1、第 卷第期 年月中 国 科 技 论 文 基于透明土材料的斜桩承载机理模型试验与数值模拟马强，刘霖，刘永莉，吴念泽（湖北工业大学土木建筑与环境学院，武汉 ）摘要：针对桩身倾斜影响基桩承载能力的问题，引入粒子图像测速（，）技术，设计了透明土可视化模型试验，并对砂土中单根斜桩进行了颗粒流程序（，）数值模拟，开展了斜桩承载机理研究。结果表明：在桩体微倾斜时，桩身两侧土体对其摩阻力加大；竖向承载力方面，倾斜度为、的斜桩直桩倾斜度为的斜桩；倾斜单桩桩顶水平位移随着桩身倾斜度的增加而逐渐增大；斜桩运动轨迹为沿桩身方向斜向下移动，桩体倾斜引起少量侧移；随着竖向荷载的增加，倾斜度为的斜桩的桩底端侧移不变，桩体产
2、生一个大致以桩端为圆心进行的顺时针转动，达到极限荷载时，桩基础发生破坏；不同倾斜度的单桩桩周土体扰动均为上部大于下部，桩身中部土体产生最大侧移。关键词：透明土；粒子图像测速技术；颗粒流程序；可视化；斜桩中图分类号：文献标志码：文章编号：（）开放科学（资源服务）标识码（）：，（，）：，（），（），：；（）；（）；收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）第一作者：马强（），男，教授，主要研究方向为土与结构相互作用、环境岩土、交通岩土通信作者：刘永莉，副教授，主要研究方向为地基与基础工程，斜桩已在桥梁、码头、高耸结构、海上钻井平台及大型输电线塔架等工程中得到了应用。另外，在工程实践中也有许多
3、直桩由于地质因素或施工不当导致桩身倾斜。斜桩相较于直桩，其受力机理不同，影响因素复杂，在工程实践中对斜桩承载力和变形进行评估多是凭借经验。随着工程中斜桩数量的增多，国内外学者针对斜桩工作特性开展了一系列研究，并取得了许多成果。郑刚等通过模型试验对斜桩的竖向承载力进行了研究。曹卫平等通过模型试验研究了砂土中水平受荷斜桩性状、抗拔斜桩性状、竖向受荷斜桩性状，对于认识斜桩在砂土中的承载、变形特性具有重要意义。等通过理论计算对斜桩的受力特性给出了位移数值解析解，建立了一种有限元模型，采用增量迭代法进行静力和循环荷载分析，将桩理想化为梁单元，将土理想化为弹塑性弹簧单元，给出了单桩荷载位移数值解。凌道盛等
4、 提出了适用于斜桩水平承载特性分析的修正曲线，对斜桩的承载特性进行了理论上的精准描述，获得了更准确的信息。孔纲强等 进行了黏性土层中斜单桩及斜群桩在桩周土堆载固结条件下的室内模型试验，研究了桩土相对位移及负摩阻力性状。目前研究的侧重点在桩体承载能力测试方面，桩基承载机理的分析要综合考虑桩体承载和桩土协调变形，但是在试验研究中，准确和全面测试土体内部的位移很困难，导致对桩土协调变形的信息获取有限。本文采用 技术 全面监控试验中桩周土体位移场的变化，并应用 软件建立斜桩竖向第期马强，等：基于透明土材料的斜桩承载机理模型试验与数值模拟承载模型进行加载试验，综合模型试验和数值模拟结果，分析、归纳斜桩的
5、承载机理和变形特征，为斜桩的设计和安全评估提供理论依据和指导。模型试验 可视化模型试验系统沉桩可视化模型试验系统如图所示，主要包括 高速工业相机、激光光源、全自动加载系统及计算机图像处理系统等。其中，全自动加载系统由湖北工业大学与成都东华卓越科技有限公司联合研制，采用自动静压模式，配有位移传感器及压力传感器，升 降 范 围 为 ，压 力 范 围 为 ；激 光 光 源 为 来 创 激 光 科 技 有 限 公 司 生 产 型半导体激光，激光与透明土之间的相互作用可产生独特的散斑场，在试验前，可调节激光光源的功率得到清晰的散斑场；相机为西安维视数字图像技术有限公司生产的 型 高速工业数字相机，其分辨
6、率为 ，采用帧曝光方式，帧数为，曝光时间为 ，通过自带软件 控制相机的拍摄模式及拍摄时间间隔等参数。图沉桩可视化模型试验系统 是基于图像处理的一种技术，实际过程中需要将图像坐标与物理坐标相互转化，在 分析中，图像匹配是通过图像之间建立的标准关联函数进行的，标准关联函数为（，）（，）（，）。（）式中：和分别为图像块的长和宽；为时刻图像中，某图像块中心点坐标（，）处的灰度值分布函数；为时刻图像中，该图像块中心点坐标（，）处的灰度值分布函数；和分别为和方向的位移增量。试验材料 透明土透明土由透明材料和具有相应折射率的孔隙液体合成，如图所示。所用熔融石英砂为中国徐州信义万和矿 业 有 限 公司生产，其
7、 物 理特性 指标 见表。孔隙液体为正十二烷和十五号白油按质量比配制的混合液，性质稳定，无腐蚀性。时，由阿贝折射仪测得孔隙液体的折射率为 。透明土的透明度最高可达 ，如图（）所示。图试验材料 表熔融石英砂的物理特性指标 参数数值参数数值粒径 最小干密度（）（）比重（）最大干密度（）（）均匀系数（）内摩擦角（）（）级配系数（）折射率 孔纲强等 通过三轴试验对玻璃砂透明土与标准砂土的强度特性进行了对比，得到以下结论：相同级配下，标准级配玻璃砂透明土的抗剪强度与标准砂土相近，可以用标准级配玻璃砂透明土模拟天然砂土。斜桩模型 建筑基桩检测技术规范（）定义了桩身倾斜度：当桩身整体倾斜时，桩身倾斜度为桩身
8、全长在桩端平面上投影长度与桩身实际长度的比值（）。模型试验采用的模型桩为无色透明有机玻璃材质模型桩，直径为，桩身倾斜度设置为、，如图所示。试验方案模型试验缩尺为。模型试验采用的模型槽为无色透明有机玻璃材质，模型箱中无色透明有机玻璃的折射率为 ，与透明土的折射率相同，并不能使光线发生偏折，因此完全可以达到透明效果，对试验结果产生的影响可以忽略。模型槽为立方中 国 科 技 论 文第 卷图模型桩 体，上部开口，平面尺寸为 ，壁厚为。试验方案见表。表试验方案 试验编号倾斜度桩身长度（）桩体直径（）施加荷载等级（）、试验过程中，用玻璃棒引流孔隙液体与石英砂混合，通过真空箱抽真空，桩体采取预先定位，透明土
9、总铺设厚度约为 。配制好的透明土模型如图（）、图（）所示，透明土模型与激光光源之间的独特散斑图如图（）所示。试验在暗室中进行，整个试验的室内环境温度为恒温。通过预试验，预估竖直桩体承载力为 ，根据 建筑基桩检测技术规范（），制定如下加载计划及中止加载条件：按预估竖直桩极限承载力的 分级加载。当 内桩顶沉降小于 且荷载维持时间不少于 后即可加下一级荷载，某级荷载作用下的桩顶沉降大于前一级荷载作用下的倍且 尚未稳定，或某级荷载作用下的桩顶沉降力关系曲线（曲线）尾部 出 现 明 显 的 拐 点，则 终 止 加 载。采 用 等 软 件 对 加 载 前 后 的 图 片 进 行 处理，得到位移场的矢量图和
10、等值线图。试验结果与分析 桩身倾斜度对桩顶沉降及水平位移的影响图为室内模型试验中不同倾斜度模型桩在竖向荷载作用下的桩顶荷载位移曲线。可以看出：荷载位移曲线在达到临塑荷载前呈线性变形；达到临塑荷载后，随着荷载的增加，桩顶荷载位移曲线不再图透明土模型 保持为直线，而是产生弹塑性变形；达到极限荷载后，桩顶荷载位移曲线陡直下降。图（）中标记点为不同桩身倾斜度的桩体在竖向力作用下的极限荷载。可以看出：极限荷载越大的斜桩，桩顶竖向沉降越小；倾斜度为、的模型桩的桩顶沉降明显小于直桩，但极限荷载大于直桩；倾斜度为的模型桩桩顶沉降最大，但极限荷载最小。由图（）可以看出，在相同竖向荷载作用下，斜桩桩顶水平位移随着
11、倾斜度的增加而增大，直桩不产生水平位移。图桩顶荷载位移试验曲线 第期马强，等：基于透明土材料的斜桩承载机理模型试验与数值模拟 工作荷载和破坏荷载作用下的桩端土体位移场选取桩身倾斜度为和的组试验结果进行对比，如图和图所示。位移等值线云图中，方向表示径向，方向表示沉桩深度方向，图片上方标尺为位移标尺，单位为像素。位移矢量图中箭头的大小和长度代表土体颗粒的位移大小，箭头的方向代表土体颗粒的位移方向。图工作荷载作用下桩端土体的位移等值线云图和位移矢量图 图破坏荷载作用下桩端土体的位移等值线云图和位移矢量图 由图和图可得斜桩桩端土体运动的一般规律：土体颗粒受到挤压后，桩端土体整体向斜下方移动；工作荷载下
12、，斜桩桩端左侧土体扰动范围最大；达到破坏荷载时，倾斜度为的斜桩，桩端土体扰动最大区域由左侧转移到右侧。颗粒的运动方向在一定程度上反映了颗粒的受力情况，斜桩在竖向荷载作用下的桩端运动轨迹为：受到竖向荷载时，斜桩沿桩身倾斜方向，斜向下移动；倾斜度为的斜桩在达到破坏荷载过程中，斜桩绕桩端右下角转动。数值模拟 数值模型的建立本文通过桩的二维单轴压缩试验对颗粒细观参数进行标定，宏、细观参数之间并不是一一对应的，其关系呈现出非线性。本文采用试错法以迭代的方式找出了最优解。最终数值试验获取的弹性模量和强度等参数与实际力学试验测出的结果基本吻合。建模 过 程 中 首 先 通 过 建 立 宽 度 为、高度为 的
13、模型，在其中随机生成颗粒。由于试验中的桩体是刚性桩，因此数值模拟中采用刚性簇 生成直径为 的单桩，以此满足试验要求。数值模拟基本参数见表，数值模型如图所示。表数值模拟基本参数 数值模型颗粒密度（）粒径剪切刚度（）法向刚度（）摩擦系数（）砂土颗粒 模型桩 图数值模型 数值模拟结果分析桩基的沉降机制与外加荷载的性质和桩身倾斜度有关，通过对不同桩身倾斜度的桩体施加竖向荷载进行数值模拟分析，结果如图图 所示。由图 图 可以看出：当倾斜度较小（和）时，倾斜单桩在竖向荷载作用下，桩体运动轨迹为沿桩身方向斜向下移动，产生的侧移量主要来自于桩身的倾斜度，并且随着竖向荷载的增加侧移量中 国 科 技 论 文第 卷
14、图桩顶荷载位移数值模拟曲线 图 工作荷载下桩周土体位移矢量图 图 破坏荷载下桩周土体位移矢量图 图 工作荷载作用下的桩周土体位移等值线云图 图 破坏荷载作用下的桩周土体位移等值线云图 逐渐增加，达到极限荷载时，沉降过大造成基础破坏，因桩体倾斜，桩端右侧刺入量略大于桩端左侧；当倾斜度为时，在竖向荷载作用下也产生少量的侧向移动，随着竖向荷载的增加达到极限破坏荷载，桩底侧移基本不变，桩身进行了一个大致以桩底为圆心的转动，桩端左侧土体对其失去支撑作用，桩基础发生破坏；不同倾斜度的单桩桩周土体在竖向荷载作用下受到的扰动均为上部大于下部，在桩身中部土体产生最大侧移。第期马强，等：基于透明土材料的斜桩承载机
15、理模型试验与数值模拟斜桩承载机理分析 桩身倾斜度与桩顶位移相关性分析桩身倾斜度与桩顶位移相关性分析如图 所示，可以看出：倾斜度为和的斜桩的竖向承载能力高于直桩，倾斜度为的桩体的竖向承载能力小于直桩。图 桩身倾斜度与桩顶位移相关性分析 桩周土体位移场相关性分析桩周土体位移场相关性分析如图 图 所示。图 倾斜度为的桩端位移等值线云图 图 倾斜度为的桩身位移等值线数值模拟云图 由图 和图 可以看出：桩身倾斜度为的斜桩，其竖向承载力高于竖直桩；桩端与桩侧周围土体均受到了很大的扰动，桩身倾斜使其充分发挥了桩端的承载力与桩侧的摩阻力。图 倾斜度为的桩端位移等值线云图 图 倾斜度为的桩身位移等值线数值模拟云
16、图 中 国 科 技 论 文第 卷由图 和图 可以看出，斜桩承载能力的降低主要表现为桩身、桩端承载的转移，当桩身倾斜度过大时，桩体承受外部荷载的力主要传递给桩端和桩身倾斜侧土体，而桩身左侧土体受力逐渐由桩身下半区段转移到桩身上半区段，桩端左侧土体对其失去了支撑，导致桩基础发生破坏。结论本文监测出了斜桩桩周及桩端土体颗粒的运动轨迹，为斜桩的承载机理研究提供了可视化的依据。主要结论如下：）倾斜度小于时，斜桩桩顶沉降明显小于直桩，但极限荷载大于直桩；倾斜度为的斜桩的桩顶沉降最大，但极限荷载最小。在相同竖向荷载作用下，桩顶水平位移随着倾斜度的增加而增大，直桩不产生水平位移。）倾斜度小于时，斜桩运动轨迹为沿桩身方向斜向下移动，桩体倾斜引起少量侧移，达到极限荷载时，桩基础发生破坏；倾斜度为的斜桩首先沿桩身方向斜向下移动，产生少量的侧移，随着竖向荷载的增加，桩底端侧移不变，桩体产生一个大致以桩端为圆心进行的顺时针转动，达到极限荷载时，桩端左侧土体对其失去支撑作用，桩基础发生破坏。）数值模拟中，竖向荷载作用下斜桩会产生侧向位移，且随着荷载的增加，侧向位移逐渐增大。斜桩桩周土体扰动均为上部大于下部，桩周中
