土-基礎(chǔ)相互作用和土體變形測量的非侵入可視化研究結(jié)題摘要

巖土物理模擬試驗(yàn)是研究土-基礎(chǔ)相互作用機(jī)理的一項(xiàng)重要手段，然而傳統(tǒng)試驗(yàn)方法存在兩個(gè)典型問題：（1）所植入的傳感器和測試設(shè)備影響了周圍土體的特性，導(dǎo)致測試結(jié)果出現(xiàn)較大隨機(jī)誤差；（2）無法獲得土體內(nèi)部的連續(xù)變形，因此無法了解其位移場和應(yīng)變場的變化規(guī)律。因此，本項(xiàng)目利用攝影測量、PIV和透明土三種先進(jìn)技術(shù)，建立可觀測土體內(nèi)部變形的可視化巖土物理模擬試驗(yàn)系統(tǒng)，并應(yīng)用在土-淺基礎(chǔ)、土-深基礎(chǔ)、細(xì)長樁基壓曲破壞等相互作用問題中，并結(jié)合土體變形理論以及天然土體的非侵入模型試驗(yàn)，驗(yàn)證了對(duì)非侵入可視化模擬試驗(yàn)結(jié)果的合理性，進(jìn)而全面揭示了土-基礎(chǔ)相互作用機(jī)理，有助于指導(dǎo)工程實(shí)踐。在本項(xiàng)目的資助下，授權(quán)了4項(xiàng)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(xiàng)目研究成果已應(yīng)用在大直徑鉆孔灌注樁-復(fù)雜交互地層的相互作用機(jī)理研究中，并獲得了1項(xiàng)省部級(jí)科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。預(yù)計(jì)在5年內(nèi)本項(xiàng)目成果還將應(yīng)用在地基處理、各類樁基礎(chǔ)等工程中，并申報(bào)省部級(jí)科技進(jìn)步獎(jiǎng)。 2100433B

利用圖像測量、數(shù)字圖像相關(guān)/粒子圖像測速（DIC/PIV）和透明土技術(shù)形成一種測量內(nèi)部土體變形的非侵入可視化巖土模擬試驗(yàn)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(chǔ)相互作用的數(shù)字圖像，利用DIC/PIV和攝影測量技術(shù)獲得土體變形的位移場和應(yīng)變場。通過校準(zhǔn)透視投影、圖像-對(duì)象坐標(biāo)轉(zhuǎn)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(jié)合土體變形理論或數(shù)值方法，如小孔擴(kuò)張法（CEM）、應(yīng)變路徑法（SPM）、淺應(yīng)變路徑法（SSPM）和有限元法（FEM），對(duì)非侵入可視化模擬系統(tǒng)的測試結(jié)果的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，并揭示土-基礎(chǔ)相互作用引起的土體變形機(jī)理。本項(xiàng)目可為非侵入可視化巖土物理模擬試驗(yàn)測量提供理論與實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

隨著高層建筑、橋梁和海洋平臺(tái)等結(jié)構(gòu)性能化設(shè)計(jì)和精細(xì)化設(shè)計(jì)深度的發(fā)展，樁基礎(chǔ)所承受的風(fēng)、交通、潮汐和地震作用等橫向荷載，已經(jīng)越來越受到中外學(xué)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(xiàng)目利用室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬計(jì)算研究橫向荷載樁與土體相互作用機(jī)理。采用粒子圖像測速技術(shù)動(dòng)態(tài)測量樁在橫向加載過程中樁周砂土的位移，計(jì)算樁的彎矩、撓度、剪力和樁周土體的抗力、位移、剪應(yīng)變等，得到更可靠和真實(shí)的p-y曲線參數(shù)。首次將透明土和滲水力模型試驗(yàn)相結(jié)合，可視化和定量化分析ng重力場土體內(nèi)部變形規(guī)律。通過非飽和砂土、飽和砂土和透明土的試驗(yàn)，定量分析飽和度、側(cè)限條件和應(yīng)力水平對(duì)樁土相互作用的影響，研究滲水力模型試驗(yàn)在樁土相互作用中的可靠性，為簡化昂貴的現(xiàn)場試驗(yàn)提供可借鑒的方法。

利用三軸試驗(yàn)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(jié)果的土體應(yīng)力應(yīng)變特性研究，與整體變形的測量結(jié)果對(duì)比分析，確定土樣端部約束的影響范圍、約束效應(yīng)對(duì)土體應(yīng)力應(yīng)變特性的影響程度。選用經(jīng)典非線性彈性模型和彈塑性模型，針對(duì)代表性土類開展應(yīng)力應(yīng)變特性研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果和模型的特點(diǎn)，對(duì)模型本身和模型參數(shù)整理方法進(jìn)行改進(jìn)使之更接近和如實(shí)反映土體應(yīng)力應(yīng)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(jù)，分析泊松比的變化規(guī)律及取值對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，研究土體泊松比參數(shù)的試驗(yàn)方法和數(shù)值分析取值依據(jù)。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(duì)砂土應(yīng)力應(yīng)變影響，定量研究加載體脹和卸載體縮規(guī)律。 2100433B

樁基礎(chǔ)作為重要的基礎(chǔ)形式，已廣泛應(yīng)用在橋梁、港口碼頭、近海平臺(tái)和土工建筑（如樁基擋土墻、開挖支護(hù)樁和抗滑樁）等工程項(xiàng)目中。在受到側(cè)向荷載作用下，樁與土之間的相互作用機(jī)理十分復(fù)雜。樁在側(cè)向荷載作用下的變形發(fā)展直至破壞過程，實(shí)質(zhì)是樁與樁周土體相互協(xié)調(diào)、相互作用的結(jié)果。本研究基于可視化試驗(yàn)裝置開展了模型單樁在干砂和飽和砂土中的側(cè)向受荷試驗(yàn)，通過對(duì)比分析飽和度和密實(shí)度對(duì)樁-土相互作用的影響。基于PIV技術(shù)和多臺(tái)相機(jī)標(biāo)定方法，二次開發(fā)了Stereo-PIV程序。改編相機(jī)標(biāo)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(biāo)。結(jié)合土體表面的三維位移和樁的力學(xué)特性，分析主動(dòng)樁、被動(dòng)樁和中間土體的相互影響。本研究將滲水力技術(shù)與粒子圖像測速技術(shù)結(jié)合，研制一種能量測土體位移的滲水力模型試驗(yàn)裝置，并將此應(yīng)用到側(cè)向受荷樁土體位移場研究中，擴(kuò)展了PIV技術(shù)的應(yīng)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(shù)和粒子圖像測速技術(shù)相結(jié)合，分析側(cè)向荷載樁周土體內(nèi)部的位移變化規(guī)律。通過多個(gè)平面的反距離加權(quán)插值分析，獲得了土體內(nèi)部的真三維位移，該方法可以有效的研究樁與土體的內(nèi)部相互作用，為揭示樁-土相互作用機(jī)理提供更全面的數(shù)據(jù)。本研究從樁周土體位移的角度對(duì)側(cè)向受荷樁的工作機(jī)理開展模型試驗(yàn)研究，為揭示樁-土相互作用機(jī)理提供更全面的和完整的參考。 2100433B