（地质工程专业论文）流态桩身混凝土对桩周土体挤密作用的研究.pdf

摘要 伴随着现代土木工程向着超高、超重、超大方向发展，越来越多的工程设计采用大直 径超长灌注桩群桩基础形式。但是人们对这类大规模群桩基础形式的认识却远远落后于工 程设计的要求，设计经验和理论研究落后于工程实践，尤其是桩身混凝土凝固过程中，派 生的侧向压力对桩周土体的挤密作用仍鲜有研究。本文以正在研究中的国家重点基础研究 发展规划项目( 9 7 3 项目) 一“灾害环境下重大工程安全性的基础研究”、国家十一五科 技支撑项目一。苏通大桥工程建设关键技术研究”和江苏省交通科学研究计划项目一“超 大型钻孔灌注桩群桩基础关键技术研究”为依托，针对苏通大桥大直径、高自由段、超长 钻孔灌注桩群桩基础，进行缩尺模型试验研究，主要开展以下工作： ( 1 ) 根据苏通大桥群桩基础的原型实测结果，深入阐述大直径超长钻孔灌注桩设计 中存在的不合理现象进行详细分析的基础上，确定如何合理地对桩身混凝土凝固过程对桩 周土体的挤密作用进行研究 ( 2 ) 采用缩尺模型试验确定桩身混凝土凝固过程中对孔壁产生的侧向压力。研究该 侧向压力的分布和变化形式 ( 3 ) 利用圆孔扩张理论方法对桩身混凝土凝固过程对桩周土体的挤密作用进行理论 分析 ( 4 ) 量化凝固过程中的流态桩身混凝土产生的扩径作用，并研究其对桩基承载力的 影响。 ( 5 ) 量化桩身混凝土凝固过程对桩周土体产生的侧向挤密作用，确定挤密影响区域， 并确定挤密区域土体参数的强化程度。 ( 6 ) 采用缩尺模型试验与有限元数值模拟相结合的方法对桩身混凝土凝固过程对桩 周土体的挤密作用进行研究，将缩尺模型试验获得的作用于孔壁的侧压力加载于 a b a q u $ 有限元模型中进行桩周土体变形分析，并与圆孔扩张理论分析结果相互验证 ( 7 ) 基于非线性有限元基本原理，应用a b a q u s 软件，针对土体参数强化对桩基极 限承载力进行对比分析。 关键词：苏通大桥，钻孔灌注桩、模型试验，流态混凝土的挤密作用，圆孔扩张理论， a b a q u s a b s t r a c t w i t ht h em o d e mc i v i lp r o j e c t sd e v e l o p i n gi nt h ed i r e c t i o n so fs u p e r - h e i g h t , s u p e r - w e i g h t a n ds u p e r - d e p t h , t h ep i l eg r o u pf o u n d a t i o nc o m p o s e do ft h el a r g e - d i a m e t e ra n ds u p e r - l o n g p i l e sa r ca d o p t e db ym o r ca n dm o l ep r o j e c t s b u tp e o p l e su n d e r s t a n d i n go ft h eb a s i cl a w so f t h i sk i n do f l a r g ep i l eg r o u pf o u n d a t i o nf a rl a g sb e h i n dt h er e q u e s tf o rt h ee n g i n e e r i n gd e s i g n , e s p e c i a l l yt h es t u d yo nt h ec o n c r e t i n gp r o c e s sb r i n go ni n t e n s i v ec o m p a c t i n ge f f e c to fs o i l a r o u n dt h ep i l e b a s e d0 1 1t h eu n d e rs t u d yn a t i o n a lb a s i cr e s e a r c hp r o g r a mo fc h i n a ( 9 7 3 p r o g r a m ) - - b a s i cr e s e a r e l a o nt h es a f e t yo fm a j o re n g i n e e r i n gl r o j e e ti nh a z a r d o u s e n v i r o n m e n t ，n a t i o n a ls u p p o r tf o rs c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a lp r o j e c t st h ell t hf i v e - y e a r p l a n k e yt e c h n o l o g i e ss t u d yo fs u t o n gb r i d g e a n dj i a n g s up r o v i n c i a lt r a f f i cs c i e n c es t u d y p r o g r a m - - t h ek e yt e c h n i q u e ss t u d yo ns u p e r s i z e db o r i n gp i l e , - g r o u pf o u n d a t i o n ，b ea i m e d a tl a r g e - d i a m e t e r , l o n gh i g h p i l e , s u p e r - l o n gb o r e dp i l eo fs u t o n gb r i d g e ，e a r l yo u tt h em o d e l t e s tr c s c a l c h , s e v e r a lp r o b l e m s s t u d ya sf o l l o w s ： ( 1 ) b a s e d0 1 1m o n i t o rl 旧- s u l t so fp i l e - g r o u pf o u n d a t i o no f $ u t o n gb r i d g ea n dt h e u n r e a s o n a b l ep h e n o m e n o n o f l a r g ed i a m e t e rb o r e dp i l ed e s i g n , f i n dh o w t or e s e a r c hc o m p a c t i n g e f f e c to f c o n c r e t i n gf o rs u p e r - l o n ga n d l a r g e - d i a m e t e rb o r e dp i l e ( 2 ) u s e st h es c a l em o d e le x p e r i m e n tc o n f i r mt h el a t e r a lp r e s s u r eo f c a u s eb yp i l eb o d y c o n c r e t ei nt h ec o n c r e t i n gl r l - o e e s s s t u d i e st h ed i s t r i b u t i o no ft h i s l a t e r a lp r e s s u r ea n di t s c h a n g ef o r m ( 3 ) u s e s t h e c a v i t y e x p a n s i o n t h e o r y t o a n a l y s i s t h e c o m p a c t i n g e f f e c t c a u s e b y p i l e b o d y c o n e r c t ci nt h ec o n c r e t i n gp r o c e s s ( 4 ) q u a n t i t a t i v ea n a l y s i st h oc h a n g eo f p i l ed i a m e t e r , a n ds t u d yt h ei n f l u e n c et ob e a r i n g c a p a c i t yo f t l a i sf a c t o r ( 5 ) q u a n t i t a t i v ea n a l y s i sc o m p a c t i n ge f f e c to fs o i la r o u n dt h ep i l e , c o n f i r mi n f l u e n c e r e g i o na n ds o i lp a r a m e t e rc h a n g e so f t h i sr e g i o n ( 6 ) c o m b i n e dt h es c a l em o d e le x p e r i m e n ta n df i n i t ee l e m e n tm e t h o dt or e s c a r c l at h e c o m p a c t i n ge f f e c t , u t h i st ot e s tr e s u l to f t l a ee a v i t ) ，e x p a n s i o nt h e o r y ( 7 ) u s et h ea b a q u ss o t t w a r et oc o m p u t e rt h eb e a r i n g c a p a c i t yo f p i l ef o u n d a t i o nw i t h s o i lp a r a m e t e rc h a n g ea n dn oc h a n g e k e yw o r d s ：s u t o n gb r i d g e ，s c a l em o d e le x p e r i m e n t ，c o m p a c t i n ge f f e c t ， t h e o r y ，a b a q u s ，f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ，l i m i tb e a r i n gc a p a e i t y 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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 文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同事 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。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：固年月，日 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：而年二月7 日 河海大学硕士学位论文流态桩身混凝土对桩周土体挤密作用的研究 第一章绪论 1 - l 研究背景 1 i 1 研究目的 桩是一种很古老而又应用极为广泛的基础形式。据记载，我国历史上最早的桩是浙江 余姚河姆渡的木桩，已有7 0 0 0 多年的历史f l 】。随着城市高层建筑的兴建、沿海港口设施、 桥梁建设的迅速发展，桩基础作为一种工程造价省，地层条件适应性强、承载能力高以及 控制沉降性能好的深基础也在不断的发展特别是白8 0 年代以来，由于机械设备、施工 技术的不断改进和发展，产生了各种新桩型和施工方法，使桩基不断适应于地质和施工条 件的变化。据不完全统计，在各类土木工程结构中，采用桩基础的已占7 0 以上【2 l ，且桩 基工程的费用往往占工程建设项目总造价的1 ，和l 3 【3 】。 桩基础虽然是一种传统的基础【4 】，但由于地层和使用条件的复杂多变，不断出现新桩 型、新工艺，给桩基的承载性能和设计理论方法的研究不断提出了新的课题。随着经济， 技术的发展，现代土木工程向着超高、超重、超大方向发展超长大直径钻孔灌注桩以其 突出的优点和适用性得到了广泛的应用，而该类型桩在松散覆盖巨厚层的传力机理和工作 特性及其影响因素的认识仍远远落后于工程设计的要求，尤其是桩身混凝土凝固过程对桩 周土体的挤密作用对桩基承载力的影响研究仍比较少。桩身混凝土凝固过程中，由于混凝 土处于流塑状态，由混凝土自重派生的侧向压力对桩周土体产生侧向挤压作用，类似于土 桩和灰土桩法对地基土体的挤密作用，具有原位处理、深层挤密的特点。在该压力作用下， 桩周土体产生横向压缩变形，土体干密度增大、孔隙比减小、密实度得到提高，桩径也会 相应扩大因此混凝土凝固过程将从两个方面对桩基承载力产生影响：一是桩径增大，无 论是桩周摩阻力还是桩尖支承力均会得到提高；二是桩周一定范围的土体受到挤密压力的 作用，产生压缩变形，士体力学参数得到提高，进而影响桩基的承载力。为此弄清混凝土 凝固过程产生的桩体扩径以及土体参数强化对桩基承载力的影响对指导桩基设计有现实 意义。 1 1 2 立题意义 超长大直径钻孔灌注桩由于其承载力大、试验耗费大，尤其是桩身混凝土凝固过程对 桩周土体的挤密作用在原状土体中进行试验难度较大，故完整的试桩实测资料不多，这就 制约了对其承载性能的全面认识。桩的承载性能直接影响整个工程的安全及经济问题，对 l 第一章绪论 于最基本的承载性能的分析仍需不断深化，完善计算分析方法。在目前工程实践中，对于 超长大直径钻孔灌注摩擦桩的设计仍处在许多不足之处 5 - 7 1 此处只介绍与本文相关的几 点：一是计算桩身摩阻力时一般只按设计桩径进行计算往往忽略桩径的扩张，由于桩身混 凝土处于流塑状态，由桩身混凝土自重次生的水平向压力对桩周土体产生挤密作用，土体 压缩变形，桩径会随之变大，进而导致对桩基工作期间的承载力取值偏低；二是忽略了桩 周土体的强化作用，桩周土体在桩身水平向压力作用下产生压缩变形，土体天然密度、干 密度、饱和度、压缩模量、承载力均会增大，孔隙比、含水率减小，而后续的承载力验算 一般均采用原状土体试验的相关参数，忽略了土体性状的改变，进而导致计算的承载力偏 低。 苏通大桥主桥群桩基础传力机理的实测结果表明，对于呈密集布置的大直径高桩，未 凝固的桩身混凝土对桩周土体具有显著的挤密作用，这对提高桩基础的整体性和承载性 能、控制桩基础的沉降具有重要意义。虽然在钻孔过程中，地基土存在卸压松弛问题，但 对于高桩，由于桩顶高程大于河床面高程，而且桩身混凝土的浮重度约为地基土浮重度的 1 4 倍。所以，凝固过程中的桩身混凝土将对桩问土和桩底土层产生显著的再压密作用 对于需要凝固时间较长的水下混凝土、对于超长桩、对于呈密集布置的基桩，这种再压密 作用将对群桩基础的传力机理和工程特性产生重要影响。它不仅修复了可能存在的孔底沉 渣和护壁泥皮的不利影响，减小了桩基础的沉降、较大程度地提高了桩基础的承载力更 重要的是，它对提高桩基础的整体性十分有益，可能使超大型桩基础兼具沉井基础的传力 机理和工程特性，从而克服群桩效应的不利影响。以苏通大桥主桥群桩基础为例，其基桩 直径2 8m ( 下部为2 5m ) ，但桩问土最小厚度仅3 6 1m ，桩长为1 1 7m ，而且桩顶比河 床面高约2 4m 显然，桩身混凝土对桩周土的作用不容忽视。理论上，当桩身混凝土刚 刚浇筑时，其侧压力系数接近l 。随着桩身混凝土的逐渐凝固、硬化，其侧压力在空间和 时间上的变化规律以及对桩周土体的挤密作用值得深入研究。 基于以上存在的问题以及课题的重要性，本文拟采用圆孔扩张理论、有限元法和缩尺 模型试验三种方法相互结合对桩身混凝土凝固期间对桩周土体的挤密作用进行研究、分 析。 1 2 钻孔灌注桩简介 桩的分类方法很多，根据成桩方法【s l ，工程中常用桩型可分为预制桩、灌注桩和搅拌 桩。按灌注桩的尺寸又分为大直径巨型桩( a 隆_ 8 0 0m m ) 、中直径桩和小直径微型桩( d k 则说明说明任一现象的函数式都可以用准则方程来表示，且准则有n - k 个，同时准则是无 因次的 物理方程中的各项量纲都是齐次的，则式( 2 1 ) 可以转换为无因次的准则方程： 只巧，砀磊t ) = 0 ( 2 2 ) 其准则数目为n - k 个 相似第一定理和第二定理说明了相似现象的性质。由第一定理知道哪些量决定一组相 似现象的特征，因而在试验时就要量测这些量。相似第二定理告诉我们，由描述现象的方 9 第二章模型设计及试验结果分析 程可以转换成准则方程。对于只知道参量但还不知道数学方程的现象，可以根据第二定理 求出其准则方程，再进行研究，而且还可以根据第二定理知道如何整理试验结果。 2 1 3 相似第三定理的定义 当现象的单值条件相似且由单值条件所组成的相似准则的数值相等时，则现象就是相 似的【蹦5 l 。 相似第三定理明确地规定了两个现象相似的必要和充分条件。相似理论既指导了试验 和整理试验结果的方法，又指出了试验结果推广应用的范围。因此，相似理论已经成为物 理和工程试验的理论基础。然而自然界的现象要完全的满足第三定理规定的全部相似条件 常常是困难的。尤其在比较复杂的现象中就更为困难，这就限制了相似理论的应用范围。 近似相似方法的提出，大大促进了相似理论的发展。近似相似方法是根据试验中各因素对 现象影响的大小，抓住其主要作用的因素，略去其次要因素，来进行试验和整理试验结果。 它不保持所有的相似条件，而是保持其主要的相似条件，获得在实际上具有足够准确性的 近似的相似。 2 2 相似准则的导出方法简介 作为相似第二定理的补充，必须找到相似准则的导出方法。相似准则的导出方法有三 种：定律分析法、方程分析法和因次分析法( 又称量纲分析法) 。从理论上说，三种方法 可以得到同样的结果，只是用不同的方法对物理现象作数学上的描述。但是作为三种不同 的方法，又有各自的适用条件 5 6 - 5 9 。 2 2 1 定律分析法 这种方法是建立在全部现象的物理定律已知的基础上的，通过剔除次要因素，从而推 算出数量足够的、反映现象实质的，r 项。这种方法的缺点： ( 1 ) 流于就事论事，看不出现象的变化过程和内在联系，故作为一种方法，缺乏典 型意义 ( 2 ) 必须找出所有的物理量，所以对于未能掌握其全部机理的、较为复杂的物理现 象，运用这种方法是不可能的，甚至无法找到近似解。 ( 3 ) 常常有一些物理量，对于所讨论的问题表面上看去关系不密切，但又不宜于妄 加剔除，而必须通过试验找出各个定律问的制约关系，决定其重要因素，这给实际问题的 解决带来不便。 优点：对于模型制作有指导性意义。 1 0 河海大学硕士学位论文流态桩身混凝土对桩周土体挤密作用的研究 2 2 2 方程分析法 即数理方程。根据已知现象的微分或积分方程推出石项。此方法的优点： ( 1 ) 结构严密，能反映出现象的本质，故可望得到问题的可靠性结论。 ( 2 ) 分析程序明确，步骤易于检查。 ( 3 ) 各种成份的地位一览无遗，有利于推断、比较和校验。 缺点：对现象的机理要有较深入的认识，也并非任何时候都能找到完整解，或者只能 在一定假设条件下找出它的近似解，从而在某种程度上失去了它原来的意义 2 2 3 量纲分析法 通过正确选定参量，根据量纲分析法考察各参量的因次，求出和兀定理一致的函数 关系式，并据此进行相似现象的推广它的理论基础是关于量纲齐次方程的数学理论。量 纲分析法的前提是正确地选取参数。 量纲分析法的优点，对于一切机理尚未彻底弄清，规律也未充分掌握的现象来说，尤 其明显。它能帮助人们快速地通过相似性试验核定所选参量的正确性，并在此基础上不断 加深人们对现象机理和规律性的认识。 以上各种方法，日前应用最广泛的是量纲分析法，但是也不排除将各种方法结合使用 的可能性。由于本文涉及的试验是较为复杂的物理现象，故采用量纲分析法。 2 3 本文的模型设计背景 以苏通大桥为背景，苏通长江公路大桥( 简称苏通大桥) 是江苏省。九五”重大基础 建设项目，为跨越长江的重要交通枢纽，也是国家沿海大通道一同江到三亚国道主干线的 重要分流线。 苏通大桥主桥群桩基础为钻孔灌注桩高桩承台结构，由1 3 1 根直径d 2 8m d 2 5m 、 长1 1 7m 的交径钻孔灌注桩组成，桩身采用c 3 5 水下混凝土，桩间土最小厚度仅3 6 1m ， 呈梅花型布置，为典型的摩擦桩，而且桩顶比河床面高约2 4m 。 苏通大桥桥位区河床松散覆盖层巨厚，具有典型的河口相沉积特点基础的持力层及 其影响深度内，地层均为第四纪地层。依据桥位区揭露地层的地质时代、成因类型、岩性、 物理力学特征等，划分工程地质层，再据其性质细分为若干个工程地质亚层，以更准确地 反映其工程地质特性，提供相关设计参数。地层划分如下： ( 1 ) 全新统( q 4 ) 分为4 层( 第l 第4 层) ：第1 层为北侧上部的粉砂或亚粘土夹粉 砂，又细分成三个亚层；第2 层为南侧上部的亚粘土“硬壳层”；第3 层为南侧上部的淤泥 ：质亚粘土或粉砂夹层，可分为2 个亚层；第4 层为底部的亚粘土或亚粘与粉砂互层。 1 1 第二章模型设计及试验结果分析 ( 2 ) 上更新统( 0 3 ) 分为4 层( 第5 第8 层) ：第5 层以粉砂为主，局部夹亚粘土和 中粗砂，可分为3 个亚层：第6 层为粗砂含砾，局部夹细砂，可分为2 个亚层；第7 层为细砂 和粉砂；第8 层为含砾中砂、含砾细砂和细砂，夹透镜体状亚粘土，可分为3 个亚层。 ( 3 ) 中更新统( q 2 ) 分为7 层( 第9 第1 5 层) ，岩性为粉、细砂层、粘性土。 ( 4 ) 下更新统( q 1 ) 、上第三系( n ) 、三叠系下统( t 1 ) ，顶板埋深在2 0 0 m 以上，粗 略分为7 个工程地质层( 第1 6 第2 2 层) 从对桥基的影响来看，1 2 0 m 高程范围内包含8 个工程地质层。主4 号墩具体工程地质层及其参数如下： 表2 1 主4 号墩工程地质层及其参数 2 4 试验目的 利用缩尺模型试验模拟地基土组成结构和桩身混凝土的浇筑过程，在桩周土中布置应 力应变传感器，通过跟踪观测，研究桩身混凝土凝固过程中对桩周土体的挤密作用，并获 得混凝土凝固过程对孔壁产生的侧向压力。根据勘察资料，基于厚度加权平均法，将表 2 1 中地基土层简化为三层，具体合并情况如下： ( 1 ) 3 - l 为粉细砂独立为一层， ( 2 ) 5 - l 、5 2 、6 - l 、7 、8 1 、8 2 基本呈粗砂、细砂互层，因此简化为一层， c 3 ) 8 - 3 、9 为粘性土简化为一层。 河海大学硕士学位论文流态桩身混凝土对桩周土体挤密作用的研究 各层参数如表2 2 所示，模型的组成结构如图2 1 所示。 伊 j ： ： 囊鬓 ： ： ，二 j 形钐钐钐 ， 钐钐钐钐钐7 囫囝囫园- 粉细砂细砂亚枯土 混凝土应变计 图2 1 试验模型示意图单位：1 1 1 1 表2 2 简化后土体参数 2 5 试验模型设计 2 5 1 模型设计的基本步骤 ( 1 ) 列出与求解相关的物理量， ( 2 ) 写出物理量控制方程， ( 3 ) 选取基本量纲，把控制方程改写为无量纲方程， ( 4 ) 根据齐次原则进一步整理即露定理，写出相似判据和相似关系 2 5 2 本文模型设计的难点 该模型试验中，相似比问题包括几个方面的含义【删：即桩体模型与原型的相似，场 地土模型与原型的相似，以及桩体模型与场地土模型相似比例的匹配。 相似比例问题首先来源于模型材料的选择。虽然相似理论提供了相似原则，但本试验 必须模拟现场地基土体，且模型材料的特性往往不能同时符合各类相似条件的要求，通常 只能根据被研究的问题的特点，使主要相似指标得到满足，而放宽对其他指标的要求。另 外在本试验中，桩体模型的相似比例很小，其原因是因为桩体的实际尺寸较大，如跨江大 1 3 第二章模型设计及试验结果分析 桥的基桩长度可以达到1 0 0 多米，而本试验桩体不能用其他材料代替，因此桩体模型( 桩 径) 不能太小。由于将要进行多组试验来研究桩径的变化对侧压力的影响，故对每组试验 进行相似设计时将桩径视为次要影响因素。 2 5 3 模型参数设计 影响本试验的独立因素分别为【6 1 删； ( 1 ) 桩体材料：桩体密度、桩体弹模、桩体泊松比、桩体压力 ( 2 ) 岩土材料：土体密度、土体位移、土体弹模、土体泊松比、土体孔隙比、土体 含水量。 用下标p 表示原型，下标m 表示试验模型，k 代表相似比，l 为长度，为位移，e 为弹性模量，y 为重度，盯为应力，为应变，v 为泊松比，p 为摩擦角，c 为粘聚力， 为面力荷载。 桩体控制方程： q i 乜，p ，o r ，e ，) = 0 ( 2 3 ) 土体控制方程： q 2 ( l ，见，盯，e ，q ，p ，w ，掌) = 0 ( 2 4 ) 因此： 娩】= 瞳r 臣r p 】r 石。= 陆r 1 【办r 2 b r 3 窿0 r 4 p ，r 5 ( 2 5 ) 因此： 峻】= 阻r e r 时 以= l r l 【以r 2 b r 3 阪r 4 h r 5 计6 【计7 譬r 。 ( 2 6 ) 本试验中模型桩材料采用原型桩材料，故： 驴芳乩驴每一- 、t2 毒旬 旺， 砂土地层根据其颗粒分析结果进行筛分获得；粘性土层以干密度和含水量为控制指 标，因此可得： 邑2 等卅、吒2 每司、k2 芒卅 河海大学硕士学位论文流态桩身混凝土对桩周土体挤密作用的研究 k 2 号叫、k2 毒训、h2 雾副 ( 2 8 ) 通过量纲分析得到： x 0 = k r , k l ( 2 9 ) x 吒= kr k l tk ，= k 2 1 0 ) 原型桩桩长1 1 71 1 1 ，入土深度9 5m ，钢护筒底距桩底约7 2m ，桩径2 8m 。模型槽尺 寸为3 m ( 长) x 2 m ( 宽) x 1 5 m ( 深) 根据试验条件取凰= 7 5 根据几何相似比为7 5 确定了桩长为1 5 7m ，自由段为0 3i n ，入土段为1 2 7m ，土 层厚度为1 4 m 。由于研究侧重于侧向力的作用，故桩底土层厚度取0 1 3m 。钢护筒用p v c 管模拟。 由于本试验侧重于获得桩身混凝土凝固过程对周围土体的侧压力，且材料的相关物理 指标均与现场一致，故将试验结果乘以相似比即可应用到原型上 2 6 地基土填筑及传感器埋设 2 6 1 地基土填筑 试验原型地基土为巨厚河床松散覆盖层，基桩为典型的摩擦桩，以亚粘土为持力层 砂土地层根据其颗粒分析结果进行筛分获得，以重度和孔隙比为控制指标，每填筑1 0 锄 进行分层碾压。粘性土层以干密度和含水量为控制指标，每5 锄进行分层碾压 2 6 2 观测点布置与传感器的埋设 传感器采用美国基康公司生产的应变计，沿桩身布设4 个监测断面，埋深分别为o 4 4 i n ( 断面1 ) 、0 7 4 m ( 断面2 ) 、1 0 4 m ( 断面3 ) 和1 3 4 i n ( 断面4 ) 为了查清挤密作用 的影响范围并满足信息冗余的要求，测点布置如图2 2 所示。 曩墨 断面2 墨景3 2 v 一一对 断面3 断面 圈2 2 断面测点布置示意图 1 5 第二章模型设计及试验结果分析 其中断面l 布设4 个应变计，断面2 和断面3 各布设6 个应变计，断面4 布设7 个应 交计观测仪器采用g e o m o n i t e r 进行自动观测 2 7 模型试验结果及分析 模型试验共分5 组进行，桩径分别为：1 0c m 、2 0c i n 、3 0c m 、5 0c i n 、1 0 0c n ，每组 试验各断面桩身混凝土的侧压力随时间变化、沿桩身变化如下： 2 7 1 第1 组试验侧压力结果及分析 各断面侧压力随时问的变化过程如图2 3 图2 6 所示。由图可见，桩身混凝土对桩周 土体的侧压力，由于混凝土处于流塑状态，在刚刚浇筑完成后的7h 内迅速上升，随后仍 以线性方式逐渐增大。混凝土浇注完成后，其侧压力仍持续上升的原因有： ( 1 ) 初凝之前的混凝土处于流塑状态，在白重应力作用下持续产生侧胀，这对桩周 土的挤密具有重要意义， ( 2 ) 刚浇筑完成的混凝土颗粒之间存在较大的孔隙，侧压力随着密实度的增长而增 大， ( 3 ) 凝胶体吸收水分而导致自重增大。在水下混凝土初凝后，侧压力仍缓慢上升的 机理是：由于混凝土处于饱和土体中，以水化硅酸钙凝胶为主体，氢氧化钙等晶体结构的 凝胶体吸收水分导致混凝土体积膨胀，对桩周土体产生膨胀压力。而该阶段水化物增多， 堆积在水泥颗粒周围的水化物不断增加，以致阻碍水分继续进入，使水泥内部的水化越来 越困难。所以该阶段凝胶体吸水导致的自重增加并不明显 1 9 5 1 9 0 日 星1 8 5 r 墨1 8 0 1 75 1 7 o 05 0 1 0 01 5 02 0 0 时间h 图z 3 第1 断面各测点压力随时问的变化 河海大学硕士学位论文流态桩身混凝土对桩周土体挤密作用的研究 3 0 2 9 d2 8 生 r2 7 塑 革2 6 2 5 2 4 f r 二? 1 。一。 一。1 ：。：。： 3 5 5 3 50 3 45 蛊3 40 姜3 3 5 鸶3 30 ；3 25 3 20 3 l _ 5 3 10 1 0 0 刚间h 1 5 0 图2 4 第2 断面各测点压力随时间的变化 0 5 0 1 0 01 5 0 2 0 0 时问h 图2 5 第3 断面各测点压力随时间的变化 3 90 3 85 3 8 0 蔓3 75 s3 70 出 蓍3 6 5 3 6 0 3 5 5 3 5 0 5 01 0 01 5 02 0 02 5 0 时间h 图2 6 第4 断面各测点压力随时间的变化 各个断面沿桩周分布的4 个测点观测结果的均值汇总于图2 7 。 其中，底部断面4 的测值，在混凝土浇筑完成时的侧应力为3 5 4k p a ，经过7 h 达到 曲线拐点，其值为3 8 4k p a 、增幅达8 4 ；1 4d a y 后侧应力增长为3 8 7k p a 、增幅为0 8 。同样，断面3 ，两个代表性时段的侧应力增幅分别为9 8 和o 1 。断面2 的侧压力 增幅分别为1 3 5 和0 2 4 。断面l 的侧压力增幅分别为9 4 、0 3 。其它学者【删的 1 7 第二章模型设计及试验结果分析 研究结果也表明，混凝土凝胶体吸水产生的膨胀压力相对于侧压力变化很小，可以不予考 虑。但桩周土的侧压力未见消散、仍持续维持较高的水平。 4 0 3 5 星3 0 i 基2 5 2 0 1 5 时1 臼i h 图2 7 各断面侧压力变化对比 根据试验数据，归纳出各个断面侧压力与时间的函数形式分别为： p = 0 2 2 8 x t + 1 7 4 0 t 7 2 5 l， p ：o 0 0 0 8 2 8 f + 1 9 0 57 2 5 f q j l ) 尸= o j 7 2 。t + 2 4 5 9 眍“7 2 5 ( 2 1 2 ) p = 0 0 0 0 1 7 4 t + 2 8 7 47 2 5 t i p = 0 4 3 7 t + 3 1 6 0 0 t 7 2 5 l， 尸= o 0 0 0 2 1 8 f + 3 4 - 8 27 2 5 f 2 j 3 ) 尸黛383竺鬻o-，t-725)0000697t3 8 2 4 2 5tf 旺 尸=+7j 一 式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) 分别为断面1 、2 、3 、4 侧压力随时间的表达式， 式中，尸单位为k p a ，t 单位为h 。 为了分析桩侧压力沿桩身的变化趋势，取6 个代表性时段加以分析，见图2 8 由图2 8 可以看出，在各个时段侧压力沿桩身基本呈线性分布。各个时段侧压力沿桩 身的分布拟合函数分别为p = 2 3 5 z + o 2 、p = 2 3 z + 2 3 、p = 2 5 o z + 1 1 、7 = 2 5 1 才1 0 、7 = 2 5 2 z + o 9 、 矿之5 2 z + o 9 。其中，z 为埋深，单位为m ，p 单位为k p a 。 由以上函数可以看出在各个时段侧压力沿桩身均呈线性分布，在浇筑7 2 5 h 后侧压力 基本保持在7 2 5h 时段水平 1 8 河海大学硕士学位论文流态褴身混凝土对桩周土体挤密作用的研究 磁 鄹 o 4 4 氆5 4 0 6 4 0 7 4 0 8 4 0 9 4 1 0 4 1 1 4 1 2 4 1 3 1 01 5侧学仙83 0 箱4 5 图2 8 侧压力沿桩身的分布 2 7 2 第2 组试验分析 本组试验进行了3 0d a y 的监测，各测点测值没有任何规律可言开挖后证实：桩身 基本没有凝结。究其原因，认为在桩浇筑过程中孔内有大量水存在，同时模拟的导管法浇 筑失败，进而造成工程上所谓的。混凝土沈澡”，使桩身混凝土失去了大量水泥粘结剂， 进而没有形成凝结。由此可见，无论是现场施工还是进行试验研究，针对施工方法问题都 必须谨慎对待，一旦出现差错，将造成严重的后果 2 7 3 第3 组试验侧压力结果及分析 图互9 第1 断面各测点压力随时间的变化 1 9 第二章模型设计及试验结果分析 图2 加第2 断面各测点压力随时问的变化 图五n 第3 断面各测点压力随时问的变化 图五1 2 第4 断面各测点压力随时同的变化 各断面侧压力随时间的变化过程如图2 9 图2 1 2 所示。桩身混凝土对桩周土体的侧 压力，也大体分为两部分，即侧压力在时间上存在一拐点，拐点前后基本都呈线性分布， 只是此次各个断面的拐点位置不同，断面l 、2 、3 、4 拐点位置分别为2 3h 、1 7h 、1 3h 、 11h 。各断面侧压力值在拐点之前均迅速上升，随后仍以线性方式逐渐增大混凝土浇筑 完成后，其侧压力持续上升的原因与第一组试验基本一致。各个断面沿桩周分布的4 个测 如 河海大学硕士学位论文流态桩身混凝土对桩周土体挤密作用的研究 点观测结果的均值汇总于图2 1 3 。 4 5 4 0 日3 5 墨 r3 0 圳 肇2 5 2 0 1 5 ui 0 02 0 0 3 0 04 0 05 0 06 0 0 时f h l h 图2 1 3 各断面侧压力变化对比 其中，顶部断面l 的测值，在混凝土浇筑完成时为1 7 a k p a ，经过2 3 h 达到曲线拐点， 其值为1 9 6 1k p a ，增幅达1 2 7 ；2 3d a y 后侧应力增长为2 4 5 7k p a ，增幅为2 5 3 。断 面2 在混凝土浇筑完成时的侧应力为2 4 4 6k p a ，经过1 7 h 达到曲线拐点，两个代表性时 段的侧应力增幅分别为2 1 0 和1 7 0 断面3 在混凝土浇筑完成时的侧应力为3 1 5 2 k p a ，经过1 3h 达到曲线拐点，两个代表性时段的侧压力增幅分别为5 6 和1 5 1 。断 面4 在混凝土浇筑完成时的侧应力为3 5 5 2k p a ，经过llh 达到曲线拐点，两个代表性时 段的侧压力增幅分别为8 1 d o8 5 根据试验数据，归纳出各个断面侧压力与时间的函数形式分别为： p = o 0 9 5 + 1 7 4 o s s 2 3 j 7 l ( 2 1 5 ) p ；0 0 0 9 2 7 t - i - 1 9 6 12 3 1 7 t j 尸观2 9 9 。+ 2 4 4 6 o s t a l 7 j 7 l( 2 1 6 ) p = 0 0 0 9 3 x t + 2 9 6 01 7 1 7 t j p 观1 3 4 。+ 3 1 抛o t 1 3 肿l( 2 1 7 ) p = 0 0 0 9 1 9 x t + 3 3 2 71 3 1 7 t j p = n 2 5 6 埘+ 3 5 j 2 怄“7 l ( 2 1 8 ) p = 0 0 0 5 9 8 x t + 3 8 3 81 1 1 7 t j 式( 2 1 5 ) 、( 2 1 6 ) ，( 2 1 7 ) 、( 2 1 8 ) 分别为断面l 、2 、3 、4 侧压力随时间的表达式， 式中，p 单位为k p a ，t 单位为h 。 为了分析桩侧压力沿桩身的变化趋势，取6 个代表性时段加以分析，见图2 1 4 第二章模型设计及试验结果分析 0 4 4 o h 0 6 4 0 7 4 0 “ 嫩 孽o 1 0 4 1 1 1 2 4 1 m 蒉压力k o a l o1 52 53 54 04 5 o 7 l l 5 孙 1 1 曲 l 的弘 蛳4 h 嘲压 图2 1 4 侧压力沿桩身的分布 由图2 1 4 可以看出，在各个时段侧压力沿桩身呈凸曲线分布。在断面2 处曲线里凸 起状态，随后压力仍继续增大。 2 7 4 第4 组试验侧压力结果及分析 图2 1 5 第1 断面各测点压力随时间的变化 图乞1 6 第2 断面各测点压力随时间的变化 河海大学硕士学位论文流态桩身混凝土对桩周土体挤密作用的研究 图z1 7 第3 断面各测点压力随时闻的变化 图五1 8 第4 断面各测点压力随时同的变化 各断面侧压力随时间的变化过程如图2 1 5 图2 1 8 所示桩身混凝土对桩周土体的 侧压力，也大体分为两部分，即桩周测值存在一拐点，拐点前后基本都呈线性分布，断面 l 、2 、3 、4 拐点位置分别为3 1 5h 、2 5 5h 、2 1 5h 、1 9 5h 各断面侧压力值在拐点之前 均迅速上升，随后仍以线性方式逐渐增大。混凝土浇筑完成后，其侧压力持续上升的原因 与第一组试验基本一致。 各个断面沿桩周分布的4 个测点观测结果的均值汇总于图2 1 9 其中，顶部断面1 的测值，在混凝土浇筑完成时为1 7 a k p a ，经过3 1 5 h 达到曲线拐 点，其值为1 9 5 7k p a ，增幅达1 2 4 ；3 3d a y 后侧应力增长为2 5 6 6k p a ，增幅为2 5 3 断面2 在混凝土浇筑完成时的侧应力为2 4 4 6k p a ，经过2 5 5h 达到曲线拐点，两个代表 性时段的侧应力增幅分别为2 1 7 和1 6 6 。断面3 在混凝土浇筑完成时的侧应力为 3 1 5 2k p a ，经过2 1 5h 达到曲线拐点，两个代表性时段的侧压力增幅分别为9 0 和1 5 6 。断面4 在混凝土浇筑完成时的侧应力为3 5 5 2k e a ，经过1 9 5h 达到曲线拐点，两个 代表性时段的侧压力增幅分别为1 2 4 和1 1 2 。 2 3 第二章模型设计及试验结果分析 4 5 4 0 要3 5 奎3 0 2 5 2 0 1 5 0 1 0 02 0 03 0 0 4 0 05 0 0 6 0 07 0 0 8 0 0 时间h 图2 1 9 各断面侧压力变化对比 根据试验数据，归纳出各个断面侧压力与时间的函数形式分别为： p 姐0 6 8 9 。川7 4 0 0 t _ 3 1 5 ( 2 1 9 ) p = o 0 0 7 8 8 x t + 1 9 5 73 1 5 t j p 2 0 2 0 8 。+ 2 4 4 6 o 2 5 5 l( 2 2 0 ) p = o 0 1 x t 4 - 2 9 7 62 5 5 t j 雎o 。1 3 2 刈+ 3 1 。5 2 咚坯2 1 5 ( 2 2 1 ) p = 0 0 0 6 8 4 t + 3 4 3 5 2 1 5 t j 尸= 0 2 2 7 。+ 3 5 。5 2 o t 1 9 5 ( 2 2 2 ) p = 0 0 0 5 7 x t + 3 9 9 3 1 9 5 t j 式( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 、( 2 2 1 ) 、( 2 2 2 ) 分别为断面l 、2 、3 、4 侧压力随时间的表达式， 式中，尸单位为k p a ，t 单位为h 。 为了分析桩侧压力沿桩身的变化趋势，取6 个代表性时段加以分析，见图2 2 0 侧压力k p a 1 0 1 52 02 5 3 0 04 4 广 0 5 4r 0 6 4 。 0 7 4 一 08 4 嫩 到09 4 1 0 4r 1 1 4 12 4 1 3 4 0 5 h 8 5 h 1 9 5 h 2 6 2 h 5 2 4 h 8 0 4 1 1 图2 2 0 侧压力沿桩身的分布 由图2 2 0 可以看出，在各个时段侧压力沿桩身呈凸曲线分布。在断面2 处曲线呈凸 “ 河海大学硕士学位论文流态桩身混凝土对桩周土体挤密作用的研究 起状态。随后压力仍继续增大。 2 7 5 第5 组试验侧压力结果及分析 图2 2 l 第1 断面各涌点压力随时间的变化 图五2 2 第2 断面各测点压力随时问的变化 图z 2 3 第3 断面各测点压力随时间的变化 第二章模型设计及试验结果分析 4 7 4 5 日4 3 生 r4 1 岜 晕3 9 3 7 3 5 0i 0 02 0 03 0 0 4 0 05 0 06 0 07 0 08 0 0 时间h