摘要
基于仿生学原理并结合哺乳动物下颌磨牙承载力高的特点,提出一种模仿哺乳动物下颌磨牙的仿生牙根桩,仿生牙根桩的承载性能和沉桩时的挤土效应不同于传统底部截面为圆形的锥形或平底桩。结合数值方法和模型试验研究其承载特性及沉桩过程中的桩—土作用,采用DEM离散元方法进行数值模拟研究,发现仿生牙根桩能大幅提高桩底承载力,但易引起土体应力集中。基于数值模拟结果进行模型试验,采用基于透明土模型试验的粒子图像测速技术(PIV),利用沉桩加载仪和CCD高速工业相机连续拍摄沉桩加载过程中桩周土体在线性激光器下产生的散斑场,得到整个土体的位移场。结果表明:仿生牙根桩对竖向荷载的承载能力超过普通锥形桩1倍左右,引发的桩身拖曳效应与桩底部竖向土体位移更加显著,且在桩中心内凹不太大时,其引发的土体横向位移较小。
因沉降量小、承载力大、可以提高特殊土地基承载力等优势,桩基础得到了广泛应用,其承载能力与桩周土体的变形有直接关系,且受荷过程中桩周土体的变形对邻近已有建筑物或基础会造成不利影响。对于一种新型结构桩基础的研究,需要明确其承载性能和挤土机理与传统桩基础的异同,从而更好地应用在工程实际中,降低发生工程事故的风险,所以,有必要研究新型桩的承载能力。
从生物体身上获得灵感而应用于建筑的仿生学是近年新兴的一个方向。岳喜军
作为建筑的重要结构,基础的承载性能决定了建筑上部结构的稳固程度。近年来,传统基础的研究逐渐趋于成熟,为了顺应时代发展,需要提出创新的基础结构设计来满足更高的承载性能需求。贺茂生
笔者提出的仿生牙根桩是从哺乳动物下颌磨牙结构中得到的灵感。这种桩形不是常见的圆柱对称型桩,因此,需要选用合适的方法对其承载性能进行研究。许多学者提出了研究桩基础承载性能和挤土效应的方法,包括圆孔扩张理论、应变路径法、有限元法和模型试验法等。圆孔扩张理论最初是为了解释金属压痕现
为了获知仿生牙根桩挤土产生的整体位移场,进而更准确地分析其承载性能,并节省试验成本,笔者先采用DEM离散元模拟方法进行数值模拟,得到并分析初步数据,确定其可能具有优于传统桩基础的承载性能后,再利用透明土模型试验技术结合数字图像处理技术对仿生牙根桩的承载性能进行深入研究。
磨牙牙根的功能与建筑桩基相似。在进食过程中,哺乳动物的磨牙需要持续承受咀嚼带来的各方向的力与弯矩,但却可以在相当长的时间内持续工作,不会发生脱落,其结构必然有承载性能上的优势。基于该思路,笔者仿照牙根结构提出了仿生牙根桩结构。如

图1 仿生牙根桩结构效果图
Fig. 1 Design sketch of bionic root pile structure
首先,通过数值仿真来探究其是否具有优于传统桩基础的承载性能。数值模拟使用离散元方法,基于软件PFC2D 5.0进行。考虑到计算效率与模型对称性,将实际仿生桩结构抽象为如

图2 数值模拟桩底示意图
Fig. 2 Schematic diagram of numerical simulation for pile bottom
许多研究表
粒子密度/(kg· | 重力加速度/(m· | 粒间法相接触刚度Kn/(N· | 粒间切向接触刚度Ks/(N· | 粒间摩擦系数 | 粒-表面摩擦系数 | 孔隙率 | 平均粒径/cm |
---|---|---|---|---|---|---|---|
2 500 | 10 |
1 |
1 | 0.2 | 0.5 | 0.2 | 10 |
生成粒子时,采用Duan

图3 土体分组
Fig. 3 groups of the ground
Clump构造如

图4 颗粒级配曲线
Fig. 4 Particle grading curve

(a) 1号桩

(b) 2号桩

(c) 3号桩

(d) 4号桩

图5 土体y方向的位移
Fig. 5 Displacement in the y-direction of the soil body
注: 向上为正方向。

(a) 1号桩

(b) 2号桩

(c) 3号桩

(d) 4号桩

图6 土体x方向的位移
Fig. 6 Displacement in the x-direction of the soil body
注: 向上为正方向。
力链网络由粒子之间的接触力组

(a) 1号桩

(b) 2号桩

(c) 3号桩

(d) 4号桩
图7 土体力链分布
Fig. 7 Soil force chain distribution
不同桩的桩阻力随贯入深度的变化如

图8 桩阻力—贯入深度关系图
Fig. 8 Diagram of pile resistance-penetration depth
由数值模拟结果可知,桩底内倾的结构确实具有承载性能上的优越性,但数值模拟所用的模型桩结构过于简单,无法真实反映实际桩型的承载性能和桩周土体的位移变化,通过透明土模型试验进一步研究。
透明土试样由熔融石英砂和折射率相匹配的空隙液配制而成。熔融石英砂的颗粒粒径为0.5~1.2 mm。对不同折射率条件下透明土试样透明度的测试发现,在25 ℃条件下,孔隙液折射率为1.458 5的透明土试样的透明度最优。根据陈强
材料 | 外观 | 密度/(kg· | 25 ℃时的折射率 |
---|---|---|---|
正十二烷 | 无色透明 | 750 | 1.421 5 |
15号白油 | 无色透明 | 849 | 1.465 8 |
注: 折射率采用阿贝折射仪测得。
透明土试样的制备:首先按照合适的折射率配置好混合液,至少确保能够没过石英砂2 c

图9 配置完成的透明土试样
Fig. 9 Transparent soil sample after configuration
模型试验装置如

图10 试验装置
Fig. 10 Test device
采用粒子图像测速法(PIV)对试验结果进行处理。选用Matlab中的PIVlab对图像进行分析,该算法能够处理沉桩时各个时刻的横、竖向位移,并以比色条模式直观地反映出某一时刻桩周土体的位移分布,有利于分析试验结果。

图11 试验模型箱
Fig. 11 model box during experiment
试验采用了两种模型桩:仿生牙根桩和锥形桩。数值模拟已简单抽象了仿生牙根桩的近似模型,验证了桩底内倾的可行性,因此,无需再进行简单模型的试验研究。直接按照初始设计的效果图制作仿生牙根模型桩,得到的结果更加精确。桩底去除部分和保留部分之间的分界面为抛物面,去除的类楔形体沿桩轴线的长度为80 mm。由于长度受限,两模型均只取桩底部作为分析对象。模型桩材料均采用有机玻璃(亚克力),该材料透光性好,能减少因反射带来的激光散点紊乱,从而避免影响图像处理。有机玻璃的密度为1.18~1.19 g/c
利用沉桩试验仪对普通桩和仿生牙根桩进行沉桩加载,分别加载至3R(两桩半径R=17.5 mm)。由于牙根桩不是多轴线对称形,因此,主要分析相机投影方向平面的土体响应。

(a) 普通桩

(b) 牙根桩
图12 桩底位移矢量图
Fig. 12 Vector diagram of pile bottom displacement

(a) 普通桩

(b) 牙根桩
图13 桩底竖向位移云图
Fig. 13 Cloud diagram of vertical displacementof pile bottom
注: 向下为正方向。

(a) 普通桩

(b) 牙根桩
图14 桩底水平位移云图
Fig. 14 Cloud diagram horizontal displacement of pile bottom
注: 向右为正方向。
1)仿生牙根桩承载竖向荷载的性能优于普通桩。原因可能是牙根桩桩底局部竖向位移大,土体受压缩程度大,密实度高,从而使土体抗剪强度增大,剪切破坏面与水平轴的夹角更大,土体反力的竖向分量更大,使其承载性能更好;牙根桩桩侧土体的竖向位移沿长度分布均匀,使得侧摩阻力也分布均匀,从而充分发挥桩身承载性能。
2)仿生牙根桩贯入对周围土体的总体变形影响略大于锥形桩。对于仿生牙根桩,引发的水平位移更集中,影响范围更小;而锥形桩影响范围更大,土体压缩程度更小。土体竖向位移趋势主要体现为仿生牙根桩桩侧土体更多地被带入更深的地层,同时,桩底土形成一个大约与水平轴成60°角的挤压带,将压力传导至更深部;锥形桩贯入主要表现为沿圆锥面外法向方向挤排土,角度一般小于仿生牙根桩。
3)试验结果与DEM离散元预测的水平位移和竖向位移等值线的变化趋势相似,但由于DEM离散元缺乏对孔隙水的模拟,故其对于桩基贯入过程中土体变形的模拟有一定的局限性。具体表现为土颗粒切向接触刚度会因为孔隙水的存在而降低,从而造成力的模拟结果偏大。
4)对比仿生牙根桩与圆锥桩贯入过程中桩底位移矢量场发现,仿生牙根桩两个牙根间土体的挤压效应是仿生牙根桩与圆锥桩贯入机理不同的主要原因。
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