（岩土工程专业论文）静压桩的摩阻力和侧压力试验研究.pdf

静压桩的摩阻力和侧压力试验研究 ( 摘要) 研究生 导师 李杰 王广国教授 桩基础特别是静力压入管桩在全国正在全面推广，其应用数量是十分巨大 的，范围也是十分广阔的，但静压管桩的理论研究明显滞后于应用，桩侧压力和 摩阻力等一系列问题急需解决。通过试验研究是解决这一问题的非常重要的方 法。 传统桩基的试验测量方法是利用压力传感器进行测量，存在试验费用和精度 等问题，本文提出了一种新的桩基试验方法，是基于板壳理论的半解析半数值的 数学方法再加上统计学方法，有效的将应变值转换为所需要的桩侧压力和摩擦 力，该方法能够弥补传统方法的不足，可以较直观的得出桩的刺入和静载过程中 的侧压力和摩阻力的动态变化。 试验测出的摩阻力分布曲线与静力触探曲线非常接近，完全可以用静力触探 数据模拟静压桩。 从试验结果得到了摩阻力与侧压力的关系，并与试验做了对比分析，证明直 剪试验与静压桩在压入过程与静载过程有很大不同 静压桩在压入过程中，土压力系数接近被动土压力，而在静载时，土压力系 数介于静止土压力与被动土压力之间。 关键词：静压桩侧压力摩阻力应变桩的刺入静载试验 s t a d y o fs h e a rs t r e s sa n de a r t hp r e s s u r e o nj a c k e dp i l e ( a b s t r a c t ) l ij i e s u p e r v i s e db yp r o f w a n gg u a n g g u o p i l e se x p e c i a l l yj a c k e dp l i e sa r ew i d e l yu s e di nc h i n aa tp r e s e n t ， b u tt h et h e o r yo fd r i y e np i l e sa r en o tw e l lu n d e r s t o o d as e r yo f p r o b l e m s ，s u c ha se a r t hp r e s s u r ea n ds h e a rs t r e s s ，a r ei ag r e a tn e e do f s 0 1 v i n g r e s e a c hi ns i t ui sa ni m p o r t a n tm e t h o d t r a d i t i o n a lm e t h o du s i n g e a r t hp r e s s u r ec e l la n ds t r e s sg a u g ei s e x p e n s i v ea n di m p r e c i s e w e s u g g u s tan e wm o t h o dt os o l v et h ep r o b l e m s w ef i r s tm e a s u r et h es t r a i n s a n dt h e nt r a n s f o r miti n t oi n f e r r e dp r e s s u r e s t h r o u g ht h ism e t h o d ，w e c a no b t a i nt h es t r e s s a c t i n g a tt h e p i l e s o i l i n t e r f a c ed u r i n g i n s t a l l a t i o n 、e q u a l i z a t i o na n dp i l el o a d i n g ， t h ec u r v eo fs h e a rs t r e s sg a i nf r o mp i l et e s ti ss i m i l a rt oc p t ，s o ， w ec a nu s er e s u l to fc p tt op r e d i c tt h ep i l ew h e nj a c k e di n t oe a r t h w eo b t a i nt h er e l a t i o n s h i po fs h e a rs t r e s sa n de a r t hp r e s s u r ed u r i n g i n s t a l l a t i o n ，t h es u b s e q u e n tp e r i o do fp i l el o a d i n g t h er e l a t i o n s h i po f t h et w op r o c e s s e si sd i f f e r e n t c o e f f i c i e n to fe a r t hp r e s s u r ei sn e a rp a s s i v ee a r t hp r e s s u r ed u r i n g i n s t a l l a t i o n ，b u tt h ec o e f f i c i e n to fe a r t hp r e s s u r ed u r i n gp i l el o a d i n g i sb e t w e e np a s s i v ee a r t hp r e s s u r ea n ds t a t i ce a r t hp r e s s u r e k e y w o r d ：j a c k e dp il e ：l a t e r a lp r e s s u r e ：s h e a rs t r e s s ：s t r a i n ：p i l e p e n e t r a t i o n ：p i i el o a d i n g i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包括其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河 南工业大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表 示了谢意。 论文作者签名：查堡，日期： 丝：耋：f & 关于论文使用授权的说明 本人完全了解河南工业大学有关保留、使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；本 人授权河南工业大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数 据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：奎鉴 日期： 迦：i ：垣 导师签名：阻日期：碰! i ：f 丘 静压桩的摩阻力和侧压力试验研究 1 1 桩基础概述 第一章绪论 当建筑场地浅层地基土质不能满足建筑物对地基承载力和变形的要求，也不 宜采用地基处理等措施时，往往需要以地基深层坚实土层或岩层作为地基持力 层，采用深基础方案。深基础主要有桩基础、沉井和地下连续墙等几种类型，其 中以桩基础的历史最为悠久，应用最为广泛。 1 1 1 桩基础发展史 桩基础通常简称为桩基，它是由若干根基桩和连接桩顶的承台( 或承台梁) 所 组成。桩基根据每个承台下桩数的多少，可分为单桩基础和群桩基础。群桩基础 中的单桩又称为基桩。 桩基础是人类在软弱地基上建造建筑物的一种创造，是最古老、最基本的一 种基础类型。木桩基础的使用源远流长。人类早在七、八千年前的新石器时代， 为了防止敌人袭击、猛兽侵犯和不占耕地，就设法在湖上和沼泽地里打木桩吐 又如智利古文化遗址中发现的桩，距今约有1 20 0 0 年【2 。东安格里亚( e a s t a j l 9 1 i a ) 沼泽地区修建的大修道院基础等 j 。我国7 0 年代在钱塘江南岸发现的河姆渡文 化遗址中，可见到70 0 0 年前打入沼泽地带木构建筑下土中排列成行的、以石器 砍削成形的木质圆桩、方桩和板桩 4 1 。2 0 世纪初，在上海建造的如国际饭店、锦 江饭店等2 0 层左右的标志性建筑物，都是采用了1 0 多米长的木桩1 2 】。桩基不仅 历史悠久，而且经久耐用。我国古代许多建造于软弱地基上的重型、高耸建筑以 及历史名桥都是成功地运用了桩基础，才抵御住无数次地震灾害和海浪冲击而仍 不失当年雄姿。今上海市的龙华塔和山西太原的晋祠圣母殿，都是现存的北宋年 代修建的桩基建筑物。在英国也保存有一些罗马时代修建的以木桩为基础的桥和 居民点 5 1 。 在漫长的人类历史发展过程中，桩基的类型和工艺都有了很大的发展和变 河南t 业犬学硕士论文 化。到了1 9 世纪2 0 年代，便开始使用铸铁板桩修筑围堰和码头。2 0 世纪初， 美国出现了各种型式的型钢，特别是h 型的钢桩受到营造商的重视。美国密西 西比河上的钢桥大量采用钢桩基础，3 0 年代开始广泛应用于欧洲。二次大战后， 随着冶炼技术的发展，各种直径的无缝钢管被作为桩材用于基础工程。到2 0 世 纪末，上海建造的如8 8 层金茂大厦等超高层建筑，已经采用了8 0 多米长的钢管 桩【2 】a 2 0 世纪初钢筋混凝土预制构件问世后，开始出现厂制和现场预制钢筋混凝土 桩。我国5 0 年代开始生产预制混凝土桩，多为方桩。1 9 4 9 年美国雷蒙德混凝土 桩公司最早用离心机生产了中空预应力钢筋混凝土管桩。我国铁路系统于5 0 年 代末也开始生产和使用预应力钢筋混凝土桩。 以混凝土或钢筋混凝土为材料的另一类型的桩，为就地灌注混凝土桩。上世 纪2 0 到3 0 年代已出现沉管灌注混凝土桩。上海在3 0 年代修建的一些高层建筑 的基础，就曾采用沉管灌注混凝土桩，如f r a n k i 桩和v i b r o 桩。到5 0 年代，随 着大型钻孔机械的发展，出现了钻孔灌注混凝土桩或钢筋混凝土桩。在5 0 年代 到6 0 年代，我国的铁路和公路桥梁，曾大量采用钻孔灌注混凝土桩和挖孔灌注 桩。 从成桩工艺的发展过程看，最早使用的桩基旖工方法是打入法。打入的工艺 从手锤到自由落锤，然后发展到蒸汽驱动、柴油驱动和压缩空气为动力的各种打 桩机。此外还发展了电动的震动打桩机和静力压桩机。随着人工挖孔桩和钻孔灌 注桩的出现，钻孔机械不断改进，出现了适用于地下水位以上的长、短螺旋钻孔 机，适用于不同地层的各种正、反循环钻孔机，旋转套管机等。此外，为了提高 灌注桩的承载力，还出现了扩大桩端直径的各种扩孔机，以及在孔底和周边压浆 的新工艺等。在2 1 世纪的今天，桩基的施工技术仍在不断地更新和改进，正朝 着低公害工法桩方向、扩孔桩方向、异型桩方向、埋入式桩方向、组合式工艺桩 方向、高强度桩方向以及多种桩身材料等方向发展巾j 。 总之，在近代由于新的材料和施工机械的出现，为桩基础的飞跃发展创造了 条件。今天它己成为高层建筑、大桥、码头和石油海洋平台等最常用的基础形式。 在施工技术进步、桩型开发应用和设计理论研究等各方面至今仍然异常活跃，显 示出桩基础强大的生命力和广阔的发展前景。 静压桩的摩阻力和侧压力试验研究 1 1 2 桩和桩基础的分类 一旦确定采用桩基础后，合理地选择桩类和桩型是桩基设计中的重要环节。 桩可按不同的方法进行分类 2 ，5 ，7 ，8 ，不同类型的桩基具有不同的承载性能，施工 时对环境的不同影响，不同的造价指标，各适用于不同的条件。 1 、按承载性状分类 桩在竖向荷载作用下，桩顶荷载由桩侧阻力和端阻力共同承受，而桩侧阻力、 端阻力的大小及分担荷载比例，主要由桩侧、桩端地基土的物理力学性质，桩的 尺寸和施工工艺所决定。传统的分类法是将桩分成摩擦桩和端承桩，很多设计者 将摩擦桩视为只具有侧阻力，端承桩只具有端阻力，显然这是不符合实际的。因 此，应按竖向荷载下桩土相互作用特点，桩侧阻力与桩端阻力的发挥程度和分担 荷载比，将桩分为摩擦型桩和端承型桩两大类和四个亚类。 ( 1 ) 摩擦型桩：是指在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩侧阻力 承受。根据桩侧阻力分担荷载的大小，摩擦型桩分为摩擦桩和端承摩擦桩两类。 在深厚的软弱土层中，无较硬的土层作为桩端持力层，或桩端持力层虽然较坚硬 但桩的长径比1 d 很大，传递到桩端的轴力很小，以至在极限荷载作用下，桩顶 荷载绝大部分由桩侧阻力承受，桩端阻力很小可忽略不计，通常称为摩擦桩。 当桩的i d 不很大，桩端持力层为较坚硬的粘性土、粉土和砂类土时，除桩 侧阻力外，还有一定的桩端阻力。桩顶荷载由桩侧阻力和桩端阻力共同承担，但 大部分由桩侧阻力承受，该类桩称为端承摩擦桩，通常所占比例很大。 ( 2 ) 端承型桩：是指在竖向极限荷载作用下，桩顶荷载全部或主要由桩端阻力 承受，桩侧阻力相对桩端阻力而言较小，或可忽略不计的桩。根据桩端阻力发挥 的程度和分担荷载的比例，又可分为摩擦端承桩和端承桩两类。桩端进入中密以 上的砂土、碎石类土或中、微风化岩层，桩顶极限荷载由桩侧阻力和桩端阻力共 同承担，而主要由桩端阻力承受，称为摩擦端承桩。 当桩的l ，d 较小( 一般小于1 0 ) ，桩身穿越软弱土层，桩端设置在密实砂层， 碎石类土层中、微风化岩层中，桩顶荷载绝大部分由桩端阻力承受，桩侧阻力很 小可忽略不计时，称其为端承桩。 对于嵌岩桩，桩侧与桩端荷载分担比与孔底沉渣及迸入基岩深度有关，桩的 长径比不是制约荷载分担比的唯一因素。 河南工业大学硕上论文 2 、按桩的使用功能分类 ( 1 ) 竖向抗压桩：主要承受竖向下压荷载( 简称竖向荷载) 的桩，应进行竖向承 载力计算，必要时还需计算桩基沉降，验算软弱下卧层的承载力以及负摩阻力产 生的下拉荷载； ( 2 ) 竖向抗拔桩：主要承受竖向上拔荷载的桩，应进行桩身强度和抗裂计算以 及抗拔承载力验算； ( 3 ) 水平受荷桩：主要承受水平荷载的桩，应进行桩身强度和抗裂验算以及水 平承载力和位移验算； ( 4 ) 复合受荷桩：承受竖向、水平荷载均较大的桩，应按竖向抗压( 或抗拔) 桩 及水平受荷桩的要求进行验算。 3 、按桩身材料的性质分类 ( 1 ) 混凝土桩：指由素混凝土、钢筋混凝土或预应力钢筋混凝土制成的桩，这 种桩的价格比较便宜，截面刚度大，且易于制成各种尺寸的桩，但桩身强度受到 到材料性能与施工条件的限制，用于超长桩时不能充分发挥地基土对桩的支承能 力。 ( 2 ) 钢桩：指采用钢材制成的管桩和型钢桩，由于钢材的强度高，可以用于超 长桩，钢桩还能承受比较大的锤击应力，可以进入比较密实或坚硬的持力层，获 得很高的承载力，但钢桩的价格比较昂贵。 ( 3 ) 组合材料桩：指由两种材料组合而成的桩型，以发挥各种材料的特点，获 得最佳的技术经济效果，如钢管混凝土桩就是一种组合材料桩。 ( 4 ) 木桩：适用位于地下水位以下的土层，木材保持在水位以下时能抵抗真菌 的腐蚀而具有良好的耐久性。当地下水位离地面深度较大而桩必须支承于地下水 位以下时，可在地下水位以上部分代之以钢筋混凝土桩身，将其与下段木桩相联 接。对于地下水位变化幅度大的地区不宜使用木桩。此外，我国木材资源不足， 在工程实践中应尽量避免使用。 4 、按成桩方法对土层的影响分类 ( 1 ) 挤土桩：指打入或压入土中的实体预制桩和闭口管桩( 钢管桩或预应力管 桩) 、沉管灌注桩。这类桩在沉桩过程中，或沉入钢套管的过程中，周围土体受 到桩体的挤压作用，土中超孔隙水压力增长，土体发生隆起，对周围环境造成严 静压桩的摩仁且力和侧压力试验研究 重的损害，如相邻建筑物的变形开裂，市政管线断裂造成水或煤气的泄漏，在大 中城市的建成区已严格限制挤土桩的施工。 ( 2 ) 部分挤土桩：指沉管灌注桩、预钻孔打入式预制桩、打入式敞1 2 1 桩；打入敞 口桩管时，土可以进入桩管形成土塞，从而减少了挤土的作用，但在土塞的长度 不再增加时，尤如闭口桩一样产生挤土的作用。打入实体桩时，为了减少挤土作 用，可以采取预钻孔的措施，将部分土体取走，也属于部分挤土桩。 ( 3 ) 非挤土桩：指采用干作业法、泥浆护壁法、套管护壁法的钻( 冲) e l 、挖孔 桩；非挤土桩在成孔与成桩的过程中对周围的桩间土没有挤压的作用，不会引起 全。 5 、按桩径大小分类 ( 1 ) 小桩：桩径d 2 5 0 m m 。由于桩径小使施工机械、旌工场地及施工方法一般 较为简单。小桩多用于基础加固( 树根桩或静压锚杆托换桩) 和复合桩基础。 ( 2 ) 中等直径桩：桩径2 5 0 m m d 8 0 0 m m 。近年来发展较快，范围逐渐增多。因为桩径大 且桩端还可扩大，因此，单桩承载力较高。此类桩除大直径钢管桩外，多数为钻、 冲、挖孔灌注桩。通常用于高重型建( 构) 筑物基础，并可实现柱下单桩的结构型 式。正因为如此，也决定了大直径桩旎工质量的重要性。此类桩大多数是端承型 桩，少量为端承摩擦桩。 6 、此外，还可按成桩工艺可分为打入桩( 包括木桩、混凝土桩和钢桩) 、就地 灌注桩( 包括沉管灌注桩、钻孔灌注桩、人工挖孔桩等) 、静压桩、螺旋桩等；按桩 身截面形状可分为圆形桩、方桩、多边形( 三角形、矩形、六边形等) 桩、异型( 十 字型、x 型、树根等) 桩等。 1 1 3 桩基础的特点和适用范围 桩基础是由承台将若干根桩的顶部联结成整体，以共同承受荷载的一种深基 当地基浅层土质不良，采用浅基础无法满足结构物对地基强度、变形及稳定性方 面的要求时，往往需要采用桩基础。桩具有多种独特的功能，具体可根据工程的 特点，发挥其不同的作用。 河南工业大学硕士论文 f 1 ) 通过桩的侧面和土接触，将荷载传递给桩周土体，或深层岩层、砂层或 坚硬的粘土层，从而获得很大的承载能力以支承重型建筑物； ( 2 ) 对于液化的地基，为了在地震时仍保持建筑物的安全，通过桩穿过液化 土层，将荷载传递给稳定的不液化土层： ( 3 ) 桩基础具有很大的竖向刚度，因而采用桩基础的建筑物，沉降比较小， 而且比较均匀，可以满足对沉降要求特别高的上部结构的安全需要和使用要求； ( 4 1 桩具有很大的侧向刚度和抗拔能力，能抵抗台风和地震引起的巨大水平 力、上拔力和倾覆力矩，保持高耸结构物和高层建筑的安全； ( 5 ) 改交地基基础的动力特性，提高地基基础的自振频率，减小振幅，保证 机械设备的正常运转。 此外，从国内外的工程实践来看，采用桩基础便于实现基础工程的机械化和 工业化，所以桩基础是一种具有广泛应用前景的深基础。在港口、桥梁、高耸塔 型建筑、近海钻采平台、支挡建筑及核电站等大型结构物中，桩基础得到了广泛 的应用，它几乎可应用于各种地质条件和类型的工程，尤其适用于建造在软弱地 基上的重型建筑物。此外，在地震区、湿陷性黄土地区、膨胀土地区及岩溶地区， 桩基础也是一种极为重要的基础型式。 1 2 静压桩概述 静力压入法沉桩施工简称静压法，是借助压桩机械将钢筋混凝土预制桩或钢 桩压入土层的一种桩基础施工方法。所压入的桩称为静压桩。 预制桩的沉桩方式有三种，即锤击法、静压法和振动沉桩法。其中锤击法是 沿用多年的方法，但在锤击法施工时常会出现一些问题，如对环境的噪声污染及 油烟污染、钢筋混凝土桩头破损及断桩等，但静压桩克服了这些缺点。 静压桩有许多优点，现归纳如下【1 u j ； ( 1 ) 静压桩施工无噪音，适合市区作业。目前有些城市已禁止在市区捶击打桩， 静压桩施工方法是一种理想的选择。 ( 2 ) 静压施工无振动，适宜在有危房、精密仪器房附近及河口岸边等地区施工。 ( 3 ) 静压桩身可工厂化预制，加早强剂后5 天就可以压桩，时间周期短，且施 工前的准备期也可缩短。 静压桩的摩阻力和侧压力试验研究 ( 4 ) 静压桩压入施工时不像打桩那样在桩身产生动应力，减少对桩的破坏力， 从而可以降低对桩身的强度等要求，节约钢材和水泥。 ( 5 ) 施工过程中的压桩阻力能自始至终的显示和记录，可定量观察整个沉桩过 程，桩的承载力有保障。 ( 6 ) 施工文明，场地整洁，桩头布置整齐。自动化程度高，工人劳动强度低。 ( 7 ) 适用于岩溶地区。打入桩不适用于这些地区。 ( 8 ) 送桩深度比打入桩深，且送桩后桩深质量较可靠，因此特别适用于带有多 层地下室的高层建筑。 ( 9 ) 接桩方便，桩长不像沉管灌注桩施工受施工机械限制，在深厚软土地区有 较大优势。 ( 1 0 ) 经济效益高。一般来说，采用静压桩比灌注桩节省1 6 2 倍。 目前，压桩机械多采用液压式静力压桩机，压桩方式有抱压式( 箍压式) 和 项压式。抱压式是指压桩时，开动电动油泵，通过抱压千斤顶将桩箍紧，在借助 压桩千斤顶( 一压桩机的自重和配重作为平衡反力) 在桩身施加向下的力，将桩 压入土中，顶压式是通过压梁在桩顶施加力，抱压式应用较多。 静压桩桩型有以下几种： ( 1 ) 普通钢筋混凝土方桩( r c 桩) ( 2 ) 预应力钢筋混凝土管桩( p c 桩) ( 3 ) 预应力高强钢筋混凝土管桩( p h c 桩) ( 4 ) 钢管桩和h 型钢桩 ( 5 ) 锚杆静压桩 1 3 静压桩的受力特性在国内外的研究现状 目前主要有三种研究方法：试验方法、理论计算方法和数值分析方法。下面 对各种方法的研究现状分别阐述。 1 3 。1 试验方法 试验的目的是为了得到不同深度的压桩阻力( 端阻力和侧摩阻力) 和由挤土 效应引起的孔隙水压力与土压力。试验方法主要有以下三种：室内模型试验，离 心机模型试验，现场试验。 河南工业大学硕十论文 s e e d r e e s e ( 1 9 5 5 ) 1 1 1 2 1 3 1 4 】在工程中发现当桩打入粘性土后，桩的承载力 会随时间而增加，他们认为主要是由于沉桩引起的超孔隙水压力随时间消散引起 的。 k e n s 等( 1 9 6 2 ) 【1 0 在直径6 4 m 、深1 0 4 m 的大型沙坑中用不同直径的平底探 头( 4 5 m m 一3 2 0 r a m ) 在不同密实度的均匀石英砂中作了大量试验，观测了端部阻 力和平均侧摩阻力随贯入深度的变化规律，分别测定了端阻和总压入力随贯入深 度的变化，提出了临界深度的概念。 v e s i c ( 1 9 7 2 ) 1 5 j 在现场厚层沙土中作了静力触探和压桩试验，观测到了端阻 和侧阻的变化，并分析了l 瞄介深度的位置。 梅耶霍夫( 1 9 7 8 ) 【1 6 】观测了贯入杆侧壁作用的径向应力，认为侧摩阻力与 径向应力之间有着密切的关系。 英国剑桥大学d a v ew h i t e ( 2 0 0 2 ) 1 7 】等人在平面应变试验箱以及离心试验机 上进行了静压桩模型试验及野外试验。研究分为两部份，一方面是对设置于砂土 中的静压桩机理的研究进行了8 组试验箱模型试验，动态观测到模型桩沉桩时的 位移场，研究了土的种类及出始密度对其的影响，另一方面是足尺寸的野外试验， 进行了4 组用于验证室内模型试验的结果。采用了数字摄影，颗粒影像速度测量， 照相测量等高技术影像分析方法对静压桩贯入土中的位移场，应力场进行观测分 析，精度较高。 刘祖德等( 1 9 8 9 ) 【1 8 】介绍了显微镜位移跟踪法在土工模型试验中的应用， 提出了从位移场转化为介质密度场和应变场的概念和方法，并对静力触探的机理 进行了试验分析。 窦远明( 1 9 9 2 ) 1 9 】进行了砂土中桩端刺入变形的试验研究。侯兆霞 2 0 】( 1 9 9 3 ) 对不同密度砂进行模型桩试验，观测了桩周端土体的应力情况，分析了砂土破坏 原理。 胡幼常( 1 9 9 5 ) 2 1 蛔过模型桩试验观测了桩贯入桩端持力层过程中地基土 的位移场，并测得桩端阻力随桩端沉降的变化曲线。 静压桩的摩阻力和侧压力试验研究 不只土的类别对沉桩有影响，w r o t h 等 2 2 1 ( 1 9 7 9 ) 认为土的应力历史对沉桩 也有显著影响。 c h a n d l e r ( 1 9 6 6 、1 9 8 6 ) 2 3 , 2 4 】等人认为，应该用桩周土的有效应力估算桩的 竖向承载力。 h i g h t 等( 1 9 9 6 ) 【2 5 】做了桩径对桩端承载力影响的一些研究。研究表明，在 一定的允许变形范围内，桩尖单位面积端阻力随着桩径的增加而减小。 l e h a n e 等( 2 0 0 1 ) 2 6 】通过了干松砂中的静压桩模型试验，研究了应力水平、 桩的直径、开口管桩管厚等参数的影响。结果表明土塞刚度与承载能力可以表示 为圆锥刺入端部阻力与加载之前的填充率的简单函数。 p a i k 等( 2 0 0 4 ) f 2 7 】通过对砂土体条件的改变来研究桩的安装方法对刺入参 数和承载力的影响。试验结果显示，对于相同的锤击能量，锤击次数和填充率随 着夯锤重量的增加而减小。桩端阻力以及桩侧摩阻力在相同夯击能力下随着夯锤 重量的增加而增加。静压方式安装桩的试验表明，在相同的土体条件下，承载能 力更高，这主要归功于静压比锤击更有助于桩端土塞的发展。 国内很少有人测量孔隙水压力和土的环向应力，主要是研究静压桩的压桩阻 力和挤土效应，测量土的总剪应力以及承载力在压桩完成后的变化，而不考虑其 分布。其方法是：在桩尖处放置压力传感器，测量桩端阻力，并有静压桩机油压 系统读出压桩阻力，便可计算出桩侧阻力，在此基础上分析端阻力和侧阻力的变 化规律。 1 9 9 2 年，b o n d ，a j & j a r g i n e ，r j ( 1 9 9 1 、1 9 9 5 ) 2 8 , 2 9 】在超结土中作了一系 列静压桩的现场试验。采用长度7 m ，直径1 0 2 m m ，6 0 。桩尖的模型桩。并在桩 身安装轴向压力传感器，应变片和温度补偿片，孔压计和位移传感器。 试验测量了桩在静压过程，土的固结、孔隙水压力消散过程和静载试验过程 中桩土接触面上的有效应力变化。压入过程为分段压入，每次压入2 2 5 m m ，每段 保持匀速压入，在整个过程中传感器为3 s 读一次数。在压入后，桩土稳定后再 进行静载试验。 塑堕三些查兰堡主堡苎 s h e a rs t r e s sf 口：k p a 图1 1 剪应力随深度变化 b o n i ) n l ， 冀o l n r a d 墉i 重。嘛l | l 嚏s s ：k p i 图1 - 2 环向应力随深度变化 1 0 e一毛t凸 e晕o 静压桩的摩阻力和侧压力试验研究 试验结果见图1 - 1 、1 2 。研究表明随着深度的增加剪应力逐渐增加，但到了 一定程度，便基本为一定值，而从土层在4 1 m 时有一突变，即不排水强度有明 显变化。这说明桩土界面剪应力与土的初始强度关系不大，通过几组不同压入速 度对比试验发现剪应力受压入速度的影响很大。 该试验还同时测量了压入过程中孔隙水压力的变化，在桩被压入2 - 2 ，4 m 时3 个传感器所在位置均产生正的孔压，上面的最大，下面的最小。在被压入2 4 5 5 m 时，孔压变为负值，这是因为桩是分段压入的，每压入2 2 5 m m 调整后，重新压入。 在中间这段时间，土体发生膨胀，因此产生负的孔压，等到压力再加到一定值的 时候，又产生正的孔压。 压入过程的环向总应力变化可以看出一个重要信息，在离地面以下3 m 处桩 尖处、桩身处、桩顶处的应变片测的压力值依次减小。也就是说，在同一高度的 桩土界面的土压力在桩的压入过程中是逐渐减小的。 根据试验测出的孔压和环向总应力可以计算出环向土的有效应力，桩尖处的 环向有效应力随深度变化。孔压受压入间隔的影响，但由于环向总应力也受其影 响，两者互相抵消，所以有效应力受压入间隔的影响不大。 p r i c e & w a r d l e ( 1 9 8 2 ) 3 0 1 ，k i t c h i n g ( 1 9 8 3 ) 3 1j ，c o o p ( 1 9 8 7 ) 3 2 】等也对超固结土 作了大量研究，都认为桩的压入速度对土的应力变化有着重要影响。 c o o p & w r o t h ( 1 9 8 9 ) p 副分别测量出了超固结土的孔压变化，并分析了桩的 成孔效应。 b o n d ，a j & j a r d i n e , r j ，f 2 8 ，2 9 ( 1 9 9 1 、1 9 9 5 ) 用同种桩模型测出了桩在压入 后和静载试验时的桩土界面的剪应力、孔隙水压力和环向有效应力变化。 以上试验现象表明，超固结土中桩土界面处的剪应力在桩压入过程中及随后 的压载中受压桩速度的影响很大，而与原始应力状况关系不大。另外，在压桩过 程中产生负的孔隙水压力。在桩压入后，孔隙水压力消散很快，土的固结过程也 很快，但承载能力不随时间增长，反而轻微的降低。并建立了侧摩阻力与径向有 效应力的关系。 这种试验方法是目前国外广泛采用的试验方法，测量比较全面，结果直观， 精确度较高，但费用昂贵，目前国内应用较少。 河南工业大学硕士论文 1 3 2 理论方法 以上主要靠试验现象解释沉桩机理，理论方法是对试验方法的补充完善 和理论升华。主要有以下几种： 1 3 2 1 刚塑性理论 这是土力学中地基承载力计算的经典理论。根据这种理论，对于砂土地基， 基地极限荷载可简化为： e u = 砌 ( 1 1 ) n _ 一深基础承载力系数( 砂土内摩擦角的函数) 此方法忽略了桩宽度的影响。由于存在端阻和侧摩阻力的深度效应问题，上 式存在一个极限值。 基于刚塑性理论的有关深基础基地极限荷载的计算方法，目前虽仍被广泛采 用，但只能用于小于临界深度的情况，而且需要另外考虑多层土的影响。 13 2 2 圆孔扩张理论 v e s i c ( 1 9 7 2 ) 1 5 】首先提出了圆孔扩张理论。后来经过c a r t e r ，r a n d o l p h ( 1 9 7 9 、 1 9 8 8 、1 9 8 3 、1 9 8 5 ) 阻3 4 3 5 l3 6 】等人的发展，已经成为解决沉桩对周围环境影 响的应用最为广泛的一种方法。圆孔扩张理论包括柱形孔扩张理论和球形孔扩张 理论。 经典的圆孔扩张理论假定土体是理想弹塑性体，材料服从t r e s c a 或 m o h r c o u l o m b 屈服准则，根据弹塑性理论给出无限土体内具有初始半径的柱形 孑l 或球形孔，被均匀分布的内压力p 所扩张的一般解。 圆孔扩张法具有以下优点：径向对称的平面应变假定将问题简化为平面应变 轴对称问题，未知量数目变少，控制方程由一组复杂的偏微分方程减少为一个一 次微分方程，求解方法简单，可以处理许多复杂的问题。 y a s u f u k u ( 1 9 9 5 、1 9 9 9 、2 0 0 1 ) 【3 7 3 8 3 9 】指出砂土中桩端砂受压的变形性状 与砂的可压缩性无显著关系，具有一定的普遍性，因而球孔扩张理论应用于桩端 阻力计算分析似乎是比较适宜的。y a s u f u k u 基于小孔扩张理论把小孔扩张压力 p 。和桩端极限阻力q 。联系起来，本质上将士体性质与端阻力计算紧密联系，可 静压桩的摩阻力和侧压力试验研究 以体现土的体积压缩，剪切相对位移等非线性特征，且引入经验公式使算法实用 性大大加强。 李月建等( 2 0 0 1 ) 4 0 】用圆孔扩张模型和影像的手段求解在基桩贯入过程中 周围土体内产生位移场的理论表达式，求解在沉桩过程中周围土体内产生的应力 场，超孔隙水压力分布于消散，地基土沉桩前后强度变化等问题。 张明义( 2 0 0 3 ) 4 1 1 将圆孔扩张理论运用于桩端土，结合桩侧土的滑动摩擦， 建立了球形孔扩张一滑动摩擦计算模式，成功用于模拟计算压桩力。 圆孔扩张理论采用了平行轴对称或球对称假定，土体的位移和孔压只能是径 向的，对深度方向分布没有考虑，不能模拟稳态贯入过程。 1 3 2 3 应变路径法 麻省理工学院( m i t ) 的研究表明：由c e m 法假设的一维模型( 土颗粒只 在径向发生位移，不考虑桩尖土的位移) 过于简化而不能描述二维的问题。 b a l i g h ( 1 9 8 5 ) 【4 2 】提出的应力路径法( s p m ) 能够大致分析预测出由土体内 不同刚桩( 长桩，现场探测试验，土样等) 引起的土的扰动。 图l 一3 应变路径法f b a l i s h ) 河南工业大学硕士论文 b a l i g h ( 1 9 7 5 ) 4 3 】做了饱和中的钢桩不排水条件下的压入试验，试验得出的 土体的变形表明：由于“深部”压入问题中存在严格的动态约束，土体变形和 土的应变和土的抗剪强度有很大的关系。也就是说，该类问题属于应变控制问题， 同时也说明，在确定由桩的贯入引起的位移和应变的试验中，即使土的特性被考 虑得相对“简化”( 各向同性) ，其引起的误差也是相当小的。 在准静态桩的贯入试验中，饱和粘土中的轴对称钢桩被假设为稳定的贯入模 式。所谓稳定的贯入模式是指随着试验压头移动时，土体的位移和应变不随时间 改变。桩的压入过程和土颗粒沿着固端钢桩桩周的流线运动的流动问题( 流体动 力学模拟) 相似，即土体像流体一样运动。由流动路线可能可以确定应变场和应 力状态。所以，该方法可得到沿不同流线的各种土单元的变形、应变、应力和孔 隙压力。 由应变路径得到的桩周应力场可用于确定： 一近似有效应力盯：，由模拟土体本构特性的土模型的广义有效应力的平均 值确定近似有效应力盯：； 一总应力，其中偏应力s ，和孔隙水压力引起的剪力“。分别由两个不同的 土体本构模型( l e v a d o u x 和b a l i g h ，19 8 0 ：b a l i g h ，19 8 5 和19 8 6a ，b ) 4 4 , 4 5 , 4 6 j 确定。近似有效应力的优点是同一模型可用于研究桩置入后的土体固结过程。超 孔隙水压力可由有限单元解确定。 1 3 24c e m 和s p m 预测值的比较 两种方法( c e m 和s p m ) 预测了置入后桩周土中的相似应变状态，但是， 两种方法中的土单元导致这些最终应变的应变路径是不同的。事实上，c e m 预 测了从最初的无变形状态到最终的应变状态无变化的应变路径，而s p m 预测了 某些应变分量由于桩顶的影响而产生了反向。 当这两种方法被应用到需考虑应变路径的天然土的应力应变关系的模拟中 时，它们预测了不同的应力和孔隙水压力。图1 1 ( k a v v a d a s ，1 9 8 2 ) 4 7 】，小孔 扩张法预测到在桩一土接触面上，径向有效应力盯：在0 4 8 0 8 6 0 - ，。范围内，而应 变路径法的预测值在0 0 2 0 0 5 盯：。范围内，比前者低2 0 倍。 静压桩的摩阻力和侧压力试验研究 在两个情况下，当土的特性依照修正剑桥粘土( m c c ) 模型模拟时，图1 4 中所示的上限值出现( r o s c o e 和b u r l a n d ，1 9 6 8 ) m 3 ，而根据b a l i g h 和他的同事 所做的改进m i t 模型，即考虑了土软化的各向异性的m i t e 3 模型，在同一个模 拟中下限值也出现了。 r d v d n o r m a l i z e d r a d i u s ，r r 拶 图1 4 由c e m 法和s p m 法确定的桩打入过程中的径向有效应力( k a w a d a s ，19 8 2 ) 1 9 8 5 年，挪威地质协会的k a r l s r u d 和h a u g e n 【4 9 1 做了打入式封口模型桩的试 验，验证了s p m 的预测值。研究结果表明，在打入的过程中，水平有效应力是 可以忽略的，或者是没有小孔扩张理论预计的大。 图i - 4 表明了( a z z o u z ，1 9 9 0 ) 【5 0 1 封口桩桩壁的k - t 曲线，即k ：盯 随时间因素r 2 的变化情况a 其中： c 毕 警 。， t - - 一时间 r o 一一桩径 一一静止土压力系数 k 一一水平渗透系数 河南工业大学硕士论文 y 。一一水的容重 嵩、 盆 善、扩 曼z 务。f 薹 琶皇 詈墓 o t 、j t i m ef o c l o r ， t = 繁 图1 - 5 桩周固结过程中水平有效应力的变化( a z z o t t z 等，19 9 0 ) 根据c e m 和s p m ，并应用修正的剑桥粘土和m i t e 3 有效应力土模型可以 预测桩的打入条件。对于轻微超固结的( o c r “1 5 ) 、均匀的塑性粘土，其塑 限指数为，= 5 6 + 1 0 ，灵敏度为s ，：2 l ，预计静止土压力系数为k o ：0 7 2 ， 图1 - 5 表明： 一打入桩的模拟方法对固结前的初始有效应力盯：。的预测值有重大的影响。 事实上，s p m 预测的k 值( o 5 4 ) 比c e m 预测的k 值( 1 1 3 ) 小的多，但比较 接近于压电一水平应力元( p l s ) ( b a l i g h 等，1 9 8 5 ) 的测量值( o 3 8 ) 。 一与s p m 相比，c e m 预测的固结速度和盯：随着时间变化比较快。这主 要是由于c e m 打入到接近于桩身时而导致的较大超孔隙水压力梯度。 在整个固结过程中，c e m 预测的盯：的值比s p m 预测的值大。对于同一 个土模型，c e m 预测的最终值( k ，= 1 9 5 ) 比s p m 预测的值要大2 5 左右， 比p l s 元测量的值( k ，z0 9 0 ) 大的更多。 6 2 8 ；4 硷 毛 卜 ； 0 0 静压桩的摩阻力和侧压力试验研究 由于在低渗透正常固结和轻微超固结的粘土沉淀中，桩的不排水深穿透性， 有关土中的超孔隙水压力的发展，在足尺桩的打入过程中，测得不同点的超孔隙 水压力值( a u ) 和理论值的比较结果： 一在不排水渗透过程中，压力计测得的界面超孔隙压力( a u = “一，其 中= 稳定状态平衡孔隙压力) 比较大且超过了其它的土应力( “2 盯二) 。 一引起的超孔隙压力是非常大的( a uz2 g ；。) ，甚至在2 0 倍桩径的位置 和在5 0 倍桩径的位置也能量测的。 一在5 倍和2 0 倍桩径的范围内，大多数试验数据表明乡名二l g 。是 一种线性变化关系，比例常数等于3 4 0 6 。 一当5 e r 。2 0 ，c e m 的预测值与s p m 的预测值具有一致性。 一对于剐 5 ，两种方法的预测值十分不符合：尤其是在桩一土接触面 处，s p m 的预测值形盯_ 5 2 6 ( 与测得的值相差不大) ，然而c e m 的预测值 仃：。= 4 8 试验数据表明了一个有意义的分散状态，一方面反映了这种测量法的难度， 另一方面也表明简化方法所得的值形盯0 与土的强度，应力历史( o c r ) 和结 构( 灵敏度) 没有联系。 1 3 2 5 “p 法” 就像以上提到的，一些研究已经完成了对粘土中贯入物的模拟。在这些当中， 整个桩贯入的情况是最复杂的( 由于贯入产生的动应力，横向的摆动，局部消散 产生的终止等) ，因此很可能得不到准确的解。 虽然现有的方法对这问题还没有完整的解答，不过他们在一定程度上阐明了 表面摩擦力兀产生的机理，并且提出了计算五的一种新方法一“p 方法”( a z z o u z 等，1 9 9 0 ) 。 该方法源于b a l i g h 等( 1 9 8 5 ) 运用压电一水平应力( p l s ) 元试验结果，其对于模 型桩来说，如同孔隙水压力一样作用在桩身上，可以更好地模拟平均剪应力和j 下 应力。因此，这种方法可以计算桩土之间的水平有效应力和剪应力。 1 7 河南工业大学硕士论文 图1 6 给出的是一个用p l s 元测试的典型例子，该场地有深层沉积的波士顿 蓝粘土( b b c ) ( a z z o u z 等，1 9 9 0 ) ，图示表明在距桩端部l m 的桩身上测到的标准 孔隙水压力u - - r o ) 盯：。( 式中：最终稳定状态的孔隙水压力，盯乞2 最终竖向 有效应力) ，标准总水平应力p 一一) 盯乙，有效水平应力盯：盯0 随时间的变 化。图1 - 6 表明： 桩打入过程中f 2 o 时刻的应力值。桩的打入导致孔隙水压力“和总水平 应力有显著的增加，在b b c 的打入过程中，a u 2 “一甜。的总测量值是盯m 的 2 1 到2 3 倍，这和b a l i g h l 与l e v a d o u x ( 1 9 8 0 ) 从大量的实型桩中得到数据相吻合。 同样的标准总水平应力( 盯一一“。) o - 。在贯入结束时的范围是2 3 2 4 g 。结果， 在打入后立即测得的作用在桩身上的水平有效应力就很小，范围是0 0 5 0 2 。- 。 一在固结过程中，作用在桩身上的总水平应力有显著减小。图示表明 p 一一“。) d 。出贯入结束时的2 3 2 4 盯。减小到固结结束时的o 6 盯。结果， 固结后得到的最终标准有效水平应力盯乏盯：。大约是0 , 6 ，该值接近于对这种沉积 的b b c ( 该情况不一定会出现在其它种粘土中) 的最初估计情况( 即打入前k o 条件就存在) 。 图i 一6p l s 元测得的在b b c 中固结时的超孔隙水压力、水平总应力和水平有效应力 ( a z z o u z 等，19 90 ) 向有主兰三罢了：葛篡：黧耋标准交面摩擦比，其表征桩身作用( 有1 - 单2 ) 位法 同篙纛竺眺懒溉p 等罴翥：e 鬻磷雠 认为篇篡罴( 。k a r j 删泛：鬻篡麓蠢认为，和畎之问成比例关系。 。“8 如，1 9 8 5 通过对模型桩的测量， 图卜7 表面摩擦比p 的；测和实测值。a ：。u z 等 河南t 业大学硕士论文 模拟过程中的参数段研究表明了各个因素，如：o c r 、灵敏度、后特性峰值、 非线性、各向异性、场地的位置和形状，与仃孟的相关性。 韩选江( 1 9 9 6 ) f 5 1 j 建议采用下式估算沉桩阻力 p = c t r s + , a u p j t t t ( 1 - 3 ) u 。一桩截面周长 ：- 桩周第i 层土的侧摩阻力( 由静力触探结果确定) z ，一第i 层土的厚度 月+ 一由静力触探结果计算的桩端阻力 使用时应进行一定量的试桩确定参数6 l 、。试桩数量和入土深度对参数有 一定影响。 ：郏nr j 、顾晓鲁( 1 9 9 8 ) i 5 2 】部分别提出了一些桩端和桩侧阻力的经