圆孔扩张理论实验验证装置

康　杰，孙　翔，潘友纯，王春辉，赵致俊，李春宝

(1.中国石油大学(华东) 山东石大科技集团，山东 东营 257061；2.中国石油大学(华东) 规划建设处，山东 青岛 266580；3.莱西市建筑总公司，山东 青岛 266600；4.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安 710018；5.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)



圆孔扩张理论实验验证装置

康杰1，孙翔2，潘友纯3，王春辉4，赵致俊3，李春宝5

(1.中国石油大学(华东) 山东石大科技集团，山东 东营 257061；2.中国石油大学(华东) 规划建设处，山东 青岛 266580；3.莱西市建筑总公司，山东 青岛 266600；4.西安长庆科技工程有限责任公司，陕西 西安 710018；5.中国石油大学(华东) 储运与建筑工程学院，山东 青岛 266580)

摘要：通过分析总结圆孔扩张理论在沉桩过程中挤土效应中的应用，首次提出了相关的实验方法以及相应的实验装置对这些理论的正确性进行验证。该实验装置制作简单，容易操作，有无实验经验的人员均可对该装置进行操作。该装置既可用于教学演示也可用作科研验证。通过该装置可直观地观测到土体的塑性发展区及位移场变化规律，从而获知圆孔扩张对土体的挤密效应，通过实验的方法验证圆孔扩张理论在土体挤密效应中的理论推导。

关键词：圆孔扩张；实验装置；位移场；挤密效应

沉桩过程中的挤土效应是经常遇到的工程问题，在地基处理过程中，可以利用桩的挤土效应挤密土体，改善土体的工程性质，例如，挤密桩[1-2]。静压桩沉桩过程中桩周土体受到沉桩水平挤压应力和竖向剪切应力作用，土体物理力学性质会发生很大的变化，沉桩过程中桩周土体位移场分布随着土性而异；而灌注桩在完全硬化之前，在混凝土自重应力的作用下，对桩周土体也有一定的挤密作用[3-4]。目前，国内外对于挤土桩挤土效应的分析，以圆孔扩张理论应用最为广泛[5-7]。

圆孔扩张理论在岩土工程的应用中，都是在理论上进行推导得到一系列的公式后进行数值模拟验证，迄今为止没有任何的实验方法以及相应的实验装置对该理论的正确性进行验证。针对上述缺陷，提出了一种圆孔扩张理论位移场测试装置及实验方法。使用该圆孔扩张位移场测试装置能更加直观地观测到土体的位移变化规律，从而获知圆孔扩张对土体的挤密效应，通过实验的方法验证传统圆孔扩张理论的理论推导。

1圆孔扩张理论实验验证装置实验机理

灌注桩对桩周土体的挤密作用是由混凝土在完全硬化之前的自重应力产生的。本实验装置通过水柱的自重应力来模拟灌注桩的流态混凝土对桩周土体的挤密作用，并且可通过加压系统来控制水柱对土体的水平向的挤压力。为精确地模拟现实工况，本装置在包裹水柱的气囊外部粘有刚度较大的刚度条，以达到均匀挤扩的目的。通过在水柱周围分层布置彩色土体形成的明显界限来观察土体的位移场变化，然后通过设置在装置上方的刻度盘来读取土层的位移和变形，并计算出土体的弹塑性区，将其结果与圆孔扩张理论的推导公式进行对比验证。

2圆孔扩张理论实验验证装置

圆孔扩张理论位移场测试装置(见图1)主要包括挤扩环境箱、上覆盖板、气囊、土体分隔布置器及彩色土体。上覆盖板固定在挤扩环境箱的上表面，气囊安装在挤扩环境箱内，且气囊中心线与挤扩环境箱中心线重合。

图1　圆孔扩张理论实验验证装置示意图

挤扩环境箱及上覆盖板均由有机玻璃制成，以便于观察土体的位移，挤扩环境箱为带有底盘而上部开有小孔的透明容器；上覆盖板为圆形，直径与挤扩环境箱的底盘相同；在上覆盖板中心位置开有上下贯穿的导管孔；以上覆盖板的中心为圆心刻有精度为毫米的环形刻度线，用以精确计算土体的位移和变形量(见图2)。

图2　上覆盖板示意图

气囊(见图3和图4)为密闭结构，主要包括气囊外层、刚度条、气囊内层、充气导管和气囊外层。气囊内层及充气导管均由弹性较好的橡胶材料制成；气囊内层为柱形囊体结构，其上部粘结有充气导管；充气导管为圆管状且直径与导管孔直径大小相同，实验时充气导管通过充导管孔；气囊内层外表面均匀的粘贴有刚度条(见图5)，刚度条为刚度较大的钢条；刚度条的外侧包有气囊外层，气囊外层与刚度条自由接触；彩色土体为颜色互不相同的土体环，环厚为20 mm，实验时相邻的土环颜色不同。

图3　气囊示意图

图4　气囊横断面示意图

图5　气囊内层与刚度条示意图

土体分隔布置器主要由分隔壁、分隔室及连梁组成，土体分隔布置器的高度与挤扩环境箱的内侧高度相同，且其外径与挤扩环境箱的内径相同(见图6)。

图6　土体分隔布置器结构示意图

分隔壁为厚度0.5 mm的铁板焊接围成的薄壁圆桶，分隔壁的直径由内向外依次等量增大，最内侧分隔壁的内径与气囊外层的外径相同，相邻的分隔壁直径差为20 mm，所有的分隔壁通过顶部的连梁相互连接，连梁是截面形状为矩形的铁条，连梁与分隔壁之间焊接；分隔室是由2个相邻的分隔壁围成的空间。

3圆孔扩张理论实验验证装置操作步骤

圆孔扩张理论实验验证装置操作步骤如下。

1)通过充气导管向气囊中充入水，使气囊处于自然大小状态，将气囊的充气导管做好密封，将充满气体或水的气囊放入挤扩环境箱内，使气囊中心线与挤扩环境箱的中心线重合。

2)将土体分隔布置器放入挤扩环境箱中，向分隔室灌入彩色土体，相邻的分隔室中的土体颜色互不相同，待所有的分隔室灌满土后，缓慢地将土体分隔布置器垂直向上提出。

3)将上覆盖板固定在挤扩环境箱的上表面，将带有刻度线的一面朝上，注意将充气导管穿过导管孔。

4)将相机用支架固定在上覆盖板的正上方，并将摄像头朝下，设置好相机拍摄间隔时间，用来记录彩色土体的位移和变形。将充气导管与充压泵连接牢靠后，解除充气导管的密封，向气囊中充入水，达到预定压强后停止。

5)实验结束后，从数码相机拍摄的照片中读出各层土的厚度，与实验前的厚度对比算出差值，即可得到各层土体的变形、位移发展规律，从而获得圆孔扩张对土体的挤扩效应。将数据处理结果带入圆孔扩张理论的弹、塑性发展区计算公式，进行对比验证。

通过控制气囊中水压力即可得到不同压力作用下周围土体的位移场变化。

4结语

通过分析总结相关学者针对圆孔扩张理论在沉桩过程中挤土效应中的应用研究，首次提出了相应的实验方法以及实验装置对该理论的正确性进行验证，通过该实验装置可直观地观测到土体的位移场变化规律，从而获知圆孔扩张对土体的挤密效应，通过实验的方法验证了传统圆孔扩张理论在挤密效应中的理论推导。

参考文献

[1] 沈凤友,姜锋.静压桩挤土效应研究综述[J].江苏建筑,2006(3):52-55.

[2] 胡伟,刘明振.非饱和土中球形孔扩张的弹塑性分析[J].岩土工程学报,2006,28(10):1292-1297.

[3] 尉良平.高性能混凝土力学性能研究[J].新技术新工艺,2015(5):120-122.

[4] 高颖.高等数学在工程测量技术中的应用研究[J].新技术新工艺,2014(11):52-54.

[5] 刘裕华,陈征宙,彭志军,等.应用圆孔柱扩张理论对预制管桩的挤土效应分析[J].岩土力学,2007,28(10):2167-2172.

[6] 唐彤芝,赵维炳.基于圆孔扩张理论的CFG桩成桩效应计算分析[J].水运工程,2005(4):17-21.

[7] 杜明芳,肖昭然,张昭.饱和土体圆孔扩张的弹塑性解析解[J].土工基础,2004,18(3):34-38.

责任编辑郑练

Experimental Verification Device of Cavity Expansion Theory

KANG Jie1, SUN Xiang2, PAN Youchun3, WANG Chunhui4, ZHAO Zhijun3, LI Chunbao5

(1.Shandong Shtar Science & Technology Group in China University of Petroleum (East China), Dongying 257061, China;2.Planning and Construction Department, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China; 3.General Construction Company of Laixi, Qingdao 266600, China; 4.Xi’an Changqing Technology Engineering Co., Ltd., Xi'an 710018,China; 5.College of Pipeline and Civil Engineering, China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China)

Abstract：By analyzing and summarizing the application of cavity expansion theory for pile driving effect of soil squeezing, Design the experimental verification device of cavity expansion theory and experimental method for the first time. This experimental verification device is simple and easy to operate, and the device can be operated with people who with or without experience. The device can be used for teaching demonstration and scientific research. It can help people visually observe plastic zone and variation of soil displacement field through the device. So the compaction effect of cavity expansion for soil is preseuted, and verify the theoretical derivation of traditional cavity expansion theory for compaction effect by experiment method.

Key words:cavity expansion, experimental verification device, displacement field, compaction effect

收稿日期：2015-07-10

作者简介：康杰(1972-)，男，工程师，大学本科，主要从事工程的施工与设计规划等方面的研究。

中图分类号：TU 433

文献标志码:A