土-基礎相互作用和土體變形測量的非侵入可視化研究

巖土物理模擬試驗是研究土-基礎相互作用機理的一項重要手段，然而傳統(tǒng)試驗方法存在兩個典型問題：（1）所植入的傳感器和測試設備影響了周圍土體的特性，導致測試結果出現(xiàn)較大隨機誤差；（2）無法獲得土體內部的連續(xù)變形，因此無法了解其位移場和應變場的變化規(guī)律。因此，本項目利用攝影測量、PIV和透明土三種先進技術，建立可觀測土體內部變形的可視化巖土物理模擬試驗系統(tǒng)，并應用在土-淺基礎、土-深基礎、細長樁基壓曲破壞等相互作用問題中，并結合土體變形理論以及天然土體的非侵入模型試驗，驗證了對非侵入可視化模擬試驗結果的合理性，進而全面揭示了土-基礎相互作用機理，有助于指導工程實踐。在本項目的資助下，授權了4項發(fā)明專利、發(fā)表了12篇SCI/EI論文、出版了專著1部，此外，本項目研究成果已應用在大直徑鉆孔灌注樁-復雜交互地層的相互作用機理研究中，并獲得了1項省部級科技進步二等獎。預計在5年內本項目成果還將應用在地基處理、各類樁基礎等工程中，并申報省部級科技進步獎。 2100433B

利用圖像測量、數(shù)字圖像相關/粒子圖像測速（DIC/PIV）和透明土技術形成一種測量內部土體變形的非侵入可視化巖土模擬試驗系統(tǒng)。透明土是由透明的固體顆粒及折射率相匹配的孔隙溶液混成的。采用激光面照射透明土模型并拍攝下土-基礎相互作用的數(shù)字圖像，利用DIC/PIV和攝影測量技術獲得土體變形的位移場和應變場。通過校準透視投影、圖像-對象坐標轉換、鏡頭畸變和模型槽/透明土的折射率，建立攝影測量圖像后處理的誤差分析和修正方法。結合土體變形理論或數(shù)值方法，如小孔擴張法（CEM）、應變路徑法（SPM）、淺應變路徑法（SSPM）和有限元法（FEM），對非侵入可視化模擬系統(tǒng)的測試結果的合理性進行驗證，并揭示土-基礎相互作用引起的土體變形機理。本項目可為非侵入可視化巖土物理模擬試驗測量提供理論與實驗依據。

隨著高層建筑、橋梁和海洋平臺等結構性能化設計和精細化設計深度的發(fā)展，樁基礎所承受的風、交通、潮汐和地震作用等橫向荷載，已經越來越受到中外學者的重視。樁的橫向受荷是樁和土體相互作用的過程，樁的性狀是由樁周圍土體的變形和破壞特性控制，可視化和定量化研究土體變形和破壞具有重要意義。本項目利用室內模型試驗和數(shù)值模擬計算研究橫向荷載樁與土體相互作用機理。采用粒子圖像測速技術動態(tài)測量樁在橫向加載過程中樁周砂土的位移，計算樁的彎矩、撓度、剪力和樁周土體的抗力、位移、剪應變等，得到更可靠和真實的p-y曲線參數(shù)。首次將透明土和滲水力模型試驗相結合，可視化和定量化分析ng重力場土體內部變形規(guī)律。通過非飽和砂土、飽和砂土和透明土的試驗，定量分析飽和度、側限條件和應力水平對樁土相互作用的影響，研究滲水力模型試驗在樁土相互作用中的可靠性，為簡化昂貴的現(xiàn)場試驗提供可借鑒的方法。

利用三軸試驗土樣變形數(shù)字圖像測量系統(tǒng)，開展基于局部變形測量結果的土體應力應變特性研究，與整體變形的測量結果對比分析，確定土樣端部約束的影響范圍、約束效應對土體應力應變特性的影響程度。選用經典非線性彈性模型和彈塑性模型，針對代表性土類開展應力應變特性研究，根據試驗結果和模型的特點，對模型本身和模型參數(shù)整理方法進行改進使之更接近和如實反映土體應力應變特性。利用三軸土樣圖像測量局部變形和傳統(tǒng)測量整體數(shù)據，分析泊松比的變化規(guī)律及取值對計算結果的影響，研究土體泊松比參數(shù)的試驗方法和數(shù)值分析取值依據。從彈塑性模型出發(fā)，研究砂土材料在加卸載過程中的變形特性，分析顆粒破碎等物態(tài)變化對砂土應力應變影響，定量研究加載體脹和卸載體縮規(guī)律。 2100433B

樁基礎作為重要的基礎形式，已廣泛應用在橋梁、港口碼頭、近海平臺和土工建筑（如樁基擋土墻、開挖支護樁和抗滑樁）等工程項目中。在受到側向荷載作用下，樁與土之間的相互作用機理十分復雜。樁在側向荷載作用下的變形發(fā)展直至破壞過程，實質是樁與樁周土體相互協(xié)調、相互作用的結果。本研究基于可視化試驗裝置開展了模型單樁在干砂和飽和砂土中的側向受荷試驗，通過對比分析飽和度和密實度對樁-土相互作用的影響?；赑IV技術和多臺相機標定方法，二次開發(fā)了Stereo-PIV程序。改編相機標定工具箱軟件和三維共線方程解析法，自行編寫MATLAB程序，重組三維空間坐標。結合土體表面的三維位移和樁的力學特性，分析主動樁、被動樁和中間土體的相互影響。本研究將滲水力技術與粒子圖像測速技術結合，研制一種能量測土體位移的滲水力模型試驗裝置，并將此應用到側向受荷樁土體位移場研究中，擴展了PIV技術的應用范圍，量測了在不同重力場下的土體位移變化。還將透明土技術和粒子圖像測速技術相結合，分析側向荷載樁周土體內部的位移變化規(guī)律。通過多個平面的反距離加權插值分析，獲得了土體內部的真三維位移，該方法可以有效的研究樁與土體的內部相互作用，為揭示樁-土相互作用機理提供更全面的數(shù)據。本研究從樁周土體位移的角度對側向受荷樁的工作機理開展模型試驗研究，為揭示樁-土相互作用機理提供更全面的和完整的參考。 2100433B