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    基于粒子圖像測速的錨板抗拔破壞機理試驗研究

    2020-04-17 14:45:26 土木建筑與環境工程 2020年1期

    倪鈺菲 喬仲發 朱泳 朱鴻鵠

    摘 要:錨板拉拔過程是板與周圍土體相互作用的過程,研究錨板周圍土體的變形破壞機制對錨板抗拔力的預測具有重要意義。基于粒子圖像測速(PIV)技術開展了一系列錨板拉拔試驗,試驗結果表明:PIV技術可以有效地捕捉到不同砂土地基密實度和錨板埋深條件下錨板拉拔過程中周圍土體的變形破壞模式。PIV位移場分析結果顯示:錨板埋深較淺時,松砂地基中破壞模式呈現直面破壞,密砂地基中呈現斜面破壞;錨板埋深較大時,松砂地基中土體內部錨板上方形成燈泡形影響區,密砂地基中呈現曲面破壞。PIV應變場分析結果表明:無論砂土地基埋深如何,松砂地基中形成的剪切應變帶與水平面夾角為45°+φ/2,密砂地基中形成的剪切應變帶與垂直面夾角約為φ/4。

    關鍵詞:錨板;粒子圖像測速;拉拔特性;破壞機制

    中圖分類號:TU433 文獻標志碼:A 文章編號:2096-6717(2020)01-0027-08

    Abstract:The uplift of anchor plates is of anchor-soil interaction process. The investigation into soil deformation and failure mechanism around the anchor plate is important for uplift capacity prediction. In this paper, a series of anchor plate uplift tests based on particle image velocimetry (PIV) technique have been carried out. The deformation fields and failure modes of soil around anchor plates have been obtained under different soil densities and embedment depths of anchor plates. The results of PIV displacement fields show that for shallow anchor plates, the failure modes of the loose and the dense sand foundation are characterized by frictional cylinder and truncated cone, respectively. When the anchor plate is deeply embedded, a bulb-shaped influence zone formed above the inner anchor plate in the loose sand foundation, and the dense sand foundation develops curved failure surface. The results of PIV strain fields show that whatever the embedment depth of anchor plates, the failure plane in loose sand foundation is inclined at an angle 45°+φ/2 with respect to the horizontal, and the angle between the failure plane and the vertical plane in dense sand foundation is approximately φ/4. The conclusions provide references for developing prediction models of anchor uplift behavior.

    Keywords:anchor plate; particle image velocimetry (PIV); uplift characteristics; failure mechanism

    近年來,能源需求的增加使海洋開發建設朝著深海推進,懸浮結構、水下平臺和海底油氣管道等建設中均需要不同形式的錨固結構。同時,陸上的通信塔、懸索橋、人工邊坡和基坑等也常需設置抗拔或錨定裝置[1]。錨板因具有良好的抗拔承載特性,以及定位準確、施工時間短、對環境破壞小、經濟性好等優點,成為一種廣泛使用的結構基礎形式[2]。

    掌握錨板在土中拉拔時的變形破壞機制,對于預測錨板抗拔力有著重要的意義。在過去的幾十年里,學者們在這一領域做了大量的研究,系統分析了影響其承載特性的眾多因素,如錨板的形狀、尺寸、埋置深度、地基土密實度、錨板拉拔速率等。劉明亮等[3]、Pérez等[4]、賈富利[5]、于龍等[6]、張昕等[7]均做過有關錨板抗拔承載特性的研究。

    近年來,粒子圖像測速(PIV)技術在土工模型試驗中得到了成功的應用,該技術可實現全流場瞬態測量和無干擾測量,與常規的電測技術相比有很明顯的優勢,可獲得以前無法觀察到的土體精確變形及其分布情況[8]。筆者基于PIV技術和錨板拉拔試驗,對錨板周圍土體變形破壞的全過程進行實時測量,以深化對錨板抗拔破壞特征及破壞面的認識。

    1 錨板抗拔破壞模式

    對于錨板在土中的抗拔承載性能,現有的分析方法有極限平衡法、有限單元法和圓孔擴張理論等[9]。采用極限平衡法分析時,破壞模式的建立取決于對破壞面形狀、應力沿破壞面分布的假定。眾多學者對此開展了系統的研究。Meyerhof等[10]考慮了錨板的形狀、埋深和砂土的內摩擦角,假定破壞面與豎直方向的夾角為φ/4~φ/2,φ為土內摩擦角。Chattopadhyay等[11]假定破壞面與錨板邊緣相切并沿曲線向表面發展,破壞面與地面的夾角為45°-φ/2。Saeedy[12]假定破壞面與錨板邊緣相切,形狀為向土體表面擴展的對數螺旋線。錨板埋深不同時,破壞面不同,淺埋時破壞面由錨板邊緣延伸至地面,深埋時破壞面延伸至地下一定深度,不到達地面。

    在各種破壞面中,土體中錨板破壞的滑裂面形式基本分為3類:摩擦圓(柱狀破壞面)、倒椎體和曲面[5],如圖1所示。當錨板淺埋時,破壞面一般為延伸至地表的土體楔形,破壞面多假設為直線、斜線或對數螺旋線。對于柱狀破壞面,錨板的抗拔力由錨板正上方圓柱形破壞面內的土體重量加上豎直破壞面上的摩擦阻力組成;而倒椎體破壞面與豎直方向的夾角為φ,該破壞模式中錨板的抗拔力為破壞面內倒椎體的土體的重量;曲面破壞面是由錨板邊緣延伸并與地面相交,夾角為45°-φ/2。對于深埋錨板,Meyerhof等[10]指出,破壞面中包含未達地面的深楔形土體。

    綜上所述,對于錨板上拔時周圍土體變形破壞的模式尚未有共識,不同學者提出的破壞模型差別較大。因此,有必要采用先進的測量技術,對錨板的抗拔破壞機理進行更加精細化的研究。

    2 PIV數字圖像分析技術

    粒子圖像測速(particle image velocimetry,簡稱PIV)是利用圖形圖像處理技術發展起來的一種新型流動測量技術,其突出優點在于可實現全流場瞬態測量和無干擾測量,且可由全場的速度信息來求得流場的其他物理量,如壓力場等[13]。PIV實現過程一般分為3步:通過硬件設備采集流場圖像,應用圖像處理算法提取速度信息,顯示流場的速度矢量分布[14]。

    近年來,PIV技術逐漸被應用于巖土工程試驗研究[14-17],基于灰度分布圖像相關法、粒子分布圖像相關法等關聯算法,分析土體變形前后的兩幅連續圖像,可獲得土體變形后的位移場。通過PIV計算得到的速度、剪應變率等數據,可分析砂粒的運動方式和應變積累,準確揭示土體的變形過程和機制[14-15]。在試驗中用數碼相機連續拍攝錨板周邊土體,利用Geo-PIV軟件分析照片即可掌握土體的變形規律。

    3 錨板拉拔試驗

    3.1 試驗設備及加載方式

    通過拉拔試驗探究錨板周邊土體的破壞模式。試驗設備由模型箱、半圓形錨板、金屬連接桿、夾具、拉力計和位移計組成。如圖2所示,模型箱底部為10 mm厚的鋁板,四周為10 mm厚的透明有機玻璃板,內壁尺寸為500 mm×300 mm×500 mm。金屬連接桿直徑為5 mm,該桿穿過錨板質心連接到拉力計。試驗所用拉力計量程為0~100 N,精度為±0.1%F.S.。位移計量程為600 mm,精度為0.5 mm。

    有學者做了關于錨板模型試驗的尺寸效應研究,研究發現:埋深比相同時,錨板承載力系數隨錨板直徑的增加而減小;埋深比增加時,不同直徑錨板的上拔承載系數差別增大,尺寸效應更明顯[5,9]。現有關于錨板拉拔的試驗研究大多采用直徑小于100 mm的錨板,不超過模型箱寬度的1/5,只有少數離心機試驗和現場測試采用大尺寸錨板[5,10]。因此,本試驗中錨板選用直徑70 mm、厚度5 mm的半圓形金屬錨板,其中,錨板與有機玻璃側板相貼。在錨板上拔時,據Liu等[3,16]的研究,半圓形錨板與有機玻璃的界面摩擦會提供更高的抗拔力,但半圓形錨板與圓形錨板的破壞位移很接近,因此,錨板與側板間的界面摩擦對土體在拉拔力峰值時刻及最終破壞面位移的影響可忽略不計,這意味著可采用半圓形錨板模擬圓形錨板,以確定土體的位移場[17]。

    試驗裝置由圖像獲取系統、動力系統和數據采集系統3部分組成,如圖2(b)所示。圖像獲取系統由佳能數碼相機、三腳架、計算機和遮光帷幕4部分組成。數碼相機由計算機控制,實現自動連續拍照。動力系統由萬能材料試驗機和計算機組成,由計算機程序控制試驗機運行,萬能材料試驗機提供錨板豎向拉拔力。數據采集系統由加載設備、拉力計、位移計、數據線和計算機4部分組成,加載設備為萬能試驗機,通過錨板提供勻速的垂向拉力;拉力計和位移計實時同步獲取并記錄錨板的拉拔力和位移,由計算機實時監控并記錄數據。

    3.2 土樣參數及制備

    試驗所用砂土取自南京仙林某建筑工地,為級配不良砂,具體物理性質見表1。試驗共展開4組模型試驗,設計了2組不同密度的砂土地基,平均密度分別為1.40 g/cm3(松砂)和1.60 g/cm3(密砂),對應的相對密實度分別為14.8%和76.2%。錨板埋置深度分為淺埋(H/D=1)和相對深埋(H/D=3)兩種。在試樣制備時,先按設計的地基土密實度和埋深稱取所需的砂土質量,在模型箱底部鋪設20 mm厚等密實度的砂土作為墊層。將連接好的半圓形錨板直邊與有機玻璃板緊貼,如圖2(a)所示,再分層填筑砂土地基并壓實至預定高度。

    3.3 試驗步驟

    1)首先將相機置于有機玻璃模型箱正面一側約500 mm處,使其光軸垂直于模型箱,再調整焦距和ISO以獲取最佳圖像。測試過程中光源僅照亮有機玻璃面一側砂土,并在相機和模型箱間設置黑色遮光帷幕,避免試驗人員移動造成的陰影影響圖片質量。

    2)打開拉力計,激活計算機上的數據采集系統,設置自動采集頻率為2 Hz;激活攝像機驅動程序,相機設置為自動拍攝模式,幀速率為每10 s攝取一幀。

    3)通過計算機控制萬能試驗機給錨板提供豎向拉拔力,控制拉拔速率為5 mm/ min,并讀取錨桿的載荷數據。當土體出現明顯的滑裂破壞或當錨板拉拔力變化不大時,測試終止。

    4 試驗結果分析

    4.1 錨板拉拔力與位移關系

    由數據采集系統采集到錨板的拉拔力與位移數據,在多組試驗數據中選取結果較好的數據,以深埋錨板(H/D=3)為例,二者關系曲線如圖3所示。其中,密砂中錨板位移為38.5 mm時達到峰值拉拔力88.3 N;松砂中錨板位移58.3 mm時達到峰值拉拔力29.2 N。由拉拔力與位移關系可以看出,錨板拉拔過程主要分為兩個階段:峰值前的緩慢增長階段、峰值后的波狀緩慢減小階段。曲線中峰值前錨板拉拔力隨位移的增加先是快速增加,二者基本呈線性關系,出現拐點后進入緩慢增長階段,以逐漸緩慢的速率達到峰值,峰值后拉拔力隨位移增加緩慢下降,呈現波動減小狀態。曲線特征是峰值前拉拔力隨位移逐漸增加,峰值后逐漸減小。峰值后曲線波動較大是因為錨板上方土體變形,導致砂粒滑落至錨板下方空隙中引起。

    2)當錨板深埋(H/D=3)時,松砂地基中破壞面未到達地表,在錨板上部形成燈泡形的影響區。該影響區有壓實作用,且錨板邊緣產生的剪切帶形成錐形破壞面,剪切帶與水平面的夾角約為45°+φ/2。而密砂地基中兩條剪切帶由錨板邊緣產生延伸至地表,破壞面呈曲面,剪切帶與垂直方向的夾角約為φ/4。

    3)在松砂地基中,剪切帶與水平面的夾角約為45°+φ/2,而在密砂地基中,剪切應變帶與垂直面夾角為φ/4。不論是松砂還是密砂地基,剪切帶所形成的夾角均與砂土地基中錨板的埋置深度無關。

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    (編輯 胡玲)

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