基于透明土技术的带承台单桩竖向荷载作用下的土体二维变形研究

摘要

透明土与粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，PIV)两种手段相结合能够对土体内部变形进行全场、非接触测量。熔融石英的土工试验参数与天然砂土相似，扇面激光在透明体内部以内部纹理为基础形成的反射子波群能够形成反映纹理变化的散斑场。本文通过设计竖向加载试验机和扇面激光系统，采用工业相机采集拍摄散斑场，并使用以MatPIV工具箱为基础的图像处理程序处理得到土体内部的位移场，对不同粒径(0.1-0.2mm、0.2-0.5mm、0.5-2mm、2-5mm)的熔融石英透明土模型平移试验中的散斑图像和位移测量结果进行了比较，并研究了带承台系列单桩模型在室内分级竖向荷载作用下的沉降和土体的变形。得到结论如下:
　　(1)采用case-to-case的试验策略，透明土配制时使用折光仪控制白油和正十二烷混合溶液折射率，并采用非抽真空搅拌饱和的方法，试验证明该策略适用于比重较大粒径较小的熔融石英砂，可以对透明土透明度、饱和度以及相对密度进行良好控制。
　　(2)为保证测量精度和处理不同粒径石英颗粒所形成散斑图位移场的可比性，在对所获得的各组图像进行相关计算之前，需要选择各自使用的查询窗口;大粒径熔融石英模型相关算法位移场精确度稳定性不如小粒径熔融石英模型。
　　(3)荷载-沉降曲线显示桩径、桩长、承台尺寸的带承台系列单桩沉降具有不同的宏观力学行为。承台能够增大桩体极限承载力，影响土体破坏前后的弹塑性表现;承台宽度越大影响越明显。桩长的增大使桩体极限承载力增加，桩越长，影响越大;桩长不影响土体破坏后的弹塑性表现。桩径增大会提高桩体极限承载力;桩径越小，桩径变化对极限承载力影响越显著;桩径也影响土体的弹塑性表现，但不如承台明显。可以调节承台尺寸、桩长、桩径来设计极限承载力，且增大承台效果更好。
　　(4)土体变形场显示桩径、桩长、承台尺寸不同会影响沉降过程中土体变形机制。承台底部及周围土体承担荷载，延迟桩端阻力发挥，承台尺寸越大越明显;大尺寸承台沉降破坏表现为承台底部及周围土体滑移。桩将上部荷载传至土体深处，限制承台下土体滑移面的发展;但桩长过长，桩端阻力发挥不明显，桩身对承台下及周围土体滑移限制作用有限。桩径变化影响桩模型周围土体发挥承载力的顺序;桩径增大使桩侧提前发挥摩阻力。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 选题依据及研究意义

1．2 背景介绍(技术起源)和研究现状

1．2．1 竖向荷载下带承台单桩桩土相互作用、土体变形研究背景、现状

1．2．2 透明土技术起源、现状

1．3 论文主要研究内容

2 透明土光学性质、激光散斑系统和透明土制备

2．1 透明土光学性质

2．2 激光散斑系统

2．3 数字相关技术

2．4 透明土骨架材料和孔隙液体选择

2．4．1 熔融石英

2．4．2 孔隙液

2．5 模型饱和

3 熔融石英粒径对数字相关方法位移场测量的影响试验

3．1 试验设备和方案

3．2 核心算法MatPIV及其可靠性

3．3 熔融石英砂粒径对基于数字图像相关技术的透明土模型试验的影响

3．4 根据平均灰度梯度选择查询窗口

3．5 熔融石英颗粒粒径对数字相关处理查询窗口尺寸的影响

3．6 平移试验

3．6．1 等效窗口尺寸

3．6．2 数字平移试验

3．6．3 物理平移试验

3．7 本章小结

4 基于透明土的带承台单桩系列模型的载荷试验

4．1 实验设备

4．1．1 竖向加载系统

4．1．2 透明土模型和模型桩

4．2 试验结果分析

4．2．1 极限荷载的确定

4．2．2 承台、桩长、桩径与竖向沉降荷载作用下各阶段的土体变形

4．3 本章小结

5 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢