側(cè)向受荷樁周土體內(nèi)部位移場的模型試驗研究

袁炳祥, 吳躍東, 陳 銳, 馮仲文, 汪亦顯

(1.廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院,廣東 廣州 510006；2.哈爾濱工業(yè)大學 深圳研究生院,廣東 深圳 518055；3. 河海大學 土木與交通學院,江蘇 南京210098；4.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥230009)

?

側(cè)向受荷樁周土體內(nèi)部位移場的模型試驗研究

袁炳祥1,2, 吳躍東3, 陳 銳2, 馮仲文2, 汪亦顯4

(1.廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院,廣東 廣州 510006；2.哈爾濱工業(yè)大學 深圳研究生院,廣東 深圳 518055；3. 河海大學 土木與交通學院,江蘇 南京210098；4.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥230009)

針對常規(guī)室內(nèi)模型試驗僅限于土體表面位移量測的缺點,利用玻璃砂、正十二烷和白礦油混合液合成人工透明土,設(shè)計側(cè)向受荷樁周土體位移測量試驗系統(tǒng),研究樁周土內(nèi)部的體移變化規(guī)律.該系統(tǒng)主要包括激光器、數(shù)碼相機、水平加載裝置、應(yīng)變采集裝置和計算機等.激光穿過透明土,形成目標觀測切面,數(shù)碼相機捕捉激光和顆粒相互作用產(chǎn)生的散斑圖像并存儲與計算機中.在試驗過程中,土體位移圖片通過PIVview2C軟件進行分析,可以獲得土體內(nèi)部的位移場.從不同深度來測量土體內(nèi)部變形,可以更直觀地觀測到側(cè)向受荷樁周土體的位移發(fā)展變化規(guī)律.試驗結(jié)果表明,側(cè)向受荷樁土體內(nèi)部位移主要集中在樁前接近土表面的淺層土體,樁前土內(nèi)部體在水平面內(nèi)呈紡錘體狀,土體深度從2.4D(D為樁直徑)增加為3.8D時,樁前土體影響范圍從7.5D減小為6D,土體最大位移減小了約25%.

透明土；側(cè)向受荷樁；非介入測量；PIV技術(shù)

樁基礎(chǔ)作為重要的基礎(chǔ)形式,已廣泛應(yīng)用在橋梁、港口碼頭、近海平臺和土工建筑(如樁基擋土墻、開挖支護樁和抗滑樁)等工程項目中[1-3].目前,對側(cè)向受荷樁的常用分析方法有靜力平衡法、彈性地基梁法、彈塑性分析法和彈性理論法等[4-6].多數(shù)的分析研究都局限于對樁體的受力變形研究,由于土體的非線性及樁土相互作用的非線性,對樁周土體的關(guān)注相對較少.實際上,樁的側(cè)向受荷過程是樁土相互作用的過程,樁體產(chǎn)生三維位移變形帶動樁周土體的三維變形.在研究側(cè)向受荷樁土的相互作用時,除了研究樁體受荷性狀外,還必須考慮土體的變形.

國內(nèi)外對側(cè)向受荷樁的研究,多數(shù)是以樁本身為研究對象,而對樁周土體的關(guān)注有限,對樁周土體的位移場沒有相關(guān)的整體分析,因此對于樁-土相互作用的機理問題研究不全面[7-8].

隨著數(shù)字圖象處理技術(shù)的發(fā)展,粒子圖像測速技術(shù)(PIV)由于操作簡單、全流場測量和無干擾性等特點,在巖土工程領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了快速的發(fā)展[9-10].通過拍攝側(cè)向受荷樁加載過程中模型邊界上土體或者砂土表面土體變形圖片,分析土體變形前、后兩張圖片,采用PIV分析得到模型樁周土體的二維變形場[11].三維粒子圖像測速技術(shù)(Stereo-PIV)通過二維位移和相機參數(shù)重組三維位移場,Yuan等[12-13]采用Stereo-PIV技術(shù)研究側(cè)向受荷樁對土體表面沉降的影響.

上述對于土體變形的研究僅局限于土體表面或者模型邊界上,無法觀測到內(nèi)部土體的變形特性.雖然X-射線[10]等技術(shù)能夠觀測到內(nèi)部土體的變形,但試驗設(shè)備的高昂費用限制了這些技術(shù)的推廣應(yīng)用.透明土是由透明顆粒和具有相同或極相近折射率的孔隙流體組成的,利用透明土、現(xiàn)代光學觀測技術(shù)和圖像捕捉與處理技術(shù),可以實現(xiàn)土體內(nèi)部變形和滲流的可視化觀測[14-15].為了發(fā)展透明土試驗技術(shù),學者作了大量的試驗研究.目前,人工合成透明土主要包括兩大類：第一類是采用無定形硅粉合成的透明土,巖土工程性質(zhì)與黏土相似[16-17].第二類是采用無定形硅膠、熔融石英砂或玻璃砂合成的透明土,合成的透明土巖土工程性質(zhì)與砂土相似[18-19].隨著透明土試驗技術(shù)的發(fā)展,透明土在巖土工程模型試驗研究中的應(yīng)用范圍逐步得到擴展[20-21].

本文自行開發(fā)一套側(cè)向受荷樁試驗儀器,結(jié)合透明土試驗技術(shù)和PIV技術(shù),開展室內(nèi)模型試驗,獲得側(cè)向受荷樁周土體內(nèi)部不同剖面的位移場.重點關(guān)注樁周土體內(nèi)部的位移變化,從而更全面地理解樁土的相互作用規(guī)律.

1 模型試驗研究

1.1 試驗材料及裝置

試驗土樣采用玻璃砂和孔隙流體合成的透明土.玻璃砂粒徑為0.1～1.0 mm,孔隙流體采用正十二烷和十五號白油兩種透明液體混合而成,兩種液體按質(zhì)量比1∶12均勻混合達到折射率與玻璃砂最相近,透明效果最好.透明土的基本性質(zhì)如表1所示,力學性質(zhì)與福建標準砂相似.表中,d為粒徑,ρr為相對密度,ρmin為最小干密度,ρmax為最大干密度,emin為最小孔隙比,emax為最大孔隙比.表2列出當相對密度為30%時,兩者的最大主應(yīng)力差與圍壓的關(guān)系.模型樁采用預埋的方式成樁,先固定位置,每層裝土20 mm后用方形試塊均勻壓實土層,直至預定高度.考慮到透明土本身的透明效果,采用有機玻璃模型箱的內(nèi)部長、寬、高為180、100、200 mm,壁厚5 mm.模型樁采用有機玻璃空心圓樁,直徑為10 mm,長度為150 mm,壁厚為3 mm,模型樁的主要參數(shù)見表3.表中,E為彈性模量,m為截面寬度,L為樁長,I為慣性矩,EI為抗彎剛度.

試驗時,模型樁的入土深度為120 mm,在樁頂施加水平荷載.為了獲得樁身位移變化,沿樁身外表面均勻布置6對電阻為120 Ω的應(yīng)變片,導線從樁內(nèi)部導出,避免試驗過程中對土體的變形產(chǎn)生影響.另外,在樁表面涂有環(huán)氧樹脂,并灑上一層玻璃砂,模擬樁的粗糙度.

激光穿透土體形成激光切面,激光、透明顆粒以及孔隙流體相互作用,形成人工散斑圖像,通過照相機捕捉散斑圖像,可以實現(xiàn)土體位移分析.該實驗采用一字線激光器,波長為650 nm,輸出功率為100 mW,發(fā)散角為0.5～0.8 mrad.實驗前,調(diào)整激光器的位置,使激光面垂直并對準模型箱的預設(shè)位置.單樁試驗布置的示意圖如圖1所示.

表1 透明土基本物理性質(zhì)

表2 透明土和福建標準砂圍壓和主應(yīng)力差

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

表3 模型樁參數(shù)

1.2 量測與數(shù)據(jù)采集

模型試驗采用重物分級加載方式對模型樁進行水平加載,通過對模型樁的中間預留孔所施加的砝碼重量可以獲得樁頂水平荷載.采用計算機控制應(yīng)變儀采集樁身應(yīng)變數(shù)據(jù)并儲存數(shù)據(jù),并借助于樁身應(yīng)變判斷各級加載后系統(tǒng)是否達到穩(wěn)定,當每級加載5 min后,樁頭位移速率小于0.1 mm/min認為加載穩(wěn)定,進而拍攝土體和樁身位移圖像.試驗過程中,采用高分辨率數(shù)碼相機拍攝每級加載穩(wěn)定前、后的位移圖像,相機分辨率為3 648像素×2 736像素,該次相機拍攝圖像精度分別為0.069、0.093 mm/像素.

1.3 試驗過程

模型箱固定在鐵支架上,防止在加載過程中模型箱發(fā)生移動.在模型箱上方設(shè)置一臺高分辨率相機,調(diào)節(jié)相機位置,保證相機鏡頭軸線垂直于激光在土體中形成的激光切面.依次拍攝加載前的激光面所在位置的土體圖像,此后相機的位置保持不變,直到試驗結(jié)束.每級加載穩(wěn)定后,同樣依次拍攝激光所在面的土體位移圖像,直至試驗加載結(jié)束.

圖1 單樁試驗布置示意圖Fig.1 Device for model test of single pile

2 試驗結(jié)果分析

2.1 樁身位移分析

加載過程通過樁身布置的6組應(yīng)變片數(shù)據(jù),獲得樁身彎矩.根據(jù)Winkler理論,按下式計算樁身位移分布：

(1)

式中：M(z)為彎矩分布函數(shù),z為沿樁身深度,EI為樁身抗彎剛度,y為樁身水平位移.

圖2 樁身位移變化Fig.2 Variation of displacement of pile under load

樁身位移分布如圖2所示.可知,在水平荷載作用下,隨著荷載水平的增大,樁身位移沿加載力方向增大；隨著深度的增加,樁身位移逐漸減小,在一定深度處,樁身位移為零,存在一個近似固定的轉(zhuǎn)動點；在該深度以下,樁身位移反向增大.在整個加載過程中,轉(zhuǎn)動中心的位置離土表面的距離大約為100 mm(10D,其中D為樁直徑 ),約為入土深度的83%,這與文獻[22, 23]中的剛性樁轉(zhuǎn)動支點離地面的高度約為入土深度的82%的結(jié)論較一致.樁頂位移較樁端位移大,位移隨深度的增加而減小,由此可以看出側(cè)向受荷樁樁身變形主要集中在接近土表面的上部樁體上.樁端產(chǎn)生較小位移,主要是樁端土體對樁本身有嵌固作用.

2.2 水平觀測面位移場

圖3 不同深度處的土體位移矢量圖Fig.3 Vector of displacement of soil around pile at two displacement cases

從模型箱上方觀測到的透明土內(nèi)部位移場如圖3所示.分析了距離土樣表面分別為24和38 mm水平觀測面的位移,該位移場直觀地展示了樁周透明土體在樁頂荷載從6.38 N增加到9.56 N(樁頂加載處位移為1.5 mm)過程的土體位移場.

圖4 位移U等值線圖Fig.4 Contours of displacement U of soils around pile

圖4中，坐標表示實際距離,其中(0,0)坐標點表示模型樁中心原始位置,模型樁沿X軸的反方向運動.

從圖4可以看出,樁前、樁后土體都發(fā)生位移,樁前土體位移矢量場呈紡錘體狀,樁前土體是由于模型樁向前運動而使土體受到擠壓而產(chǎn)生位移,而樁后土體產(chǎn)生位移主要是由于樁向前移動使樁與樁后土體相互接觸界面發(fā)生分離,土體初始水平向應(yīng)力減小,使土體發(fā)生位移.

從圖4、5可以得到2個規(guī)律：無論是位移U還是位移V(U為沿X方向發(fā)生的位移,V為沿Y方向發(fā)生的位移),最大位移都發(fā)生在樁邊緣處,而且位移都隨著距樁距離的增大而減小；隨著深度的增加,土體位移量和變形范圍都減小,這一土體位移的變化規(guī)律和樁身位移隨深度的增加而較小的變形規(guī)律是一致的.

該試驗利用透明土試驗技術(shù)和PIV技術(shù)所得到的側(cè)向受荷樁周內(nèi)部砂土位移云圖與Yuan等[24-25]所得的側(cè)向受荷樁周表層土體位移變化規(guī)律是一致的.總的來說,在水平荷載作用下,土體位移主要集中在樁前的淺層土體,位移從樁邊緣開始向外擴展,而且土體位移隨距樁身距離的增大而減小,沿深度方向逐漸減小.

圖5 位移V等值線圖Fig.5 Contours of displacement V of soils around pile

3 結(jié) 論

(1)基于透明體試驗技術(shù)和PIV圖像處理技術(shù)的模型試驗,可以開展不同條件下土體內(nèi)部變形規(guī)律的研究.本文通過一個透明土側(cè)向受荷樁模型試驗,得到樁前土體內(nèi)部不同位置的土體變形規(guī)律,彌補了表面土體量測試驗的不足.通過不同觀測面的位移變化,能夠直觀地展示側(cè)向受荷作用下樁周土體內(nèi)部的位移變化過程.

(2)在水平荷載作用下,樁身位移沿深度逐漸減小.在一定深度處,樁身位移為零,存在一個近似固定的轉(zhuǎn)動點,轉(zhuǎn)動中心的位置離土表面的距離大約為100 mm(10D),約為入土深度的83%.

(3)比較土體埋深2.4D和3.8D兩個切面可知,樁前土體影響范圍從7.5D減小為6D,最大位移減小了約25%.實驗結(jié)果表明,在水平荷載作用下,土體位移主要集中在樁前接近土表面的淺層土體,樁前表面土體位移矢量場在水平面內(nèi)呈紡錘體狀.

(4)在模型試驗中,由于模型的尺寸、土體應(yīng)力水平及透明土材料和模型樁材料的性質(zhì)對試驗結(jié)果都可能產(chǎn)生影響,本文沒有考慮尺寸效應(yīng),將在進一步的研究中指出.

[1] 張磊,龔曉南,俞建霖.水平荷載單樁計算的非線性地基反力法研究[J].巖土工程學報,2011, 33(2): 309-314.

ZHANG Lei, GONG Xiao-nan, YU Jian-lin. Solutions for laterally loaded single pile by nonlinear subgradereaction method [J]. Chinese Journal of GeotechnicalEngineering, 2011, 33(2): 309-314.

[2] 許少輝,張旭群,袁炳祥.深厚軟土地區(qū)CM復合地基相互作用特性研究[J].施工技術(shù),2016,45(13): 67-71.

XU Shao-hui, ZHANG Xu-qun, YUAN Bing-xiang. Action characteristic of CM composite foundation in deep soft soil area [J]. Construction Technology, 2016, 45(13): 67-71.

[3] YANG Z X, JARDINE R J, ZHU B T, et al. Sand grain crushing and interface shearing during displacement pile installation in sand [J]. Géotechnique, 2010, 60(6): 469-482.

[4] CAI Y Q, DING G Y, XU C J, et al. Vertical amplitude reduction of Rayleigh waves by a row of piles in a poroelastic half-space [J]. International Journal forNumerical and Analytical Methods in Geomechanic, 2009, 33(16): 1799-1821.

[5] POULOS H G. Behavior of laterally loaded piles: I-single piles [J]. Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, 1971, 97(5): 711-731.

[6] REESE L C, COX W R, KOOP F D. Analysis of laterally loaded piles in sand [C]∥Proceedings of 6th Annual Offshore Technology Conference. Houston: [s.n.],1974： 473-483.

[7] ZHANG Han-qing, LI Shu-cai, LIANG Fa-yun, et al. Simplified method for settlement prediction of single pile and pile group using a hyperbolic model [J]. International Journal of Civil Engineering, 2014, 12(2):179-192.

[8] HONG Y, SOOMRO M A, NG C W W, et al. Tunnelling under pile groups and rafts: numerical parametric study on tension effects [J]. Computers and Geotechnics, 2015, 68(1): 54-65.

[9] WHITE D J, TAKE W A, BOLTON M D. Soildeformation measurement using particle image velocimetry (PIV) and photogrammetry [J]. Geotechnique, 2003, 53(7): 619-631.

[10] YUAN B X, CHEN R, LI J H, et al. A hydraulic gradient similitude testing system for studying the responses of a laterally loaded pile and soil deformation [J]. Environmental Earth Sciences, 2016, 75(97): 1-7.

[11] LIU J Y, YUAN B X, MAI V T, et al. Optical measurement of sand deformation around a laterally loaded pile [J]. Journal of Testing and Evaluation, 2011,39(5): 754-759.

[12] YUAN B X, LIU J Y, CHEN W W, et al. Development of a robust stereo-PIV system for 3-D soildeformation measurement [J]. Journal of Testing and Evaluation, 2012, 40(2): 256-264.

[13] YUAN B X, CHEN R, TENG J, et al. Investigation on 3D ground deformation and response of active and passive piles in loose sand [J]. Environmental Earth Sciences, 2015, 73(11): 7641-7649.

[14] PHAM K D, OTANI J, WATANABE Y, et al.Application of X-Ray CT on boundary value problems in geotechnical engineering: research on ground failure due to lateral pile loadings [C]∥Geotechnical Engineering in the Information Technology Age. Atlanta: ASCE， 2006.

[15] 隋旺華,高岳,劉金元.透明土實驗技術(shù)現(xiàn)狀與展望[J].煤炭學報,2011,36(4): 577-582.

SUI Wang-hua, GAO Yue, LIU Jin-yuan. Status and prospect of transparent soil experimental technique [J]. Journal of China Coal Society, 2011, 36(4): 577-582.

[16] SUI Wang-hua, QU Hao, GAO Yue. Modeling of grout propagation in transparent replica of rock fractures [J]. Geotechnical Testing Journal, 2015,38(5): 765-773.

[17] ISKANDER M G, LIU J Y, SADEK S. Transparent amorphous silica to model clay [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2002,128(3): 262-273.

[18] LIU J Y, ISKANDER M G. Modeling capacity of transparent soil [J]. Canadian Geotechnical Journal, 2010, 47(4): 451-460.

[19] ISKANDER M G, LIU J Y, SADEK S. Optical measurement of deformation using transparent silica gel to model sand [J]. International Journal of Physical Modelling In Geotechnics, 2002, 2(4): 13-26.

[20] ISKANDER M G, LIU J Y. Spatial deformation measurement using transparent soil [J]. Geotechnical Testing Journal, 2010, 33(4): 1-8.

[21] CAO Z H, LIU H L, KONG G Q, et al. Physical modelling of pipe piles under oblique pullout loadsusing transparent soil and particle image velocimetry [J]. Journal of Central South University, 2015,22(11): 4329-4336.

[22] 王成,鄧安福,李曉紅.水平荷載短樁樁土共同作用全過程分析[J].巖土力學,2004, 25(2): 296-300.

WANG Cheng, DENG An-fu, LI Xiao-hong. Complete process analysis of pile-soil interaction for laterally loaded short pile [J]. Rock and Soil Mechanics, 2004, 25(2): 296-300.

[23] 周健,張剛,曾慶有.主動側(cè)向受荷樁模型試驗與顆粒流數(shù)值模擬研究[J].巖土工程學報,2007, 29(5):650-656.

ZHOU Jian, ZHANG Gang, ZENG Qing-you. Model tests and PFC2D numerical analysis of active laterally loaded piles [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2007, 29(5): 650-656.

[24] YUAN B X, CHEN W W, JIANG T, et al. Stereo particle image velocimetry measurement of 3D soildeformation around laterally loaded pile in sand [J]. Journal of Central South University, 2013, 20(3):791-798.

[25] YUAN B X, CHEN R, TENG J, et al. Effect of passive pile on 3D ground deformation and on active pile response [J]. The Scientific World Journal, 2014, Article ID 904186: 1-6.

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.

國家自然科學基金資助項目(51308164，51304057)；中國博士后科學基金資助項目(2014T70349,2013M530157)；廣東省自然科學基金資助項目(2016A030310345).

袁炳祥(1983—)，男，副教授，從事側(cè)向受荷樁、PIV技術(shù)和透明土研究.ORCID：0000-0001-5650-2374.

E-mail：bingxiangyuan@gmail.com

陳銳，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

浙江大學學報(工學版)網(wǎng)址： www.zjujournals.com/eng