基于粒子图像测速的锚板抗拔破坏机理试验研究

作者:倪钰菲;乔仲发;朱泳;朱鸿鹄 刊名:土木与环境工程学报(中英文) 上传者:杨国藏

【摘要】锚板拉拔过程是板与周围土体相互作用的过程;研究锚板周围土体的变形破坏机制对锚板抗拔力的预测具有重要意义;基于粒子图像测速(PIV)技术开展了一系列锚板拉拔试验;试验结果表明:PIV技术可以有效地捕捉到不同砂土地基密实度和锚板埋深条件下锚板拉拔过程中周围土体的变形破坏模式;PIV位移场分析结果显示:锚板埋深较浅时;松砂地基中破坏模式呈现直面破坏;密砂地基中呈现斜面破坏;锚板埋深较大时;松砂地基中土体内部锚板上方形成灯泡形影响区;密砂地基中呈现曲面破坏;PIV应变场分析结果表明:无论砂土地基埋深如何;松砂地基中形成的剪切应变带与水平面夹角为45°+φ/2;密砂地基中形成的剪切应变带与垂直面夹角约为φ/4;

全文阅读

近年来,能源需求的增加使海洋开发建设朝着深海推进,悬浮结构、水下平台和海底油气管道等建设中均需要不同形式的锚固结构。同时,陆上的通信塔、悬索桥、人工边坡和基坑等也常需设置抗拔或锚定装置[1]。锚板因具有良好的抗拔承载特性,以及定位准确、施工时间短、对环境破坏小、经济性好等优点,成为一种广泛使用的结构基础形式[2]。掌握锚板在土中拉拔时的变形破坏机制,对于预测锚板抗拔力有着重要的意义。在过去的几十年里,学者们在这一领域做了大量的研究,系统分析了影响其承载特性的众多因素,如锚板的形状、尺寸、埋置深度、地基土密实度、锚板拉拔速率等。刘明亮等[3]、Pérez等[4]、贾富利[5]、于龙等[6]、张昕等[7]均做过有关锚板抗拔承载特性的研究。近年来,粒子图像测速(PIV)技术在土工模型试验中得到了成功的应用,该技术可实现全流场瞬态测量和无干扰测量,与常规的电测技术相比有很明显的优势,可获得以前无法观察到的土体精确变形及其分布情况[8]。笔者基于PIV技术和锚板拉拔试验,对锚板周围土体变形破坏的全过程进行实时测量,以深化对锚板抗拔破坏特征及破坏面的认识。1 锚板抗拔破坏模式对于锚板在土中的抗拔承载性能,现有的分析方法有极限平衡法、有限单元法和圆孔扩张理论等[9]。采用极限平衡法分析时,破坏模式的建立取决于对破坏面形状、应力沿破坏面分布的假定。众多学者对此开展了系统的研究。Meyerhof等[10]考虑了锚板的形状、埋深和砂土的内摩擦角,假定破坏面与竖直方向的夹角为φ/4~φ/2,φ为土内摩擦角。Chattopadhyay等[11]假定破坏面与锚板边缘相切并沿曲线向表面发展,破坏面与地面的夹角为45°-φ/2。Saeedy[12]假定破坏面与锚板边缘相切,形状为向土体表面扩展的对数螺旋线。锚板埋深不同时,破坏面不同,浅埋时破坏面由锚板边缘延伸至地面,深埋时破坏面延伸至地下一定深度,不到达地面。在各种破坏面中,土体中锚板破坏的滑裂面形式基本分为3类:摩擦圆(柱状破坏面)、倒椎体和曲面[5],如图1所示。当锚板浅埋时,破坏面一般为延伸至地表的土体楔形,破坏面多假设为直线、斜线或对数螺旋线。对于柱状破坏面,锚板的抗拔力由锚板正上方圆柱形破坏面内的土体重量加上竖直破坏面上的摩擦阻力组成;而倒椎体破坏面与竖直方向的夹角为φ,该破坏模式中锚板的抗拔力为破坏面内倒椎体的土体的重量;曲面破坏面是由锚板边缘延伸并与地面相交,夹角为45°-φ/2。对于深埋锚板,Meyerhof等[10]指出,破坏面中包含未达地面的深楔形土体。综上所述,对于锚板上拔时周围土体变形破坏的模式尚未有共识,不同学者提出的破坏模型差别较大。因此,有必要采用先进的测量技术,对锚板的抗拔破坏机理进行更加精细化的研究。图1 土体中锚板破坏模式Fig.1 Different failure modes of anchor plates in soil2 PIV数字图像分析技术粒子图像测速(particle image velocimetry,简称PIV)是利用图形图像处理技术发展起来的一种新型流动测量技术,其突出优点在于可实现全流场瞬态测量和无干扰测量,且可由全场的速度信息来求得流场的其他物理量,如压力场等[13]。PIV实现过程一般分为3步:通过硬件设备采集流场图像,应用图像处理算法提取速度信息,显示流场的速度矢量分布[14]。近年来,PIV技术逐渐被应用于岩土工程试验研究[14-17],基于灰度分布图像相关法、粒子分布图像相关法等关联算法,分析土体变形前后的两幅连续图像,可获得土体变形后的位移场。通过PIV

参考文献

引证文献

问答

我要提问