1、收稿日期：；修回日期：基金项目：安徽省自然科学基金项目（）；安徽理工大学高层次引进人才科研启动基金项目（）作者简介：杨晓峰（），男，河北乐亭人，讲师，博士，主要从事土力学与地基基础方面的教学和科研工作。：通信作者：姚兆明（），男，安徽黄山人，教授，博士后，主要从事岩土体本构模型及数值分析研究。：，（）：基于 技术的冲刷条件下桩土水平变形机制杨晓峰，李 伟，姚兆明（安徽理工大学 土木建筑学院，安徽 淮南）摘 要：桩基通常深埋地下，岩土体内桩土水平变形难以通过现场试验观测。为研究水平荷载作用下桩土变形机制，考虑桩身抗弯刚度、土体密实度和冲刷坑尺寸等因素，基于粒子图像测速（）技术在砂土中开展了一系列
2、单桩水平加载模型试验，获得了桩侧土体位移、应变分布发展规律，并讨论了柔性桩和刚性桩的水平桩土相互作用模式，及局部冲刷对水平桩土相互作用的影响。结果表明：水平荷载作用下桩侧土体的位移和剪应变均是沿着水平和深度方向逐渐发展变化，因此现有桩基水平受荷分析的应变楔模型中整个应变楔内土体应变均匀发展的假定需要修正；桩身水平位移第一零点以上的桩前土体被动受压区和桩后土体主动施压区是主要的桩土相互作用区，但对于刚性短桩第一零点以下的桩土相互作用不可忽略；桩侧冲刷坑底部以上冲刷土层对降低桩土变形仍可起到一定的作用。关键词：水平受荷桩；冲刷；技术；桩土相互作用；侧向变形；砂土中图分类号：文献标志码：文章编号：（
3、），（，）：，（），：）；，），）：；第 卷 第 期长 江 科 学 院 院 报 年 月 研究背景在桥梁、近海风电和石油平台等工程中，桩基础除了要受上部结构荷载作用，还要承受由风、波浪、撞击等造成的水平荷载。水域环境中的桩基础还面临水流冲刷的威胁，冲刷引起桩侧土体侵蚀而逐步形成局部冲刷坑，不仅桩土相互作用区域发生了三维改变，冲刷后剩余土体中的应力分布状态也发生了变化，显著降低基础的水平承载性能，因此，冲刷条件下桩基的水平承载特性已成为重要的研究方向。目前冲刷对桩基的影响研究多集中在最大冲刷深度预测、冲刷机理、冲刷后基础周围地形的演变和冲刷效应引起的桩基承载力退化等方面，因桩基工程属于隐蔽性工程，
4、往往深埋地下几十到上百米，深埋于岩土体内部的桩土水平变形特性难以通过现场足尺试验观测。学者们常采用 粒 子 图 像 测 速（，）、数字图像相关（，）和数字散斑相关（，）等方法对模型试验中岩土体变形场的开展量测，从可视化角度对结构物和岩土体的相互作用机理进行研究。龚健和刘君基于 技术发现静力超载作用下不同含石量对土石混合体边坡中剪切带的发展有重要影响。王鹏鹏等结合 技术观测了平面应变试验中土体剪切带的形成与发展破坏过程。等基于 技术观测了软硬复合地层之间圆形截面隧道开挖后，围岩破坏区的演变发展过程。还有学者在透明土材料中采用图像相关分析技术对细长桩的屈曲、圆形锚板上拔和基础沉降等问题开展试验研究
5、，观测了结构物变形后对周围透明土位移矢量场的影响。水平受荷桩的内力和变形测量通常采用桩侧布置电阻式应变片、土压力传感器等方式测得，但不能获得桩侧土体变形场。等图像相关技术弥补了这方面的不足。周健等探讨了砂土中水平受荷短桩的破坏模式。等基于离心模型试验对水平循环荷载作用下黏土中半刚性桩的破坏模式进行了分析。等基于透明土材料研发了桩侧三维变形场观测系统，对桩侧三维位移场进行了分析。和 开展了基于数字图像相关分析技术的水平受荷桩离心模型试验，探讨了砂土中竖向荷载对水平受荷桩承载变形特性的影响机制。孔纲强等为研究桩身纵截面形状对桩基水平承载变形特性的影响，在透明土中开展了系列模型试验，获得了桩基水平变
6、形和桩侧受扰动土体位移场规律。目前对局部冲刷条件下水平桩土变形机制的研究鲜有报道，本文考虑桩身抗弯刚度、砂土相对密实度和冲刷坑尺寸三方面因素，基于 图像分析技术，分别开展了无冲刷和局部冲刷条件下的水平受荷桩模型试验，以揭示桩侧土体位移和应变分布发展规律，进一步阐释局部冲刷条件下的水平桩土相互作用机制。0.0 10.1102 04 06 08 01 0 0小于某粒径的土粒质量百分比/%粒径/m m图 粒径分布曲线 试验方案 试验用土试验用土为均质干细砂，粒径分布曲线如图 所示。细砂平均粒径 ，相对密度，最小干密度和最大干密度分别为 和 ，最大孔隙比和最小孔隙比分别为和。根据期望的相对密实度（松砂
7、、中密砂和密砂的 分别为、和），由式（）获得砂土干密度，即 ()。（）式中：为水的密度；、分别为土的最大和最小孔隙比。主要试验设备（）模型箱。内部尺寸长 宽 高 。模型箱侧壁有两侧为钢板，另两侧为厚度 的钢化玻璃。在模型箱钢板一侧设有可沿高度和水平方向调节的定滑轮，以便桩基水平加载。（）模型桩。试验采用半圆柱模型桩，分别由直径 和 的实心有机玻璃棒沿圆截面对称剖开而成，桩身抗弯刚度 分别为 和。根据港口工程桩基规范（），可由桩的相对刚度特征值 判定桩身特性。当桩的入土深度 时为弹性长桩，当 时为刚性桩，其他则为中长桩。可由式（）进行计算，即 ()。（）第 期杨晓峰 等 基于 技术的冲刷条件下桩
8、土水平变形机制式中、分别为比例系数和桩的换算宽度，具体见文献附录。通过计算可知直径 模型桩在松砂和中密砂中的 分别为和，即在松砂中为中长桩，在中密砂中为弹性长桩。外径 的模型桩在松砂和中密砂中的 分别为和，即在松砂和中密砂中均为刚性桩。桩前和桩后分别距模型箱侧壁至少 和（为桩身外径），以消减边界条件的影响。制作一可固定的轻质铝合金环安装在桩顶，并设计一拉环与之相连以便水平加载。（）相机。试验需采集桩侧土体变形高精度图像为后续 分析所用，采用佳能（）数码相机，该单反相机可快速自动对焦，像素可达 万。试验方案试验共分四大组，其中、组分别表示 桩（直径 ）、桩（直径 ）在无冲刷条件下松砂、中密砂和密
9、砂土样中的试验工况。、组分别为 桩、桩在冲刷条件下的试验工况，试验用土为中密砂，均考虑了两种冲刷尺寸。两模型桩的埋入桩长 均为 ，即埋置深度与桩径的比值分别为 和。加载点距冲刷前地表，具体见表。表 试验方案 试验编号模型桩密实状态冲刷深度 冲刷宽度 抗弯刚度（）松砂中密砂密砂松砂中密砂密砂中密砂中密砂 根据已有文献研究，冲刷坑形状设计成圆台体（因采用半桩模型，冲刷坑同样采用半个）。图 给出了桩侧局部冲刷条件下模型桩布置实物图。试验过程水平加载时将定滑轮沿水平滑杆调节至钢化玻璃一侧，桩侧局部冲刷条件下试验加载示意如图 所示。试验主要步骤如下：（）半圆柱模型桩紧贴箱体透明侧壁放置，且圆柱剖面粘贴光
10、滑透明胶带，以降低与钢化玻璃侧壁的摩擦。水平分层填筑砂土地基，每层层高，根据砂土干密度计算相应需填入的土体质量，平整压实至指定位置。填砂过程中，由水准泡和水平尺的辅助维持桩的竖直状态。填砂完成后，(a)(b)图 冲刷条件下模型桩布置实物 冲刷前地表1 8 53 0 02 56 0 05 0 0定滑轮砝码千分表1 0 05 0单位:m m图 冲刷条件下水平受荷桩试验加载示意图 根据冲刷坑尺寸挖去桩侧部分土体，形成局部冲刷坑。（）在桩身加载点处安装电子千分表。将相机置于模型箱侧壁正前方 处，并保证每组试验中相机位置不变。（）加载等级由预加载试验估算，按等质量逐级加载，每组试验加载 级左右。为获得桩
11、侧较明显的土体变形，加载点处桩身最大水平位移达 左右。每级加载基本稳定后（）记录加载点桩身水平位移，采集竖直剖面上桩土变形图像。为采集到高质量试验图像，需注意光照和相机的防震颤。（）当桩身加载点水平位移达 后停止加载。重复以上步骤，完成各组试验。图像处理对试验采集图像利用 等开发的 软件进行分析处理，可获得桩侧土体的位移场和应变场。该软件由一系列 子程序构成，基于 平台通过交互窗口提示完成整个图像分析过程，包括前处理、分析和后处理，分述如下。（）前处理。将采集图像集下载到 工作空间，选择图片分析区域进行网格划分并生成网格文件。修改启动文件（包括图片存储路径、网格 长江科学院院报 年 文件名称和
12、图像像素最大搜索半径等），完成图像前处理。（）分析。图像转换成灰度图，根据数字图像相关算法处理图像，具体算法原理可参考文献。（）后处理。主要包括图像坐标转换和应变场计算。通过程序将控制点（需事先在模型箱侧壁标记 个控制点）在图像中的像素坐标和实际坐标一一对应，完成像素坐标系到实际坐标系的转换。图像中各点的应变值通过位移值进行差商和插值运算获得，并通过修改应变场子程序，以桩径 对坐标轴实际距离进行无量纲化处理。试验结果及分析针对桩身加载点处水平位移约 的情况，通过 分析给出桩侧土体位移矢量图、剪应变等值线图。试验成果图中标注了加载前的桩身轴线，加载方向水平向右。无冲刷条件下密砂和中密砂试验中桩侧
13、土体变形特征相似度较高，限于篇幅，因此略去。桩（）桩侧无冲刷试验结果图 给出了无冲刷条件下桩身加载点处水平位移约 时的桩侧土体变形，其中图（）和图（）分别为松砂和中密砂工况的位移矢量，图（）和图（）为剪应变等值线。图 桩身外径 时无冲刷条件下桩土变形场 （）对比松砂和中密砂中的位移矢量，可见桩前中上层土体处于被动受压状态，桩后土体因桩身偏斜而产生松动滑落现象，处于主动状态，且土体变形由近及远，由浅层向深层发展，主动区和被动区土体变形不均匀。相应的桩侧剪应变场也能清晰地反映出基本一致的规律，这和现有桩基水平受荷分析的应变楔法桩前三维被动土楔内应变均值的假定并不一致。桩侧土体变形也因土体相对密实度
14、不同而有所差异：位移矢量、剪应变等值线均显示，在中上部土层范围内松砂中桩前被动受压区土体的位移以水平压密变形为主，但中密砂中土体以斜向上的挤压变形为主。在桩端附近土层，松砂中桩端产生了较明显的变形，桩端右侧土体因桩身水平变形而失去支撑，且向下滑落，桩端左侧土体则处于被动受压状态；中密砂土层中桩端附近则没有明显变形。桩（）桩侧局部冲刷试验结果图 显示了中密砂中桩侧存在局部冲刷时的 试验结果。虽然无冲刷情况时桩在中密砂中桩端没有明显变形，但桩侧存在局部冲刷时，由于上覆土重减小，桩身实际埋入土体深度减小，位移矢量图和剪应变图显示，桩端土体产生了一定的变形，这一特征和无冲刷时松砂中试验结果相似。图（）
15、和图（）为冲刷深度 分别取 和 时的桩侧剪应变场等值线图，桩侧土体应变场仍具有由近及远、由浅层向深层逐渐发展的特征，但和无冲刷试验工况不同的是，冲刷坑斜坡上的部分土体受到桩身的挤压，即冲刷坑底部以上的冲刷土层对限制桩身偏移仍可发挥一定的作用。另外从剪应变场等值线图中可注意到，无论桩侧是否存在冲刷，或砂土密实度是否变化，桩侧被动受压区土体剪应变都不是均一的，而是沿着水平和深度方向逐渐发展。图 桩身外径 时桩侧局部冲刷条件下桩土变形场 （）桩（）桩侧无冲刷试验结果图 给出了模型桩 桩身加载点处水平位移约 第 期杨晓峰 等 基于 技术的冲刷条件下桩土水平变形机制 时的桩侧土体变形场，其中图（）和图（
16、）分别为松砂和中密砂工况的位移矢量图，图（）和图（）分别为剪应变场等值线图。分析位移矢量图可知，与 桩试验结果相似的是，松砂和中密砂中桩前中上层土体分别以水平压密变形和斜向上的挤压变形为主要特征，同时可观察到土体变形仍具有由近及远，由浅层向深层非均匀发展的特点。相应的剪应变场等值线图中桩侧剪应变场也能反映出基本一致的规律。图 桩身外径 时无冲刷条件下桩土变形场 （）与 桩试验结果差异较大之处在于：松砂和密砂中桩端附近有较明显的旋转中心，分别距离地表约和（为桩身埋置深度），表现出明显的刚性短桩特征。而 桩在相同埋深下具有较大的长径比和较小的桩身抗弯刚度，在松砂和中密砂中则表现为半刚性桩和柔性长桩的特征。桩（）桩侧局部冲刷试验结果图 给出了中密砂中不同冲刷深度时的桩侧土体变形场。桩侧存在局部冲刷坑时，桩身实际埋入土体深度减小，加大了水平荷载作用的力臂，桩基表现得更趋近于刚性短桩特性。观察相同冲刷条件下的 桩和 桩桩侧中上层土体变形情况，桩前土体均受斜向上的挤压，桩后土体均发生松动滑落，但 桩靠近桩端附近具有较明显的旋转中心，冲刷深度分别为 和 时对应的旋转中心至地表的距离分别约为和，即桩身
