基于DIC 技術(shù)的靜壓鄰樁遮攔效應(yīng)模型試驗(yàn)

劉 凱, 陸 燁, 唐僑楚

(1.上海大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院, 上海 200444; 2.上海飛機(jī)制造有限公司, 上海 201324)

靜壓樁具有質(zhì)量可靠、價(jià)格相對(duì)低廉、施工效率高、無污染、噪音小、承載力高等優(yōu)勢[1],因此對(duì)于工期要求較為嚴(yán)格的工程項(xiàng)目, 靜壓樁是更為合理的樁型.為減小樁基施工產(chǎn)生的土體位移, 當(dāng)群樁施工臨近密集建筑群或重要地下管線時(shí), 通常采用控制打樁順序的方法(如背向被保護(hù)構(gòu)筑物打樁), 或預(yù)先在構(gòu)筑物附近打入保護(hù)樁排, 以期能夠發(fā)揮對(duì)土體位移的遮攔效應(yīng), 減小沉樁對(duì)周圍環(huán)境的影響[2].因此, 研究靜壓樁沉樁過程中已打入樁對(duì)土體位移的遮攔效應(yīng)具有重要的意義.

已有的對(duì)遮攔效應(yīng)的研究主要集中在理論分析、數(shù)值分析、試驗(yàn)研究3 個(gè)方面.剪切位移法可以給出樁周土體的位移場, 具有簡單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn), 容易考慮樁對(duì)變形的遮攔效應(yīng)[3].Zhou 等[4-5]引入了剪切位移法和考慮了土體側(cè)向位移影響的改進(jìn)Pasternak 地基模型, 發(fā)現(xiàn)先壓樁對(duì)后壓樁的遮攔效應(yīng)隨著樁距和樁徑的增大而顯著增加.朱奎等[6]則將兩根樁均視為Winkler 彈性地基梁, 利用剪切變形法理論結(jié)合物理力學(xué)關(guān)系, 認(rèn)為樁的遮攔效應(yīng)是通過兩樁之間傳遞的附加剪應(yīng)力發(fā)生的, 進(jìn)而建立了力與位移的協(xié)調(diào)方程, 求出了兩樁相互作用下的解析解.林智勇等[7]基于剪切變形法原理, 并考慮了樁的遮攔效應(yīng), 得出樁側(cè)樁-土接觸等效剪切彈簧剛度.然而, 通過剪切變形法的理論分析都只能進(jìn)行一些基本假設(shè)和簡化, 無法真實(shí)反映現(xiàn)實(shí)情況.

隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展, 許多學(xué)者采用數(shù)值分析方法來研究樁的遮攔效應(yīng).He 等[8]通過有限元模擬發(fā)現(xiàn)在盾構(gòu)掘進(jìn)過程中, 前樁對(duì)后樁的遮攔效應(yīng)非常顯著, 大大減小了其內(nèi)力和側(cè)向位移.Mroueh 等[9]通過有限元軟件計(jì)算,表明雙樁中不管是前樁還是后樁,其水平位移和彎矩都比同位置單樁時(shí)小, 遮攔效應(yīng)對(duì)后樁的影響大于前樁.秦世偉等[10]通過三維有限差分?jǐn)?shù)值計(jì)算(3D fast Lagrangian analysis of continua, FLAC3D)軟件對(duì)靜壓樁單樁、雙樁的沉樁過程進(jìn)行了計(jì)算分析, 并就已打入樁體對(duì)沉樁過程中土體位移的影響進(jìn)行了研究, 得出了已打入樁的存在改變了土體水平位移大小的結(jié)論.李琳等[11]和程青雷等[12]通過有限元模擬發(fā)現(xiàn), 先壓樁對(duì)后壓樁沉樁過程產(chǎn)生的遮攔效應(yīng)主要受到樁間距大小的影響, 且在一定范圍內(nèi)隨著樁間距的增大, 遮攔效應(yīng)不斷減弱, 并在達(dá)到一定值后基本消失.劉俊偉等[13]采用二維顆粒流(2D particle flow code, PFC2D) 分析程序, 對(duì)開口管樁雙樁系統(tǒng)沉樁過程進(jìn)行顆粒流數(shù)值模擬, 發(fā)現(xiàn)由于受到先壓樁遮攔效應(yīng)的影響, 后沉樁的沉樁阻力明顯大于先沉樁.然而, 數(shù)值模擬受本構(gòu)模型選擇、計(jì)算參數(shù)確定、載荷工況模擬真實(shí)性等影響, 分析結(jié)果的精度往往難以保證.

現(xiàn)場試驗(yàn)[14-15]因其真實(shí)性、及時(shí)性、有效性等特點(diǎn)而被應(yīng)用到樁的遮攔效應(yīng)中, 但只能測樁體頂端位移、地面隆起, 無法沿深度方向進(jìn)行測量, 且成本相對(duì)較高, 難以實(shí)現(xiàn)大量開展,因而采用模型試驗(yàn)的比較多.梁發(fā)云等[16]采用室內(nèi)模型試驗(yàn), 研究了軸向受荷樁在土體側(cè)移作用下的承載和變形特性, 發(fā)現(xiàn)兩樁中的前樁對(duì)后樁具有遮攔效應(yīng).張建新等[17]基于室內(nèi)模型研究發(fā)現(xiàn), 已壓入樁限制了樁間的水平位移, 其遮攔效應(yīng)不容忽視, 且施工順序是影響土體位移的重要因素.Li 等[18]采用離心模型試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn), 既有樁會(huì)影響鄰近土體的變形和孔隙壓力.然而, 現(xiàn)有的模型試驗(yàn)研究主要是在宏觀角度上分析先壓樁對(duì)樁周土遮攔效應(yīng)的影響因素, 且不能對(duì)后壓樁沉樁過程中的樁周土位移進(jìn)行全過程分析.

樁的遮攔效應(yīng)實(shí)質(zhì)是先壓樁對(duì)后壓樁沉樁連續(xù)過程中土體累積位移的作用效果, 但已有的對(duì)雙樁基礎(chǔ)遮攔效應(yīng)的相關(guān)研究未能就先壓樁對(duì)土體位移的遮攔效應(yīng)進(jìn)行全過程分析, 且不能進(jìn)行量化研究.本工作基于數(shù)字圖像相關(guān)(digital image correlation, DIC) 技術(shù)原理, 通過MATLAB 軟件自行編制計(jì)算程序, 對(duì)后壓樁沉樁過程中樁側(cè)土體的連續(xù)變形過程采用無標(biāo)示點(diǎn)方法進(jìn)行采集并分析, 并導(dǎo)出矢量圖以及位移平均值進(jìn)行計(jì)算分析[19].采用這一非接觸圖像測量系統(tǒng), 可以從細(xì)觀小尺度對(duì)多組工況(不同樁間距、不同樁壁粗糙度、不同粒徑砂土環(huán)境) 的土體位移進(jìn)行全過程動(dòng)態(tài)分析, 分析并得到先壓樁對(duì)后壓樁遮攔效應(yīng)的作用機(jī)制.

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)所用模型箱尺寸為600 mm×290 mm×400 mm (長×寬×高), 采用鋼框架, 四面均為透明玻璃, 便于圖像采集.為全面觀測樁周土體變形, 本試驗(yàn)采用半樁沿玻璃面壓入土體的方式, 因此模型樁設(shè)計(jì)為平頭閉口樁, 截面尺寸為30 mm×15 mm、樁長為300 mm、壁厚為1.5 mm.同時(shí), 為了模擬不同的樁壁粗糙度, 本試驗(yàn)還將兩種不同規(guī)格(180 目、360 目) 的砂紙黏貼在樁壁上.本試驗(yàn)使用萬能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載, 使用單反相機(jī)記錄壓樁過程中樁周土體變形的過程, 對(duì)樁周土位移的全過程進(jìn)行采集.此外, 考慮到成像要求, 故采用恒定速度加載且壓樁速度為1 mm/s.DIC 技術(shù)對(duì)光照條件有嚴(yán)格的要求, 分析的圖像需要有均勻的光照條件, 否則計(jì)算時(shí)會(huì)出現(xiàn)許多散斑.為了消除外界光亮對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響, 本試驗(yàn)在模型向外側(cè)架設(shè)了兩臺(tái)攝影補(bǔ)光燈.圖1 為試驗(yàn)進(jìn)行前的圖像采集系統(tǒng)布置圖.

圖1 圖像采集系統(tǒng)Fig.1 Image acquisition system

1.2 試驗(yàn)材料性質(zhì)和制備

在試驗(yàn)前需對(duì)砂土的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行測試, 包括篩析試驗(yàn)、直剪試驗(yàn)及相對(duì)密實(shí)度試驗(yàn).本試驗(yàn)采用福建標(biāo)準(zhǔn)砂, 為天然風(fēng)干砂.采用3 種不同粒徑砂土, 根據(jù)篩析試驗(yàn)結(jié)果繪制出3 種砂樣的顆粒級(jí)配曲線, 如圖2 所示.可知: 3 種砂土的平均粒徑d50分別為0.56、0.36 和0.20 mm, 因此可分為粗砂、中砂和細(xì)砂, 相應(yīng)的不均勻系數(shù)Cu分別為1.39、1.59 和1.33, 曲率系數(shù)Cc分別為0.96、0.89 和1.16, 這3 種砂土為級(jí)配不良土體.本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆兜闹睆脚c粗砂、中砂和細(xì)砂的平均粒徑比值分別為54、83 和150, 均大于40, 即可忽略粒徑效應(yīng)[20].對(duì)本試驗(yàn)中所采用的砂土進(jìn)行相對(duì)密實(shí)度試驗(yàn), 測得其最大干密度(ρdmax) 和最小干密度(ρdmin),并計(jì)算得到每種砂土的相對(duì)密實(shí)度, 結(jié)果如表1 所示.可以看出, 不同砂土的相對(duì)密實(shí)度基本相同.采用氣動(dòng)直剪儀對(duì)試驗(yàn)土體進(jìn)行直剪試驗(yàn), 發(fā)現(xiàn)細(xì)砂、中砂和粗砂的內(nèi)摩擦角分別為25.3?、31.0?以及33.9?.

表1 砂土相對(duì)密實(shí)度Table 1 Relative compactness of the sandy soil

圖2 砂土顆粒級(jí)配曲線Fig.2 Gradation curves of the sandy soil particles

1.3 試驗(yàn)方案

本工作共進(jìn)行了7 組試驗(yàn), 各組試驗(yàn)情況如表2 所示, 其中D=30 mm.為保證試驗(yàn)結(jié)果的可重復(fù)性, 模型箱中的試驗(yàn)砂樣采用分層鋪設(shè)的方式進(jìn)行制備, 即第一層鋪設(shè)10 cm, 之后每層高5 cm, 共6 層35 cm 高.為了控制每組試驗(yàn)的相對(duì)密實(shí)度基本相同, 需根據(jù)表1 所示的“試驗(yàn)中砂土密度” 控制3 種砂土的量, 即鋪設(shè)前先計(jì)算好每層土體的體積并稱量相應(yīng)的土體質(zhì)量.采用落雨法將干砂裝入模型箱內(nèi), 落雨高度為50 cm.每層裝填完畢后, 壓平并用重物擊實(shí).等砂樣全部鋪設(shè)完畢后靜置4 h, 使土體內(nèi)部各向應(yīng)力分布均勻.之后, 在模型箱上布置導(dǎo)軌系統(tǒng)以保證樁體可以垂直壓入砂土中, 并將樁體安裝到指定位置.在模型箱外固定位置架設(shè)好攝像機(jī), 調(diào)平、調(diào)整焦距, 使其達(dá)到最好的成像效果, 并進(jìn)行圖像標(biāo)定(見圖3).標(biāo)定完成后, 打開圖像采集系統(tǒng)和加載系統(tǒng)開始試驗(yàn).

表2 試驗(yàn)工況Table 2 Test conditions

圖3 室內(nèi)模型試驗(yàn)Fig.3 Indoor model test

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

張建新等[21]在多根樁體壓入過程中, 將土體位移根據(jù)響應(yīng)模式的不同分為了3 個(gè)區(qū)域(見圖4): 1 區(qū)遮攔區(qū)的土體位移區(qū)別于單樁壓入過程, 該區(qū)域受先壓樁的遮攔效應(yīng)十分明顯;2 區(qū)為雙樁相互影響區(qū), 該區(qū)域側(cè)向位移也受到影響, 雖然曲線形狀與單樁類似, 但該區(qū)域的位移小于先壓樁; 3 區(qū)為后壓樁影響區(qū), 與單樁相比差別不大.

圖4 后壓樁壓入示意圖Fig.4 Diagram of the post-pressure pile press-in

2.1 不同樁間距對(duì)遮攔效應(yīng)的影響分析

不同樁間距(Sa) 指的是雙樁樁壁之間的距離.本工作中的壓樁深度為8.3D, 模型箱長度為20D.當(dāng)選擇樁間距為3D時(shí), 后壓樁樁壁距模型箱邊界距離為7.5D.姜赟等[22]得出沉樁擠土的徑向影響范圍約為7D, 因此本工作選擇3D為最大的樁間距, 以避免邊界效應(yīng).當(dāng)黏貼砂紙為180 目, 砂土粒徑為0.56 mm 時(shí), 研究了樁間距(Sa) 分別為1D、2D、3D時(shí)的遮攔效應(yīng), 結(jié)果如圖5 所示.圖5(a) 為后壓樁壓入250 mm 深度時(shí)相對(duì)于初始時(shí)刻得到的累積水平位移云圖, 規(guī)定累積水平位移遠(yuǎn)離樁體表面為正.圖5(b) 為位移矢量圖, 箭頭長度代表位移的大小, 箭頭方向代表位移的方向.以圖5(a) 為例, 對(duì)同一樁間距下后壓樁對(duì)稱土體的水平位移進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn): 1 區(qū)、2 區(qū)土體的水平位移相比3 區(qū)的絕對(duì)值更小, 說明先壓樁對(duì)后壓樁的土體位移產(chǎn)生了遮攔效應(yīng); 2 區(qū)土體水平位移的最大值影響范圍為深度50～300 mm, 而3 區(qū)為深度100～300 mm, 說明2 區(qū)土體位移擾動(dòng)范圍更廣.這是由于2 區(qū)土體受到擠壓, 在先壓樁的遮攔效應(yīng)下被迫發(fā)生更劇烈的縱向位移.而在不同樁間距下, 樁間距越小, 則1 區(qū)土體位移越劇烈; 當(dāng)樁間距為3D時(shí), 1 區(qū)土體位移幾乎為0.這說明當(dāng)樁間距為3D時(shí), 先壓樁對(duì)后壓樁的影響較小.樁間距越小, 3 區(qū)土體水平位移影響范圍越廣.這是因?yàn)樵诤髩簶冻翗哆^程中, 樁間距越小, 土體的剪脹效果越明顯.觀察圖5(b) 可以發(fā)現(xiàn): 隨著樁間距的增大, 樁間土體的位移越大, 其位移方式就與3 區(qū)越相似; 1 區(qū)土體位移隨著樁間距的增大而不斷減小, 當(dāng)樁間距為3D時(shí), 1 區(qū)土體位移幾乎可以忽略不計(jì).

圖5 不同樁間距時(shí)后壓樁壓入土體的位移Fig.5 Displacement of the post-pressure pile pressed into the soil with different pile spacing

為了呈現(xiàn)遮攔效應(yīng)對(duì)1 區(qū)土體水平位移的影響, 在先壓樁左側(cè)(1 區(qū)) 距離樁壁1D、距離地表100 mm 處設(shè)置測點(diǎn)1.同樣地, 在后壓樁右側(cè)(3 區(qū)) 設(shè)置測點(diǎn)2, 其中測點(diǎn)1 與測點(diǎn)2的位置關(guān)于后壓樁中軸對(duì)稱, 如圖6 所示.

圖6 測點(diǎn)示意圖Fig.6 Schematic diagram of the measurement points

當(dāng)深度為100 mm 時(shí), 各樁間距情況下測點(diǎn)的累積水平位移如圖7 所示, 其中點(diǎn)線代表1 區(qū)和3 區(qū)中測點(diǎn)的累積水平位移; 點(diǎn)代表3 區(qū)、1 區(qū)的差與3 區(qū)的比值.可以看出: 由于先壓樁的遮攔, 1 區(qū)和3 區(qū)土體位移的區(qū)別十分明顯; 由于樁間距的加大, 兩區(qū)域的位移值和差值都越來越小; 同一深度不同樁間距下, 1 區(qū)和3 區(qū)內(nèi)的土體水平位移差距很大; 當(dāng)樁間距為1D時(shí), 1 區(qū)測點(diǎn)的最終水平位移相比3 區(qū)減小0.6 mm, 總體衰減幅度為47%; 當(dāng)樁間距為2D時(shí),1 區(qū)測點(diǎn)的最終水平位移相比3 區(qū)減小0.3 mm, 總體衰減幅度約為38%; 當(dāng)樁間距為3D時(shí),1 區(qū)和3 區(qū)的位移都很小, 1 區(qū)的衰減值約為0.2 mm, 總體衰減幅度約為25%; 樁間距越小,則總體衰減趨勢越明顯, 先壓樁的遮攔效應(yīng)越顯著; 當(dāng)樁間距為3D時(shí), 1 區(qū)和3 區(qū)的水平位移曲線十分相似, 因此可以認(rèn)為當(dāng)樁間距大于3D時(shí), 先壓樁對(duì)水平位移的遮攔效應(yīng)影響很小.

表3 不同樁間距時(shí)先壓樁樁體的位移Table 3 Initial-pressure pile displacement with different pile spacing

圖7 不同樁間距時(shí)1 區(qū)和3 區(qū)測點(diǎn)水平位移對(duì)比Fig.7 Comparisons of horizontal displacement of measurement points in Zone 1 and Zone 3 with different pile spacing

為了更直觀地反映不同樁間距對(duì)鄰樁遮攔效應(yīng)的影響, 本工作對(duì)不同樁間距情況下的水平位移衰減幅度進(jìn)行了線性擬合, 結(jié)果如圖8 所示.可以發(fā)現(xiàn): 擬合直線的R2為0.991 76, 說明線性擬合效果較好; 當(dāng)樁間距為6D時(shí), 水平位移衰減幅度接近于0, 可以推測當(dāng)樁間距達(dá)到6D以后, 先壓樁對(duì)后壓樁基本沒有遮攔效應(yīng).

圖8 不同樁間距時(shí)水平位移衰減幅度擬合Fig.8 Fitting of horizontal displacement attenuation amplitude with different pile spacing

在后壓樁沉樁過程中, 先壓樁會(huì)影響周圍土體的位移, 同時(shí)土體的位移也會(huì)對(duì)先壓樁的樁體造成影響.為了探究先壓樁體的位移大小, 在樁身和樁底部各選擇一個(gè)標(biāo)記點(diǎn), 將后壓樁壓入前和壓入后的兩張照片進(jìn)行對(duì)比, 得出標(biāo)記點(diǎn)X1、X2(標(biāo)記點(diǎn)見圖6) 在水平和豎直方向上位移的像素個(gè)數(shù), 再乘以像素本身的實(shí)際標(biāo)定值便可得到X1、X2實(shí)際水平位移及樁體的上浮量, 結(jié)果如表3 所示, 其中規(guī)定樁體向左移動(dòng)為正, 向右移動(dòng)為負(fù), 向上移動(dòng)為正, 向下移動(dòng)為負(fù).

由表3 可以發(fā)現(xiàn): 隨著后壓樁的壓入, 先壓樁產(chǎn)生的水平位移、傾斜角度以及上浮量均隨著樁間距的增大而減小, 說明后壓樁對(duì)先壓樁的影響隨著樁間距的增大而減小, 因?yàn)樵诤髩簶秹喝脒^程中, 后壓樁周圍土體會(huì)發(fā)生明顯的擠壓剪脹作用, 隨著土顆粒之間的應(yīng)力傳遞, 先壓樁受到不同方式(水平位移、傾斜角度及上浮量) 的影響, 且隨著樁間距的增大, 應(yīng)力傳遞作用減弱導(dǎo)致對(duì)先壓樁的影響減小; 樁體下部的水平位移相比上部變化程度較小, 因?yàn)橄虏客馏w自重應(yīng)力較大, 限制了先壓樁底部的位移.

2.2 不同粒徑對(duì)遮攔效應(yīng)的影響分析

為了更直觀地探究不同粒徑砂土對(duì)后壓樁壓入時(shí)遮攔效應(yīng)的影響, 保持樁壁粗糙度(黏貼有180 目砂紙) 以及樁間距Sa為2D不變, 只改變砂土的平均粒徑(d50=0.20、0.36、0.56 mm).圖9 為后壓樁壓入深度為250 mm 處, 不同粒徑砂土中的累積水平位移云圖和位移矢量圖.在不同粒徑情況下, 以0.1 mm 等值線為邊界, 1 區(qū)土體的水平輻射范圍均至先壓樁體外側(cè)大約3D處, 說明粒徑大小與先壓樁對(duì)1 區(qū)土體水平位移的影響不明顯.但砂土粒徑越大, 則樁體壓入后樁側(cè)土體的位移絕對(duì)值也越大.從圖9(b) 可以看出, 平均粒徑為0.20 mm的砂土受到樁體壓入影響的范圍更大一些, 位移則小于0.36、0.56 mm 粒徑砂土.

圖9 不同粒徑時(shí)后壓樁壓入土體的位移Fig.9 Displacement of post-pressure pile pressed into the soil with different particle sizes

為了分析遮攔效應(yīng)對(duì)1 區(qū)土體位移的影響, 對(duì)不同粒徑砂土中先壓樁體的遮攔效應(yīng)進(jìn)行研究.同樣取圖6 中的兩個(gè)測點(diǎn), 提取出該位置處的水平位移, 結(jié)果如圖10 所示.可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)樁間距為2D時(shí), 平均粒徑為0.56、0.36、0.20 mm 的砂土水平位移的衰減幅度都十分相似,因此認(rèn)為在同一樁間距下粒徑對(duì)水平遮攔效應(yīng)的影響很小.

圖10 不同粒徑時(shí)1 區(qū)和3 區(qū)測點(diǎn)水平位移對(duì)比Fig.10 Comparisons of horizontal displacement of measurement points in Zone 1 and Zone 3 with different particle sizes

表4 列出了不同粒徑情況下先壓樁樁體的位移.可以發(fā)現(xiàn): 同一樁間距情況下, 土體粒徑越小, 樁體產(chǎn)生的水平位移和樁體上浮量也越小, 傾斜角度隨粒徑減小而增大; 不同粒徑樁體下部的水平位移相對(duì)上部變化程度較小, 這主要是因?yàn)橄虏繕扼w埋深大從而受到的影響較小.

表4 不同粒徑時(shí)先壓樁樁體的位移Table 4 Initial-pressure pile displacement with different particle sizes

2.3 不同樁壁粗糙度對(duì)遮攔效應(yīng)的影響分析

為了探究不同樁壁粗糙度對(duì)遮攔效應(yīng)的影響, 控制0.56 mm 粒徑和2D樁間距不變, 改變樁壁粗糙度, 即黏貼180 目、360 目砂紙及不黏貼砂紙.圖11 為各工況壓樁深度為250 mm 時(shí)的累積水平位移云圖和位移矢量圖.

圖11 不同樁壁粗糙度時(shí)后壓樁壓入土體的位移Fig.11 Displacement of post-pressure pile pressed into the soil with different pile wall roughness

對(duì)比觀察水平位移云圖可以發(fā)現(xiàn): 1 區(qū)的水平位移影響范圍和位移絕對(duì)值大小隨著樁壁粗糙度的增大而變小, 但較大位移都集中在先壓樁左側(cè)約1.7D內(nèi); 2 區(qū)土體內(nèi)的水平位移隨著樁壁粗糙度的增大而增大; 3 區(qū)土體的水平位移影響范圍和位移大小隨著樁壁粗糙度的增大而增大.雖然從云圖上看, 不同樁壁粗糙度的樁周土體在3 區(qū)的影響范圍有所區(qū)別, 但從矢量圖上看影響范圍集中在樁外側(cè)約3.3D內(nèi), 1 區(qū)內(nèi)土體位移影響的區(qū)別也十分微小.

為了分析遮攔效應(yīng)對(duì)1 區(qū)土體位移的影響, 對(duì)不同樁壁粗糙度下先壓樁樁體的遮攔效應(yīng)進(jìn)行研究.同樣取圖6 中的兩個(gè)測點(diǎn), 提取出該位置處的水平位移, 結(jié)果如圖12 所示.可以看出: 當(dāng)黏貼有180 目、360 目砂紙和沒有黏貼砂紙的樁體壓入后, 總體衰減幅度分別約為38%、32% 和22%; 不同粗糙度的樁壁所造成的衰減幅度隨著樁壁粗糙度的降低而不斷減小.這說明樁壁越光滑, 遮攔效應(yīng)越小.

圖12 不同樁壁粗糙度時(shí)1 區(qū)和3 區(qū)測點(diǎn)水平位移對(duì)比Fig.12 Comparisons of horizontal displacement of measurement points in Zone 1 and Zone 3 with different pile body roughness

表5 列出了不同樁壁粗糙度情況下先壓樁樁體的位移.可以看出: 樁壁粗糙度不同, 先壓樁樁體的位移差距比較明顯; 相比沒有黏貼砂紙較為光滑的樁壁, 黏貼有砂紙的相對(duì)粗糙的樁壁造成的先壓樁樁體傾斜角度、樁體位移以及樁體上浮量更大.這是因?yàn)榇植跇侗诮佑|面造成的樁間水平位移更大, 樁間土體的砂土顆粒對(duì)先壓樁樁體的擠壓也更明顯.

表5 不同樁壁粗糙度時(shí)先壓樁樁體的位移Table 5 Initial-pressure pile displacement with different pile body roughness

3 結(jié)束語

本工作基于模型試驗(yàn)和DIC 技術(shù), 從樁間距、砂土粒徑、樁壁粗糙度3 個(gè)影響因素出發(fā),研究了先壓樁對(duì)后壓樁產(chǎn)生的遮攔效應(yīng), 得出以下幾點(diǎn)結(jié)論.

(1) 后壓樁沉樁過程中, 先壓樁對(duì)后壓樁產(chǎn)生遮攔效應(yīng), 且1 區(qū)土體遮攔效應(yīng)最為明顯, 同時(shí)土體的位移也會(huì)對(duì)先壓樁的樁體位移造成影響.

(2) 后壓樁樁體兩側(cè)的樁周土體位移對(duì)稱于樁體, 但受到鄰樁的遮攔, 后樁樁體左側(cè)(1 區(qū)) 土體的位移發(fā)生了十分復(fù)雜且與樁體右側(cè)(3 區(qū)) 土體完全不同的變化.當(dāng)樁間距為1D、2D、3D時(shí), 總體衰減幅度分別約為47%、38%、25%, 說明樁間距越小鄰樁對(duì)后壓樁擠土效應(yīng)的遮攔效應(yīng)越明顯.

(3) 通過對(duì)不同樁間距水平衰減幅度擬合可以發(fā)現(xiàn), 當(dāng)樁間距達(dá)到6D以后, 先壓樁對(duì)后壓樁基本沒有遮攔效應(yīng).平均粒徑為0.56、0.36、0.20 mm 的砂土水平位移的衰減幅度都十分相似, 說明在同一樁間距下粒徑對(duì)水平遮攔效應(yīng)影響很小.

(4) 黏貼有180 目、360 目砂紙和沒有黏貼砂紙的樁體壓入后, 總體衰減幅度分別約為38%、32% 和22%.不同粗糙度的樁壁所造成的衰減幅度隨著樁壁粗糙度的降低而不斷減小,說明樁壁越光滑, 遮攔效應(yīng)越小.

(5) 樁體移動(dòng)主要分為3 個(gè)部分, 樁體的水平位移、樁體傾斜角以及樁體的上浮量.不同樁間距情況下, 這三者隨著樁間距的增大而減小.在不同粒徑情況下, 粒徑小的砂土中先壓樁樁體的水平位移和上浮量越小, 傾斜角越大.在不同樁壁粗糙度情況下, 先壓樁樁體的位移差距比較明顯, 樁壁越粗糙, 則樁體的水平位移、傾斜角以及上浮量就越大.相比沒有黏貼砂紙較為光滑的樁壁, 黏貼有砂紙的相對(duì)粗糙的樁壁造成的樁體位移更大.

(6) 本工作通過全過程動(dòng)態(tài)分析, 探討了先壓樁對(duì)后壓樁遮攔效應(yīng)的作用機(jī)制以及后樁壓入迫使先壓樁發(fā)生上浮及傾斜等情況.試驗(yàn)結(jié)果對(duì)工程中樁基礎(chǔ)的承載力和穩(wěn)定性研究有一定的參考意義.