基于PIV技术的横向荷载桩与土体相互作用机理研究

桩基础作为重要的基础形式，已广泛应用在桥梁、港口码头、近海平台和土工建筑（如桩基挡土墙、开挖支护桩和抗滑桩）等工程项目中。在受到侧向荷载作用下，桩与土之间的相互作用机理十分复杂。桩在侧向荷载作用下的变形发展直至破坏过程，实质是桩与桩周土体相互协调、相互作用的结果。本研究基于可视化试验装置开展了模型单桩在干砂和饱和砂土中的侧向受荷试验，通过对比分析饱和度和密实度对桩-土相互作用的影响。基于PIV技术和多台相机标定方法，二次开发了Stereo-PIV程序。改编相机标定工具箱软件和三维共线方程解析法，自行编写MATLAB程序，重组三维空间坐标。结合土体表面的三维位移和桩的力学特性，分析主动桩、被动桩和中间土体的相互影响。本研究将渗水力技术与粒子图像测速技术结合，研制一种能量测土体位移的渗水力模型试验装置，并将此应用到侧向受荷桩土体位移场研究中，扩展了PIV技术的应用范围，量测了在不同重力场下的土体位移变化。还将透明土技术和粒子图像测速技术相结合，分析侧向荷载桩周土体内部的位移变化规律。通过多个平面的反距离加权插值分析，获得了土体内部的真三维位移，该方法可以有效的研究桩与土体的内部相互作用，为揭示桩-土相互作用机理提供更全面的数据。本研究从桩周土体位移的角度对侧向受荷桩的工作机理开展模型试验研究，为揭示桩-土相互作用机理提供更全面的和完整的参考。 2100433B

随着高层建筑、桥梁和海洋平台等结构性能化设计和精细化设计深度的发展，桩基础所承受的风、交通、潮汐和地震作用等横向荷载，已经越来越受到中外学者的重视。桩的横向受荷是桩和土体相互作用的过程，桩的性状是由桩周围土体的变形和破坏特性控制，可视化和定量化研究土体变形和破坏具有重要意义。本项目利用室内模型试验和数值模拟计算研究横向荷载桩与土体相互作用机理。采用粒子图像测速技术动态测量桩在横向加载过程中桩周砂土的位移，计算桩的弯矩、挠度、剪力和桩周土体的抗力、位移、剪应变等，得到更可靠和真实的p-y曲线参数。首次将透明土和渗水力模型试验相结合，可视化和定量化分析ng重力场土体内部变形规律。通过非饱和砂土、饱和砂土和透明土的试验，定量分析饱和度、侧限条件和应力水平对桩土相互作用的影响，研究渗水力模型试验在桩土相互作用中的可靠性，为简化昂贵的现场试验提供可借鉴的方法。

内容简介

本书重点介绍各种变截桩的特点、荷载传递性状、与土的相互作用机理和破坏性状等，阐述了各种变截面桩的适用条件、施工、设计，为广大土木工程人员、科研人员以及在校研究生提供理论依据和设计依据，也为支盘桩的推广应用扩大了市场。

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桩-土-承台相互作用问题属于岩土力学中的一个重要问题，其特征表现为材料非线性（桩基础、土为非线性材料）、接触非线性（桩土接触面在受荷条件下变形复杂）等，开展相关研究对于桩基础设计中充分发挥桩土一体的承载能力具有重要的工程意义和理论指导价值。 本项目采用了基于透明土中面激光散斑成像的方法结合数字图像处理技术研究了桩-土-承台之间的相互作用，同时采用数值模拟的方法对这一问题进行了系统的分析。建立了不同粒径大小的熔融石英透明土颗粒在面激光作用下成像质量的评价指标并提高了成像质量，提出了评价测量精度的指标。在此基础上，设计了一系列的小型单桩模型基础的室内加载试验，自我开发了小型加载试验平台，采用面激光成像的方法研究了透明土模型中桩-土-承台相互作用的机理，获得了介观尺度土体内部颗粒的变形规律，揭示了上部荷载由带承台单桩向下传递的机理。同时，采用离散元方法对桩-土-承台相互作用的荷载传递机理从细观力学角度进行了分析，发展了粒径逐步放大的建模方法，考察了细观和介观参数对桩-土-承台相互作用的影响；建立了离散元和拉格朗日差分相结合的桩-土-承台相互作用的数值模型，通过PFC3D和FLAC3D实现了离散和连续计算方法的耦合。 研究结果揭示了桩-土-承台相互作用研究的细观规律，为工程设计提供了科学的理论依据。课题组在基金资助下开发了扇面激光系统，小型桩基础加载系统，透明土模型刚体平移平台，为继续开展后续研究工作提供了条件。同时，对透明土中扇面激光成像质量和测量精度的研究可以促进透明土模型试验技术的应用和发展。本课题的成果具有重要的学术价值和应用前景。 2100433B

桩板结构是一种新型的结构型式，目前在国内外已有一定的工程应用。由于对桩-板-路基土体的相互作用机理不清楚，当前在工程实践中，采用不考虑路基土体对板的支承作用及对桩的约束作用而进行保守设计，工程造价相对较高，制约了桩板结构的推广应用。 本项目从静、动力两个角度出发，建立列车-轨道-桩板结构空间耦合精细化模型，对桩土、板土的相互作用进行了研究，明确了在列车荷载作用下桩土、板土的相互作用大小及规律。对比分析了板下土体脱空与不脱空情况下对承载板受力及变形的影响，明确了路基土体对板的支承贡献大小。研究了横向荷载作用下路基土体对桩的侧向约束作用，揭示了板土摩擦、桩土承压等对桩的侧向约束作用。分析了速度、轴重、曲线半径、桩长与桩径、承载板跨度与厚度、路堤填料性质与结构尺寸，以及桩的支承形式等对桩板结构桩土、板土相互作用的影响，并开发了桩板结构承载板设计计算软件。建立了温度场、列车荷载等多场作用下桩板结构分析模型，研究了温度、温度与荷载耦合作用等对桩板固结处应力集中的影响，提出了桩板结构设计时应考虑整体温度升高、降低，以及温度梯度与列车荷载作用组合等各种工况。通过桩板结构水平加载试验与竖向循环加载试验等大比例模型试验，进一步揭示了桩板结构桩-板-土相互作用机理及随加载次数的变化规律。在上述研究基础上，结合工程案例，具体分析了目前桩板结构保守设计的技术经济性，为形成高速铁路桩板结构的设计理论及方法提供了有力的支承。 2100433B