基于DIC 技術的靜壓鄰樁遮攔效應模型試驗

劉 凱, 陸 燁, 唐僑楚

(1.上海大學力學與工程科學學院, 上海 200444; 2.上海飛機制造有限公司, 上海 201324)

靜壓樁具有質量可靠、價格相對低廉、施工效率高、無污染、噪音小、承載力高等優勢[1],因此對于工期要求較為嚴格的工程項目, 靜壓樁是更為合理的樁型.為減小樁基施工產生的土體位移, 當群樁施工臨近密集建筑群或重要地下管線時, 通常采用控制打樁順序的方法(如背向被保護構筑物打樁), 或預先在構筑物附近打入保護樁排, 以期能夠發揮對土體位移的遮攔效應, 減小沉樁對周圍環境的影響[2].因此, 研究靜壓樁沉樁過程中已打入樁對土體位移的遮攔效應具有重要的意義.

已有的對遮攔效應的研究主要集中在理論分析、數值分析、試驗研究3 個方面.剪切位移法可以給出樁周土體的位移場, 具有簡單、易于實現等優點, 容易考慮樁對變形的遮攔效應[3].Zhou 等[4-5]引入了剪切位移法和考慮了土體側向位移影響的改進Pasternak 地基模型, 發現先壓樁對后壓樁的遮攔效應隨著樁距和樁徑的增大而顯著增加.朱奎等[6]則將兩根樁均視為Winkler 彈性地基梁, 利用剪切變形法理論結合物理力學關系, 認為樁的遮攔效應是通過兩樁之間傳遞的附加剪應力發生的, 進而建立了力與位移的協調方程, 求出了兩樁相互作用下的解析解.林智勇等[7]基于剪切變形法原理, 并考慮了樁的遮攔效應, 得出樁側樁-土接觸等效剪切彈簧剛度.然而, 通過剪切變形法的理論分析都只能進行一些基本假設和簡化, 無法真實反映現實情況.

隨著計算機的發展, 許多學者采用數值分析方法來研究樁的遮攔效應.He 等[8]通過有限元模擬發現在盾構掘進過程中, 前樁對后樁的遮攔效應非常顯著, 大大減小了其內力和側向位移.Mroueh 等[9]通過有限元軟件計算,表明雙樁中不管是前樁還是后樁,其水平位移和彎矩都比同位置單樁時小, 遮攔效應對后樁的影響大于前樁.秦世偉等[10]通過三維有限差分數值計算(3D fast Lagrangian analysis of continua, FLAC3D)軟件對靜壓樁單樁、雙樁的沉樁過程進行了計算分析, 并就已打入樁體對沉樁過程中土體位移的影響進行了研究, 得出了已打入樁的存在改變了土體水平位移大小的結論.李琳等[11]和程青雷等[12]通過有限元模擬發現, 先壓樁對后壓樁沉樁過程產生的遮攔效應主要受到樁間距大小的影響, 且在一定范圍內隨著樁間距的增大, 遮攔效應不斷減弱, 并在達到一定值后基本消失.劉俊偉等[13]采用二維顆粒流(2D particle flow code, PFC2D) 分析程序, 對開口管樁雙樁系統沉樁過程進行顆粒流數值模擬, 發現由于受到先壓樁遮攔效應的影響, 后沉樁的沉樁阻力明顯大于先沉樁.然而, 數值模擬受本構模型選擇、計算參數確定、載荷工況模擬真實性等影響, 分析結果的精度往往難以保證.

現場試驗[14-15]因其真實性、及時性、有效性等特點而被應用到樁的遮攔效應中, 但只能測樁體頂端位移、地面隆起, 無法沿深度方向進行測量, 且成本相對較高, 難以實現大量開展,因而采用模型試驗的比較多.梁發云等[16]采用室內模型試驗, 研究了軸向受荷樁在土體側移作用下的承載和變形特性, 發現兩樁中的前樁對后樁具有遮攔效應.張建新等[17]基于室內模型研究發現, 已壓入樁限制了樁間的水平位移, 其遮攔效應不容忽視, 且施工順序是影響土體位移的重要因素.Li 等[18]采用離心模型試驗研究發現, 既有樁會影響鄰近土體的變形和孔隙壓力.然而, 現有的模型試驗研究主要是在宏觀角度上分析先壓樁對樁周土遮攔效應的影響因素, 且不能對后壓樁沉樁過程中的樁周土位移進行全過程分析.

樁的遮攔效應實質是先壓樁對后壓樁沉樁連續過程中土體累積位移的作用效果, 但已有的對雙樁基礎遮攔效應的相關研究未能就先壓樁對土體位移的遮攔效應進行全過程分析, 且不能進行量化研究.本工作基于數字圖像相關(digital image correlation, DIC) 技術原理, 通過MATLAB 軟件自行編制計算程序, 對后壓樁沉樁過程中樁側土體的連續變形過程采用無標示點方法進行采集并分析, 并導出矢量圖以及位移平均值進行計算分析[19].采用這一非接觸圖像測量系統, 可以從細觀小尺度對多組工況(不同樁間距、不同樁壁粗糙度、不同粒徑砂土環境) 的土體位移進行全過程動態分析, 分析并得到先壓樁對后壓樁遮攔效應的作用機制.

1 試 驗

1.1 試驗裝置

本試驗所用模型箱尺寸為600 mm×290 mm×400 mm (長×寬×高), 采用鋼框架, 四面均為透明玻璃, 便于圖像采集.為全面觀測樁周土體變形, 本試驗采用半樁沿玻璃面壓入土體的方式, 因此模型樁設計為平頭閉口樁, 截面尺寸為30 mm×15 mm、樁長為300 mm、壁厚為1.5 mm.同時, 為了模擬不同的樁壁粗糙度, 本試驗還將兩種不同規格(180 目、360 目) 的砂紙黏貼在樁壁上.本試驗使用萬能材料試驗機進行加載, 使用單反相機記錄壓樁過程中樁周土體變形的過程, 對樁周土位移的全過程進行采集.此外, 考慮到成像要求, 故采用恒定速度加載且壓樁速度為1 mm/s.DIC 技術對光照條件有嚴格的要求, 分析的圖像需要有均勻的光照條件, 否則計算時會出現許多散斑.為了消除外界光亮對計算結果的影響, 本試驗在模型向外側架設了兩臺攝影補光燈.圖1 為試驗進行前的圖像采集系統布置圖.

圖1 圖像采集系統Fig.1 Image acquisition system

1.2 試驗材料性質和制備

在試驗前需對砂土的各項指標進行測試, 包括篩析試驗、直剪試驗及相對密實度試驗.本試驗采用福建標準砂, 為天然風干砂.采用3 種不同粒徑砂土, 根據篩析試驗結果繪制出3 種砂樣的顆粒級配曲線, 如圖2 所示.可知: 3 種砂土的平均粒徑d50分別為0.56、0.36 和0.20 mm, 因此可分為粗砂、中砂和細砂, 相應的不均勻系數Cu分別為1.39、1.59 和1.33, 曲率系數Cc分別為0.96、0.89 和1.16, 這3 種砂土為級配不良土體.本試驗模型樁的直徑與粗砂、中砂和細砂的平均粒徑比值分別為54、83 和150, 均大于40, 即可忽略粒徑效應[20].對本試驗中所采用的砂土進行相對密實度試驗, 測得其最大干密度(ρdmax) 和最小干密度(ρdmin),并計算得到每種砂土的相對密實度, 結果如表1 所示.可以看出, 不同砂土的相對密實度基本相同.采用氣動直剪儀對試驗土體進行直剪試驗, 發現細砂、中砂和粗砂的內摩擦角分別為25.3?、31.0?以及33.9?.

表1 砂土相對密實度Table 1 Relative compactness of the sandy soil

圖2 砂土顆粒級配曲線Fig.2 Gradation curves of the sandy soil particles

1.3 試驗方案

本工作共進行了7 組試驗, 各組試驗情況如表2 所示, 其中D=30 mm.為保證試驗結果的可重復性, 模型箱中的試驗砂樣采用分層鋪設的方式進行制備, 即第一層鋪設10 cm, 之后每層高5 cm, 共6 層35 cm 高.為了控制每組試驗的相對密實度基本相同, 需根據表1 所示的“試驗中砂土密度” 控制3 種砂土的量, 即鋪設前先計算好每層土體的體積并稱量相應的土體質量.采用落雨法將干砂裝入模型箱內, 落雨高度為50 cm.每層裝填完畢后, 壓平并用重物擊實.等砂樣全部鋪設完畢后靜置4 h, 使土體內部各向應力分布均勻.之后, 在模型箱上布置導軌系統以保證樁體可以垂直壓入砂土中, 并將樁體安裝到指定位置.在模型箱外固定位置架設好攝像機, 調平、調整焦距, 使其達到最好的成像效果, 并進行圖像標定(見圖3).標定完成后, 打開圖像采集系統和加載系統開始試驗.

表2 試驗工況Table 2 Test conditions

圖3 室內模型試驗Fig.3 Indoor model test

2 試驗結果分析

張建新等[21]在多根樁體壓入過程中, 將土體位移根據響應模式的不同分為了3 個區域(見圖4): 1 區遮攔區的土體位移區別于單樁壓入過程, 該區域受先壓樁的遮攔效應十分明顯;2 區為雙樁相互影響區, 該區域側向位移也受到影響, 雖然曲線形狀與單樁類似, 但該區域的位移小于先壓樁; 3 區為后壓樁影響區, 與單樁相比差別不大.

圖4 后壓樁壓入示意圖Fig.4 Diagram of the post-pressure pile press-in

2.1 不同樁間距對遮攔效應的影響分析

不同樁間距(Sa) 指的是雙樁樁壁之間的距離.本工作中的壓樁深度為8.3D, 模型箱長度為20D.當選擇樁間距為3D時, 后壓樁樁壁距模型箱邊界距離為7.5D.姜赟等[22]得出沉樁擠土的徑向影響范圍約為7D, 因此本工作選擇3D為最大的樁間距, 以避免邊界效應.當黏貼砂紙為180 目, 砂土粒徑為0.56 mm 時, 研究了樁間距(Sa) 分別為1D、2D、3D時的遮攔效應, 結果如圖5 所示.圖5(a) 為后壓樁壓入250 mm 深度時相對于初始時刻得到的累積水平位移云圖, 規定累積水平位移遠離樁體表面為正.圖5(b) 為位移矢量圖, 箭頭長度代表位移的大小, 箭頭方向代表位移的方向.以圖5(a) 為例, 對同一樁間距下后壓樁對稱土體的水平位移進行分析后發現: 1 區、2 區土體的水平位移相比3 區的絕對值更小, 說明先壓樁對后壓樁的土體位移產生了遮攔效應; 2 區土體水平位移的最大值影響范圍為深度50～300 mm, 而3 區為深度100～300 mm, 說明2 區土體位移擾動范圍更廣.這是由于2 區土體受到擠壓, 在先壓樁的遮攔效應下被迫發生更劇烈的縱向位移.而在不同樁間距下, 樁間距越小, 則1 區土體位移越劇烈; 當樁間距為3D時, 1 區土體位移幾乎為0.這說明當樁間距為3D時, 先壓樁對后壓樁的影響較小.樁間距越小, 3 區土體水平位移影響范圍越廣.這是因為在后壓樁沉樁過程中, 樁間距越小, 土體的剪脹效果越明顯.觀察圖5(b) 可以發現: 隨著樁間距的增大, 樁間土體的位移越大, 其位移方式就與3 區越相似; 1 區土體位移隨著樁間距的增大而不斷減小, 當樁間距為3D時, 1 區土體位移幾乎可以忽略不計.

圖5 不同樁間距時后壓樁壓入土體的位移Fig.5 Displacement of the post-pressure pile pressed into the soil with different pile spacing

為了呈現遮攔效應對1 區土體水平位移的影響, 在先壓樁左側(1 區) 距離樁壁1D、距離地表100 mm 處設置測點1.同樣地, 在后壓樁右側(3 區) 設置測點2, 其中測點1 與測點2的位置關于后壓樁中軸對稱, 如圖6 所示.

圖6 測點示意圖Fig.6 Schematic diagram of the measurement points

當深度為100 mm 時, 各樁間距情況下測點的累積水平位移如圖7 所示, 其中點線代表1 區和3 區中測點的累積水平位移; 點代表3 區、1 區的差與3 區的比值.可以看出: 由于先壓樁的遮攔, 1 區和3 區土體位移的區別十分明顯; 由于樁間距的加大, 兩區域的位移值和差值都越來越小; 同一深度不同樁間距下, 1 區和3 區內的土體水平位移差距很大; 當樁間距為1D時, 1 區測點的最終水平位移相比3 區減小0.6 mm, 總體衰減幅度為47%; 當樁間距為2D時,1 區測點的最終水平位移相比3 區減小0.3 mm, 總體衰減幅度約為38%; 當樁間距為3D時,1 區和3 區的位移都很小, 1 區的衰減值約為0.2 mm, 總體衰減幅度約為25%; 樁間距越小,則總體衰減趨勢越明顯, 先壓樁的遮攔效應越顯著; 當樁間距為3D時, 1 區和3 區的水平位移曲線十分相似, 因此可以認為當樁間距大于3D時, 先壓樁對水平位移的遮攔效應影響很小.

表3 不同樁間距時先壓樁樁體的位移Table 3 Initial-pressure pile displacement with different pile spacing

圖7 不同樁間距時1 區和3 區測點水平位移對比Fig.7 Comparisons of horizontal displacement of measurement points in Zone 1 and Zone 3 with different pile spacing

為了更直觀地反映不同樁間距對鄰樁遮攔效應的影響, 本工作對不同樁間距情況下的水平位移衰減幅度進行了線性擬合, 結果如圖8 所示.可以發現: 擬合直線的R2為0.991 76, 說明線性擬合效果較好; 當樁間距為6D時, 水平位移衰減幅度接近于0, 可以推測當樁間距達到6D以后, 先壓樁對后壓樁基本沒有遮攔效應.

圖8 不同樁間距時水平位移衰減幅度擬合Fig.8 Fitting of horizontal displacement attenuation amplitude with different pile spacing

在后壓樁沉樁過程中, 先壓樁會影響周圍土體的位移, 同時土體的位移也會對先壓樁的樁體造成影響.為了探究先壓樁體的位移大小, 在樁身和樁底部各選擇一個標記點, 將后壓樁壓入前和壓入后的兩張照片進行對比, 得出標記點X1、X2(標記點見圖6) 在水平和豎直方向上位移的像素個數, 再乘以像素本身的實際標定值便可得到X1、X2實際水平位移及樁體的上浮量, 結果如表3 所示, 其中規定樁體向左移動為正, 向右移動為負, 向上移動為正, 向下移動為負.

由表3 可以發現: 隨著后壓樁的壓入, 先壓樁產生的水平位移、傾斜角度以及上浮量均隨著樁間距的增大而減小, 說明后壓樁對先壓樁的影響隨著樁間距的增大而減小, 因為在后壓樁壓入過程中, 后壓樁周圍土體會發生明顯的擠壓剪脹作用, 隨著土顆粒之間的應力傳遞, 先壓樁受到不同方式(水平位移、傾斜角度及上浮量) 的影響, 且隨著樁間距的增大, 應力傳遞作用減弱導致對先壓樁的影響減小; 樁體下部的水平位移相比上部變化程度較小, 因為下部土體自重應力較大, 限制了先壓樁底部的位移.

2.2 不同粒徑對遮攔效應的影響分析

為了更直觀地探究不同粒徑砂土對后壓樁壓入時遮攔效應的影響, 保持樁壁粗糙度(黏貼有180 目砂紙) 以及樁間距Sa為2D不變, 只改變砂土的平均粒徑(d50=0.20、0.36、0.56 mm).圖9 為后壓樁壓入深度為250 mm 處, 不同粒徑砂土中的累積水平位移云圖和位移矢量圖.在不同粒徑情況下, 以0.1 mm 等值線為邊界, 1 區土體的水平輻射范圍均至先壓樁體外側大約3D處, 說明粒徑大小與先壓樁對1 區土體水平位移的影響不明顯.但砂土粒徑越大, 則樁體壓入后樁側土體的位移絕對值也越大.從圖9(b) 可以看出, 平均粒徑為0.20 mm的砂土受到樁體壓入影響的范圍更大一些, 位移則小于0.36、0.56 mm 粒徑砂土.

圖9 不同粒徑時后壓樁壓入土體的位移Fig.9 Displacement of post-pressure pile pressed into the soil with different particle sizes

為了分析遮攔效應對1 區土體位移的影響, 對不同粒徑砂土中先壓樁體的遮攔效應進行研究.同樣取圖6 中的兩個測點, 提取出該位置處的水平位移, 結果如圖10 所示.可以發現,當樁間距為2D時, 平均粒徑為0.56、0.36、0.20 mm 的砂土水平位移的衰減幅度都十分相似,因此認為在同一樁間距下粒徑對水平遮攔效應的影響很小.

圖10 不同粒徑時1 區和3 區測點水平位移對比Fig.10 Comparisons of horizontal displacement of measurement points in Zone 1 and Zone 3 with different particle sizes

表4 列出了不同粒徑情況下先壓樁樁體的位移.可以發現: 同一樁間距情況下, 土體粒徑越小, 樁體產生的水平位移和樁體上浮量也越小, 傾斜角度隨粒徑減小而增大; 不同粒徑樁體下部的水平位移相對上部變化程度較小, 這主要是因為下部樁體埋深大從而受到的影響較小.

表4 不同粒徑時先壓樁樁體的位移Table 4 Initial-pressure pile displacement with different particle sizes

2.3 不同樁壁粗糙度對遮攔效應的影響分析

為了探究不同樁壁粗糙度對遮攔效應的影響, 控制0.56 mm 粒徑和2D樁間距不變, 改變樁壁粗糙度, 即黏貼180 目、360 目砂紙及不黏貼砂紙.圖11 為各工況壓樁深度為250 mm 時的累積水平位移云圖和位移矢量圖.

圖11 不同樁壁粗糙度時后壓樁壓入土體的位移Fig.11 Displacement of post-pressure pile pressed into the soil with different pile wall roughness

對比觀察水平位移云圖可以發現: 1 區的水平位移影響范圍和位移絕對值大小隨著樁壁粗糙度的增大而變小, 但較大位移都集中在先壓樁左側約1.7D內; 2 區土體內的水平位移隨著樁壁粗糙度的增大而增大; 3 區土體的水平位移影響范圍和位移大小隨著樁壁粗糙度的增大而增大.雖然從云圖上看, 不同樁壁粗糙度的樁周土體在3 區的影響范圍有所區別, 但從矢量圖上看影響范圍集中在樁外側約3.3D內, 1 區內土體位移影響的區別也十分微小.

為了分析遮攔效應對1 區土體位移的影響, 對不同樁壁粗糙度下先壓樁樁體的遮攔效應進行研究.同樣取圖6 中的兩個測點, 提取出該位置處的水平位移, 結果如圖12 所示.可以看出: 當黏貼有180 目、360 目砂紙和沒有黏貼砂紙的樁體壓入后, 總體衰減幅度分別約為38%、32% 和22%; 不同粗糙度的樁壁所造成的衰減幅度隨著樁壁粗糙度的降低而不斷減小.這說明樁壁越光滑, 遮攔效應越小.

圖12 不同樁壁粗糙度時1 區和3 區測點水平位移對比Fig.12 Comparisons of horizontal displacement of measurement points in Zone 1 and Zone 3 with different pile body roughness

表5 列出了不同樁壁粗糙度情況下先壓樁樁體的位移.可以看出: 樁壁粗糙度不同, 先壓樁樁體的位移差距比較明顯; 相比沒有黏貼砂紙較為光滑的樁壁, 黏貼有砂紙的相對粗糙的樁壁造成的先壓樁樁體傾斜角度、樁體位移以及樁體上浮量更大.這是因為粗糙樁壁接觸面造成的樁間水平位移更大, 樁間土體的砂土顆粒對先壓樁樁體的擠壓也更明顯.

表5 不同樁壁粗糙度時先壓樁樁體的位移Table 5 Initial-pressure pile displacement with different pile body roughness

3 結束語

本工作基于模型試驗和DIC 技術, 從樁間距、砂土粒徑、樁壁粗糙度3 個影響因素出發,研究了先壓樁對后壓樁產生的遮攔效應, 得出以下幾點結論.

(1) 后壓樁沉樁過程中, 先壓樁對后壓樁產生遮攔效應, 且1 區土體遮攔效應最為明顯, 同時土體的位移也會對先壓樁的樁體位移造成影響.

(2) 后壓樁樁體兩側的樁周土體位移對稱于樁體, 但受到鄰樁的遮攔, 后樁樁體左側(1 區) 土體的位移發生了十分復雜且與樁體右側(3 區) 土體完全不同的變化.當樁間距為1D、2D、3D時, 總體衰減幅度分別約為47%、38%、25%, 說明樁間距越小鄰樁對后壓樁擠土效應的遮攔效應越明顯.

(3) 通過對不同樁間距水平衰減幅度擬合可以發現, 當樁間距達到6D以后, 先壓樁對后壓樁基本沒有遮攔效應.平均粒徑為0.56、0.36、0.20 mm 的砂土水平位移的衰減幅度都十分相似, 說明在同一樁間距下粒徑對水平遮攔效應影響很小.

(4) 黏貼有180 目、360 目砂紙和沒有黏貼砂紙的樁體壓入后, 總體衰減幅度分別約為38%、32% 和22%.不同粗糙度的樁壁所造成的衰減幅度隨著樁壁粗糙度的降低而不斷減小,說明樁壁越光滑, 遮攔效應越小.

(5) 樁體移動主要分為3 個部分, 樁體的水平位移、樁體傾斜角以及樁體的上浮量.不同樁間距情況下, 這三者隨著樁間距的增大而減小.在不同粒徑情況下, 粒徑小的砂土中先壓樁樁體的水平位移和上浮量越小, 傾斜角越大.在不同樁壁粗糙度情況下, 先壓樁樁體的位移差距比較明顯, 樁壁越粗糙, 則樁體的水平位移、傾斜角以及上浮量就越大.相比沒有黏貼砂紙較為光滑的樁壁, 黏貼有砂紙的相對粗糙的樁壁造成的樁體位移更大.

(6) 本工作通過全過程動態分析, 探討了先壓樁對后壓樁遮攔效應的作用機制以及后樁壓入迫使先壓樁發生上浮及傾斜等情況.試驗結果對工程中樁基礎的承載力和穩定性研究有一定的參考意義.