土與結構相互作用的細觀特性分析

傅浙遠 王釩羽 崔 華 陳良平 金博峰

（鄭州大學，河南 鄭州 450000）

由于建筑行業的快速發展，高層建筑物越來越高，對于基礎的要求也越來越高，樁基礎因其能提供更高的承載力，成為目前常用的基礎形式，但是樁的沉降會對土體造成強烈擾動，影響地下及地上建筑物和周圍環境。了解沉樁過程中土的變形過程，成為發展樁基沉降的重要一環。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，對周圍土的應力應變產生影響，周圍土體產生變形，破壞周圍建筑物和環境，在軟土，密實砂土等不同環境中，樁端阻力，承載力發生變化，土體結構破壞，強度降低，產生液化等嚴重現象。查閱資料。許多學者對沉樁擠土作用機理進行研究，得到了樁土土體的位移場，我們用加載系統進行沉樁，對靜壓樁在標準沉砂過程中平面進行試驗，得到了一系列圖像，處理圖像分析數據得到了不同階段的位移場，為研究樁土相互作用提供了新的方法和可靠數據。

2）國內外研究現狀。沉樁理論的研究從70年代就已經開始，國內外領域已經對沉樁過程中應力變化，土體地基承載力和附近變形場做了大量研究歸納為以下幾種方法：（1）滑移線理論；（2）圓孔擴張理論；（3）空間柱形孔擴張的解析理論；（4）應變路徑法；（5）有限單元法。

3）研究目的及意義。土與結構的相互作用是巖土工程中普遍存在的力學問題。土與結構相互作用的深入認知，有助于土與結構界面受力及結構承載性能的確定，以及結構承載作用對土體受力變形的影響分析。

目前，土與結構相互作用研究成果主要表現為宏觀力學行為的基本規律，對于土與結構界面相互作用的細觀特性，研究較少，認知不清，這不利于進一步探究土與結構相互作用的力學機理。所以通過本試驗為樁基礎的發展提供數據支撐，為超高層建筑物提供重要保障。

2 實驗探索

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

2）實驗裝置與儀器。（1）模型箱與模型樁。模型箱為長方體，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。如圖1.1所示。兩根模型樁均采用亞克力材料制成，模型半模樁樁長分別為30cm和18cm，樁徑D=5.8cm，樁端形式為平頭直角。（2）實驗運用的PIV系統。本次試驗所采用的PIV測量系統包括硬件系統和軟件系統，硬件系統包括高速相機、圖像采集系統、泛光燈等；軟件系統包括PFC模擬軟件。在實驗時會用攝像機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單方便的杠桿對樁加豎向荷載方式，如圖1.1所示，主體為杠桿（8）和支架（5），在杠桿另一端所設置的托盤（9）為加荷來源，在杠桿中間部分有可轉動豎桿（11），平衡約束桿（12）用來防止可轉動豎桿橫向位移并安裝有滑輪不會妨礙豎桿向下移動。

圖1.1 模型試驗裝置

3）試驗方案與步驟。本文采用PIV測量系統進行沉樁過程圖片的采集，加載系統進行沉樁，對靜壓樁在標準砂沉樁平直面進行試驗，得到一系列圖像經軟件處理后得到不同階段的位移場、剪切應變場、體積應變場，并對單樁、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備。使用落雨法對模型箱進行裝砂，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落砂高度，在試驗箱正上方位置開始落砂；2.落砂過程緩慢往復式移動漏斗（漏斗類型可采用網眼式或是鴨嘴式），并根據下方砂土積累的厚度逐步調整落砂高度；3.到達填筑高度后，采用小平鏟對砂土地基表面進行細微修整。（2）實驗定量與變量。雙樁實驗中刺入樁和預埋樁間距為2D，即11.6cm。（3）沉樁及數據處理。1.實驗前應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定壓樁深度，前后移動模型箱使樁平直面貼緊模型箱。2.啟動PIV測量系統，把相機移動到模型箱前1.2m處。第一，調節相機的高度和位置，使模型箱處在鏡頭中間；第二，調節使相機鏡片與模型箱拍攝面相平行。3.對相機進行標定并設置PIV測量系統的拍照頻率和照片數目。4.進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接好并使樁在土中保持平衡靜止狀態。5.進行相機拍攝并同時將砝碼輕放到砝碼托盤上。本試驗沉樁速度不能太大，所以砝碼不能快速放置。6.完成單樁實驗后，將另一雙樁模型樁體預埋入土體，并重復上述步驟。

跟據土隨樁刺入深度變化而變化圖像的關系，分成單樁和雙樁的三個階段對樁端沉入標準砂過程中樁周土體所發生的位移場進行深度分析。

3 未來展望

1）樁基向大直徑和超長方向發展。隨超高層建筑物以及跨江、跨海等特大橋梁的建設，上部結構對樁基礎承載力后與變形的要求越來越高，使樁出現了向超長、大直徑方向發才展的趨勢。如上海環球世貿中心都應采用了樁長超過80米的鋼管樁，我國江西貴溪大橋的樁基礎直徑達到9.5米。

2）模型與數值分析。模型試驗和數值分析優勢互補，是樁土相互作用分析領域的發展方向之一。樁與土數值建模時，關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機理，因此需要針對所研究的樁型選用恰當的單元形式來描述樁與土間的接觸特性。

3）樁基礎新設計方法。樁基的設計理論不斷吸取其他學科先進成果，形成和發展了許多新的設計理論。利用建立某區域試樁數據庫和城市地層柱狀圖及巖土參數數據表進行初步設計，并利用現場測樁數據進行施工圖設計的反饋優化設計是信息化樁基設計的一個重要方向。另外，針對工程經濟效益及環境保護因素的控制，樁基的優化設計理論與方法也得到快速的發展，但目前仍在完善中。