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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(duì)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(jì)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(diǎn)方向。

針對(duì)異形樁的沉樁效應(yīng)問題，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，劉漢龍[1－2]、雷華陽(yáng)[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(chǎng)沉樁擠土效應(yīng)試驗(yàn)，測(cè)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(shí)例，基于數(shù)值軟件對(duì)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(jì)算方法，并與常規(guī)圓形樁進(jìn)行了對(duì)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(jì)算方法，并對(duì)沉樁阻力進(jìn)行估算分析。在模型試驗(yàn)方面，周火垚[7]、張可能[8]等基于常規(guī)室內(nèi)模型試驗(yàn)手段，分別針對(duì)楔形樁沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，分析了不同楔形角情況下沉樁對(duì)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(yàn)，得到的是有限的離散點(diǎn)的位移，而不是整個(gè)位移場(chǎng)；同時(shí)由于測(cè)試元件的埋設(shè)受樁體、周圍土體等影響較大，通常會(huì)影響整體模型試驗(yàn)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(diǎn)，通過追蹤示蹤點(diǎn)的位移來測(cè)量樁周土體的位移場(chǎng)，但是得到的位移場(chǎng)反映的僅是土體內(nèi)部有限的離散點(diǎn)的位移，且示蹤點(diǎn)的布置費(fèi)時(shí)費(fèi)力。White等[10]采用PIV技術(shù)及圖像測(cè)量技術(shù)對(duì)砂土中半模樁沉樁效應(yīng)的半模試驗(yàn)進(jìn)行了研究，測(cè)定了半樁沉樁過程中的整個(gè)位移場(chǎng)。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(yàn)整個(gè)變形場(chǎng)的變化規(guī)律和在大型振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)中邊坡變形直至破壞的完整過程?？拙V強(qiáng)等[13]針對(duì)透明土材料的力學(xué)特性開展了試驗(yàn)研究，并與標(biāo)準(zhǔn)砂的力學(xué)特性進(jìn)行了對(duì)比分析。Ni[14]、佘躍心[15]等基于透明土材料和PIV技術(shù)對(duì)等截面樁的沉樁擠土效應(yīng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)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(cè)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(yàn)方法上，而基于透明土材料和PIV技術(shù)對(duì)楔形樁的沉樁效應(yīng)的研究相對(duì)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(yàn)，測(cè)得沉樁過程中樁周土體的位移場(chǎng)變化規(guī)律；同時(shí)進(jìn)行等截面樁的沉樁模型試驗(yàn)，并對(duì)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(duì)比分析，續(xù)而針對(duì)基于常規(guī)試驗(yàn)手段的靜壓楔形樁沉樁模型試驗(yàn)、圓孔擴(kuò)張理論計(jì)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(yàn)所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。

2 模型試驗(yàn)概況

2.1 模型試驗(yàn)裝置

本文所采用的模型試驗(yàn)裝置由光學(xué)平臺(tái)、激光器、線性發(fā)生器、CCD相機(jī)、沉樁加載儀、計(jì)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(chǎng)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(dú)特散斑場(chǎng)，通過CCD相機(jī)成像處理而獲得。光學(xué)平臺(tái)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(cè)計(jì)，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(jì)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(yàn)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(zhǎng)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(diǎn)，用于測(cè)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(zhǎng)為48 mm，楔形角為1°，底部樁徑為5.4 mm；等截面樁樁長(zhǎng)為48 mm，樁徑為6.4 mm。模型樁實(shí)物圖及尺寸示意圖如圖2所示。

圖2 模型樁實(shí)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(duì)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(wàn)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(hào)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(shí)物圖及透明土調(diào)制完成后的實(shí)物圖如3所示。本試驗(yàn)采用的相對(duì)密實(shí)度為50%，其室內(nèi)直剪試驗(yàn)內(nèi)摩擦角為37.3°（干樣）和38.3°（油樣）。

圖3 透明土材料實(shí)物圖Fig.3 Photographs of transparent soils

2.4 模型試驗(yàn)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(diǎn)，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(duì)比試驗(yàn)，具體模型試驗(yàn)工況見表1。

表1 模型試驗(yàn)工況Table 1 Conditions of model tests

3 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 位移矢量圖

通過PIV View2軟件對(duì)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(shí)，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(duì)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(shì)可以看出，兩者位移都呈現(xiàn)典型的柱孔擴(kuò)張模式。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，樁端下沉1D 時(shí)，在靠近樁端底部處楔形樁樁周土體位移相對(duì)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(shí)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(shí)，樁周土體的位移矢量圖如圖5所示。在樁端底部，形成一個(gè)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(duì)于平底樁貫入，在樁端底部相對(duì)固定區(qū)域會(huì)形成“鼻錐”區(qū)域。對(duì)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(yàn)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(duì)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(zhǎng)度方向的變化有關(guān)。同時(shí)，由于測(cè)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(chǎng)較為模糊，并未能真實(shí)地反映此處位移。

圖5 L=0到7.5 D 時(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)結(jié)果驗(yàn)證與分析

為了驗(yàn)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(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性，將本文試驗(yàn)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(yàn)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(yàn)手段的楔形樁沉樁模型試驗(yàn)結(jié)果、周航等[6]開展的基于圓孔擴(kuò)張理論的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)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(duì)于等截面樁，本文試驗(yàn)值與其他方法規(guī)律接近。但在靠近樁身1D 處，本文試驗(yàn)值與Ni等[14]試驗(yàn)值均偏小，這可能與樁身處散斑場(chǎng)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(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈反光，尤其是等截面樁，影響其散斑場(chǎng)效果。但在(2～4)D 處，本文試驗(yàn)值偏大，這可能與土體性質(zhì)有關(guān)，本文試驗(yàn)所采用的透明土性質(zhì)接近砂土。

對(duì)于楔形樁，本文試驗(yàn)值與其他方法符合較好，在(2～4)D 處試驗(yàn)值相比理論解稍有偏大。對(duì)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(shí)際施工過程中應(yīng)引起重視，避免對(duì)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(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了楔形樁沉樁過程中樁周土體位移的可視化。

（2）對(duì)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(shí)由于各自樁型特點(diǎn)，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(duì)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(yàn)中存在的尺寸效應(yīng)及激光散斑場(chǎng)清晰度等，還需要進(jìn)一步研究以減小其對(duì)試驗(yàn)的影響。

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