基于透明土的靜壓楔形樁沉樁效應(yīng)模型試驗研究

曹兆虎，孔綱強(qiáng)，周 航，耿之周

（1.河海大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京 210098；2.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029）

1 引言

預(yù)應(yīng)力管樁等預(yù)制樁在沉樁過程中，一方面對樁周土體起到擠密加固作用，另一方面也可能因樁周土體豎向和徑向位移過大而造成周圍構(gòu)建物的破壞。楔形樁是一種可以有效地提高樁側(cè)摩阻力的縱向變截面異形樁，近年來在工程中逐步得到廣泛應(yīng)用。因此，開展楔形樁的沉樁效應(yīng)研究，為楔形樁的設(shè)計與應(yīng)用提供技術(shù)支撐成為相關(guān)科研人員關(guān)注的重點方向。

針對異形樁的沉樁效應(yīng)問題，在現(xiàn)場試驗方面，劉漢龍[1－2]、雷華陽[3]等分別結(jié)合PCC樁、X形樁、預(yù)應(yīng)力管樁等橫截面異形樁，進(jìn)行了現(xiàn)場沉樁擠土效應(yīng)試驗，測得了沉樁過程中土體徑向位移變化規(guī)律。在數(shù)值模擬分析方面，周健等[4]結(jié)合工程實例，基于數(shù)值軟件對群樁沉樁過程中地表隆起、樁側(cè)土體位移與應(yīng)力等進(jìn)行了分析。在理論分析方面，劉裕華等[5]基于圓孔擴(kuò)張理論，建立了預(yù)制管樁沉樁擠土效應(yīng)計算方法，并與常規(guī)圓形樁進(jìn)行了對比分析；周航等[6]基于圓孔擴(kuò)張理論，建立了楔形樁沉樁擠土效應(yīng)理論計算方法，并對沉樁阻力進(jìn)行估算分析。在模型試驗方面，周火垚[7]、張可能[8]等基于常規(guī)室內(nèi)模型試驗手段，分別針對楔形樁沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行模型試驗研究，分析了不同楔形角情況下沉樁對樁周土體的豎向位移與徑向位移，以及沉樁阻力等的影響規(guī)律。然而，常規(guī)的插入式模型試驗，得到的是有限的離散點的位移，而不是整個位移場；同時由于測試元件的埋設(shè)受樁體、周圍土體等影響較大，通常會影響整體模型試驗結(jié)果的精確度和可信度。

隨著透明土材料和PIV技術(shù)的發(fā)展，Lehane等[9]利用圖像處理技術(shù)，在土體內(nèi)部預(yù)埋黑色示蹤點，通過追蹤示蹤點的位移來測量樁周土體的位移場，但是得到的位移場反映的僅是土體內(nèi)部有限的離散點的位移，且示蹤點的布置費時費力。White等[10]采用PIV技術(shù)及圖像測量技術(shù)對砂土中半模樁沉樁效應(yīng)的半模試驗進(jìn)行了研究，測定了半樁沉樁過程中的整個位移場。李元海[11]、劉君[12]等利用PIV技術(shù)等圖像處理技術(shù)，分別分析了砂土模型試驗整個變形場的變化規(guī)律和在大型振動臺模型試驗中邊坡變形直至破壞的完整過程?？拙V強(qiáng)等[13]針對透明土材料的力學(xué)特性開展了試驗研究，并與標(biāo)準(zhǔn)砂的力學(xué)特性進(jìn)行了對比分析。Ni[14]、佘躍心[15]等基于透明土材料和PIV技術(shù)對等截面樁的沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行了模型試驗分析。研究結(jié)果表明，基于透明土材料和PIV技術(shù)的非插入式測試方法，可以有效分析沉樁效應(yīng)。

綜上可知，目前沉樁擠土效應(yīng)的研究仍主要集中在傳統(tǒng)的試驗方法上，而基于透明土材料和PIV技術(shù)對楔形樁的沉樁效應(yīng)的研究相對較少。因此，本文基于透明土材料和PIV技術(shù)，開展靜壓楔形樁沉樁模型試驗，測得沉樁過程中樁周土體的位移場變化規(guī)律；同時進(jìn)行等截面樁的沉樁模型試驗，并對等混凝土材料用量情況下楔形樁和等截面樁的沉樁效應(yīng)進(jìn)行對比分析，續(xù)而針對基于常規(guī)試驗手段的靜壓楔形樁沉樁模型試驗、圓孔擴(kuò)張理論計算方法和本文的基于透明土材料的靜壓楔形樁沉樁模型試驗所得結(jié)果進(jìn)行對比分析。

2 模型試驗概況

2.1 模型試驗裝置

本文所采用的模型試驗裝置由光學(xué)平臺、激光器、線性發(fā)生器、CCD相機(jī)、沉樁加載儀、計算機(jī)控制以及圖像后處理軟件等部分組成，如圖1所示。沉樁過程中樁周土體位移場由激光射入透明土材料，與透明土材料之間的相互作用產(chǎn)生的獨特散斑場，通過CCD相機(jī)成像處理而獲得。光學(xué)平臺為鐵磁不銹鋼表面，蜂窩狀支撐內(nèi)芯結(jié)構(gòu)，抗振性能好；沉樁加載儀，由電機(jī)提供恒定加載速率，范圍為0.1～10 mm/s，配有位移量測計，可同步記錄沉樁深度；CCD高速工業(yè)相機(jī)，分辨率為1 280×960，通過計算機(jī)控制可同步記錄沉樁過程，連續(xù)拍攝；采用PIVview2后處理軟件。

圖1 沉樁模型試驗裝置Fig.1 Setup of installation model test

2.2 模型槽及模型樁制作

本文所采用模型槽為長方體透明有機(jī)玻璃槽，上部開口，外邊平面尺寸為130 mm×130 mm，壁厚為5 mm，高度為260 mm；其中一側(cè)面由精密機(jī)床標(biāo)有一系列參考點，用于測量系統(tǒng)的標(biāo)定，進(jìn)行像素坐標(biāo)與物理坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)化。本文所采用模型樁為不銹鋼材料，楔形樁沉樁樁長為48 mm，楔形角為1°，底部樁徑為5.4 mm；等截面樁樁長為48 mm，樁徑為6.4 mm。模型樁實物圖及尺寸示意圖如圖2所示。

圖2 模型樁實物圖及尺寸示意圖Fig.2 Photograph and schematic diagram of model piles

2.3 透明土土樣制備

透明土土樣由烘烤石英砂和混合油配置而成。烘烤石英砂粒徑為0.5～1.0 mm，土體相對密度為2.186，最小干密度為0.970 g/cm3，最大干密度為1.274 g/cm3，由徐州新沂萬和礦業(yè)有限公司生產(chǎn)；混合油為1:4質(zhì)量比的正十二烷與15號白油。常溫下石英砂和混合油兩者折射率一致，均為1.458 5。烘烤石英砂實物圖及透明土調(diào)制完成后的實物圖如3所示。本試驗采用的相對密實度為50%，其室內(nèi)直剪試驗內(nèi)摩擦角為37.3°（干樣）和38.3°（油樣）。

圖3 透明土材料實物圖Fig.3 Photographs of transparent soils

2.4 模型試驗工況

為了更系統(tǒng)地了解楔形樁沉樁過程中的擠土特性及其與常規(guī)等截面樁沉樁效應(yīng)的異同點，本文開展了等混凝土用量楔形樁和等截面樁的沉樁過程對比試驗，具體模型試驗工況見表1。

表1 模型試驗工況Table 1 Conditions of model tests

3 模型試驗結(jié)果與分析

3.1 位移矢量圖

通過PIV View2軟件對沉樁過程中所拍攝的圖像進(jìn)行處理，樁周土體的位移可以用矢量圖來表示。圖4描述了沉樁深度L 從6.5D 到7.5D 時，樁周土體的位移，橫坐標(biāo)表示徑向，縱坐標(biāo)表示沉樁方向。為了更清楚地表現(xiàn)等混凝土用量楔形樁和等截面樁樁周土體位移的異同，對圖4中的土體位移箭頭進(jìn)行了放大處理。從圖中位移箭頭趨勢可以看出，兩者位移都呈現(xiàn)典型的柱孔擴(kuò)張模式。同時可以發(fā)現(xiàn)，樁端下沉1D 時，在靠近樁端底部處楔形樁樁周土體位移相對等截面樁較小，這是由于在樁底端部，楔形樁的底部尺寸較小。

圖4 L 從6.5 D 到7.5 D 時樁周土體位移矢量圖Fig.4 Displacement vectogram around the pile from L=6.5 D to 7.5 D

當(dāng)沉樁深度L 從0到7.5D 時，樁周土體的位移矢量圖如圖5所示。在樁端底部，形成一個類似“鼻錐”的區(qū)域，這與White[10]和Ni[14]等的發(fā)現(xiàn)相同，即對于平底樁貫入，在樁端底部相對固定區(qū)域會形成“鼻錐”區(qū)域。對比等混凝土用量楔形樁和等截面樁發(fā)現(xiàn)：在地表附近，楔形樁的擠土影響范圍大約為等截面樁的1.2倍，可能的原因是楔形樁在頂部的樁徑較大。

3.2 位移輪廓圖

為了更直觀地描述樁周土體位移形式，將試驗結(jié)果描繪成樁周土體位移輪廓圖，并將坐標(biāo)通過樁徑D 進(jìn)行歸一化，位移大小未進(jìn)行歸一化處理。圖6、7分別為樁周土體徑向位移輪廓圖和豎向位移輪廓圖，其中橫坐標(biāo)為徑向距離r 與樁徑D 的歸一化值，縱坐標(biāo)為沉樁方向距離Z 與樁徑D 的歸一化值。從圖6中可以明顯看出，在地表附近，楔形樁擠土影響范圍比等截面樁大，但在靠近樁端底部附近，楔形樁的徑向擠土位移要比等截面樁小。對于豎向位移，從圖7可以發(fā)現(xiàn)，在靠近樁端底部處，楔形樁豎向位移比等截面樁要小，這些現(xiàn)象主要與楔形樁樁徑沿樁長度方向的變化有關(guān)。同時，由于測試技術(shù)原因，在地表附近接近樁身處激光產(chǎn)生反光，散斑場較為模糊，并未能真實地反映此處位移。

圖5 L=0到7.5 D 時樁周土體位移矢量圖Fig.5 Displacement vectogram around the pile from L=0 to 7.5 D

圖6 L=0到7.5 D 時樁周土體徑向位移輪廓圖Fig.6 Radial displacement contours around the pile from L=0 to 7.5 D

圖7 L=0到7.5 D 時樁周土體豎向位移輪廓圖Fig.7 Vertical displacement contours around the pile from L=0 to 7.5 D

4 模型試驗結(jié)果驗證與分析

為了驗證本文所建立的基于透明土材料和PIV技術(shù)的小比尺沉樁模型試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，將本文試驗所得的等截面樁結(jié)果歸一化后與圓孔擴(kuò)張法及Ni等[14]模型試驗結(jié)果進(jìn)行分析，如圖8所示。圖中橫坐標(biāo)表示徑向距離r 與樁徑D 的歸一化值，縱坐標(biāo)表示土體水平位移δr與樁徑D 的歸一化值。將楔形樁結(jié)果歸一化后，與張可能等[8]開展的基于常規(guī)試驗手段的楔形樁沉樁模型試驗結(jié)果、周航等[6]開展的基于圓孔擴(kuò)張理論的計算結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖9所示。文獻(xiàn)[6，8]中，模型樁尺寸為：楔形模型樁樁頂直徑Dt=7.1 cm，樁端直徑Db=5 cm，樁長L=120 cm；樁周土體物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)如表2所示。

圖8 等截面樁徑向位移曲線Fig.8 Curves of radial displacement around an equal section pile

圖9 楔形樁徑向位移曲線Fig.9 Curves of radial displacement around a tapered pile

表2 土體物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Physico-mechanical parameters of model test soil

對于等截面樁，本文試驗值與其他方法規(guī)律接近。但在靠近樁身1D 處，本文試驗值與Ni等[14]試驗值均偏小，這可能與樁身處散斑場較弱有關(guān)，本文中模型樁采用的不銹鋼材料，激光穿過土體打到樁身后會產(chǎn)生強(qiáng)烈反光，尤其是等截面樁，影響其散斑場效果。但在(2～4)D 處，本文試驗值偏大，這可能與土體性質(zhì)有關(guān)，本文試驗所采用的透明土性質(zhì)接近砂土。

對于楔形樁，本文試驗值與其他方法符合較好，在(2～4)D 處試驗值相比理論解稍有偏大。對比等混凝土用量楔形樁和等截面樁可以發(fā)現(xiàn)，在地表附近處，楔形樁擠土效應(yīng)影響的范圍明顯較等截面樁大，大約為其1.2倍，在實際施工過程中應(yīng)引起重視，避免對相鄰的建筑物或構(gòu)筑物等造成損失。

5 結(jié)論

（1）基于透明土材料和PIV技術(shù)可以有效地開展靜壓楔形樁沉樁模型試驗研究，實現(xiàn)了楔形樁沉樁過程中樁周土體位移的可視化。

（2）對于楔形樁和等截面樁沉樁過程，其樁周土體位移都呈現(xiàn)典型的柱孔擴(kuò)張模式，同時由于各自樁型特點，樁周土體位移的大小及分布也存在一定差別。

（3）在地表附近處，楔形樁靜壓過程中對樁周土體的影響范圍大約為等混凝土用量等截面樁的1.2倍。

模型試驗中存在的尺寸效應(yīng)及激光散斑場清晰度等，還需要進(jìn)一步研究以減小其對試驗的影響。

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