基于PIV技术的横向荷载桩与土体相互作用机理研究

With the development of the structural performance design and elaborate design of the high-rise buildings, bridges and offshore platforms, the pile foundation withstands lateral loads such as wind, traffic, tides and earthquakes, which have drawn more and more attention of Chinese and foreign scholars. Lateral load is exactly a pile-soil interaction process. The behavior of the pile is controlled by the deformation and failure characteristics of its surrounding soil, so visual and quantitative research of soil deformation and destruction is especially important. The model test and numerical simulation will be used to study the mechanisms of pile-soil interaction. The particle image velocimetry technique will be used to dynamically measure the displacement of the sand around the pile. The deflection, bending moment and shear force of the pile and the resistant force, displacement and the shear strain of sand will be calculated. The reliable and real p-y curve parameters will be provided. Through the transparent soil and hydraulic gradient model test, the soil inside deformation will be visually and quantitatively analyzed. Basis on the tests in unsaturated sand, saturated sand and transparent soil, the saturation of the sand, the restricted condition and the stress level will be quantitatively analyzed to affect the pile-soil interaction .To study on pile-soil interaction, the hydraulic gradient model test will provide a method to reduce the cost of the field test.

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。

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。