改進(jìn)型DIC技術(shù)在靜壓樁模型試驗(yàn)中的應(yīng)用

陸 燁, 孫漢清,李 航

(1.上海大學(xué)土木工程系,上海200444;2.上?？辈煸O(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司,上海200093;3.同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院,上海200092)

樁基礎(chǔ)是目前世界上應(yīng)用非常廣泛的深基礎(chǔ)形式之一,對(duì)復(fù)雜地層、復(fù)雜荷載的適應(yīng)性使其在未來具備更廣闊的發(fā)展空間[1-3].對(duì)于預(yù)制樁基來說,動(dòng)力或靜力沉樁過程會(huì)引起周圍土體變形,對(duì)臨近建筑物、基礎(chǔ)或地下建筑產(chǎn)生不利影響[4].如果對(duì)沉樁過程進(jìn)行記錄,會(huì)發(fā)現(xiàn)土體變形往往由樁-土界面開始,并通過土體顆粒的平動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)和錯(cuò)動(dòng)向外部擴(kuò)散,最終形成周圍土體中位移場與應(yīng)力場的變化.因此,深入研究樁周土體變形發(fā)展有助于掌握沉樁擠土的基本機(jī)理,達(dá)到對(duì)沉樁不利影響進(jìn)行預(yù)測和防治的目的.

國內(nèi)外學(xué)者已對(duì)沉樁過程引起的樁周土體變形展開了大量研究,其中有些學(xué)者在室內(nèi)模型試驗(yàn)中利用數(shù)字圖像匹配(digital image correlation,DIC)技術(shù)進(jìn)行位移場測量[5-6].DIC技術(shù)主要通過數(shù)碼相機(jī)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行連續(xù)拍攝,然后對(duì)比不同時(shí)刻的圖像并通過灰度計(jì)算獲得目標(biāo)物體表面位移變化值.目前使用較多的粒子圖像測速(particle image velocimetry,PIV)技術(shù)就是DIC在固體和流體力學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用.White等[7]利用PIV技術(shù)開發(fā)了一套對(duì)土體變形進(jìn)行測量的設(shè)備并對(duì)其進(jìn)行了可行性和誤差性分析.曹兆虎等[8]基于PIV技術(shù),利用自行設(shè)計(jì)的靜壓樁自動(dòng)沉樁模型試驗(yàn)系統(tǒng),對(duì)沉樁過程中樁周土體位移場進(jìn)行測量.李元海等[9]利用PIV技術(shù),在圖像序列對(duì)應(yīng)點(diǎn)的搜索上提出了同時(shí)采用平移和旋轉(zhuǎn)搜索的方法,以期更好地適應(yīng)砂土模型的變形特點(diǎn),并驗(yàn)證了該方法的合理性.周健等[10]通過自行設(shè)計(jì)的可視化模型試驗(yàn),采用高清相機(jī)、顯微數(shù)碼及圖像分析等技術(shù)對(duì)純砂中樁端埋入持力層不同深度的樁端刺入試驗(yàn)進(jìn)行宏、細(xì)觀研究.除DIC技術(shù)外,國內(nèi)外還采用透明土試驗(yàn)技術(shù)來研究樁周土體變形問題.曹兆虎等[8,11]基于透明土先后開展了沉樁過程土體三維變形問題研究、開口管樁和閉口管樁以及楔形樁與等截面樁靜壓貫入過程樁周土體變形對(duì)比研究.

研究樁周土體變形發(fā)展對(duì)探究樁周地層破壞機(jī)理具有重要意義,但目前相關(guān)研究未涉及樁-土界面處的薄層土.薄層土作為與樁接觸的土體,其力學(xué)行為對(duì)應(yīng)力、變形在土體中的傳遞具有重要的影響.但是薄層土層厚一般為幾個(gè)砂土顆粒的級(jí)別,常規(guī)的DIC技術(shù)無法對(duì)其位移進(jìn)行測量;而透明土技術(shù)對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缬兴?無法滿足大尺度模型試驗(yàn)要求,同時(shí)透明土并非真實(shí)土體,無法準(zhǔn)確表現(xiàn)土體特性.因此,本工作針對(duì)靜壓樁在砂土中樁-土界面薄層土特性改進(jìn)了DIC技術(shù),達(dá)到對(duì)樁-土界面土體位移進(jìn)行測量的目的.

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)方案

本試驗(yàn)嘗試從模型樁內(nèi)部對(duì)沉樁過程中樁-土界面土體變形進(jìn)行記錄,同時(shí)對(duì)所采集的圖像進(jìn)行計(jì)算,從而獲得所需要的土體變形信息.圖1為壓樁試驗(yàn)采用的模型箱和模型樁.試驗(yàn)使用的模型箱尺寸為1 m×1 m×1 m,采用鋼板制成,上部配備液壓千斤頂及反力架為樁體提供貫入力.模型樁為鋁制方樁,長為560 mm,橫截面尺寸為50 mm×50 mm.在模型樁距樁端30 mm位置處開有一圓形小孔,小孔直徑為15 mm,開孔處用同尺寸的透明樹脂玻璃代替并固定,樁體內(nèi)部配備攝像裝置,可透過樹脂玻璃對(duì)土顆粒位移進(jìn)行觀測.

圖1 模型試驗(yàn)裝置(mm)Fig.1 Model test equipment(mm)

由于模型樁尺寸和試驗(yàn)條件的限制,本試驗(yàn)采用的攝像頭為紅外微型攝像頭,可在黑暗環(huán)境下采集圖像.該攝像頭分辨率為640×480,攝像頻率為30幀/s.攝像頭安裝在樁身一側(cè)的支架上,并貼有減震材料以防樁體貫入時(shí)攝像頭抖動(dòng)而影響成像質(zhì)量(見圖2).攝像頭通過數(shù)據(jù)線與電腦相連,利用圖像采集軟件將沉樁過程中觀察窗口觀測到的圖像以視頻格式保存下來.最后將采集獲得的圖像在Matlab中進(jìn)行處理,利用MatPIV圖像工具箱運(yùn)算得到樁-土界面土體位移場.通過對(duì)平移后的圖片進(jìn)行位移計(jì)算驗(yàn)證了相關(guān)圖像獲取和計(jì)算方法的可行性和精度.

圖2 圖像采集裝置示意圖(mm)Fig.2 Schematic view of image-capturing device(mm)

需要注意的是,常規(guī)DIC技術(shù)只需要對(duì)運(yùn)動(dòng)前后的圖像進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算即可求得位移.但本試驗(yàn)在計(jì)算樁-土界面土體位移時(shí)與常規(guī)方法不同,當(dāng)樁體貫入時(shí),相機(jī)也跟隨樁體一起運(yùn)動(dòng),因此當(dāng)采用互相關(guān)算法時(shí)所選取前后兩幀圖像相對(duì)于重疊區(qū)域相差了一個(gè)位移,相差的位移(ΔS)為兩幀圖像時(shí)間間隔(ΔT)所對(duì)應(yīng)的樁體位移(見圖3).ΔS通過在樁身標(biāo)定刻度以及在千斤頂上安裝線性位移計(jì)(linear variable differential transformer,LVDT)兩種方式來測定.同時(shí)在模型箱外部架設(shè)一臺(tái)數(shù)碼相機(jī)拍攝壓樁過程來標(biāo)定ΔT,外部視頻和樁體內(nèi)部視頻采集需同步.在標(biāo)定ΔS和ΔT的基礎(chǔ)上,確定沉樁過程前后兩幀圖像的重疊區(qū)域,再進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算,從而得到該片區(qū)域中土體的位移場.

圖3 互相關(guān)計(jì)算示意圖Fig.3 Illustration of cross correlation calculation

1.2 土樣性質(zhì)

本試驗(yàn)所采用的土樣為普通建筑黃砂.對(duì)試驗(yàn)用砂進(jìn)行篩分試驗(yàn),確定試驗(yàn)用砂為級(jí)配不良中細(xì)砂,具體參數(shù)如表1所示.在鋪設(shè)砂土?xí)r,采用雨落法分層鋪設(shè),砂土層鋪設(shè)的總厚度為800 mm.

表1 砂土顆粒級(jí)配性質(zhì)Table 1 Size gradation of testing sands

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

通過DIC技術(shù)可計(jì)算得到壓樁過程中樁-土界面土體位移場信息(見圖4).從圖中可以看出,在樁體貫入過程中土體變形以豎向位移為主,方向向下,這說明樁-土界面土體在模型樁帶動(dòng)下產(chǎn)生了以向下為主的位移.

圖4 樁-土界面土體位移矢量圖Fig.4 Vector map of soil displacements at pile-soil interface

同時(shí),為了體現(xiàn)樁-土界面土體位移的大小及分布情況,可對(duì)位移矢量圖加以處理得到土體位移云圖.圖5為樁-土界面水平位移云圖和豎向位移云圖,由圖可以看出,土體位移呈現(xiàn)局部化特征,分布并無明顯規(guī)律.對(duì)比兩個(gè)方向位移,可以發(fā)現(xiàn)水平位移較豎向位移小1～2個(gè)數(shù)量級(jí),說明樁-土界面土體以豎向位移為主,因此本試驗(yàn)主要考慮樁-土界面土體的豎向位移.為探究沉樁速度和沉樁深度對(duì)樁-土界面土體變形的影響,設(shè)計(jì)了以下兩組試驗(yàn):樁端在同一深度處,不同壓樁速度對(duì)土體位移的影響;相同壓樁速度下,樁端位于不同深度時(shí)壓樁對(duì)土體位移的影響.

圖5樁-土界面土體位移云圖Fig.5 Contour maps of soil displacements at pile-soil interface

2.1 壓樁速度對(duì)樁-土界面土體豎向位移的影響

圖6 是樁端位置距離模型箱內(nèi)土體表面分別為180,280,380和480 mm時(shí),樁-土界面土體豎向位移均值隨樁體貫入的變化.由于觀察窗口距離樁端30 mm(見圖1),所以觀測區(qū)距離模型箱內(nèi)土體表面分別為150,250,350和450 mm.圖6中縱坐標(biāo)為樁體位移,橫坐標(biāo)為樁-土界面土體豎向位移均值,正值表示與樁體運(yùn)動(dòng)方向相同,即豎直向下,負(fù)值表示與樁體運(yùn)動(dòng)方向相反,即豎直向上.由圖可見,樁-土界面土體的位移規(guī)律可分為兩個(gè)階段:初始階段和穩(wěn)定階段.當(dāng)樁體開始貫入時(shí),樁-土界面土體在樁側(cè)摩阻力作用下產(chǎn)生向下的位移,表現(xiàn)為土體的豎向平均位移急劇增大,在較短時(shí)間內(nèi)可增大0.2 mm.但是這一趨勢在樁體位移超過0.2 mm時(shí)發(fā)生改變,土顆粒豎向平均位移開始迅速減小,直至達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài).究其原因,土顆粒間相互作用力(即顆粒間的摩擦力和互鎖力)逐步超越樁側(cè)摩阻力,造成土顆粒呈現(xiàn)與樁體運(yùn)動(dòng)方向相反的趨勢.在穩(wěn)定階段,土體位移仍有一定的波動(dòng),會(huì)出現(xiàn)負(fù)值,即土體向上運(yùn)動(dòng),可能是樁端排土使其四周土體作斜向上運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)樁-土界面土體有一個(gè)向上的回彈.但總體來說,穩(wěn)定階段土體位移接近0 mm.對(duì)于不同樁端深度,壓樁速度越快,樁-土界面土體豎向位移也越大.圖6中的曲線表明,在砂土中進(jìn)行靜壓沉樁時(shí),樁-土界面土體與樁體共同下沉大約0.2 mm即開始脫離樁體逐步穩(wěn)定,因此樁體受到的樁側(cè)摩阻力主要是樁與土的摩擦力.

為了更好地體現(xiàn)壓樁速度對(duì)樁-土界面土體位移的影響,將土顆粒位移進(jìn)行累加得到豎向累計(jì)位移(見圖7).累計(jì)豎向位移反映了模型樁貫入過程中土體總體的運(yùn)動(dòng)情況.累計(jì)位移也可分為兩個(gè)階段:初始階段和穩(wěn)定階段,但兩個(gè)階段的界限值在不同樁端深度處變化較大,同時(shí)受壓樁速度影響較大.總體來說,壓樁速度越快,土體累計(jì)豎向位移也越大,這可能是因?yàn)閴簶端俣仍娇?樁端四周排土作斜向上擴(kuò)散不夠充分,導(dǎo)致距離樁端較近的圖像采集位置處側(cè)向土壓力較大,即樁-土界面摩擦力越大,土體累計(jì)豎向位移也越大.當(dāng)壓樁完成后樁端土體繼續(xù)作斜向上擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)直至平衡,在此過程中土體帶動(dòng)樁體的回彈量也相應(yīng)增大.但是,當(dāng)樁端位于較淺深度處,即H=180 mm時(shí),累計(jì)豎向位移沒有與壓樁速度成正比關(guān)系,這可能與在較淺深度處豎向土壓力較小因而土顆粒重新排列能力較強(qiáng)有關(guān).

圖6樁端位于不同深度時(shí)樁-土界面土體豎向位移均值Fig.6 Average vertical soil displacements at pile-soil inteface of different pile penetration depths

2.2 樁端深度對(duì)樁-土界面土體豎向位移的影響

圖8 為壓樁速度相同時(shí),樁-土界面土體位移隨樁體位移的變化.圖8(a)和(b)分別表示壓樁速度為0.58和0.70 mm/s時(shí)豎向位移均值隨樁體位移的變化.由圖可見,在初始階段,樁端位置對(duì)土體位移的影響不大.但在穩(wěn)定階段,深度越淺,土體位移越可能體現(xiàn)出反彈趨勢,即出現(xiàn)負(fù)值情況.這可能與不同深度處土體所受的豎向土壓力有關(guān),深度較淺處土壓力較小,造成穩(wěn)定階段樁-土界面土體相對(duì)樁體向上運(yùn)動(dòng).

圖7 樁端位于不同深度時(shí)樁-土界面土體豎向位移累計(jì)值Fig.7 Cumulative vertical soil displacements at pile-soil interface for different pile penetration depths

圖8 壓樁速度相同時(shí)樁-土界面土體豎向位移均值Fig.8 Average vertical soil displacements at pile-soil interface for same pile penetration tate

為了進(jìn)一步比較樁端深度對(duì)樁-土界面土體豎向位移的影響,圖9顯示了土體累計(jì)豎向位移隨樁體位移的變化.由圖可見,樁-土界面土體累計(jì)堅(jiān)向位移受樁端深度影響較為明顯,深度越深,土體累計(jì)豎向位移越大.由于樁-土界面土體位移主要受樁側(cè)摩阻力作用,而影響摩阻力發(fā)揮的因素有側(cè)向土壓力和樁-土摩擦系數(shù).由于深層土體中側(cè)向土壓力較大,造成樁側(cè)摩阻力較大,從而樁體位移引起的樁-土界面土體位移也越大.

圖9 壓樁速度相同時(shí)樁-土界面土體豎向位移累計(jì)值Fig.9 Cumulative vertical soil displacements at pile-soil interface for same pile penetration rate

3 結(jié)論

本工作介紹了一種改進(jìn)型DIC分析技術(shù).基于室內(nèi)模型試驗(yàn),結(jié)合改進(jìn)型DIC分析技術(shù),針對(duì)靜壓沉樁過程中樁-土界面土體位移進(jìn)行了測量和分析,得到以下幾點(diǎn)結(jié)論.

(1)為觀測樁-土界面土體位移,在模型樁內(nèi)部裝置紅外微型攝像頭,通過觀察窗口記錄土體位移.記錄圖像后通過改進(jìn)型DIC方法可計(jì)算得到土體位移場,并可繪制位移矢量圖和云圖.位移云圖表明樁體在沉樁過程中,樁-土界面土體豎向位移遠(yuǎn)大于水平位移,并呈現(xiàn)局部化特征.

(2)在樁體貫入時(shí),樁-土界面土體位移的規(guī)律可分為初始階段和穩(wěn)定階段.初始階段樁側(cè)摩阻力占主導(dǎo),在樁側(cè)摩阻力作用下樁-土界面土體豎向位移急劇增大,方向與樁體貫入方向一致.但在較短時(shí)間內(nèi)樁-土界面土體豎向位移迅速減小,隨后進(jìn)入穩(wěn)定階段.在穩(wěn)定階段,土體顆粒間相互作用力超過樁側(cè)摩阻力,使樁-土界面土體位移在0 mm附近波動(dòng).

(3)在同一樁端深度處,壓樁速度越快,樁-土界面土體位移越大;當(dāng)壓樁速度相同時(shí),樁體貫入深度越深,樁-土界面土體累計(jì)位移越大,穩(wěn)定階段反彈位移越小.

(4)在砂土中進(jìn)行靜壓沉樁時(shí),樁-土界面土體與樁體共同下沉約0.2 mm即開始脫離樁體逐步穩(wěn)定,因此樁體受到的樁側(cè)摩阻力主要來自樁與土的摩擦力.

(5)本工作是對(duì)改進(jìn)型DIC技術(shù)在靜壓樁室內(nèi)模型試驗(yàn)中應(yīng)用的初步探討,通過試驗(yàn)對(duì)砂土中靜壓沉樁引起的樁-土界面土體位移規(guī)律進(jìn)行了分析研究,研究結(jié)果對(duì)揭示樁-土界面本構(gòu)關(guān)系有一定的參考意義.