基于透明土的静压楔形桩沉桩效应模型试验研究

曹兆虎，孔纲强，周 航，耿之周

（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；3.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029）

1 引言

预应力管桩等预制桩在沉桩过程中，一方面对桩周土体起到挤密加固作用，另一方面也可能因桩周土体竖向和径向位移过大而造成周围构建物的破坏。楔形桩是一种可以有效地提高桩侧摩阻力的纵向变截面异形桩，近年来在工程中逐步得到广泛应用。因此，开展楔形桩的沉桩效应研究，为楔形桩的设计与应用提供技术支撑成为相关科研人员关注的重点方向。

针对异形桩的沉桩效应问题，在现场试验方面，刘汉龙[1－2]、雷华阳[3]等分别结合PCC桩、X形桩、预应力管桩等横截面异形桩，进行了现场沉桩挤土效应试验，测得了沉桩过程中土体径向位移变化规律。在数值模拟分析方面，周健等[4]结合工程实例，基于数值软件对群桩沉桩过程中地表隆起、桩侧土体位移与应力等进行了分析。在理论分析方面，刘裕华等[5]基于圆孔扩张理论，建立了预制管桩沉桩挤土效应计算方法，并与常规圆形桩进行了对比分析；周航等[6]基于圆孔扩张理论，建立了楔形桩沉桩挤土效应理论计算方法，并对沉桩阻力进行估算分析。在模型试验方面，周火垚[7]、张可能[8]等基于常规室内模型试验手段，分别针对楔形桩沉桩挤土效应进行模型试验研究，分析了不同楔形角情况下沉桩对桩周土体的竖向位移与径向位移，以及沉桩阻力等的影响规律。然而，常规的插入式模型试验，得到的是有限的离散点的位移，而不是整个位移场；同时由于测试元件的埋设受桩体、周围土体等影响较大，通常会影响整体模型试验结果的精确度和可信度。

随着透明土材料和PIV技术的发展，Lehane等[9]利用图像处理技术，在土体内部预埋黑色示踪点，通过追踪示踪点的位移来测量桩周土体的位移场，但是得到的位移场反映的仅是土体内部有限的离散点的位移，且示踪点的布置费时费力。White等[10]采用PIV技术及图像测量技术对砂土中半模桩沉桩效应的半模试验进行了研究，测定了半桩沉桩过程中的整个位移场。李元海[11]、刘君[12]等利用PIV技术等图像处理技术，分别分析了砂土模型试验整个变形场的变化规律和在大型振动台模型试验中边坡变形直至破坏的完整过程。孔纲强等[13]针对透明土材料的力学特性开展了试验研究，并与标准砂的力学特性进行了对比分析。Ni[14]、佘跃心[15]等基于透明土材料和PIV技术对等截面桩的沉桩挤土效应进行了模型试验分析。研究结果表明，基于透明土材料和PIV技术的非插入式测试方法，可以有效分析沉桩效应。

综上可知，目前沉桩挤土效应的研究仍主要集中在传统的试验方法上，而基于透明土材料和PIV技术对楔形桩的沉桩效应的研究相对较少。因此，本文基于透明土材料和PIV技术，开展静压楔形桩沉桩模型试验，测得沉桩过程中桩周土体的位移场变化规律；同时进行等截面桩的沉桩模型试验，并对等混凝土材料用量情况下楔形桩和等截面桩的沉桩效应进行对比分析，续而针对基于常规试验手段的静压楔形桩沉桩模型试验、圆孔扩张理论计算方法和本文的基于透明土材料的静压楔形桩沉桩模型试验所得结果进行对比分析。

2 模型试验概况

2.1 模型试验装置

本文所采用的模型试验装置由光学平台、激光器、线性发生器、CCD相机、沉桩加载仪、计算机控制以及图像后处理软件等部分组成，如图1所示。沉桩过程中桩周土体位移场由激光射入透明土材料，与透明土材料之间的相互作用产生的独特散斑场，通过CCD相机成像处理而获得。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；沉桩加载仪，由电机提供恒定加载速率，范围为0.1～10 mm/s，配有位移量测计，可同步记录沉桩深度；CCD高速工业相机，分辨率为1 280×960，通过计算机控制可同步记录沉桩过程，连续拍摄；采用PIVview2后处理软件。

图1 沉桩模型试验装置Fig.1 Setup of installation model test

2.2 模型槽及模型桩制作

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，壁厚为5 mm，高度为260 mm；其中一侧面由精密机床标有一系列参考点，用于测量系统的标定，进行像素坐标与物理坐标之间的转化。本文所采用模型桩为不锈钢材料，楔形桩沉桩桩长为48 mm，楔形角为1°，底部桩径为5.4 mm；等截面桩桩长为48 mm，桩径为6.4 mm。模型桩实物图及尺寸示意图如图2所示。

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

2.3 透明土土样制备

透明土土样由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，土体相对密度为2.186，最小干密度为0.970 g/cm3，最大干密度为1.274 g/cm3，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。常温下石英砂和混合油两者折射率一致，均为1.458 5。烘烤石英砂实物图及透明土调制完成后的实物图如3所示。本试验采用的相对密实度为50%，其室内直剪试验内摩擦角为37.3°（干样）和38.3°（油样）。

图3 透明土材料实物图Fig.3 Photographs of transparent soils

2.4 模型试验工况

为了更系统地了解楔形桩沉桩过程中的挤土特性及其与常规等截面桩沉桩效应的异同点，本文开展了等混凝土用量楔形桩和等截面桩的沉桩过程对比试验，具体模型试验工况见表1。

表1 模型试验工况Table 1 Conditions of model tests

3 模型试验结果与分析

3.1 位移矢量图

通过PIV View2软件对沉桩过程中所拍摄的图像进行处理，桩周土体的位移可以用矢量图来表示。图4描述了沉桩深度L 从6.5D 到7.5D 时，桩周土体的位移，横坐标表示径向，纵坐标表示沉桩方向。为了更清楚地表现等混凝土用量楔形桩和等截面桩桩周土体位移的异同，对图4中的土体位移箭头进行了放大处理。从图中位移箭头趋势可以看出，两者位移都呈现典型的柱孔扩张模式。同时可以发现，桩端下沉1D 时，在靠近桩端底部处楔形桩桩周土体位移相对等截面桩较小，这是由于在桩底端部，楔形桩的底部尺寸较小。

图4 L 从6.5 D 到7.5 D 时桩周土体位移矢量图Fig.4 Displacement vectogram around the pile from L=6.5 D to 7.5 D

当沉桩深度L 从0到7.5D 时，桩周土体的位移矢量图如图5所示。在桩端底部，形成一个类似“鼻锥”的区域，这与White[10]和Ni[14]等的发现相同，即对于平底桩贯入，在桩端底部相对固定区域会形成“鼻锥”区域。对比等混凝土用量楔形桩和等截面桩发现：在地表附近，楔形桩的挤土影响范围大约为等截面桩的1.2倍，可能的原因是楔形桩在顶部的桩径较大。

3.2 位移轮廓图

为了更直观地描述桩周土体位移形式，将试验结果描绘成桩周土体位移轮廓图，并将坐标通过桩径D 进行归一化，位移大小未进行归一化处理。图6、7分别为桩周土体径向位移轮廓图和竖向位移轮廓图，其中横坐标为径向距离r 与桩径D 的归一化值，纵坐标为沉桩方向距离Z 与桩径D 的归一化值。从图6中可以明显看出，在地表附近，楔形桩挤土影响范围比等截面桩大，但在靠近桩端底部附近，楔形桩的径向挤土位移要比等截面桩小。对于竖向位移，从图7可以发现，在靠近桩端底部处，楔形桩竖向位移比等截面桩要小，这些现象主要与楔形桩桩径沿桩长度方向的变化有关。同时，由于测试技术原因，在地表附近接近桩身处激光产生反光，散斑场较为模糊，并未能真实地反映此处位移。

图5 L=0到7.5 D 时桩周土体位移矢量图Fig.5 Displacement vectogram around the pile from L=0 to 7.5 D

图6 L=0到7.5 D 时桩周土体径向位移轮廓图Fig.6 Radial displacement contours around the pile from L=0 to 7.5 D

图7 L=0到7.5 D 时桩周土体竖向位移轮廓图Fig.7 Vertical displacement contours around the pile from L=0 to 7.5 D

4 模型试验结果验证与分析

为了验证本文所建立的基于透明土材料和PIV技术的小比尺沉桩模型试验结果的准确性和可靠性，将本文试验所得的等截面桩结果归一化后与圆孔扩张法及Ni等[14]模型试验结果进行分析，如图8所示。图中横坐标表示径向距离r 与桩径D 的归一化值，纵坐标表示土体水平位移δr与桩径D 的归一化值。将楔形桩结果归一化后，与张可能等[8]开展的基于常规试验手段的楔形桩沉桩模型试验结果、周航等[6]开展的基于圆孔扩张理论的计算结果进行对比分析，如图9所示。文献[6，8]中，模型桩尺寸为：楔形模型桩桩顶直径Dt=7.1 cm，桩端直径Db=5 cm，桩长L=120 cm；桩周土体物理力学参数指标如表2所示。

图8 等截面桩径向位移曲线Fig.8 Curves of radial displacement around an equal section pile

图9 楔形桩径向位移曲线Fig.9 Curves of radial displacement around a tapered pile

表2 土体物理力学参数Table 2 Physico-mechanical parameters of model test soil

对于等截面桩，本文试验值与其他方法规律接近。但在靠近桩身1D 处，本文试验值与Ni等[14]试验值均偏小，这可能与桩身处散斑场较弱有关，本文中模型桩采用的不锈钢材料，激光穿过土体打到桩身后会产生强烈反光，尤其是等截面桩，影响其散斑场效果。但在(2～4)D 处，本文试验值偏大，这可能与土体性质有关，本文试验所采用的透明土性质接近砂土。

对于楔形桩，本文试验值与其他方法符合较好，在(2～4)D 处试验值相比理论解稍有偏大。对比等混凝土用量楔形桩和等截面桩可以发现，在地表附近处，楔形桩挤土效应影响的范围明显较等截面桩大，大约为其1.2倍，在实际施工过程中应引起重视，避免对相邻的建筑物或构筑物等造成损失。

5 结论

（1）基于透明土材料和PIV技术可以有效地开展静压楔形桩沉桩模型试验研究，实现了楔形桩沉桩过程中桩周土体位移的可视化。

（2）对于楔形桩和等截面桩沉桩过程，其桩周土体位移都呈现典型的柱孔扩张模式，同时由于各自桩型特点，桩周土体位移的大小及分布也存在一定差别。

（3）在地表附近处，楔形桩静压过程中对桩周土体的影响范围大约为等混凝土用量等截面桩的1.2倍。

模型试验中存在的尺寸效应及激光散斑场清晰度等，还需要进一步研究以减小其对试验的影响。

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