改进型DIC技术在静压桩模型试验中的应用

陆 烨, 孙汉清,李 航

(1.上海大学土木工程系,上海200444;2.上海勘察设计研究院(集团)有限公司,上海200093;3.同济大学土木工程学院,上海200092)

桩基础是目前世界上应用非常广泛的深基础形式之一,对复杂地层、复杂荷载的适应性使其在未来具备更广阔的发展空间[1-3].对于预制桩基来说,动力或静力沉桩过程会引起周围土体变形,对临近建筑物、基础或地下建筑产生不利影响[4].如果对沉桩过程进行记录,会发现土体变形往往由桩-土界面开始,并通过土体颗粒的平动、转动和错动向外部扩散,最终形成周围土体中位移场与应力场的变化.因此,深入研究桩周土体变形发展有助于掌握沉桩挤土的基本机理,达到对沉桩不利影响进行预测和防治的目的.

国内外学者已对沉桩过程引起的桩周土体变形展开了大量研究,其中有些学者在室内模型试验中利用数字图像匹配(digital image correlation,DIC)技术进行位移场测量[5-6].DIC技术主要通过数码相机对目标进行连续拍摄,然后对比不同时刻的图像并通过灰度计算获得目标物体表面位移变化值.目前使用较多的粒子图像测速(particle image velocimetry,PIV)技术就是DIC在固体和流体力学领域的应用.White等[7]利用PIV技术开发了一套对土体变形进行测量的设备并对其进行了可行性和误差性分析.曹兆虎等[8]基于PIV技术,利用自行设计的静压桩自动沉桩模型试验系统,对沉桩过程中桩周土体位移场进行测量.李元海等[9]利用PIV技术,在图像序列对应点的搜索上提出了同时采用平移和旋转搜索的方法,以期更好地适应砂土模型的变形特点,并验证了该方法的合理性.周健等[10]通过自行设计的可视化模型试验,采用高清相机、显微数码及图像分析等技术对纯砂中桩端埋入持力层不同深度的桩端刺入试验进行宏、细观研究.除DIC技术外,国内外还采用透明土试验技术来研究桩周土体变形问题.曹兆虎等[8,11]基于透明土先后开展了沉桩过程土体三维变形问题研究、开口管桩和闭口管桩以及楔形桩与等截面桩静压贯入过程桩周土体变形对比研究.

研究桩周土体变形发展对探究桩周地层破坏机理具有重要意义,但目前相关研究未涉及桩-土界面处的薄层土.薄层土作为与桩接触的土体,其力学行为对应力、变形在土体中的传递具有重要的影响.但是薄层土层厚一般为几个砂土颗粒的级别,常规的DIC技术无法对其位移进行测量;而透明土技术对试验模型尺寸有所要求,无法满足大尺度模型试验要求,同时透明土并非真实土体,无法准确表现土体特性.因此,本工作针对静压桩在砂土中桩-土界面薄层土特性改进了DIC技术,达到对桩-土界面土体位移进行测量的目的.

1 试验

1.1 试验方案

本试验尝试从模型桩内部对沉桩过程中桩-土界面土体变形进行记录,同时对所采集的图像进行计算,从而获得所需要的土体变形信息.图1为压桩试验采用的模型箱和模型桩.试验使用的模型箱尺寸为1 m×1 m×1 m,采用钢板制成,上部配备液压千斤顶及反力架为桩体提供贯入力.模型桩为铝制方桩,长为560 mm,横截面尺寸为50 mm×50 mm.在模型桩距桩端30 mm位置处开有一圆形小孔,小孔直径为15 mm,开孔处用同尺寸的透明树脂玻璃代替并固定,桩体内部配备摄像装置,可透过树脂玻璃对土颗粒位移进行观测.

图1 模型试验装置(mm)Fig.1 Model test equipment(mm)

由于模型桩尺寸和试验条件的限制,本试验采用的摄像头为红外微型摄像头,可在黑暗环境下采集图像.该摄像头分辨率为640×480,摄像频率为30帧/s.摄像头安装在桩身一侧的支架上,并贴有减震材料以防桩体贯入时摄像头抖动而影响成像质量(见图2).摄像头通过数据线与电脑相连,利用图像采集软件将沉桩过程中观察窗口观测到的图像以视频格式保存下来.最后将采集获得的图像在Matlab中进行处理,利用MatPIV图像工具箱运算得到桩-土界面土体位移场.通过对平移后的图片进行位移计算验证了相关图像获取和计算方法的可行性和精度.

图2 图像采集装置示意图(mm)Fig.2 Schematic view of image-capturing device(mm)

需要注意的是,常规DIC技术只需要对运动前后的图像进行互相关计算即可求得位移.但本试验在计算桩-土界面土体位移时与常规方法不同,当桩体贯入时,相机也跟随桩体一起运动,因此当采用互相关算法时所选取前后两帧图像相对于重叠区域相差了一个位移,相差的位移(ΔS)为两帧图像时间间隔(ΔT)所对应的桩体位移(见图3).ΔS通过在桩身标定刻度以及在千斤顶上安装线性位移计(linear variable differential transformer,LVDT)两种方式来测定.同时在模型箱外部架设一台数码相机拍摄压桩过程来标定ΔT,外部视频和桩体内部视频采集需同步.在标定ΔS和ΔT的基础上,确定沉桩过程前后两帧图像的重叠区域,再进行互相关计算,从而得到该片区域中土体的位移场.

图3 互相关计算示意图Fig.3 Illustration of cross correlation calculation

1.2 土样性质

本试验所采用的土样为普通建筑黄砂.对试验用砂进行筛分试验,确定试验用砂为级配不良中细砂,具体参数如表1所示.在铺设砂土时,采用雨落法分层铺设,砂土层铺设的总厚度为800 mm.

表1 砂土颗粒级配性质Table 1 Size gradation of testing sands

2 试验结果分析

通过DIC技术可计算得到压桩过程中桩-土界面土体位移场信息(见图4).从图中可以看出,在桩体贯入过程中土体变形以竖向位移为主,方向向下,这说明桩-土界面土体在模型桩带动下产生了以向下为主的位移.

图4 桩-土界面土体位移矢量图Fig.4 Vector map of soil displacements at pile-soil interface

同时,为了体现桩-土界面土体位移的大小及分布情况,可对位移矢量图加以处理得到土体位移云图.图5为桩-土界面水平位移云图和竖向位移云图,由图可以看出,土体位移呈现局部化特征,分布并无明显规律.对比两个方向位移,可以发现水平位移较竖向位移小1～2个数量级,说明桩-土界面土体以竖向位移为主,因此本试验主要考虑桩-土界面土体的竖向位移.为探究沉桩速度和沉桩深度对桩-土界面土体变形的影响,设计了以下两组试验:桩端在同一深度处,不同压桩速度对土体位移的影响;相同压桩速度下,桩端位于不同深度时压桩对土体位移的影响.

图5桩-土界面土体位移云图Fig.5 Contour maps of soil displacements at pile-soil interface

2.1 压桩速度对桩-土界面土体竖向位移的影响

图6 是桩端位置距离模型箱内土体表面分别为180,280,380和480 mm时,桩-土界面土体竖向位移均值随桩体贯入的变化.由于观察窗口距离桩端30 mm(见图1),所以观测区距离模型箱内土体表面分别为150,250,350和450 mm.图6中纵坐标为桩体位移,横坐标为桩-土界面土体竖向位移均值,正值表示与桩体运动方向相同,即竖直向下,负值表示与桩体运动方向相反,即竖直向上.由图可见,桩-土界面土体的位移规律可分为两个阶段:初始阶段和稳定阶段.当桩体开始贯入时,桩-土界面土体在桩侧摩阻力作用下产生向下的位移,表现为土体的竖向平均位移急剧增大,在较短时间内可增大0.2 mm.但是这一趋势在桩体位移超过0.2 mm时发生改变,土颗粒竖向平均位移开始迅速减小,直至达到一个相对稳定的状态.究其原因,土颗粒间相互作用力(即颗粒间的摩擦力和互锁力)逐步超越桩侧摩阻力,造成土颗粒呈现与桩体运动方向相反的趋势.在稳定阶段,土体位移仍有一定的波动,会出现负值,即土体向上运动,可能是桩端排土使其四周土体作斜向上运动带动桩-土界面土体有一个向上的回弹.但总体来说,稳定阶段土体位移接近0 mm.对于不同桩端深度,压桩速度越快,桩-土界面土体竖向位移也越大.图6中的曲线表明,在砂土中进行静压沉桩时,桩-土界面土体与桩体共同下沉大约0.2 mm即开始脱离桩体逐步稳定,因此桩体受到的桩侧摩阻力主要是桩与土的摩擦力.

为了更好地体现压桩速度对桩-土界面土体位移的影响,将土颗粒位移进行累加得到竖向累计位移(见图7).累计竖向位移反映了模型桩贯入过程中土体总体的运动情况.累计位移也可分为两个阶段:初始阶段和稳定阶段,但两个阶段的界限值在不同桩端深度处变化较大,同时受压桩速度影响较大.总体来说,压桩速度越快,土体累计竖向位移也越大,这可能是因为压桩速度越快,桩端四周排土作斜向上扩散不够充分,导致距离桩端较近的图像采集位置处侧向土压力较大,即桩-土界面摩擦力越大,土体累计竖向位移也越大.当压桩完成后桩端土体继续作斜向上扩散运动直至平衡,在此过程中土体带动桩体的回弹量也相应增大.但是,当桩端位于较浅深度处,即H=180 mm时,累计竖向位移没有与压桩速度成正比关系,这可能与在较浅深度处竖向土压力较小因而土颗粒重新排列能力较强有关.

图6桩端位于不同深度时桩-土界面土体竖向位移均值Fig.6 Average vertical soil displacements at pile-soil inteface of different pile penetration depths

2.2 桩端深度对桩-土界面土体竖向位移的影响

图8 为压桩速度相同时,桩-土界面土体位移随桩体位移的变化.图8(a)和(b)分别表示压桩速度为0.58和0.70 mm/s时竖向位移均值随桩体位移的变化.由图可见,在初始阶段,桩端位置对土体位移的影响不大.但在稳定阶段,深度越浅,土体位移越可能体现出反弹趋势,即出现负值情况.这可能与不同深度处土体所受的竖向土压力有关,深度较浅处土压力较小,造成稳定阶段桩-土界面土体相对桩体向上运动.

图7 桩端位于不同深度时桩-土界面土体竖向位移累计值Fig.7 Cumulative vertical soil displacements at pile-soil interface for different pile penetration depths

图8 压桩速度相同时桩-土界面土体竖向位移均值Fig.8 Average vertical soil displacements at pile-soil interface for same pile penetration tate

为了进一步比较桩端深度对桩-土界面土体竖向位移的影响,图9显示了土体累计竖向位移随桩体位移的变化.由图可见,桩-土界面土体累计坚向位移受桩端深度影响较为明显,深度越深,土体累计竖向位移越大.由于桩-土界面土体位移主要受桩侧摩阻力作用,而影响摩阻力发挥的因素有侧向土压力和桩-土摩擦系数.由于深层土体中侧向土压力较大,造成桩侧摩阻力较大,从而桩体位移引起的桩-土界面土体位移也越大.

图9 压桩速度相同时桩-土界面土体竖向位移累计值Fig.9 Cumulative vertical soil displacements at pile-soil interface for same pile penetration rate

3 结论

本工作介绍了一种改进型DIC分析技术.基于室内模型试验,结合改进型DIC分析技术,针对静压沉桩过程中桩-土界面土体位移进行了测量和分析,得到以下几点结论.

(1)为观测桩-土界面土体位移,在模型桩内部装置红外微型摄像头,通过观察窗口记录土体位移.记录图像后通过改进型DIC方法可计算得到土体位移场,并可绘制位移矢量图和云图.位移云图表明桩体在沉桩过程中,桩-土界面土体竖向位移远大于水平位移,并呈现局部化特征.

(2)在桩体贯入时,桩-土界面土体位移的规律可分为初始阶段和稳定阶段.初始阶段桩侧摩阻力占主导,在桩侧摩阻力作用下桩-土界面土体竖向位移急剧增大,方向与桩体贯入方向一致.但在较短时间内桩-土界面土体竖向位移迅速减小,随后进入稳定阶段.在稳定阶段,土体颗粒间相互作用力超过桩侧摩阻力,使桩-土界面土体位移在0 mm附近波动.

(3)在同一桩端深度处,压桩速度越快,桩-土界面土体位移越大;当压桩速度相同时,桩体贯入深度越深,桩-土界面土体累计位移越大,稳定阶段反弹位移越小.

(4)在砂土中进行静压沉桩时,桩-土界面土体与桩体共同下沉约0.2 mm即开始脱离桩体逐步稳定,因此桩体受到的桩侧摩阻力主要来自桩与土的摩擦力.

(5)本工作是对改进型DIC技术在静压桩室内模型试验中应用的初步探讨,通过试验对砂土中静压沉桩引起的桩-土界面土体位移规律进行了分析研究,研究结果对揭示桩-土界面本构关系有一定的参考意义.