基于透明土中面激光成像技术的桩-土-承台相互作用研究

Pile-soil interaction is an important topic in geomechanics. It is characterized with material nonlinearity (pile and soil are both nonlinear material), contact nonlinearity (contact between pile and soil behaves very complex under loading), etc. Research on this topic is very important to the engineering practice and very valuable to the theory analyses of pile foundation design. This research is going to use laser image in transparent soil model combined with digital image processing to study pile-soil-cap interaction; investigating formation method of laser sheet, establish assessment index for image quality of transparent soil particle under action of laser sheet and enhance image quality; Constructing an experimental system for transparent soil to move rigidly, conducting research on movement parameters identification of transparent soil particles and evaluation of measurement precision. Then, this research is going to study pile-soil-cap interaction using laser image in transparent soil model, capture deformation characteristics of soil particles inside soil model, reveal load transfer mechanism by pile and cap, Meanwhile, establishing discrete element and Lagrangian element method combined numerical model for pile-soil-cap interaction, performing numerical simulation under different working conditions, obtain load transfer mechanism for piles with cap. This research is going to provide new method and theory basis for conducting pile-soil-cap interaction。

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。

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。