圓孔擴(kuò)張理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置

康　杰，孫　翔，潘友純，王春輝，趙致俊，李春寶

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 山東石大科技集團(tuán)，山東 東營(yíng) 257061；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 規(guī)劃建設(shè)處，山東 青島 266580；3.萊西市建筑總公司，山東 青島 266600；4.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018；5.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

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圓孔擴(kuò)張理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置

康杰1，孫翔2，潘友純3，王春輝4，趙致俊3，李春寶5

(1.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 山東石大科技集團(tuán)，山東 東營(yíng) 257061；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 規(guī)劃建設(shè)處，山東 青島 266580；3.萊西市建筑總公司，山東 青島 266600；4.西安長(zhǎng)慶科技工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710018；5.中國(guó)石油大學(xué)(華東) 儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院，山東 青島 266580)

摘要：通過(guò)分析總結(jié)圓孔擴(kuò)張理論在沉樁過(guò)程中擠土效應(yīng)中的應(yīng)用，首次提出了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)方法以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)這些理論的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。該實(shí)驗(yàn)裝置制作簡(jiǎn)單，容易操作，有無(wú)實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)的人員均可對(duì)該裝置進(jìn)行操作。該裝置既可用于教學(xué)演示也可用作科研驗(yàn)證。通過(guò)該裝置可直觀地觀測(cè)到土體的塑性發(fā)展區(qū)及位移場(chǎng)變化規(guī)律，從而獲知圓孔擴(kuò)張對(duì)土體的擠密效應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證圓孔擴(kuò)張理論在土體擠密效應(yīng)中的理論推導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：圓孔擴(kuò)張；實(shí)驗(yàn)裝置；位移場(chǎng)；擠密效應(yīng)

沉樁過(guò)程中的擠土效應(yīng)是經(jīng)常遇到的工程問(wèn)題，在地基處理過(guò)程中，可以利用樁的擠土效應(yīng)擠密土體，改善土體的工程性質(zhì)，例如，擠密樁[1-2]。靜壓樁沉樁過(guò)程中樁周土體受到沉樁水平擠壓應(yīng)力和豎向剪切應(yīng)力作用，土體物理力學(xué)性質(zhì)會(huì)發(fā)生很大的變化，沉樁過(guò)程中樁周土體位移場(chǎng)分布隨著土性而異；而灌注樁在完全硬化之前，在混凝土自重應(yīng)力的作用下，對(duì)樁周土體也有一定的擠密作用[3-4]。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于擠土樁擠土效應(yīng)的分析，以圓孔擴(kuò)張理論應(yīng)用最為廣泛[5-7]。

圓孔擴(kuò)張理論在巖土工程的應(yīng)用中，都是在理論上進(jìn)行推導(dǎo)得到一系列的公式后進(jìn)行數(shù)值模擬驗(yàn)證，迄今為止沒(méi)有任何的實(shí)驗(yàn)方法以及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)該理論的正確性進(jìn)行驗(yàn)證。針對(duì)上述缺陷，提出了一種圓孔擴(kuò)張理論位移場(chǎng)測(cè)試裝置及實(shí)驗(yàn)方法。使用該圓孔擴(kuò)張位移場(chǎng)測(cè)試裝置能更加直觀地觀測(cè)到土體的位移變化規(guī)律，從而獲知圓孔擴(kuò)張對(duì)土體的擠密效應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證傳統(tǒng)圓孔擴(kuò)張理論的理論推導(dǎo)。

1圓孔擴(kuò)張理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置實(shí)驗(yàn)機(jī)理

灌注樁對(duì)樁周土體的擠密作用是由混凝土在完全硬化之前的自重應(yīng)力產(chǎn)生的。本實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)水柱的自重應(yīng)力來(lái)模擬灌注樁的流態(tài)混凝土對(duì)樁周土體的擠密作用，并且可通過(guò)加壓系統(tǒng)來(lái)控制水柱對(duì)土體的水平向的擠壓力。為精確地模擬現(xiàn)實(shí)工況，本裝置在包裹水柱的氣囊外部粘有剛度較大的剛度條，以達(dá)到均勻擠擴(kuò)的目的。通過(guò)在水柱周?chē)謱硬贾貌噬馏w形成的明顯界限來(lái)觀察土體的位移場(chǎng)變化，然后通過(guò)設(shè)置在裝置上方的刻度盤(pán)來(lái)讀取土層的位移和變形，并計(jì)算出土體的彈塑性區(qū)，將其結(jié)果與圓孔擴(kuò)張理論的推導(dǎo)公式進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

2圓孔擴(kuò)張理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置

圓孔擴(kuò)張理論位移場(chǎng)測(cè)試裝置(見(jiàn)圖1)主要包括擠擴(kuò)環(huán)境箱、上覆蓋板、氣囊、土體分隔布置器及彩色土體。上覆蓋板固定在擠擴(kuò)環(huán)境箱的上表面，氣囊安裝在擠擴(kuò)環(huán)境箱內(nèi)，且氣囊中心線與擠擴(kuò)環(huán)境箱中心線重合。

圖1　圓孔擴(kuò)張理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置示意圖

擠擴(kuò)環(huán)境箱及上覆蓋板均由有機(jī)玻璃制成，以便于觀察土體的位移，擠擴(kuò)環(huán)境箱為帶有底盤(pán)而上部開(kāi)有小孔的透明容器；上覆蓋板為圓形，直徑與擠擴(kuò)環(huán)境箱的底盤(pán)相同；在上覆蓋板中心位置開(kāi)有上下貫穿的導(dǎo)管孔；以上覆蓋板的中心為圓心刻有精度為毫米的環(huán)形刻度線，用以精確計(jì)算土體的位移和變形量(見(jiàn)圖2)。

圖2　上覆蓋板示意圖

氣囊(見(jiàn)圖3和圖4)為密閉結(jié)構(gòu)，主要包括氣囊外層、剛度條、氣囊內(nèi)層、充氣導(dǎo)管和氣囊外層。氣囊內(nèi)層及充氣導(dǎo)管均由彈性較好的橡膠材料制成；氣囊內(nèi)層為柱形囊體結(jié)構(gòu)，其上部粘結(jié)有充氣導(dǎo)管；充氣導(dǎo)管為圓管狀且直徑與導(dǎo)管孔直徑大小相同，實(shí)驗(yàn)時(shí)充氣導(dǎo)管通過(guò)充導(dǎo)管孔；氣囊內(nèi)層外表面均勻的粘貼有剛度條(見(jiàn)圖5)，剛度條為剛度較大的鋼條；剛度條的外側(cè)包有氣囊外層，氣囊外層與剛度條自由接觸；彩色土體為顏色互不相同的土體環(huán)，環(huán)厚為20 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)相鄰的土環(huán)顏色不同。

圖3　氣囊示意圖

圖4　氣囊橫斷面示意圖

圖5　氣囊內(nèi)層與剛度條示意圖

土體分隔布置器主要由分隔壁、分隔室及連梁組成，土體分隔布置器的高度與擠擴(kuò)環(huán)境箱的內(nèi)側(cè)高度相同，且其外徑與擠擴(kuò)環(huán)境箱的內(nèi)徑相同(見(jiàn)圖6)。

圖6　土體分隔布置器結(jié)構(gòu)示意圖

分隔壁為厚度0.5 mm的鐵板焊接圍成的薄壁圓桶，分隔壁的直徑由內(nèi)向外依次等量增大，最內(nèi)側(cè)分隔壁的內(nèi)徑與氣囊外層的外徑相同，相鄰的分隔壁直徑差為20 mm，所有的分隔壁通過(guò)頂部的連梁相互連接，連梁是截面形狀為矩形的鐵條，連梁與分隔壁之間焊接；分隔室是由2個(gè)相鄰的分隔壁圍成的空間。

3圓孔擴(kuò)張理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置操作步驟

圓孔擴(kuò)張理論實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證裝置操作步驟如下。

1)通過(guò)充氣導(dǎo)管向氣囊中充入水，使氣囊處于自然大小狀態(tài)，將氣囊的充氣導(dǎo)管做好密封，將充滿(mǎn)氣體或水的氣囊放入擠擴(kuò)環(huán)境箱內(nèi)，使氣囊中心線與擠擴(kuò)環(huán)境箱的中心線重合。

2)將土體分隔布置器放入擠擴(kuò)環(huán)境箱中，向分隔室灌入彩色土體，相鄰的分隔室中的土體顏色互不相同，待所有的分隔室灌滿(mǎn)土后，緩慢地將土體分隔布置器垂直向上提出。

3)將上覆蓋板固定在擠擴(kuò)環(huán)境箱的上表面，將帶有刻度線的一面朝上，注意將充氣導(dǎo)管穿過(guò)導(dǎo)管孔。

4)將相機(jī)用支架固定在上覆蓋板的正上方，并將攝像頭朝下，設(shè)置好相機(jī)拍攝間隔時(shí)間，用來(lái)記錄彩色土體的位移和變形。將充氣導(dǎo)管與充壓泵連接牢靠后，解除充氣導(dǎo)管的密封，向氣囊中充入水，達(dá)到預(yù)定壓強(qiáng)后停止。

5)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，從數(shù)碼相機(jī)拍攝的照片中讀出各層土的厚度，與實(shí)驗(yàn)前的厚度對(duì)比算出差值，即可得到各層土體的變形、位移發(fā)展規(guī)律，從而獲得圓孔擴(kuò)張對(duì)土體的擠擴(kuò)效應(yīng)。將數(shù)據(jù)處理結(jié)果帶入圓孔擴(kuò)張理論的彈、塑性發(fā)展區(qū)計(jì)算公式，進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

通過(guò)控制氣囊中水壓力即可得到不同壓力作用下周?chē)馏w的位移場(chǎng)變化。

4結(jié)語(yǔ)

通過(guò)分析總結(jié)相關(guān)學(xué)者針對(duì)圓孔擴(kuò)張理論在沉樁過(guò)程中擠土效應(yīng)中的應(yīng)用研究，首次提出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法以及實(shí)驗(yàn)裝置對(duì)該理論的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)該實(shí)驗(yàn)裝置可直觀地觀測(cè)到土體的位移場(chǎng)變化規(guī)律，從而獲知圓孔擴(kuò)張對(duì)土體的擠密效應(yīng)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法驗(yàn)證了傳統(tǒng)圓孔擴(kuò)張理論在擠密效應(yīng)中的理論推導(dǎo)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 尉良平.高性能混凝土力學(xué)性能研究[J].新技術(shù)新工藝,2015(5):120-122.

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責(zé)任編輯鄭練

Experimental Verification Device of Cavity Expansion Theory

KANG Jie1, SUN Xiang2, PAN Youchun3, WANG Chunhui4, ZHAO Zhijun3, LI Chunbao5

(1.Shandong Shtar Science & Technology Group in China University of Petroleum (East China), Dongying 257061, China;2.Planning and Construction Department, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China; 3.General Construction Company of Laixi, Qingdao 266600, China; 4.Xi’an Changqing Technology Engineering Co., Ltd., Xi'an 710018,China; 5.College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Abstract：By analyzing and summarizing the application of cavity expansion theory for pile driving effect of soil squeezing, Design the experimental verification device of cavity expansion theory and experimental method for the first time. This experimental verification device is simple and easy to operate, and the device can be operated with people who with or without experience. The device can be used for teaching demonstration and scientific research. It can help people visually observe plastic zone and variation of soil displacement field through the device. So the compaction effect of cavity expansion for soil is preseuted, and verify the theoretical derivation of traditional cavity expansion theory for compaction effect by experiment method.

Key words:cavity expansion, experimental verification device, displacement field, compaction effect

收稿日期：2015-07-10

作者簡(jiǎn)介：康杰(1972-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事工程的施工與設(shè)計(jì)規(guī)劃等方面的研究。

中圖分類(lèi)號(hào)：TU 433

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A