基于透明土材料的異形樁拔樁過程對比模型試驗①

曹兆虎，孔綱強，周航，孫學謹

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇南京 210098;2.河海大學土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

隨著地下空間的逐步開發，地鐵隧道和深基坑開挖等施工中經常面臨既有樁基礎拔除問題;而既有樁基礎拔除施工過程，又對周圍土體、構建物產生擾動影響。因此，合理評判拔樁施工對周圍土體位移場的影響，是分析樁基礎與周圍構建物施工間相互影響的關鍵。

針對地下空間開發中，樁基礎與地鐵隧道、深基坑開挖等施工之間相互影響問題，近年來國內外相關學者開展了一系列研究，并取得了一定的成果。針對地鐵隧道、深基坑開挖施工對樁基抗拔承載力影響方面，王麗等［1－2］分別基于數值分析方法和離心機模型試驗針對隧道施工對單、群樁承載力與沉降特性影響進行研究，研究結果表明，隧道開挖沉降槽空間效應明顯，1.25D范圍內，樁體附加沉降近似呈線性增長;陳錦劍等［3－5］基于離心機模型試驗方法對深基坑開挖引起樁周土體應力場變化情況，抗拔樁基承載力影響進行研究，研究結果表明，坑內土體卸荷，樁側土體有效應力降低，抗拔樁承載力下降。針對拔樁施工對地鐵隧道、深基坑穩定性影響方面，韓澤亮等［6－7］分別基于現場試驗和數值分析軟件，分析了套管法拔樁對周圍構建物的影響規律，研究結果表明，拔管過程中，水平位移約為沉降的1/10。此外，張浦陽［8］基于數值模擬軟件，分析了上拔荷載下樁靴結構的破壞模式以及上拔過程中，孔壓的變化規律。楊果林等［9］基于現場試驗，分析了擴底樁與等直徑圓形樁的承載力特性問題。

盡管針對拔樁過程對周圍構建物影響方面進行了一定研究，但是尚未發現針對開展拔樁過程對周圍土體位移場及影響范圍的可視化研究。隨著透明土材料和PIV技術的發展，White等［10］采用PIV技術對砂土中半模樁沉樁效應進行了研究，并測定了半樁沉樁過程中樁周土體得到整個位移場;Lehane等［11］利用圖像處理技術，通過追蹤透明土內部預埋的示蹤點來描述沉樁過程中樁周土體的位移場;Ni等［12］基于透明土材料和PIV技術對等直徑圓形樁的沉樁擠土效應進行了模型試驗分析;Ahmed等［13］利用相似的模型試驗，對隧道施工引起的周圍土體變形進行了研究;相關試驗結果表明:基于透明土材料和PIV技術的非插入式測試方法，可以有效分析各種巖土問題引起的土體變形并進行機理探究。透明土材料和PIV技術的聯合使用，也為拔樁過程中樁周土體位移場的可視化及其機理研究提供了技術保障。

本文基于透明土材料和PIV技術，開展擴底楔形樁(孔綱強等［14－15］)的拔樁全過程模型試驗，測得拔樁過程中樁周土體的位移場變化規律以及拔樁影響范圍;同時進行等直徑圓形樁、楔形樁的拔樁模型試驗并對比分析。基于所測得的位移場建立拔樁過程中擴底楔形樁的破壞面形式，為工程設計提供參考依據。

1 模型試驗概況

1.1 模型試驗裝置

本文所采用的模型試驗裝置包括光學平臺、大功率激光器及線性發生器、CCD高速工業相機、自動拔樁加載儀和計算機控制系統等。激光打入透明土材料內部，和透明土材料之間的相互作用產生獨特散斑場;拔樁過程中，通過CCD相機連續拍攝散斑場得到一系列圖像，后經過PIV軟件處理，追蹤這些散斑場的變化，即可得到樁周土體的整個位移場。光學平臺為鐵磁不銹鋼表面，蜂窩狀支撐內芯結構，抗振性能好;拔樁加載儀，由電機提供恒定加載速率，范圍0.1～10 mm/s，配有位移量測計，可同步記錄沉樁深度，本試驗采用2 mm/s的拔樁速率;CCD高速工業相機，分辨率1 280×960，通過計算機控制可同步記錄沉樁過程;采用PIVview2后處理軟件。拔樁過程可視化模型試驗裝置示意圖如圖1所示。

圖1 拔樁模型試驗裝置示意圖Fig.1 Schematic of pile pulling model test

1.2 模型樁及透明試驗槽的制作

本文所采用模型樁有如下3種:(1)等直徑圓形樁，其樁長為145 mm、樁徑為7.7 mm;(2)楔形樁，其樁長為145 mm、楔形角為1°，底部樁徑為5.4 mm;(3)擴底楔形樁，其樁長為145 mm、樁身楔形角為1°，楔形段底部樁徑為5.7 mm，擴大頭直徑為14.7 mm;模型樁實物圖及尺寸示意圖如圖2所示。本文所采用模型槽為長方體透明有機玻璃槽，上部開口，外邊平面尺寸為130 mm ×130 mm，壁厚5 mm，高度為260 mm。

圖2 模型樁實物圖及尺寸示意圖Fig.2 Physical and schematic diagram of model piles

1.3 透明土土樣的制備

透明土材料為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，由徐州新沂萬和礦業有限公司生產;混合油為1∶4質量比的正十二烷與15號白油;兩者折射率一致，均為1.458 5。烘烤石英砂的比重為 2.186，粒徑為 0.5 ～1.0 mm，其干樣內摩擦角約為37.3°;調配好的透明土相對密實度為49.5%，其內摩擦角約為38.3°。利用烘烤石英砂和混合油配置完成后的透明土樣實物圖如3(a)所示，圖中模型樁放置在透明模型槽中間，透明土樣長×寬×高為130 mm×130 mm×260 mm。圖3(b)為配置好的透明土與激光干涉形成的典型散斑場圖。

圖3 透明土樣實物圖和典型散斑場圖Fig.3 Physical diagram of transparent soil and model pile in model tank and typical speckle pattern picture

1.4 模型試驗工況的確定

為了更系統地了解擴底楔形樁的拔樁過程中的擾動特性，及其與常規等直徑圓形樁、楔形樁拔樁過程的異同點;本文開展了等混凝土用量楔形樁、等直徑圓形樁和擴底楔形樁的拔樁過程等3組對比試驗;具體模型試驗工況見表1所示。

表1 模型試驗工況Table 1 Conditions of the model tests in this study

1.5 模型試驗過程及注意事項

(1)模型樁上拔速率為2 mm/s，由電機提供穩定轉速，整個過程保持上拔速率不變，在上拔過程中保持樁始終垂直，斜率不大于0.5%;

(2)將CCD相機固定在相機支架上，支架固定在光學平臺上，整個過程保持支架及相機位置的固定。在相機拍攝前，調節相機鏡頭使其軸線垂直于觀察面，同時調節相機的光圈和焦距，獲得比較適合的視場，約為樁徑的12～15倍較為合適;

(3)樁上拔前，先攝取初始圖像作為參考圖像，CCD相機通過自帶軟件由計算機控制，為自動拍攝模式，拍攝間隔為1 s;

(4)試驗過程中保持所在空間光線的均勻性的穩定性，避免光線帶來的誤差，同時盡量減少外界振動帶來的影響;

(5)上拔過程完成后，將CCD相機拍攝的圖像通過PIV軟件進行后處理。

2 試驗結果與分析

2.1 樁周土體位移矢量圖

通過PIVview2軟件對樁上拔過程中拍攝的圖像進行后處理，將土體變形前后攝取的灰度圖像分割成許多網格，每一個網格稱之為Interrogation塊。將變形前任一Interrogation塊與變形后灰度圖像進行全場匹配，根據峰值相關系數確定該Interrogation塊在變形前后的位置，由此得到該塊的平均位移。對變形前所有Interrogation塊進行類似運算，就可以得到整個位移場。拔樁過程中樁周土體內部的位移可以用箭頭矢量圖來表示。以樁體從40 mm樁深上拔至30 mm樁深過程中的樁周土體擾動規律為例，等直徑圓形樁、楔形樁和擴底楔形樁樁周土體的位移箭頭矢量圖分別如圖4(a)，4(b)和4(c)所示。由圖4(a)和4(b)可知，拔樁過程中，楔形樁的樁周土體位移矢量圖與等直徑圓形樁的規律基本一致，且影響范圍也近似相同;由圖4(c)可知，拔樁過程中，擴底楔形樁的樁周土體位移矢量圖與等直徑圓形樁的規律和楔形樁的規律相差較大;這主要是由于擴大頭的存在造成的。同時，由于擴大頭的存在，擴底楔形樁中擴大頭與楔形樁身段銜接處，土體擾動較大;樁側土體下沉，當下沉的土體遇到擴大頭時，土體改變移動方向，改為傾斜向上移動，從而形成一個類似漩渦型的位移場。

圖4 拔樁過程中樁周土體位移矢量圖Fig.4 Displacement vectors around the pile under pulling process

2.2 樁周及樁端土體位移輪廓圖

以樁體從40 mm樁深上拔至30 mm樁深過程中的樁周土體擾動規律為例，等直徑圓形樁、楔形樁和擴底楔形樁樁周土體的位移箭頭矢量圖分別如圖5～圖7所示。由圖5(a)，6(a)和7(a)可知:拔樁過程中，楔形樁的樁周及樁端土體水平位移輪廓圖與等直徑圓形樁的規律基本一致，其影響范圍較等直徑圓形樁的影響范圍要稍微大一些;擴底楔形樁的樁周及樁端土體水平位移輪廓圖與等直徑圓形樁和楔形樁的規律存在一定的差異，且其影響范圍近似為等直徑圓形樁和楔形樁的影響范圍的1.5倍。由圖5(b)，6(b)和7(b)可知，拔樁過程中，楔形樁的樁周及樁端土體豎向位移輪廓圖較等直徑圓形樁的規律要小，其影響范圍也較等直徑圓形樁的影響范圍要稍微小一些;擴底楔形樁的樁周及樁端土體豎向位移輪廓圖與等直徑圓形樁和楔形樁的規律存在一定的差異，且其影響范圍近似為等直徑圓形樁和楔形樁的影響范圍的2.0倍。

基樁上拔過程中，樁端形成空腔，且樁周土體會逐漸往空腔內填充。本文試驗，可以清晰地拍攝到基樁上拔過程中，樁端空腔形成及樁周土體流體狀填入空腔的影像圖，從而實現真正的可視化試驗過程。以擴底楔形樁拔樁過程為例，基樁上拔過程中樁端空腔形成及樁周土體填充影像圖如圖8所示。由圖8可見:上拔過程中，空腔被部分填充，但沒有全部填充完整;這可能是由于本文采用混合油來制備透明土材料，從而導致調配好的透明土土體存在一定的凝聚力造成的。因此，尋找無凝聚力的溶液來調配透明土樣，從而更好的模擬砂性土，是后續科研工作的一個重要方向之一。

圖5 等直徑圓形樁樁周土體位移場輪廓圖Fig.5 Displacement field contours of pile surrounding soil of equal section pile

圖6 楔形樁樁周土體位移場輪廓圖Fig.6 Displacement field contours of pile surrounding soil of tapered pile

3 結論

(1)本文試驗條件下，擴底楔形樁的拔樁擾動范圍明顯比楔形樁、等直徑圓形樁大，其數值接近等直徑圓形樁的2.0倍;楔形樁拔樁過程中水平向位移擾動比等直徑圓形樁大，豎向位移擾動比等直徑圓形樁小。

圖7 擴底楔形樁樁周土體位移場輪廓圖Fig.7 Displacement field contours of pile surrounding soil of belled wedge pile

圖8 擴底楔形樁拔樁過程影像實物圖Fig.8 Image physical diagram of pile pulling process of belled wedge pile

(2)由于擴大頭的存在，本文試驗條件下，拔樁過程中，擴底楔形樁的樁周土體位移場與等直徑圓形樁的規律和楔形樁的規律相差較大;且在擴大頭與楔形樁身段銜接處，土體擾動較大，存在一個類似漩渦型的位移場。

(3)基于透明土材料和PIV技術，可以實現真正的可視化試驗過程;由于凝聚力的存在，本文所采用的制備透明土樣的混合油，更適合模擬黏性土;模擬砂性土的特性時，需要選用凝聚力較小的無機溶液。

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