侧向受荷桩周土体内部位移场的模型试验研究

袁炳祥, 吴跃东, 陈 锐, 冯仲文, 汪亦显

(1.广东工业大学 土木与交通工程学院,广东 广州 510006；2.哈尔滨工业大学 深圳研究生院,广东 深圳 518055；3. 河海大学 土木与交通学院,江苏 南京210098；4.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥230009)



侧向受荷桩周土体内部位移场的模型试验研究

袁炳祥1,2, 吴跃东3, 陈 锐2, 冯仲文2, 汪亦显4

(1.广东工业大学 土木与交通工程学院,广东 广州 510006；2.哈尔滨工业大学 深圳研究生院,广东 深圳 518055；3. 河海大学 土木与交通学院,江苏 南京210098；4.合肥工业大学 土木与水利工程学院,安徽 合肥230009)

针对常规室内模型试验仅限于土体表面位移量测的缺点,利用玻璃砂、正十二烷和白矿油混合液合成人工透明土,设计侧向受荷桩周土体位移测量试验系统,研究桩周土内部的体移变化规律.该系统主要包括激光器、数码相机、水平加载装置、应变采集装置和计算机等.激光穿过透明土,形成目标观测切面,数码相机捕捉激光和颗粒相互作用产生的散斑图像并存储与计算机中.在试验过程中,土体位移图片通过PIVview2C软件进行分析,可以获得土体内部的位移场.从不同深度来测量土体内部变形,可以更直观地观测到侧向受荷桩周土体的位移发展变化规律.试验结果表明,侧向受荷桩土体内部位移主要集中在桩前接近土表面的浅层土体,桩前土内部体在水平面内呈纺锤体状,土体深度从2.4D(D为桩直径)增加为3.8D时,桩前土体影响范围从7.5D减小为6D,土体最大位移减小了约25%.

透明土；侧向受荷桩；非介入测量；PIV技术

桩基础作为重要的基础形式,已广泛应用在桥梁、港口码头、近海平台和土工建筑(如桩基挡土墙、开挖支护桩和抗滑桩)等工程项目中[1-3].目前,对侧向受荷桩的常用分析方法有静力平衡法、弹性地基梁法、弹塑性分析法和弹性理论法等[4-6].多数的分析研究都局限于对桩体的受力变形研究,由于土体的非线性及桩土相互作用的非线性,对桩周土体的关注相对较少.实际上,桩的侧向受荷过程是桩土相互作用的过程,桩体产生三维位移变形带动桩周土体的三维变形.在研究侧向受荷桩土的相互作用时,除了研究桩体受荷性状外,还必须考虑土体的变形.

国内外对侧向受荷桩的研究,多数是以桩本身为研究对象,而对桩周土体的关注有限,对桩周土体的位移场没有相关的整体分析,因此对于桩-土相互作用的机理问题研究不全面[7-8].

随着数字图象处理技术的发展,粒子图像测速技术(PIV)由于操作简单、全流场测量和无干扰性等特点,在岩土工程领域中的应用得到了快速的发展[9-10].通过拍摄侧向受荷桩加载过程中模型边界上土体或者砂土表面土体变形图片,分析土体变形前、后两张图片,采用PIV分析得到模型桩周土体的二维变形场[11].三维粒子图像测速技术(Stereo-PIV)通过二维位移和相机参数重组三维位移场,Yuan等[12-13]采用Stereo-PIV技术研究侧向受荷桩对土体表面沉降的影响.

上述对于土体变形的研究仅局限于土体表面或者模型边界上,无法观测到内部土体的变形特性.虽然X-射线[10]等技术能够观测到内部土体的变形,但试验设备的高昂费用限制了这些技术的推广应用.透明土是由透明颗粒和具有相同或极相近折射率的孔隙流体组成的,利用透明土、现代光学观测技术和图像捕捉与处理技术,可以实现土体内部变形和渗流的可视化观测[14-15].为了发展透明土试验技术,学者作了大量的试验研究.目前,人工合成透明土主要包括两大类：第一类是采用无定形硅粉合成的透明土,岩土工程性质与黏土相似[16-17].第二类是采用无定形硅胶、熔融石英砂或玻璃砂合成的透明土,合成的透明土岩土工程性质与砂土相似[18-19].随着透明土试验技术的发展,透明土在岩土工程模型试验研究中的应用范围逐步得到扩展[20-21].

本文自行开发一套侧向受荷桩试验仪器,结合透明土试验技术和PIV技术,开展室内模型试验,获得侧向受荷桩周土体内部不同剖面的位移场.重点关注桩周土体内部的位移变化,从而更全面地理解桩土的相互作用规律.

1 模型试验研究

1.1 试验材料及装置

试验土样采用玻璃砂和孔隙流体合成的透明土.玻璃砂粒径为0.1～1.0 mm,孔隙流体采用正十二烷和十五号白油两种透明液体混合而成,两种液体按质量比1∶12均匀混合达到折射率与玻璃砂最相近,透明效果最好.透明土的基本性质如表1所示,力学性质与福建标准砂相似.表中,d为粒径,ρr为相对密度,ρmin为最小干密度,ρmax为最大干密度,emin为最小孔隙比,emax为最大孔隙比.表2列出当相对密度为30%时,两者的最大主应力差与围压的关系.模型桩采用预埋的方式成桩,先固定位置,每层装土20 mm后用方形试块均匀压实土层,直至预定高度.考虑到透明土本身的透明效果,采用有机玻璃模型箱的内部长、宽、高为180、100、200 mm,壁厚5 mm.模型桩采用有机玻璃空心圆桩,直径为10 mm,长度为150 mm,壁厚为3 mm,模型桩的主要参数见表3.表中,E为弹性模量,m为截面宽度,L为桩长,I为惯性矩,EI为抗弯刚度.

试验时,模型桩的入土深度为120 mm,在桩顶施加水平荷载.为了获得桩身位移变化,沿桩身外表面均匀布置6对电阻为120 Ω的应变片,导线从桩内部导出,避免试验过程中对土体的变形产生影响.另外,在桩表面涂有环氧树脂,并洒上一层玻璃砂,模拟桩的粗糙度.

激光穿透土体形成激光切面,激光、透明颗粒以及孔隙流体相互作用,形成人工散斑图像,通过照相机捕捉散斑图像,可以实现土体位移分析.该实验采用一字线激光器,波长为650 nm,输出功率为100 mW,发散角为0.5～0.8 mrad.实验前,调整激光器的位置,使激光面垂直并对准模型箱的预设位置.单桩试验布置的示意图如图1所示.

表1 透明土基本物理性质

表2 透明土和福建标准砂围压和主应力差

Tab.2 Maximum principal stress difference and confining pressure of transparent soil and standard sand kPa

表3 模型桩参数

1.2 量测与数据采集

模型试验采用重物分级加载方式对模型桩进行水平加载,通过对模型桩的中间预留孔所施加的砝码重量可以获得桩顶水平荷载.采用计算机控制应变仪采集桩身应变数据并储存数据,并借助于桩身应变判断各级加载后系统是否达到稳定,当每级加载5 min后,桩头位移速率小于0.1 mm/min认为加载稳定,进而拍摄土体和桩身位移图像.试验过程中,采用高分辨率数码相机拍摄每级加载稳定前、后的位移图像,相机分辨率为3 648像素×2 736像素,该次相机拍摄图像精度分别为0.069、0.093 mm/像素.

1.3 试验过程

模型箱固定在铁支架上,防止在加载过程中模型箱发生移动.在模型箱上方设置一台高分辨率相机,调节相机位置,保证相机镜头轴线垂直于激光在土体中形成的激光切面.依次拍摄加载前的激光面所在位置的土体图像,此后相机的位置保持不变,直到试验结束.每级加载稳定后,同样依次拍摄激光所在面的土体位移图像,直至试验加载结束.

图1 单桩试验布置示意图Fig.1 Device for model test of single pile

2 试验结果分析

2.1 桩身位移分析

加载过程通过桩身布置的6组应变片数据,获得桩身弯矩.根据Winkler理论,按下式计算桩身位移分布：

(1)

式中：M(z)为弯矩分布函数,z为沿桩身深度,EI为桩身抗弯刚度,y为桩身水平位移.

图2 桩身位移变化Fig.2 Variation of displacement of pile under load

桩身位移分布如图2所示.可知,在水平荷载作用下,随着荷载水平的增大,桩身位移沿加载力方向增大；随着深度的增加,桩身位移逐渐减小,在一定深度处,桩身位移为零,存在一个近似固定的转动点；在该深度以下,桩身位移反向增大.在整个加载过程中,转动中心的位置离土表面的距离大约为100 mm(10D,其中D为桩直径 ),约为入土深度的83%,这与文献[22, 23]中的刚性桩转动支点离地面的高度约为入土深度的82%的结论较一致.桩顶位移较桩端位移大,位移随深度的增加而减小,由此可以看出侧向受荷桩桩身变形主要集中在接近土表面的上部桩体上.桩端产生较小位移,主要是桩端土体对桩本身有嵌固作用.

2.2 水平观测面位移场

图3 不同深度处的土体位移矢量图Fig.3 Vector of displacement of soil around pile at two displacement cases

从模型箱上方观测到的透明土内部位移场如图3所示.分析了距离土样表面分别为24和38 mm水平观测面的位移,该位移场直观地展示了桩周透明土体在桩顶荷载从6.38 N增加到9.56 N(桩顶加载处位移为1.5 mm)过程的土体位移场.

图4 位移U等值线图Fig.4 Contours of displacement U of soils around pile

图4中，坐标表示实际距离,其中(0,0)坐标点表示模型桩中心原始位置,模型桩沿X轴的反方向运动.

从图4可以看出,桩前、桩后土体都发生位移,桩前土体位移矢量场呈纺锤体状,桩前土体是由于模型桩向前运动而使土体受到挤压而产生位移,而桩后土体产生位移主要是由于桩向前移动使桩与桩后土体相互接触界面发生分离,土体初始水平向应力减小,使土体发生位移.

从图4、5可以得到2个规律：无论是位移U还是位移V(U为沿X方向发生的位移,V为沿Y方向发生的位移),最大位移都发生在桩边缘处,而且位移都随着距桩距离的增大而减小；随着深度的增加,土体位移量和变形范围都减小,这一土体位移的变化规律和桩身位移随深度的增加而较小的变形规律是一致的.

该试验利用透明土试验技术和PIV技术所得到的侧向受荷桩周内部砂土位移云图与Yuan等[24-25]所得的侧向受荷桩周表层土体位移变化规律是一致的.总的来说,在水平荷载作用下,土体位移主要集中在桩前的浅层土体,位移从桩边缘开始向外扩展,而且土体位移随距桩身距离的增大而减小,沿深度方向逐渐减小.

图5 位移V等值线图Fig.5 Contours of displacement V of soils around pile

3 结 论

(1)基于透明体试验技术和PIV图像处理技术的模型试验,可以开展不同条件下土体内部变形规律的研究.本文通过一个透明土侧向受荷桩模型试验,得到桩前土体内部不同位置的土体变形规律,弥补了表面土体量测试验的不足.通过不同观测面的位移变化,能够直观地展示侧向受荷作用下桩周土体内部的位移变化过程.

(2)在水平荷载作用下,桩身位移沿深度逐渐减小.在一定深度处,桩身位移为零,存在一个近似固定的转动点,转动中心的位置离土表面的距离大约为100 mm(10D),约为入土深度的83%.

(3)比较土体埋深2.4D和3.8D两个切面可知,桩前土体影响范围从7.5D减小为6D,最大位移减小了约25%.实验结果表明,在水平荷载作用下,土体位移主要集中在桩前接近土表面的浅层土体,桩前表面土体位移矢量场在水平面内呈纺锤体状.

(4)在模型试验中,由于模型的尺寸、土体应力水平及透明土材料和模型桩材料的性质对试验结果都可能产生影响,本文没有考虑尺寸效应,将在进一步的研究中指出.

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Model tests on displacement field of internal soil induced by laterally loading pile

YUAN Bing-xiang1,2, WU Yue-dong3, CHEN Rui2, FENG Zhong-wen2, WANG Yi-xian4

(1.SchoolofCivilandTransportationEngineering,GuangdongUniversityofTechnology,Guangzhou510006,China;2.ShenzhenGraduateSchool,HarbinInstituteofTechnology,Shenzhen518055,China;3.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China;4.SchoolofCivilEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

The internal soil deformation induced by a laterally loaded pile was analyzed using the transparent soil. The transparent soil was made of baked quartz and a pore fluid with a matching refractive index. An optical set-up consisted of two lasers, two digital cameras, a lateral load system, a model pile, a strain gauge testing instruments and a computer. A distinctive speckle pattern was generated by the interaction of the laser in transparent soil. Camera 1 was above the model box with its optical axis perpendicular to the ground surface set and Camera 2 was set in front of the model box with its optical axis perpendicular to the vertical profile. Two cameras were used to continuously capture a series of pictures of the transparent soil model induced by a laterally loaded pile. A set of laser speckle images obtained before and after the tests were used to calculate the relative displacement field. Two laser devices were used to illuminate different targeted sections close to the pile. Results illustrated that the soil displacements occurred near the ground surface in front of the pile. The influence zone in front of the pile decreased from 7.5 times pile diameter (D) to 6Dand the maximum displacement decreased about 25% when the soil depth increased from 2.4Dto3.8D.

transparent soil; lateral loading pile; nonintrusive deformation measurement; PIV technique

2015-08-27.

国家自然科学基金资助项目(51308164，51304057)；中国博士后科学基金资助项目(2014T70349,2013M530157)；广东省自然科学基金资助项目(2016A030310345).

袁炳祥(1983—)，男，副教授，从事侧向受荷桩、PIV技术和透明土研究.ORCID：0000-0001-5650-2374.

E-mail：bingxiangyuan@gmail.com

陈锐，男，副教授.ORCID：0000-0002-8280-9414.E-mail：chenrui1005@hotmail.com

10.3785/j.issn.1008-973X.2016.10.026

TU 473

A

1008-973X(2016)10-2031-06

浙江大学学报(工学版)网址： www.zjujournals.com/eng