土与结构相互作用的细观特性分析

傅浙远 王钒羽 崔 华 陈良平 金博峰

（郑州大学，河南 郑州 450000）

由于建筑行业的快速发展，高层建筑物越来越高，对于基础的要求也越来越高，桩基础因其能提供更高的承载力，成为目前常用的基础形式，但是桩的沉降会对土体造成强烈扰动，影响地下及地上建筑物和周围环境。了解沉桩过程中土的变形过程，成为发展桩基沉降的重要一环。因此，用图像分析砂土在不同桩间距下桩周土体的变形尤为重要。

1 研究背景

1）概述。沉桩其实就是桩在下降的过程中将周围土挤出，排开与桩体积等量的土体，对周围土的应力应变产生影响，周围土体产生变形，破坏周围建筑物和环境，在软土，密实砂土等不同环境中，桩端阻力，承载力发生变化，土体结构破坏，强度降低，产生液化等严重现象。查阅资料。许多学者对沉桩挤土作用机理进行研究，得到了桩土土体的位移场，我们用加载系统进行沉桩，对静压桩在标准沉砂过程中平面进行试验，得到了一系列图像，处理图像分析数据得到了不同阶段的位移场，为研究桩土相互作用提供了新的方法和可靠数据。

2）国内外研究现状。沉桩理论的研究从70年代就已经开始，国内外领域已经对沉桩过程中应力变化，土体地基承载力和附近变形场做了大量研究归纳为以下几种方法：（1）滑移线理论；（2）圆孔扩张理论；（3）空间柱形孔扩张的解析理论；（4）应变路径法；（5）有限单元法。

3）研究目的及意义。土与结构的相互作用是岩土工程中普遍存在的力学问题。土与结构相互作用的深入认知，有助于土与结构界面受力及结构承载性能的确定，以及结构承载作用对土体受力变形的影响分析。

目前，土与结构相互作用研究成果主要表现为宏观力学行为的基本规律，对于土与结构界面相互作用的细观特性，研究较少，认知不清，这不利于进一步探究土与结构相互作用的力学机理。所以通过本试验为桩基础的发展提供数据支撑，为超高层建筑物提供重要保障。

2 实验探索

1）实验概述。本实验探究的是桩在刺入土体过程中土体的形变及移动情况，并采用透明模型箱进行模拟，以便解决地下土体无法看清的情况。

2）实验装置与仪器。（1）模型箱与模型桩。模型箱为长方体，由亚克力材料制成尺寸为74×50×46（cm），壁厚10mm。箱外有两圈铁箍加固；并且加荷装置也是以铁箍为固定点。如图1.1所示。两根模型桩均采用亚克力材料制成，模型半模桩桩长分别为30cm和18cm，桩径D=5.8cm，桩端形式为平头直角。（2）实验运用的PIV系统。本次试验所采用的PIV测量系统包括硬件系统和软件系统，硬件系统包括高速相机、图像采集系统、泛光灯等；软件系统包括PFC模拟软件。在实验时会用摄像机拍摄泛光灯照射下土体的位移情况，并用软件生成具体的分析图象。（3）加荷装置。加荷装置采用了最简单方便的杠杆对桩加竖向荷载方式，如图1.1所示，主体为杠杆（8）和支架（5），在杠杆另一端所设置的托盘（9）为加荷来源，在杠杆中间部分有可转动竖杆（11），平衡约束杆（12）用来防止可转动竖杆横向位移并安装有滑轮不会妨碍竖杆向下移动。

图1.1 模型试验装置

3）试验方案与步骤。本文采用PIV测量系统进行沉桩过程图片的采集，加载系统进行沉桩，对静压桩在标准砂沉桩平直面进行试验，得到一系列图像经软件处理后得到不同阶段的位移场、剪切应变场、体积应变场，并对单桩、双桩比较，以此研究沉桩过程中土颗粒位移变化。（1）制备地基及模型桩准备。使用落雨法对模型箱进行装砂，制备地基高度为80cm，装砂方法如下：1.控制漏斗底部与砂样表面的距离为采取的相应落砂高度，在试验箱正上方位置开始落砂；2.落砂过程缓慢往复式移动漏斗（漏斗类型可采用网眼式或是鸭嘴式），并根据下方砂土积累的厚度逐步调整落砂高度；3.到达填筑高度后，采用小平铲对砂土地基表面进行细微修整。（2）实验定量与变量。双桩实验中刺入桩和预埋桩间距为2D，即11.6cm。（3）沉桩及数据处理。1.实验前应先用用砂纸打磨后的模型桩与模型箱贴合，装砂前先把桩压到预定压桩深度，前后移动模型箱使桩平直面贴紧模型箱。2.启动PIV测量系统，把相机移动到模型箱前1.2m处。第一，调节相机的高度和位置，使模型箱处在镜头中间；第二，调节使相机镜片与模型箱拍摄面相平行。3.对相机进行标定并设置PIV测量系统的拍照频率和照片数目。4.进行杠杆加载装置与桩的连接，将30cm模型桩与加荷装置的竖向加荷杆对接好并使桩在土中保持平衡静止状态。5.进行相机拍摄并同时将砝码轻放到砝码托盘上。本试验沉桩速度不能太大，所以砝码不能快速放置。6.完成单桩实验后，将另一双桩模型桩体预埋入土体，并重复上述步骤。

跟据土随桩刺入深度变化而变化图像的关系，分成单桩和双桩的三个阶段对桩端沉入标准砂过程中桩周土体所发生的位移场进行深度分析。

3 未来展望

1）桩基向大直径和超长方向发展。随超高层建筑物以及跨江、跨海等特大桥梁的建设，上部结构对桩基础承载力后与变形的要求越来越高，使桩出现了向超长、大直径方向发才展的趋势。如上海环球世贸中心都应采用了桩长超过80米的钢管桩，我国江西贵溪大桥的桩基础直径达到9.5米。

2）模型与数值分析。模型试验和数值分析优势互补，是桩土相互作用分析领域的发展方向之一。桩与土数值建模时，关键是桩与土接触面的处理问题。有的接触面单元不能正确反映桩与土间的相互作用力学机理，因此需要针对所研究的桩型选用恰当的单元形式来描述桩与土间的接触特性。

3）桩基础新设计方法。桩基的设计理论不断吸取其他学科先进成果，形成和发展了许多新的设计理论。利用建立某区域试桩数据库和城市地层柱状图及岩土参数数据表进行初步设计，并利用现场测桩数据进行施工图设计的反馈优化设计是信息化桩基设计的一个重要方向。另外，针对工程经济效益及环境保护因素的控制，桩基的优化设计理论与方法也得到快速的发展，但目前仍在完善中。