基于透明土中面激光成像技术的桩-土-承台相互作用研究

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-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具有重要的工程意义和理论指导价值。 本项目拟采用透明土中面激光成像方法结合数字图像处理技术研究桩-土-承台之间的相互作用。建立透明土颗粒在面激光作用下成像质量的评价指标并提高成像质量；建立实现透明土平面刚体运动的实验系统，研究面激光成像方法测量刚体运动参数的识别和测量精度的评价；在此基础上，采用面激光成像的方法研究透明土模型中桩-土-承台相互作用的机理，获得土体内部颗粒的变形规律，揭示上部荷载由带承台单桩向下传递的机理，同时，建立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，开展不同工况下的数值模拟工作，得到荷载传递的细观规律。研究结果将为开展桩-土-承台相互作用研究提供新的方法和理论依据。

图书信息

桩：土-结构动力相互作用研究\孔德森，ISBN：9787502460297，作者：

2100433B

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。