育部重点实验室，江苏南京 210098;2.河海大学土木与交通学院，江苏 南京 210098)

随着地下空间的逐步开发，地铁隧道和深基坑开挖等施工中经常面临既有桩基础拔除问题;而既有桩基础拔除施工过程，又对周围土体、构建物产生扰动影响。因此，合理评判拔桩施工对周围土体位移场的影响，是分析桩基础与周围构建物施工间相互影响的关键。

针对地下空间开发中，桩基础与地铁隧道、深基坑开挖等施工之间相互影响问题，近年来国内外相关学者开展了一系列研究，并取得了一定的成果。针对地铁隧道、深基坑开挖施工对桩基抗拔承载力影响方面，王丽等［1－2］分别基于数值分析方法和离心机模型试验针对隧道施工对单、群桩承载力与沉降特性影响进行研究，研究结果表明，隧道开挖沉降槽空间效应明显，1.25D范围内，桩体附加沉降近似呈线性增长;陈锦剑等［3－5］基于离心机模型试验方法对深基坑开挖引起桩周土体应力场变化情况，抗拔桩基承载力影响进行研究，研究结果表明，坑内土体卸荷，桩侧土体有效应力降低，抗拔桩承载力下降。针对拔桩施工对地铁隧道、深基坑稳定性影响方面，韩泽亮等［6－7］分别基于现场试验和数值分析软件，分析了套管法拔桩对周围构建物的影响规律，研究结果表明，拔管过程中，水平位移约为沉降的1/10。此外，张浦阳［8］基于数值模拟软件，分析了上拔荷载下桩靴结构的破坏模式以及上拔过程中，孔压的变化规律。杨果林等［9］基于现场试验，分析了扩底桩与等直径圆形桩的承载力特性问题。

尽管针对拔桩过程对周围构建物影响方面进行了一定研究，但是尚未发现针对开展拔桩过程对周围土体位移场及影响范围的可视化研究。随着透明土材料和PIV技术的发展，White等［10］采用PIV技术对砂土中半模桩沉桩效应进行了研究，并测定了半桩沉桩过程中桩周土体得到整个位移场;Lehane等［11］利用图像处理技术，通过追踪透明土内部预埋的示踪点来描述沉桩过程中桩周土体的位移场;Ni等［12］基于透明土材料和PIV技术对等直径圆形桩的沉桩挤土效应进行了模型试验分析;Ahmed等［13］利用相似的模型试验，对隧道施工引起的周围土体变形进行了研究;相关试验结果表明:基于透明土材料和PIV技术的非插入式测试方法，可以有效分析各种岩土问题引起的土体变形并进行机理探究。透明土材料和PIV技术的联合使用，也为拔桩过程中桩周土体位移场的可视化及其机理研究提供了技术保障。

本文基于透明土材料和PIV技术，开展扩底楔形桩(孔纲强等［14－15］)的拔桩全过程模型试验，测得拔桩过程中桩周土体的位移场变化规律以及拔桩影响范围;同时进行等直径圆形桩、楔形桩的拔桩模型试验并对比分析。基于所测得的位移场建立拔桩过程中扩底楔形桩的破坏面形式，为工程设计提供参考依据。

1 模型试验概况

1.1 模型试验装置

本文所采用的模型试验装置包括光学平台、大功率激光器及线性发生器、CCD高速工业相机、自动拔桩加载仪和计算机控制系统等。激光打入透明土材料内部，和透明土材料之间的相互作用产生独特散斑场;拔桩过程中，通过CCD相机连续拍摄散斑场得到一系列图像，后经过PIV软件处理，追踪这些散斑场的变化，即可得到桩周土体的整个位移场。光学平台为铁磁不锈钢表面，蜂窝状支撑内芯结构，抗振性能好;拔桩加载仪，由电机提供恒定加载速率，范围0.1～10 mm/s，配有位移量测计，可同步记录沉桩深度，本试验采用2 mm/s的拔桩速率;CCD高速工业相机，分辨率1 280×960，通过计算机控制可同步记录沉桩过程;采用PIVview2后处理软件。拔桩过程可视化模型试验装置示意图如图1所示。

图1 拔桩模型试验装置示意图Fig.1 Schematic of pile pulling model test

1.2 模型桩及透明试验槽的制作

本文所采用模型桩有如下3种:(1)等直径圆形桩，其桩长为145 mm、桩径为7.7 mm;(2)楔形桩，其桩长为145 mm、楔形角为1°，底部桩径为5.4 mm;(3)扩底楔形桩，其桩长为145 mm、桩身楔形角为1°，楔形段底部桩径为5.7 mm，扩大头直径为14.7 mm;模型桩实物图及尺寸示意图如图2所示。本文所采用模型槽为长方体透明有机玻璃槽，上部开口，外边平面尺寸为130 mm ×130 mm，壁厚5 mm，高度为260 mm。

图2 模型桩实物图及尺寸示意图Fig.2 Physical and schematic diagram of model piles

1.3 透明土土样的制备

透明土材料为烘烤石英砂和混合油配置而成;烘烤石英砂粒径为0.5～1.0 mm，由徐州新沂万和矿业有限公司生产;混合油为1∶4质量比的正十二烷与15号白油;两者折射率一致，均为1.458 5。烘烤石英砂的比重为 2.186，粒径为 0.5 ～1.0 mm，其干样内摩擦角约为37.3°;调配好的透明土相对密实度为49.5%，其内摩擦角约为38.3°。利用烘烤石英砂和混合油配置完成后的透明土样实物图如3(a)所示，图中模型桩放置在透明模型槽中间，透明土样长×宽×高为130 mm×130 mm×260 mm。图3(b)为配置好的透明土与激光干涉形成的典型散斑场图。

图3 透明土样实物图和典型散斑场图Fig.3 Physical diagram of transparent soil and model pile in model tank and typical speckle pattern picture

1.4 模型试验工况的确定

为了更系统地了解扩底楔形桩的拔桩过程中的扰动特性，及其与常规等直径圆形桩、楔形桩拔桩过程的异同点;本文开展了等混凝土用量楔形桩、等直径圆形桩和扩底楔形桩的拔桩过程等3组对比试验;具体模型试验工况见表1所示。

表1 模型试验工况Table 1 Conditions of the model tests in this study

1.5 模型试验过程及注意事项

(1)模型桩上拔速率为2 mm/s，由电机提供稳定转速，整个过程保持上拔速率不变，在上拔过程中保持桩始终垂直，斜率不大于0.5%;

(2)将CCD相机固定在相机支架上，支架固定在光学平台上，整个过程保持支架及相机位置的固定。在相机拍摄前，调节相机镜头使其轴线垂直于观察面，同时调节相机的光圈和焦距，获得比较适合的视场，约为桩径的12～15倍较为合适;

(3)桩上拔前，先摄取初始图像作为参考图像，CCD相机通过自带软件由计算机控制，为自动拍摄模式，拍摄间隔为1 s;

(4)试验过程中保持所在空间光线的均匀性的稳定性，避免光线带来的误差，同时尽量减少外界振动带来的影响;

(5)上拔过程完成后，将CCD相机拍摄的图像通过PIV软件进行后处理。

2 试验结果与分析

2.1 桩周土体位移矢量图

通过PIVview2软件对桩上拔过程中拍摄的图像进行后处理，将土体变形前后摄取的灰度图像分割成许多网格，每一个网格称之为Interrogation块。将变形前任一Interrogation块与变形后灰度图像进行全场匹配，根据峰值相关系数确定该Interrogation块在变形前后的位置，由此得到该块的平均位移。对变形前所有Interrogation块进行类似运算，就可以得到整个位移场。拔桩过程中桩周土体内部的位移可以用箭头矢量图来表示。以桩体从40 mm桩深上拔至30 mm桩深过程中的桩周土体扰动规律为例，等直径圆形桩、楔形桩和扩底楔形桩桩周土体的位移箭头矢量图分别如图4(a)，4(b)和4(c)所示。由图4(a)和4(b)可知，拔桩过程中，楔形桩的桩周土体位移矢量图与等直径圆形桩的规律基本一致，且影响范围也近似相同;由图4(c)可知，拔桩过程中，扩底楔形桩的桩周土体位移矢量图与等直径圆形桩的规律和楔形桩的规律相差较大;这主要是由于扩大头的存在造成的。同时，由于扩大头的存在，扩底楔形桩中扩大头与楔形桩身段衔接处，土体扰动较大;桩侧土体下沉，当下沉的土体遇到扩大头时，土体改变移动方向，改为倾斜向上移动，从而形成一个类似漩涡型的位移场。

图4 拔桩过程中桩周土体位移矢量图Fig.4 Displacement vectors around the pile under pulling process

2.2 桩周及桩端土体位移轮廓图

以桩体从40 mm桩深上拔至30 mm桩深过程中的桩周土体扰动规律为例，等直径圆形桩、楔形桩和扩底楔形桩桩周土体的位移箭头矢量图分别如图5～图7所示。由图5(a)，6(a)和7(a)可知:拔桩过程中，楔形桩的桩周及桩端土体水平位移轮廓图与等直径圆形桩的规律基本一致，其影响范围较等直径圆形桩的影响范围要稍微大一些;扩底楔形桩的桩周及桩端土体水平位移轮廓图与等直径圆形桩和楔形桩的规律存在一定的差异，且其影响范围近似为等直径圆形桩和楔形桩的影响范围的1.5倍。由图5(b)，6(b)和7(b)可知，拔桩过程中，楔形桩的桩周及桩端土体竖向位移轮廓图较等直径圆形桩的规律要小，其影响范围也较等直径圆形桩的影响范围要稍微小一些;扩底楔形桩的桩周及桩端土体竖向位移轮廓图与等直径圆形桩和楔形桩的规律存在一定的差异，且其影响范围近似为等直径圆形桩和楔形桩的影响范围的2.0倍。

基桩上拔过程中，桩端形成空腔，且桩周土体会逐渐往空腔内填充。本文试验，可以清晰地拍摄到基桩上拔过程中，桩端空腔形成及桩周土体流体状填入空腔的影像图，从而实现真正的可视化试验过程。以扩底楔形桩拔桩过程为例，基桩上拔过程中桩端空腔形成及桩周土体填充影像图如图8所示。由图8可见:上拔过程中，空腔被部分填充，但没有全部填充完整;这可能是由于本文采用混合油来制备透明土材料，从而导致调配好的透明土土体存在一定的凝聚力造成的。因此，寻找无凝聚力的溶液来调配透明土样，从而更好的模拟砂性土，是后续科研工作的一个重要方向之一。

图5 等直径圆形桩桩周土体位移场轮廓图Fig.5 Displacement field contours of pile surrounding soil of equal section pile

图6 楔形桩桩周土体位移场轮廓图Fig.6 Displacement field contours of pile surrounding soil of tapered pile

3 结论

(1)本文试验条件下，扩底楔形桩的拔桩扰动范围明显比楔形桩、等直径圆形桩大，其数值接近等直径圆形桩的2.0倍;楔形桩拔桩过程中水平向位移扰动比等直径圆形桩大，竖向位移扰动比等直径圆形桩小。

图7 扩底楔形桩桩周土体位移场轮廓图Fig.7 Displacement field contours of pile surrounding soil of belled wedge pile

图8 扩底楔形桩拔桩过程影像实物图Fig.8 Image physical diagram of pile pulling process of belled wedge pile

(2)由于扩大头的存在，本文试验条件下，拔桩过程中，扩底楔形桩的桩周土体位移场与等直径圆形桩的规律和楔形桩的规律相差较大;且在扩大头与楔形桩身段衔接处，土体扰动较大，存在一个类似漩涡型的位移场。

(3)基于透明土材料和PIV技术，可以实现真正的可视化试验过程;由于凝聚力的存在，本文所采用的制备透明土样的混合油，更适合模拟黏性土;模拟砂性土的特性时，需要选用凝聚力较小的无机溶液。

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