室內(nèi)靜壓沉樁試驗(yàn)樁周土體全過(guò)程位移場(chǎng)分析

陸 燁， 王校勇， 孫漢清， 李曉蛟

(1.上海大學(xué) 土木工程系，上海 200444；2.上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200093)

靜壓樁具有承載力高、環(huán)境影響小、機(jī)械化程度高等特點(diǎn)[1-2]，在我國(guó)人口密集地區(qū)及沿江、沿海的軟土分布地區(qū)得到了廣泛應(yīng)用.但靜壓樁屬于擠土樁，壓樁引起的樁周土體變形會(huì)對(duì)臨近既有建筑產(chǎn)生不利的影響，因此相關(guān)土體變形成為了工程界廣泛關(guān)注的問(wèn)題.

目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)壓樁引起的樁周土體變形展開(kāi)了大量研究，主要集中在理論方法、數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)這幾方面.理論方法主要有圓孔擴(kuò)張法和應(yīng)變路徑法.圓孔擴(kuò)張法[3-4]采用無(wú)限土體(球孔)或是平面應(yīng)變假定(圓柱孔)，形式簡(jiǎn)單，易于求解，因而廣被采用.但圓孔擴(kuò)張法基于理想彈塑性假定和平面應(yīng)變假定，豎向應(yīng)變?yōu)榱悖⒉环蠈?shí)際情況，且無(wú)法模擬整個(gè)沉樁過(guò)程.應(yīng)變路徑法(SPM)[5]是由Baligh首先提出，主要用于深基礎(chǔ)貫入問(wèn)題，可反映土體位移在深度方向的分布.但SPM法基于無(wú)限空間體假定，與半無(wú)限空間體實(shí)際情況不符，且計(jì)算過(guò)于復(fù)雜.除理論方法外，許多學(xué)者采用數(shù)值方法來(lái)研究樁周土體變形，比較常用的有有限元法和離散元法[6-9].但數(shù)值方法對(duì)樁體貫入的模擬較為復(fù)雜，涉及到土體性質(zhì)及參數(shù)、土體本構(gòu)、樁-土界面性質(zhì)、模擬結(jié)果普適性、數(shù)值方法本身限制等方面的問(wèn)題，無(wú)法對(duì)壓樁過(guò)程進(jìn)行精確模擬.為此有不少學(xué)者開(kāi)展了模型試驗(yàn)結(jié)合圖像分析技術(shù)來(lái)研究沉樁引起的土體位移，主要有采用真實(shí)土樣結(jié)合標(biāo)識(shí)點(diǎn)方法[10-11]及透明土結(jié)合像素灰度追蹤的方法[12-13].但是這些研究大多集中于樁周土體的最終位移，樁體壓入過(guò)程中樁周土體位移變化規(guī)律及其與土壓力的關(guān)系方面的研究較少.

綜上所述，針對(duì)壓樁過(guò)程中樁周土體位移場(chǎng)變化及其位移與土壓力聯(lián)合分析問(wèn)題，擬基于DIC(digital image correlation)技術(shù)，建立考慮壓樁過(guò)程的樁周土體位移計(jì)算方法，采用半樁模型試驗(yàn)研究分析樁體壓入過(guò)程中樁周土體位移發(fā)展規(guī)律，并將沉樁過(guò)程中土壓力變化與相應(yīng)位置處土體豎向位移變化規(guī)律進(jìn)行聯(lián)合分析，力圖實(shí)現(xiàn)力與位移關(guān)系的統(tǒng)一，續(xù)而開(kāi)展影響因素分析.

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型試驗(yàn)裝置

所采用的模型試驗(yàn)裝置及材料包括模型箱、加載裝置、高清數(shù)碼相機(jī)、圖像后期處理軟件、模型樁、土壓力傳感器、攝影燈和試驗(yàn)用砂等，靜壓樁模型試驗(yàn)裝置示意圖如圖1所示.

圖1 模型試驗(yàn)裝置示意

試驗(yàn)所采用的模型箱尺寸為1 m×1 m×1 m，其中一面為透明鋼化玻璃，其余四面為鋼板.加載裝置為電控液壓千斤頂，可提供恒定速度貫入動(dòng)力.高清數(shù)碼相機(jī)為佳能700D，鏡頭有效像素1 800萬(wàn)以上，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制可同步記錄試驗(yàn)過(guò)程.試驗(yàn)中使用2臺(tái)攝影燈進(jìn)行輔助工作，以消除反射光線對(duì)成像質(zhì)量的影響.圖像后期處理軟件為基于MATLAB軟件中MatPIV工具箱編制的程序.模型樁為鋁制半模閉口方樁，半模方樁長(zhǎng)560 mm，橫截面尺寸為50 mm×25 mm，材料厚3 mm.試驗(yàn)用砂為普通建筑黃砂.

1.2 土樣性質(zhì)與制備

試驗(yàn)用砂為中細(xì)砂.由篩分試驗(yàn)可知d60、d30及d10分別為0.34 mm、0.22 mm和0.16 mm，不均勻系數(shù)Cu=1.94，曲率系數(shù)Cc=0.89，試驗(yàn)所用砂土為顆粒級(jí)配不良，屬于均粒土.

干砂鋪設(shè)共分為5步，鋪設(shè)高度依次為350 mm、100 mm、100 mm、100 mm、150 mm，土樣厚度共計(jì)800 mm.在初次制備土樣的時(shí)候，預(yù)先將所有干砂放置于一塑料容器中，然后根據(jù)各層鋪設(shè)高度算出干砂在塑料容器中對(duì)應(yīng)的等比例體積，并做好標(biāo)記.采用雨落法分層將干砂裝入模型箱中，試驗(yàn)中所使用的擊實(shí)器由150 mm×150 mm的鋼板制作，其尺寸是根據(jù)各層干砂鋪設(shè)高度和壓實(shí)土層最佳深度為壓實(shí)面直徑的3.0～3.5倍[14]2個(gè)條件確定.每次制備土樣時(shí)，將塑料容器中對(duì)應(yīng)體積的干砂裝入到模型箱中，通過(guò)擊實(shí)器擊實(shí)干砂相同的次數(shù)至指定的高度，試驗(yàn)結(jié)果表明該方法可以很好保證試驗(yàn)的重復(fù)性.在每次砂土制備完成之后都會(huì)進(jìn)行一次靜力觸探試驗(yàn)，靜力觸探采用的貫入速度為2.5 mm·s-1，貫入深度為450 mm.根據(jù)各組靜力觸探試驗(yàn)結(jié)果換算得到比貫入阻力隨深度的變化曲線，如圖2所示.由圖可以看出，試驗(yàn)1和試驗(yàn)2制備的土樣密實(shí)度具有很高的重復(fù)性，結(jié)果表明該標(biāo)準(zhǔn)化制備土樣的方法(等體積控制方法)能夠滿足試驗(yàn)重復(fù)性的要求.

a 比貫入阻力變化曲線b 相對(duì)密實(shí)度變化曲線

圖2比貫入阻力及相對(duì)密實(shí)度隨深度變化曲線

Fig.2Specificpenetrationresistanceandrelativedensitycurvewithdepth

參考Mayne等[15]的計(jì)算方法將ps換算成相對(duì)密實(shí)度Dr，如圖2所示.由試驗(yàn)ps曲線和相對(duì)密實(shí)度Dr曲線參考表1[16]可判定試驗(yàn)制備的砂土密實(shí)度介于極松和疏松之間.

1.3 模型試驗(yàn)工況

為了對(duì)比分析不同沉樁速度對(duì)樁周土體位移的影響，共開(kāi)展了2次模型試驗(yàn)，具體模型試驗(yàn)工況見(jiàn)表2.

表2 模型試驗(yàn)工況

1.4 數(shù)據(jù)處理方法

在模型箱觀察面外側(cè)架設(shè)高清數(shù)碼相機(jī)，在壓入半樁時(shí)同時(shí)打開(kāi)相機(jī)進(jìn)行圖像采集.圖像處理時(shí)首先使用MATLAB對(duì)采集的沉樁視頻進(jìn)行圖片提取，以樁體貫入10 mm為間隔依次提取樁體在不同深度處的觀察面圖像，試驗(yàn)中樁體總共壓入450 mm，所以共計(jì)提取45張照片.然后，依托MATLAB中的MatPIV工具箱對(duì)所提取的不同位置圖像依次與初始圖像進(jìn)行DIC計(jì)算，獲得測(cè)點(diǎn)位置的樁側(cè)土體累計(jì)位移變化量，最終得到樁體貫入過(guò)程中樁側(cè)土體在測(cè)點(diǎn)位置的累計(jì)位移變化量隨樁體貫入的發(fā)展規(guī)律.

已知原圖像像素尺寸為1 088×1 920，圖像相關(guān)計(jì)算時(shí)取16×16的像素塊作為基本計(jì)算單位，所以計(jì)算得到的位移云圖尺寸為67計(jì)算單位乘119計(jì)算單位.數(shù)據(jù)采集時(shí)以計(jì)算后圖像中一個(gè)計(jì)算單位為一個(gè)測(cè)點(diǎn)，即刪除一個(gè)測(cè)點(diǎn)信息表示原圖中16×16的像素塊信息.以試驗(yàn)2試驗(yàn)為例，已知標(biāo)定系數(shù)為每像素0.375 mm，一個(gè)測(cè)點(diǎn)代表6 mm×6 mm的實(shí)際面積.

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 累計(jì)豎向位移發(fā)展規(guī)律

以試驗(yàn)1為例，樁體貫入速度為2.31 mm·s-1.圖3為使用該方法繪制的不同深度處距樁表面r=1D、r=2D和r=3D處側(cè)向土體豎向累計(jì)位移隨樁體貫入的曲線圖，r為距離樁側(cè)表面的距離，D為模型樁邊長(zhǎng)，H為測(cè)點(diǎn)埋深.豎向運(yùn)動(dòng)方向以向下為正，向上為負(fù).

a H=150 mm

b H=250 mm

c H=350 mm

d H=450 mm

圖3不同深度處測(cè)點(diǎn)位置的豎向累計(jì)位移隨樁體貫入深度的發(fā)展規(guī)律

Fig.3Developmentoftheverticalcumulativedisplacementmeasuredatdifferentdepthswithadvancementofthemodelpile

從圖3可以看到，隨著樁體的貫入，位于250 mm、350 mm和450 mm處測(cè)點(diǎn)位置的累計(jì)豎向位移總體上依次經(jīng)歷先向下然后向上運(yùn)動(dòng)直至穩(wěn)定的過(guò)程，而位于150 mm處測(cè)點(diǎn)位置的豎直向下運(yùn)動(dòng)量很小，甚至在r=2D和r=3D處的土體并沒(méi)有經(jīng)歷豎直向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程.由此說(shuō)明距離樁身較近的土體在樁體貫入時(shí)，會(huì)先經(jīng)歷一段豎直向下的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但隨著至樁身表面距離的增加，位于深度較淺處的土體并不會(huì)經(jīng)歷向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，且沿著深度方向始終作豎直向上運(yùn)動(dòng)的土體區(qū)域在增大.由圖還可以看出相同深度處測(cè)點(diǎn)位置的累計(jì)豎向位移基本上可以同步達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)樁端穿越測(cè)點(diǎn)所在深度時(shí)，該深度測(cè)點(diǎn)位置的累計(jì)豎向位移仍在緩慢增加，說(shuō)明此處土體繼續(xù)在作向上運(yùn)動(dòng).隨著測(cè)點(diǎn)的深入，樁周土體總的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)為向下運(yùn)動(dòng).

2.2 土體位移軌跡擬合

通過(guò)提取測(cè)點(diǎn)在不同沉樁深度處的水平位移分量和豎向位移分量，近似擬合出了樁周各測(cè)點(diǎn)在沉樁過(guò)程中的軌跡圖，如圖4所示.豎向運(yùn)動(dòng)方向以向下為正，向上為負(fù)，水平方向以作遠(yuǎn)離樁身運(yùn)動(dòng)方向?yàn)檎?

從圖4可以看出，H=150 mm處的土體沿近似拋物線的位移軌跡做斜向上運(yùn)動(dòng)；在H=250 mm處，r=1D和r=2D處的土體先做斜向下運(yùn)動(dòng)，然后再做斜向上運(yùn)動(dòng)，最終運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樾毕蛏线\(yùn)動(dòng)；H=350 mm處的土體先做斜向下運(yùn)動(dòng)，然后再做斜向上運(yùn)動(dòng)，最終運(yùn)動(dòng)方向?yàn)樾毕蛳逻\(yùn)動(dòng)；H=450 mm處的土體則始終做斜向下運(yùn)動(dòng).總體趨勢(shì)與Lehane和Gill[12]的試驗(yàn)結(jié)果類似.

a H=150 mm

b H=250 mm

c H=350 mm

d H=450 mm

圖4不同深度處測(cè)點(diǎn)的位移軌跡

Fig.4Displacementtrajectoriesofmeasuringpointsatdifferentdepths

以上分析證明,通過(guò)對(duì)沉樁過(guò)程中樁周土體變形圖像進(jìn)行連續(xù)拍攝，然后使用DIC相關(guān)計(jì)算方法可以更加精確擬合出樁周任何一點(diǎn)的位移軌跡，從而真正實(shí)現(xiàn)對(duì)樁周土體無(wú)標(biāo)識(shí)動(dòng)態(tài)分析.

2.3 不同沉樁深度處樁周土體位移

圖5為不同沉樁深度處的樁周土體水平位移云圖.由圖5可知，隨著沉樁深度的不斷增加，樁周土體水平位移不斷增大；樁端位置以下區(qū)域土體相對(duì)于沉樁深度提前產(chǎn)生了水平向位移；在樁側(cè)1D以內(nèi)區(qū)域剪切變形較大，當(dāng)所劃分的小圖像塊進(jìn)入該區(qū)域后很難追蹤其運(yùn)動(dòng)軌跡.

a H=150 mm

b H=250 mm

c H=350 mm

d H=450 mm

圖6為不同沉樁深度處樁周土體豎向位移云圖，由圖可知，樁端土體以向下位移為主；當(dāng)沉樁深度較淺時(shí)，樁側(cè)土體以向上位移為主，對(duì)應(yīng)圖6a和圖6b；當(dāng)沉樁深度較深時(shí)，樁端以上一定區(qū)域的樁側(cè)土體產(chǎn)生了向下位移，對(duì)應(yīng)圖6c和圖6d.

a H=150 mm

b H=250 mm

c H=350 mm

d H=450 mm

2.4 樁周土壓力與位移聯(lián)合分析

試驗(yàn)中在距離樁身表面1D和3D以及埋深150 mm、250 mm、350 mm和450 mm處同時(shí)埋設(shè)了微型土壓力計(jì).由于千斤頂壓程限制，壓樁過(guò)程中需暫停加桿，暫停時(shí)間點(diǎn)選在樁端尚未到達(dá)土壓力計(jì)所在深度時(shí).土壓力變化值原始數(shù)據(jù)如圖7所示.

由圖7可知，沿沉樁深度方向土壓力變化峰值逐漸增大，且該峰值相對(duì)于樁體貫入深度存在“提前”效應(yīng).當(dāng)暫停沉樁時(shí)，土壓力變化值迅速跌落至某一穩(wěn)定值，沿沉樁深度方向該土壓力變化穩(wěn)定值逐漸增大且均大于零.當(dāng)繼續(xù)沉樁時(shí)，土壓力變化值迅速增加至跌落前大小，隨著沉樁深度的繼續(xù)增加，土壓力變化值則逐漸減小至零值.

為了研究土壓力變化值最終為零值的原因，嘗試將沉樁過(guò)程中土壓力變化與相應(yīng)位置處土體豎向位移變化規(guī)律進(jìn)行聯(lián)合分析，力圖實(shí)現(xiàn)力與位移關(guān)系的統(tǒng)一.

由圖8可知，當(dāng)樁側(cè)土體處于靜止或豎直向下運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)，相應(yīng)位置處土壓力變化值處于增長(zhǎng)階段；當(dāng)樁側(cè)土體豎向運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生改變時(shí)，相應(yīng)位置處土壓力變化值幾乎可以同步達(dá)到峰值.由此認(rèn)為土體的豎向位移發(fā)展與相應(yīng)位置處土壓力的變化存在對(duì)應(yīng)關(guān)系.

a 1D

b 3D

a 1D

b 3D

圖9為暫停壓樁時(shí)樁周土體瞬時(shí)回彈位移矢量圖，由圖可知，土體回彈主要以豎向位移為主，且主要發(fā)生在樁端下部，僅在靠近樁身處存在微小的回彈.此時(shí)對(duì)照?qǐng)D7b中虛線框處土壓力跌落值可發(fā)現(xiàn)，暫停壓樁時(shí)樁端下部土壓力變化值跌落幅度很大，而樁端上部土壓力變化值跌落幅度則很小，該值的變化與暫停壓樁時(shí)土體回彈位移相對(duì)應(yīng)，即發(fā)生回彈處土壓力變化值跌落較大，而未發(fā)生回彈處或回彈量很小的地方土壓力變化值跌落幅度很小或幾乎沒(méi)有變化，由此證明了土壓力的發(fā)展與相應(yīng)位置處土體豎向位移相關(guān)的結(jié)論.當(dāng)土體豎直向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，土體密實(shí)度增加，相應(yīng)的土壓力變化值增大；當(dāng)土體豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，土體密實(shí)度減小，相應(yīng)位置處土壓力變化值則開(kāi)始變小.

a 壓樁深度較淺處

b 壓樁深度較深處

2.5 不同壓樁速率下樁周土體位移對(duì)比分析

圖10為不同貫入速率情況下，樁體貫入450 mm時(shí)，各測(cè)點(diǎn)處土體的水平位移和豎向位移.2種貫入速率分別為v=0.517 mm·s-1和v=2.312 mm·s-1，2次試驗(yàn)砂土的制備采用了標(biāo)準(zhǔn)的制備方法，在試驗(yàn)開(kāi)始前使用靜力觸探儀對(duì)砂土的密實(shí)度進(jìn)行檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其密實(shí)度基本一致.

由圖10可見(jiàn)，在距離樁身不同距離處的測(cè)點(diǎn)處，樁體貫入速度對(duì)土體水平位移和豎向位移的影響并不顯著.這一現(xiàn)象可能是因?yàn)閷?duì)沉樁周圍土體產(chǎn)生較大影響的是沉樁過(guò)程中孔隙水壓力的變化，而本試驗(yàn)所用土樣是干砂，加上土樣制備的密實(shí)度介于極松與稍松之間，導(dǎo)致沉樁速度對(duì)樁周土體變形的影響較小.其具體原因還有待通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)一步研究探討.

a 土體水平位移1D

b 土體水平位移2D

c 土體水平位移3D

d 土體豎向位移1D

e 土體豎向位移2D

f 土體豎向位移3D

3 結(jié)論

通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)合DIC圖像獲取與分析方法對(duì)壓樁過(guò)程中樁周土體位移場(chǎng)進(jìn)行全面的分析，并得到以下結(jié)論：

(1) 依靠自行編制的MATLAB程序，實(shí)現(xiàn)了對(duì)沉樁過(guò)程中樁周土體位移的動(dòng)態(tài)分析，并擬合了土體的位移軌跡.整個(gè)系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)操作靈活，可以計(jì)算觀察面所有位置任何時(shí)刻的水平及豎向位移變化，并導(dǎo)出矢量圖以及位移平均值等.

(2) 靜壓沉樁時(shí)，距離樁身較近的土體先向下運(yùn)動(dòng).但隨著至樁身表面距離的增加，位于深度較淺處的土體并不會(huì)經(jīng)歷向下運(yùn)動(dòng)的過(guò)程，且沿著深度方向始終作豎直向上運(yùn)動(dòng)的土體區(qū)域在增大.

(3) 根據(jù)沉樁過(guò)程中不同部位土體的位移軌跡發(fā)展，可將樁周土體沿豎向劃分為3個(gè)區(qū)域：表面隆起區(qū)、中部徑向壓縮區(qū)、端部擾動(dòng)區(qū).位移表現(xiàn)為：表面土體主要作斜向上運(yùn)動(dòng)，水平位移與豎向位移相接近；中部土體水平位移明顯大于豎向位移，且都經(jīng)歷了先向下后向上的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，但豎向位移較??；樁端土體以斜向下運(yùn)動(dòng)為主，水平位移同樣大于豎向位移，但相比中部土體豎向位移明顯變大，且無(wú)向上運(yùn)動(dòng)的過(guò)程.

(4) 樁周土壓力的變化與相應(yīng)位置土體沿豎向的運(yùn)動(dòng)方向相對(duì)應(yīng).當(dāng)土體豎直向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，土體密實(shí)度增加，相應(yīng)的土壓力變化值增大；當(dāng)土體豎直向上運(yùn)動(dòng)時(shí)，土體密實(shí)度減小，相應(yīng)位置處土壓力變化值則開(kāi)始變小.樁周土壓力變化峰值相對(duì)于樁體貫入深度存在“提前”效應(yīng)，且隨著沉樁深度的繼續(xù)增加，土壓力變化值逐漸減小至零值.停止壓樁時(shí)土體回彈位移以豎向運(yùn)動(dòng)為主，回彈主要發(fā)生在樁端及其下部，樁周僅在靠近樁身處存在微小的回彈.

(5) 在距離樁身不同距離處的測(cè)點(diǎn)處，樁體貫入速度對(duì)土體水平位移和豎向位移的影響并不顯著.這一現(xiàn)象可能是因?yàn)閷?duì)沉樁周圍土體產(chǎn)生較大影響的是沉樁過(guò)程中孔隙水壓力的變化，而本試驗(yàn)所用土樣是干砂，加上土樣制備的密實(shí)度介于極松與稍松之間，導(dǎo)致沉樁速度對(duì)樁周土體變形的影響較小.