圓孔擴張理論實驗驗證裝置

康　杰，孫　翔，潘友純，王春輝，趙致俊，李春寶

(1.中國石油大學(華東) 山東石大科技集團，山東 東營 257061；2.中國石油大學(華東) 規劃建設處，山東 青島 266580；3.萊西市建筑總公司，山東 青島 266600；4.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018；5.中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

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圓孔擴張理論實驗驗證裝置

康杰1，孫翔2，潘友純3，王春輝4，趙致俊3，李春寶5

(1.中國石油大學(華東) 山東石大科技集團，山東 東營 257061；2.中國石油大學(華東) 規劃建設處，山東 青島 266580；3.萊西市建筑總公司，山東 青島 266600；4.西安長慶科技工程有限責任公司，陜西 西安 710018；5.中國石油大學(華東) 儲運與建筑工程學院，山東 青島 266580)

摘要：通過分析總結圓孔擴張理論在沉樁過程中擠土效應中的應用，首次提出了相關的實驗方法以及相應的實驗裝置對這些理論的正確性進行驗證。該實驗裝置制作簡單，容易操作，有無實驗經驗的人員均可對該裝置進行操作。該裝置既可用于教學演示也可用作科研驗證。通過該裝置可直觀地觀測到土體的塑性發展區及位移場變化規律，從而獲知圓孔擴張對土體的擠密效應，通過實驗的方法驗證圓孔擴張理論在土體擠密效應中的理論推導。

關鍵詞：圓孔擴張；實驗裝置；位移場；擠密效應

沉樁過程中的擠土效應是經常遇到的工程問題，在地基處理過程中，可以利用樁的擠土效應擠密土體，改善土體的工程性質，例如，擠密樁[1-2]。靜壓樁沉樁過程中樁周土體受到沉樁水平擠壓應力和豎向剪切應力作用，土體物理力學性質會發生很大的變化，沉樁過程中樁周土體位移場分布隨著土性而異；而灌注樁在完全硬化之前，在混凝土自重應力的作用下，對樁周土體也有一定的擠密作用[3-4]。目前，國內外對于擠土樁擠土效應的分析，以圓孔擴張理論應用最為廣泛[5-7]。

圓孔擴張理論在巖土工程的應用中，都是在理論上進行推導得到一系列的公式后進行數值模擬驗證，迄今為止沒有任何的實驗方法以及相應的實驗裝置對該理論的正確性進行驗證。針對上述缺陷，提出了一種圓孔擴張理論位移場測試裝置及實驗方法。使用該圓孔擴張位移場測試裝置能更加直觀地觀測到土體的位移變化規律，從而獲知圓孔擴張對土體的擠密效應，通過實驗的方法驗證傳統圓孔擴張理論的理論推導。

1圓孔擴張理論實驗驗證裝置實驗機理

灌注樁對樁周土體的擠密作用是由混凝土在完全硬化之前的自重應力產生的。本實驗裝置通過水柱的自重應力來模擬灌注樁的流態混凝土對樁周土體的擠密作用，并且可通過加壓系統來控制水柱對土體的水平向的擠壓力。為精確地模擬現實工況，本裝置在包裹水柱的氣囊外部粘有剛度較大的剛度條，以達到均勻擠擴的目的。通過在水柱周圍分層布置彩色土體形成的明顯界限來觀察土體的位移場變化，然后通過設置在裝置上方的刻度盤來讀取土層的位移和變形，并計算出土體的彈塑性區，將其結果與圓孔擴張理論的推導公式進行對比驗證。

2圓孔擴張理論實驗驗證裝置

圓孔擴張理論位移場測試裝置(見圖1)主要包括擠擴環境箱、上覆蓋板、氣囊、土體分隔布置器及彩色土體。上覆蓋板固定在擠擴環境箱的上表面，氣囊安裝在擠擴環境箱內，且氣囊中心線與擠擴環境箱中心線重合。

圖1　圓孔擴張理論實驗驗證裝置示意圖

擠擴環境箱及上覆蓋板均由有機玻璃制成，以便于觀察土體的位移，擠擴環境箱為帶有底盤而上部開有小孔的透明容器；上覆蓋板為圓形，直徑與擠擴環境箱的底盤相同；在上覆蓋板中心位置開有上下貫穿的導管孔；以上覆蓋板的中心為圓心刻有精度為毫米的環形刻度線，用以精確計算土體的位移和變形量(見圖2)。

圖2　上覆蓋板示意圖

氣囊(見圖3和圖4)為密閉結構，主要包括氣囊外層、剛度條、氣囊內層、充氣導管和氣囊外層。氣囊內層及充氣導管均由彈性較好的橡膠材料制成；氣囊內層為柱形囊體結構，其上部粘結有充氣導管；充氣導管為圓管狀且直徑與導管孔直徑大小相同，實驗時充氣導管通過充導管孔；氣囊內層外表面均勻的粘貼有剛度條(見圖5)，剛度條為剛度較大的鋼條；剛度條的外側包有氣囊外層，氣囊外層與剛度條自由接觸；彩色土體為顏色互不相同的土體環，環厚為20 mm，實驗時相鄰的土環顏色不同。

圖3　氣囊示意圖

圖4　氣囊橫斷面示意圖

圖5　氣囊內層與剛度條示意圖

土體分隔布置器主要由分隔壁、分隔室及連梁組成，土體分隔布置器的高度與擠擴環境箱的內側高度相同，且其外徑與擠擴環境箱的內徑相同(見圖6)。

圖6　土體分隔布置器結構示意圖

分隔壁為厚度0.5 mm的鐵板焊接圍成的薄壁圓桶，分隔壁的直徑由內向外依次等量增大，最內側分隔壁的內徑與氣囊外層的外徑相同，相鄰的分隔壁直徑差為20 mm，所有的分隔壁通過頂部的連梁相互連接，連梁是截面形狀為矩形的鐵條，連梁與分隔壁之間焊接；分隔室是由2個相鄰的分隔壁圍成的空間。

3圓孔擴張理論實驗驗證裝置操作步驟

圓孔擴張理論實驗驗證裝置操作步驟如下。

1)通過充氣導管向氣囊中充入水，使氣囊處于自然大小狀態，將氣囊的充氣導管做好密封，將充滿氣體或水的氣囊放入擠擴環境箱內，使氣囊中心線與擠擴環境箱的中心線重合。

2)將土體分隔布置器放入擠擴環境箱中，向分隔室灌入彩色土體，相鄰的分隔室中的土體顏色互不相同，待所有的分隔室灌滿土后，緩慢地將土體分隔布置器垂直向上提出。

3)將上覆蓋板固定在擠擴環境箱的上表面，將帶有刻度線的一面朝上，注意將充氣導管穿過導管孔。

4)將相機用支架固定在上覆蓋板的正上方，并將攝像頭朝下，設置好相機拍攝間隔時間，用來記錄彩色土體的位移和變形。將充氣導管與充壓泵連接牢靠后，解除充氣導管的密封，向氣囊中充入水，達到預定壓強后停止。

5)實驗結束后，從數碼相機拍攝的照片中讀出各層土的厚度，與實驗前的厚度對比算出差值，即可得到各層土體的變形、位移發展規律，從而獲得圓孔擴張對土體的擠擴效應。將數據處理結果帶入圓孔擴張理論的彈、塑性發展區計算公式，進行對比驗證。

通過控制氣囊中水壓力即可得到不同壓力作用下周圍土體的位移場變化。

4結語

通過分析總結相關學者針對圓孔擴張理論在沉樁過程中擠土效應中的應用研究，首次提出了相應的實驗方法以及實驗裝置對該理論的正確性進行驗證，通過該實驗裝置可直觀地觀測到土體的位移場變化規律，從而獲知圓孔擴張對土體的擠密效應，通過實驗的方法驗證了傳統圓孔擴張理論在擠密效應中的理論推導。

參考文獻

[1] 沈鳳友,姜鋒.靜壓樁擠土效應研究綜述[J].江蘇建筑,2006(3):52-55.

[2] 胡偉,劉明振.非飽和土中球形孔擴張的彈塑性分析[J].巖土工程學報,2006,28(10):1292-1297.

[3] 尉良平.高性能混凝土力學性能研究[J].新技術新工藝,2015(5):120-122.

[4] 高穎.高等數學在工程測量技術中的應用研究[J].新技術新工藝,2014(11):52-54.

[5] 劉裕華,陳征宙,彭志軍,等.應用圓孔柱擴張理論對預制管樁的擠土效應分析[J].巖土力學,2007,28(10):2167-2172.

[6] 唐彤芝,趙維炳.基于圓孔擴張理論的CFG樁成樁效應計算分析[J].水運工程,2005(4):17-21.

[7] 杜明芳,肖昭然,張昭.飽和土體圓孔擴張的彈塑性解析解[J].土工基礎,2004,18(3):34-38.

責任編輯鄭練

Experimental Verification Device of Cavity Expansion Theory

KANG Jie1, SUN Xiang2, PAN Youchun3, WANG Chunhui4, ZHAO Zhijun3, LI Chunbao5

(1.Shandong Shtar Science & Technology Group in China University of Petroleum (East China), Dongying 257061, China;2.Planning and Construction Department, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China; 3.General Construction Company of Laixi, Qingdao 266600, China; 4.Xi’an Changqing Technology Engineering Co., Ltd., Xi'an 710018,China; 5.College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Abstract：By analyzing and summarizing the application of cavity expansion theory for pile driving effect of soil squeezing, Design the experimental verification device of cavity expansion theory and experimental method for the first time. This experimental verification device is simple and easy to operate, and the device can be operated with people who with or without experience. The device can be used for teaching demonstration and scientific research. It can help people visually observe plastic zone and variation of soil displacement field through the device. So the compaction effect of cavity expansion for soil is preseuted, and verify the theoretical derivation of traditional cavity expansion theory for compaction effect by experiment method.

Key words:cavity expansion, experimental verification device, displacement field, compaction effect

收稿日期：2015-07-10

作者簡介：康杰(1972-)，男，工程師，大學本科，主要從事工程的施工與設計規劃等方面的研究。

中圖分類號：TU 433

文獻標志碼:A