基于DIC 技术的静压邻桩遮拦效应模型试验

刘 凯, 陆 烨, 唐侨楚

(1.上海大学力学与工程科学学院, 上海 200444; 2.上海飞机制造有限公司, 上海 201324)

静压桩具有质量可靠、价格相对低廉、施工效率高、无污染、噪音小、承载力高等优势[1],因此对于工期要求较为严格的工程项目, 静压桩是更为合理的桩型.为减小桩基施工产生的土体位移, 当群桩施工临近密集建筑群或重要地下管线时, 通常采用控制打桩顺序的方法(如背向被保护构筑物打桩), 或预先在构筑物附近打入保护桩排, 以期能够发挥对土体位移的遮拦效应, 减小沉桩对周围环境的影响[2].因此, 研究静压桩沉桩过程中已打入桩对土体位移的遮拦效应具有重要的意义.

已有的对遮拦效应的研究主要集中在理论分析、数值分析、试验研究3 个方面.剪切位移法可以给出桩周土体的位移场, 具有简单、易于实现等优点, 容易考虑桩对变形的遮拦效应[3].Zhou 等[4-5]引入了剪切位移法和考虑了土体侧向位移影响的改进Pasternak 地基模型, 发现先压桩对后压桩的遮拦效应随着桩距和桩径的增大而显著增加.朱奎等[6]则将两根桩均视为Winkler 弹性地基梁, 利用剪切变形法理论结合物理力学关系, 认为桩的遮拦效应是通过两桩之间传递的附加剪应力发生的, 进而建立了力与位移的协调方程, 求出了两桩相互作用下的解析解.林智勇等[7]基于剪切变形法原理, 并考虑了桩的遮拦效应, 得出桩侧桩-土接触等效剪切弹簧刚度.然而, 通过剪切变形法的理论分析都只能进行一些基本假设和简化, 无法真实反映现实情况.

随着计算机的发展, 许多学者采用数值分析方法来研究桩的遮拦效应.He 等[8]通过有限元模拟发现在盾构掘进过程中, 前桩对后桩的遮拦效应非常显著, 大大减小了其内力和侧向位移.Mroueh 等[9]通过有限元软件计算,表明双桩中不管是前桩还是后桩,其水平位移和弯矩都比同位置单桩时小, 遮拦效应对后桩的影响大于前桩.秦世伟等[10]通过三维有限差分数值计算(3D fast Lagrangian analysis of continua, FLAC3D)软件对静压桩单桩、双桩的沉桩过程进行了计算分析, 并就已打入桩体对沉桩过程中土体位移的影响进行了研究, 得出了已打入桩的存在改变了土体水平位移大小的结论.李琳等[11]和程青雷等[12]通过有限元模拟发现, 先压桩对后压桩沉桩过程产生的遮拦效应主要受到桩间距大小的影响, 且在一定范围内随着桩间距的增大, 遮拦效应不断减弱, 并在达到一定值后基本消失.刘俊伟等[13]采用二维颗粒流(2D particle flow code, PFC2D) 分析程序, 对开口管桩双桩系统沉桩过程进行颗粒流数值模拟, 发现由于受到先压桩遮拦效应的影响, 后沉桩的沉桩阻力明显大于先沉桩.然而, 数值模拟受本构模型选择、计算参数确定、载荷工况模拟真实性等影响, 分析结果的精度往往难以保证.

现场试验[14-15]因其真实性、及时性、有效性等特点而被应用到桩的遮拦效应中, 但只能测桩体顶端位移、地面隆起, 无法沿深度方向进行测量, 且成本相对较高, 难以实现大量开展,因而采用模型试验的比较多.梁发云等[16]采用室内模型试验, 研究了轴向受荷桩在土体侧移作用下的承载和变形特性, 发现两桩中的前桩对后桩具有遮拦效应.张建新等[17]基于室内模型研究发现, 已压入桩限制了桩间的水平位移, 其遮拦效应不容忽视, 且施工顺序是影响土体位移的重要因素.Li 等[18]采用离心模型试验研究发现, 既有桩会影响邻近土体的变形和孔隙压力.然而, 现有的模型试验研究主要是在宏观角度上分析先压桩对桩周土遮拦效应的影响因素, 且不能对后压桩沉桩过程中的桩周土位移进行全过程分析.

桩的遮拦效应实质是先压桩对后压桩沉桩连续过程中土体累积位移的作用效果, 但已有的对双桩基础遮拦效应的相关研究未能就先压桩对土体位移的遮拦效应进行全过程分析, 且不能进行量化研究.本工作基于数字图像相关(digital image correlation, DIC) 技术原理, 通过MATLAB 软件自行编制计算程序, 对后压桩沉桩过程中桩侧土体的连续变形过程采用无标示点方法进行采集并分析, 并导出矢量图以及位移平均值进行计算分析[19].采用这一非接触图像测量系统, 可以从细观小尺度对多组工况(不同桩间距、不同桩壁粗糙度、不同粒径砂土环境) 的土体位移进行全过程动态分析, 分析并得到先压桩对后压桩遮拦效应的作用机制.

1 试 验

1.1 试验装置

本试验所用模型箱尺寸为600 mm×290 mm×400 mm (长×宽×高), 采用钢框架, 四面均为透明玻璃, 便于图像采集.为全面观测桩周土体变形, 本试验采用半桩沿玻璃面压入土体的方式, 因此模型桩设计为平头闭口桩, 截面尺寸为30 mm×15 mm、桩长为300 mm、壁厚为1.5 mm.同时, 为了模拟不同的桩壁粗糙度, 本试验还将两种不同规格(180 目、360 目) 的砂纸黏贴在桩壁上.本试验使用万能材料试验机进行加载, 使用单反相机记录压桩过程中桩周土体变形的过程, 对桩周土位移的全过程进行采集.此外, 考虑到成像要求, 故采用恒定速度加载且压桩速度为1 mm/s.DIC 技术对光照条件有严格的要求, 分析的图像需要有均匀的光照条件, 否则计算时会出现许多散斑.为了消除外界光亮对计算结果的影响, 本试验在模型向外侧架设了两台摄影补光灯.图1 为试验进行前的图像采集系统布置图.

图1 图像采集系统Fig.1 Image acquisition system

1.2 试验材料性质和制备

在试验前需对砂土的各项指标进行测试, 包括筛析试验、直剪试验及相对密实度试验.本试验采用福建标准砂, 为天然风干砂.采用3 种不同粒径砂土, 根据筛析试验结果绘制出3 种砂样的颗粒级配曲线, 如图2 所示.可知: 3 种砂土的平均粒径d50分别为0.56、0.36 和0.20 mm, 因此可分为粗砂、中砂和细砂, 相应的不均匀系数Cu分别为1.39、1.59 和1.33, 曲率系数Cc分别为0.96、0.89 和1.16, 这3 种砂土为级配不良土体.本试验模型桩的直径与粗砂、中砂和细砂的平均粒径比值分别为54、83 和150, 均大于40, 即可忽略粒径效应[20].对本试验中所采用的砂土进行相对密实度试验, 测得其最大干密度(ρdmax) 和最小干密度(ρdmin),并计算得到每种砂土的相对密实度, 结果如表1 所示.可以看出, 不同砂土的相对密实度基本相同.采用气动直剪仪对试验土体进行直剪试验, 发现细砂、中砂和粗砂的内摩擦角分别为25.3◦、31.0◦以及33.9◦.

表1 砂土相对密实度Table 1 Relative compactness of the sandy soil

图2 砂土颗粒级配曲线Fig.2 Gradation curves of the sandy soil particles

1.3 试验方案

本工作共进行了7 组试验, 各组试验情况如表2 所示, 其中D=30 mm.为保证试验结果的可重复性, 模型箱中的试验砂样采用分层铺设的方式进行制备, 即第一层铺设10 cm, 之后每层高5 cm, 共6 层35 cm 高.为了控制每组试验的相对密实度基本相同, 需根据表1 所示的“试验中砂土密度” 控制3 种砂土的量, 即铺设前先计算好每层土体的体积并称量相应的土体质量.采用落雨法将干砂装入模型箱内, 落雨高度为50 cm.每层装填完毕后, 压平并用重物击实.等砂样全部铺设完毕后静置4 h, 使土体内部各向应力分布均匀.之后, 在模型箱上布置导轨系统以保证桩体可以垂直压入砂土中, 并将桩体安装到指定位置.在模型箱外固定位置架设好摄像机, 调平、调整焦距, 使其达到最好的成像效果, 并进行图像标定(见图3).标定完成后, 打开图像采集系统和加载系统开始试验.

表2 试验工况Table 2 Test conditions

图3 室内模型试验Fig.3 Indoor model test

2 试验结果分析

张建新等[21]在多根桩体压入过程中, 将土体位移根据响应模式的不同分为了3 个区域(见图4): 1 区遮拦区的土体位移区别于单桩压入过程, 该区域受先压桩的遮拦效应十分明显;2 区为双桩相互影响区, 该区域侧向位移也受到影响, 虽然曲线形状与单桩类似, 但该区域的位移小于先压桩; 3 区为后压桩影响区, 与单桩相比差别不大.

图4 后压桩压入示意图Fig.4 Diagram of the post-pressure pile press-in

2.1 不同桩间距对遮拦效应的影响分析

不同桩间距(Sa) 指的是双桩桩壁之间的距离.本工作中的压桩深度为8.3D, 模型箱长度为20D.当选择桩间距为3D时, 后压桩桩壁距模型箱边界距离为7.5D.姜赟等[22]得出沉桩挤土的径向影响范围约为7D, 因此本工作选择3D为最大的桩间距, 以避免边界效应.当黏贴砂纸为180 目, 砂土粒径为0.56 mm 时, 研究了桩间距(Sa) 分别为1D、2D、3D时的遮拦效应, 结果如图5 所示.图5(a) 为后压桩压入250 mm 深度时相对于初始时刻得到的累积水平位移云图, 规定累积水平位移远离桩体表面为正.图5(b) 为位移矢量图, 箭头长度代表位移的大小, 箭头方向代表位移的方向.以图5(a) 为例, 对同一桩间距下后压桩对称土体的水平位移进行分析后发现: 1 区、2 区土体的水平位移相比3 区的绝对值更小, 说明先压桩对后压桩的土体位移产生了遮拦效应; 2 区土体水平位移的最大值影响范围为深度50∼300 mm, 而3 区为深度100∼300 mm, 说明2 区土体位移扰动范围更广.这是由于2 区土体受到挤压, 在先压桩的遮拦效应下被迫发生更剧烈的纵向位移.而在不同桩间距下, 桩间距越小, 则1 区土体位移越剧烈; 当桩间距为3D时, 1 区土体位移几乎为0.这说明当桩间距为3D时, 先压桩对后压桩的影响较小.桩间距越小, 3 区土体水平位移影响范围越广.这是因为在后压桩沉桩过程中, 桩间距越小, 土体的剪胀效果越明显.观察图5(b) 可以发现: 随着桩间距的增大, 桩间土体的位移越大, 其位移方式就与3 区越相似; 1 区土体位移随着桩间距的增大而不断减小, 当桩间距为3D时, 1 区土体位移几乎可以忽略不计.

图5 不同桩间距时后压桩压入土体的位移Fig.5 Displacement of the post-pressure pile pressed into the soil with different pile spacing

为了呈现遮拦效应对1 区土体水平位移的影响, 在先压桩左侧(1 区) 距离桩壁1D、距离地表100 mm 处设置测点1.同样地, 在后压桩右侧(3 区) 设置测点2, 其中测点1 与测点2的位置关于后压桩中轴对称, 如图6 所示.

图6 测点示意图Fig.6 Schematic diagram of the measurement points

当深度为100 mm 时, 各桩间距情况下测点的累积水平位移如图7 所示, 其中点线代表1 区和3 区中测点的累积水平位移; 点代表3 区、1 区的差与3 区的比值.可以看出: 由于先压桩的遮拦, 1 区和3 区土体位移的区别十分明显; 由于桩间距的加大, 两区域的位移值和差值都越来越小; 同一深度不同桩间距下, 1 区和3 区内的土体水平位移差距很大; 当桩间距为1D时, 1 区测点的最终水平位移相比3 区减小0.6 mm, 总体衰减幅度为47%; 当桩间距为2D时,1 区测点的最终水平位移相比3 区减小0.3 mm, 总体衰减幅度约为38%; 当桩间距为3D时,1 区和3 区的位移都很小, 1 区的衰减值约为0.2 mm, 总体衰减幅度约为25%; 桩间距越小,则总体衰减趋势越明显, 先压桩的遮拦效应越显著; 当桩间距为3D时, 1 区和3 区的水平位移曲线十分相似, 因此可以认为当桩间距大于3D时, 先压桩对水平位移的遮拦效应影响很小.

表3 不同桩间距时先压桩桩体的位移Table 3 Initial-pressure pile displacement with different pile spacing

图7 不同桩间距时1 区和3 区测点水平位移对比Fig.7 Comparisons of horizontal displacement of measurement points in Zone 1 and Zone 3 with different pile spacing

为了更直观地反映不同桩间距对邻桩遮拦效应的影响, 本工作对不同桩间距情况下的水平位移衰减幅度进行了线性拟合, 结果如图8 所示.可以发现: 拟合直线的R2为0.991 76, 说明线性拟合效果较好; 当桩间距为6D时, 水平位移衰减幅度接近于0, 可以推测当桩间距达到6D以后, 先压桩对后压桩基本没有遮拦效应.

图8 不同桩间距时水平位移衰减幅度拟合Fig.8 Fitting of horizontal displacement attenuation amplitude with different pile spacing

在后压桩沉桩过程中, 先压桩会影响周围土体的位移, 同时土体的位移也会对先压桩的桩体造成影响.为了探究先压桩体的位移大小, 在桩身和桩底部各选择一个标记点, 将后压桩压入前和压入后的两张照片进行对比, 得出标记点X1、X2(标记点见图6) 在水平和竖直方向上位移的像素个数, 再乘以像素本身的实际标定值便可得到X1、X2实际水平位移及桩体的上浮量, 结果如表3 所示, 其中规定桩体向左移动为正, 向右移动为负, 向上移动为正, 向下移动为负.

由表3 可以发现: 随着后压桩的压入, 先压桩产生的水平位移、倾斜角度以及上浮量均随着桩间距的增大而减小, 说明后压桩对先压桩的影响随着桩间距的增大而减小, 因为在后压桩压入过程中, 后压桩周围土体会发生明显的挤压剪胀作用, 随着土颗粒之间的应力传递, 先压桩受到不同方式(水平位移、倾斜角度及上浮量) 的影响, 且随着桩间距的增大, 应力传递作用减弱导致对先压桩的影响减小; 桩体下部的水平位移相比上部变化程度较小, 因为下部土体自重应力较大, 限制了先压桩底部的位移.

2.2 不同粒径对遮拦效应的影响分析

为了更直观地探究不同粒径砂土对后压桩压入时遮拦效应的影响, 保持桩壁粗糙度(黏贴有180 目砂纸) 以及桩间距Sa为2D不变, 只改变砂土的平均粒径(d50=0.20、0.36、0.56 mm).图9 为后压桩压入深度为250 mm 处, 不同粒径砂土中的累积水平位移云图和位移矢量图.在不同粒径情况下, 以0.1 mm 等值线为边界, 1 区土体的水平辐射范围均至先压桩体外侧大约3D处, 说明粒径大小与先压桩对1 区土体水平位移的影响不明显.但砂土粒径越大, 则桩体压入后桩侧土体的位移绝对值也越大.从图9(b) 可以看出, 平均粒径为0.20 mm的砂土受到桩体压入影响的范围更大一些, 位移则小于0.36、0.56 mm 粒径砂土.

图9 不同粒径时后压桩压入土体的位移Fig.9 Displacement of post-pressure pile pressed into the soil with different particle sizes

为了分析遮拦效应对1 区土体位移的影响, 对不同粒径砂土中先压桩体的遮拦效应进行研究.同样取图6 中的两个测点, 提取出该位置处的水平位移, 结果如图10 所示.可以发现,当桩间距为2D时, 平均粒径为0.56、0.36、0.20 mm 的砂土水平位移的衰减幅度都十分相似,因此认为在同一桩间距下粒径对水平遮拦效应的影响很小.

图10 不同粒径时1 区和3 区测点水平位移对比Fig.10 Comparisons of horizontal displacement of measurement points in Zone 1 and Zone 3 with different particle sizes

表4 列出了不同粒径情况下先压桩桩体的位移.可以发现: 同一桩间距情况下, 土体粒径越小, 桩体产生的水平位移和桩体上浮量也越小, 倾斜角度随粒径减小而增大; 不同粒径桩体下部的水平位移相对上部变化程度较小, 这主要是因为下部桩体埋深大从而受到的影响较小.

表4 不同粒径时先压桩桩体的位移Table 4 Initial-pressure pile displacement with different particle sizes

2.3 不同桩壁粗糙度对遮拦效应的影响分析

为了探究不同桩壁粗糙度对遮拦效应的影响, 控制0.56 mm 粒径和2D桩间距不变, 改变桩壁粗糙度, 即黏贴180 目、360 目砂纸及不黏贴砂纸.图11 为各工况压桩深度为250 mm 时的累积水平位移云图和位移矢量图.

图11 不同桩壁粗糙度时后压桩压入土体的位移Fig.11 Displacement of post-pressure pile pressed into the soil with different pile wall roughness

对比观察水平位移云图可以发现: 1 区的水平位移影响范围和位移绝对值大小随着桩壁粗糙度的增大而变小, 但较大位移都集中在先压桩左侧约1.7D内; 2 区土体内的水平位移随着桩壁粗糙度的增大而增大; 3 区土体的水平位移影响范围和位移大小随着桩壁粗糙度的增大而增大.虽然从云图上看, 不同桩壁粗糙度的桩周土体在3 区的影响范围有所区别, 但从矢量图上看影响范围集中在桩外侧约3.3D内, 1 区内土体位移影响的区别也十分微小.

为了分析遮拦效应对1 区土体位移的影响, 对不同桩壁粗糙度下先压桩桩体的遮拦效应进行研究.同样取图6 中的两个测点, 提取出该位置处的水平位移, 结果如图12 所示.可以看出: 当黏贴有180 目、360 目砂纸和没有黏贴砂纸的桩体压入后, 总体衰减幅度分别约为38%、32% 和22%; 不同粗糙度的桩壁所造成的衰减幅度随着桩壁粗糙度的降低而不断减小.这说明桩壁越光滑, 遮拦效应越小.

图12 不同桩壁粗糙度时1 区和3 区测点水平位移对比Fig.12 Comparisons of horizontal displacement of measurement points in Zone 1 and Zone 3 with different pile body roughness

表5 列出了不同桩壁粗糙度情况下先压桩桩体的位移.可以看出: 桩壁粗糙度不同, 先压桩桩体的位移差距比较明显; 相比没有黏贴砂纸较为光滑的桩壁, 黏贴有砂纸的相对粗糙的桩壁造成的先压桩桩体倾斜角度、桩体位移以及桩体上浮量更大.这是因为粗糙桩壁接触面造成的桩间水平位移更大, 桩间土体的砂土颗粒对先压桩桩体的挤压也更明显.

表5 不同桩壁粗糙度时先压桩桩体的位移Table 5 Initial-pressure pile displacement with different pile body roughness

3 结束语

本工作基于模型试验和DIC 技术, 从桩间距、砂土粒径、桩壁粗糙度3 个影响因素出发,研究了先压桩对后压桩产生的遮拦效应, 得出以下几点结论.

(1) 后压桩沉桩过程中, 先压桩对后压桩产生遮拦效应, 且1 区土体遮拦效应最为明显, 同时土体的位移也会对先压桩的桩体位移造成影响.

(2) 后压桩桩体两侧的桩周土体位移对称于桩体, 但受到邻桩的遮拦, 后桩桩体左侧(1 区) 土体的位移发生了十分复杂且与桩体右侧(3 区) 土体完全不同的变化.当桩间距为1D、2D、3D时, 总体衰减幅度分别约为47%、38%、25%, 说明桩间距越小邻桩对后压桩挤土效应的遮拦效应越明显.

(3) 通过对不同桩间距水平衰减幅度拟合可以发现, 当桩间距达到6D以后, 先压桩对后压桩基本没有遮拦效应.平均粒径为0.56、0.36、0.20 mm 的砂土水平位移的衰减幅度都十分相似, 说明在同一桩间距下粒径对水平遮拦效应影响很小.

(4) 黏贴有180 目、360 目砂纸和没有黏贴砂纸的桩体压入后, 总体衰减幅度分别约为38%、32% 和22%.不同粗糙度的桩壁所造成的衰减幅度随着桩壁粗糙度的降低而不断减小,说明桩壁越光滑, 遮拦效应越小.

(5) 桩体移动主要分为3 个部分, 桩体的水平位移、桩体倾斜角以及桩体的上浮量.不同桩间距情况下, 这三者随着桩间距的增大而减小.在不同粒径情况下, 粒径小的砂土中先压桩桩体的水平位移和上浮量越小, 倾斜角越大.在不同桩壁粗糙度情况下, 先压桩桩体的位移差距比较明显, 桩壁越粗糙, 则桩体的水平位移、倾斜角以及上浮量就越大.相比没有黏贴砂纸较为光滑的桩壁, 黏贴有砂纸的相对粗糙的桩壁造成的桩体位移更大.

(6) 本工作通过全过程动态分析, 探讨了先压桩对后压桩遮拦效应的作用机制以及后桩压入迫使先压桩发生上浮及倾斜等情况.试验结果对工程中桩基础的承载力和稳定性研究有一定的参考意义.