傅浙遠(yuǎn) 王釩羽 崔 華 陳良平 金博峰

（鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450000）

由于建筑行業(yè)的快速發(fā)展，高層建筑物越來越高，對(duì)于基礎(chǔ)的要求也越來越高，樁基礎(chǔ)因其能提供更高的承載力，成為目前常用的基礎(chǔ)形式，但是樁的沉降會(huì)對(duì)土體造成強(qiáng)烈擾動(dòng)，影響地下及地上建筑物和周圍環(huán)境。了解沉樁過程中土的變形過程，成為發(fā)展樁基沉降的重要一環(huán)。因此，用圖像分析砂土在不同樁間距下樁周土體的變形尤為重要。

1 研究背景

1）概述。沉樁其實(shí)就是樁在下降的過程中將周圍土擠出，排開與樁體積等量的土體，對(duì)周圍土的應(yīng)力應(yīng)變產(chǎn)生影響，周圍土體產(chǎn)生變形，破壞周圍建筑物和環(huán)境，在軟土，密實(shí)砂土等不同環(huán)境中，樁端阻力，承載力發(fā)生變化，土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低，產(chǎn)生液化等嚴(yán)重現(xiàn)象。查閱資料。許多學(xué)者對(duì)沉樁擠土作用機(jī)理進(jìn)行研究，得到了樁土土體的位移場(chǎng)，我們用加載系統(tǒng)進(jìn)行沉樁，對(duì)靜壓樁在標(biāo)準(zhǔn)沉砂過程中平面進(jìn)行試驗(yàn)，得到了一系列圖像，處理圖像分析數(shù)據(jù)得到了不同階段的位移場(chǎng)，為研究樁土相互作用提供了新的方法和可靠數(shù)據(jù)。

2）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀。沉樁理論的研究從70年代就已經(jīng)開始，國(guó)內(nèi)外領(lǐng)域已經(jīng)對(duì)沉樁過程中應(yīng)力變化，土體地基承載力和附近變形場(chǎng)做了大量研究歸納為以下幾種方法：（1）滑移線理論；（2）圓孔擴(kuò)張理論；（3）空間柱形孔擴(kuò)張的解析理論；（4）應(yīng)變路徑法；（5）有限單元法。

3）研究目的及意義。土與結(jié)構(gòu)的相互作用是巖土工程中普遍存在的力學(xué)問題。土與結(jié)構(gòu)相互作用的深入認(rèn)知，有助于土與結(jié)構(gòu)界面受力及結(jié)構(gòu)承載性能的確定，以及結(jié)構(gòu)承載作用對(duì)土體受力變形的影響分析。

目前，土與結(jié)構(gòu)相互作用研究成果主要表現(xiàn)為宏觀力學(xué)行為的基本規(guī)律，對(duì)于土與結(jié)構(gòu)界面相互作用的細(xì)觀特性，研究較少，認(rèn)知不清，這不利于進(jìn)一步探究土與結(jié)構(gòu)相互作用的力學(xué)機(jī)理。所以通過本試驗(yàn)為樁基礎(chǔ)的發(fā)展提供數(shù)據(jù)支撐，為超高層建筑物提供重要保障。

2 實(shí)驗(yàn)探索

1）實(shí)驗(yàn)概述。本實(shí)驗(yàn)探究的是樁在刺入土體過程中土體的形變及移動(dòng)情況，并采用透明模型箱進(jìn)行模擬，以便解決地下土體無法看清的情況。

2）實(shí)驗(yàn)裝置與儀器。（1）模型箱與模型樁。模型箱為長(zhǎng)方體，由亞克力材料制成尺寸為74×50×46（cm），壁厚10mm。箱外有兩圈鐵箍加固；并且加荷裝置也是以鐵箍為固定點(diǎn)。如圖1.1所示。兩根模型樁均采用亞克力材料制成，模型半模樁樁長(zhǎng)分別為30cm和18cm，樁徑D=5.8cm，樁端形式為平頭直角。（2）實(shí)驗(yàn)運(yùn)用的PIV系統(tǒng)。本次試驗(yàn)所采用的PIV測(cè)量系統(tǒng)包括硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，硬件系統(tǒng)包括高速相機(jī)、圖像采集系統(tǒng)、泛光燈等；軟件系統(tǒng)包括PFC模擬軟件。在實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)用攝像機(jī)拍攝泛光燈照射下土體的位移情況，并用軟件生成具體的分析圖象。（3）加荷裝置。加荷裝置采用了最簡(jiǎn)單方便的杠桿對(duì)樁加豎向荷載方式，如圖1.1所示，主體為杠桿（8）和支架（5），在杠桿另一端所設(shè)置的托盤（9）為加荷來源，在杠桿中間部分有可轉(zhuǎn)動(dòng)豎桿（11），平衡約束桿（12）用來防止可轉(zhuǎn)動(dòng)豎桿橫向位移并安裝有滑輪不會(huì)妨礙豎桿向下移動(dòng)。

圖1.1 模型試驗(yàn)裝置

3）試驗(yàn)方案與步驟。本文采用PIV測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行沉樁過程圖片的采集，加載系統(tǒng)進(jìn)行沉樁，對(duì)靜壓樁在標(biāo)準(zhǔn)砂沉樁平直面進(jìn)行試驗(yàn)，得到一系列圖像經(jīng)軟件處理后得到不同階段的位移場(chǎng)、剪切應(yīng)變場(chǎng)、體積應(yīng)變場(chǎng)，并對(duì)單樁、雙樁比較，以此研究沉樁過程中土顆粒位移變化。（1）制備地基及模型樁準(zhǔn)備。使用落雨法對(duì)模型箱進(jìn)行裝砂，制備地基高度為80cm，裝砂方法如下：1.控制漏斗底部與砂樣表面的距離為采取的相應(yīng)落砂高度，在試驗(yàn)箱正上方位置開始落砂；2.落砂過程緩慢往復(fù)式移動(dòng)漏斗（漏斗類型可采用網(wǎng)眼式或是鴨嘴式），并根據(jù)下方砂土積累的厚度逐步調(diào)整落砂高度；3.到達(dá)填筑高度后，采用小平鏟對(duì)砂土地基表面進(jìn)行細(xì)微修整。（2）實(shí)驗(yàn)定量與變量。雙樁實(shí)驗(yàn)中刺入樁和預(yù)埋樁間距為2D，即11.6cm。（3）沉樁及數(shù)據(jù)處理。1.實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先用用砂紙打磨后的模型樁與模型箱貼合，裝砂前先把樁壓到預(yù)定壓樁深度，前后移動(dòng)模型箱使樁平直面貼緊模型箱。2.啟動(dòng)PIV測(cè)量系統(tǒng)，把相機(jī)移動(dòng)到模型箱前1.2m處。第一，調(diào)節(jié)相機(jī)的高度和位置，使模型箱處在鏡頭中間；第二，調(diào)節(jié)使相機(jī)鏡片與模型箱拍攝面相平行。3.對(duì)相機(jī)進(jìn)行標(biāo)定并設(shè)置PIV測(cè)量系統(tǒng)的拍照頻率和照片數(shù)目。4.進(jìn)行杠桿加載裝置與樁的連接，將30cm模型樁與加荷裝置的豎向加荷桿對(duì)接好并使樁在土中保持平衡靜止?fàn)顟B(tài)。5.進(jìn)行相機(jī)拍攝并同時(shí)將砝碼輕放到砝碼托盤上。本試驗(yàn)沉樁速度不能太大，所以砝碼不能快速放置。6.完成單樁實(shí)驗(yàn)后，將另一雙樁模型樁體預(yù)埋入土體，并重復(fù)上述步驟。

跟據(jù)土隨樁刺入深度變化而變化圖像的關(guān)系，分成單樁和雙樁的三個(gè)階段對(duì)樁端沉入標(biāo)準(zhǔn)砂過程中樁周土體所發(fā)生的位移場(chǎng)進(jìn)行深度分析。

3 未來展望

1）樁基向大直徑和超長(zhǎng)方向發(fā)展。隨超高層建筑物以及跨江、跨海等特大橋梁的建設(shè)，上部結(jié)構(gòu)對(duì)樁基礎(chǔ)承載力后與變形的要求越來越高，使樁出現(xiàn)了向超長(zhǎng)、大直徑方向發(fā)才展的趨勢(shì)。如上海環(huán)球世貿(mào)中心都應(yīng)采用了樁長(zhǎng)超過80米的鋼管樁，我國(guó)江西貴溪大橋的樁基礎(chǔ)直徑達(dá)到9.5米。

2）模型與數(shù)值分析。模型試驗(yàn)和數(shù)值分析優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，是樁土相互作用分析領(lǐng)域的發(fā)展方向之一。樁與土數(shù)值建模時(shí)，關(guān)鍵是樁與土接觸面的處理問題。有的接觸面單元不能正確反映樁與土間的相互作用力學(xué)機(jī)理，因此需要針對(duì)所研究的樁型選用恰當(dāng)?shù)膯卧问絹砻枋鰳杜c土間的接觸特性。

3）樁基礎(chǔ)新設(shè)計(jì)方法。樁基的設(shè)計(jì)理論不斷吸取其他學(xué)科先進(jìn)成果，形成和發(fā)展了許多新的設(shè)計(jì)理論。利用建立某區(qū)域試樁數(shù)據(jù)庫和城市地層柱狀圖及巖土參數(shù)數(shù)據(jù)表進(jìn)行初步設(shè)計(jì)，并利用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)樁數(shù)據(jù)進(jìn)行施工圖設(shè)計(jì)的反饋優(yōu)化設(shè)計(jì)是信息化樁基設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方向。另外，針對(duì)工程經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境保護(hù)因素的控制，樁基的優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與方法也得到快速的發(fā)展，但目前仍在完善中。