（岩土工程专业论文）桩端刺入与桩间土压缩变形机理的试验研究.pdf

穗要 摘要 对褴蒺沉降阔题懿研究显然缀多，褪对茬端裁入与柱闯土压缩变形税理豹深 入研究并不多见。在阻沉降为控制的桩基设计理念日益为学术界及工程界所接受 的背景下，合理预估桩湍刺入与桩阅的压缩变形，成为以沉降控制桩基设计的 关键掰程。本文针对这一滔蘧，主嚣徽了瑷下凡方面的工作： 首先，采用模型试验手段，结命数码照相及图像处理程序，对砂土中的不同 桩径和不同成桩方式的带承台单桩楗端刺入变形从土体位移场、剪应变场、体应 交场、孔陈率交纯场、应力交诧等热度迸 亍了较为系统豹臻究。 其次，通过模型试验对带承台单排桩基础桩端剌入与桩间土变形的发展投其 与承台掇板底应力、檄端阻力、桩侧摩阻力阅的关系进行了较为系统的研究。 最麓，采霜元 譬摸型对均痿堍鏊中柱溃涮入变形麓时阉效应进行了裙步探 讨。 关键弱：沉降控嗣；桩端裁入变形；桩闯土篷销；时闯效应 些! 燮 a b s t r a c t r e c e n t l y ，m a n yr e s e a r c h e sa r ef o c u s e do nt h es e t t l e m e n to ft h ep i l ef o u n d a t i o n ，h o w e v e l t h e r ea r ef e wc a r f i e do u to nt h em e c h a n i s mo f p i l et i pp e n e t r a t i o nd i s p l a c e m e n t a n ds o i l c o m p r e s s i o nd e f o r m a t i o nb e t w e e np i l es h a f t s w i t ht h ed e s i g nt h e o r yo fp i l ef o u n d a t i o nb a s e d o nc o n t r o l l i n gs e t t l e m e n t p r i n c i p l e a f f e c t e d b ym o r ea n dm o r ep e o p l e ，h o wt op r e d i c tt h e p e n e t r a t i o nd i s p l a c e m e n to fp i l et i pa n dt h ed e f o r m a t i o no fs o i lc o m p r e s s i o nb e t w e e np i l es h a f t s i st h ek e yi nt h ed e s i g no fc o m p o s i t e p i l ef o u n d a t i o n i na l l u s i o nt ot h i sp r o b l e m ，t h em a i no r i g i n a l w o r ki nt h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d i n g ： 1 t h es o i ld i s p l a c e m e n td u et op i l et i pp e n e t r a t i o ni nl o w - c a ps i n g l ep i l ew i t hd i f f e r e n t d i a m e t e ra n dd i f f o r e n tc o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e sa l es t u d i e db ym o d e lt e s tb yt h ea n a l y s i so ft h es o i l d i s p l a c e m e n tf i e l d ，s h e a rs t r a i n ，v o l u m es t r a i n ，s t r e s sc h a n g e ，v o i d r a t ec h a n g ef i e l d 2 t h er e l a t i o no f 卸r e s i s t a n c ea n ds h a f tf r i c t i o nf o r c ea n dc a ps h a r e df o r c ev e i s b s p e n e t r a t i o nd i s p l a c e m e n ta n ds o i lc o m p r e s s i o nb e t w e e np i l es h a f t si sr e s e a r c h e di ns i n g l er o w p i l e s 3 t i m ee f f e c to ft h es o i l d i s p l a c e m e n t d u e t o 删et i pp e n e t r a t i o n o f s i n g l ep i l e i n h o m o g e n e o u s s o i li sp r e l i m i n a r i l yi n v e s t i g a t e db y c o m p o n e n t m o d e l k e yw o r d s ：c o n t r o l l i n g s e t t l e m e n tp r i n c i p l e ；p i l et i pp e n e t r a t i o nd i s p l a c e m e n t ；s o i lc o m p r e s s i o n b e t w e e n p i l es h a f t s ；t i m ee f f e c t i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷奉和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：毒恐干 2 口年3 月【日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 硬究工 乍所取得懿戎鬃。除文中已经注麓弓| 蘑酶匿容辨，本学位涂文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作燕豹内容。对_ 本论文所涉及戆磅究工终徽出贡献瓣其饱个人襁集 体，均融在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律资任 由本人承掇。 签名：挑扎千 2 。岱年3 男 v 1 臻一章绪论 第一章绪论 1 1 桩端刺入变形的概念及研究意义 1 至1 槛端刺入变形鲍概念 对刺入变形的定义陈竹昌( 1 9 8 8 ) “1 是这样描述的：“桩端刺入量，系指在 桩端力作用下桩尖附近土体产生的局部压缩和塑性变形而使桩端相对周围土体 发生的剪切滑移。单桩荷载一沉降曲线，由于加荷时间较短，可近似认为该曲线 的沉降由桩身压缩量和桩端刺入量组成。” 提出刺入变形的概念旨在将其与总沉降量区别开来。对单桩而言，并无太 大差别，然而，对于群桩，由于桩端下土层的整体压缩占一定比重，这一区别具 有重要意义。 1 1 2 桩端刺入变形的研究意义桩与承台共同作用的条件嘲 图卜1 用以说明桩与承台下地基土 共同作用的条件。图中p 点表示桩位点， s 点表示紧靠p 点附近的承台下地基土 表面的点。桩与承台下地基共同作用的 条件是承台与其下地基土保持接触，如 承台是绝对刚住的，这条件可表示为桩 位处的桩顶沉降s ，等于承台下地基土面 的沉降s 。，即： s ，= s 。( 卜1 ) 桩顶沉降由三部分组成，即： s p = s p l + s p 2 + s 阳( 卜2 ) 这里，s ，为桩身的压缩量；图卜1 承台下地基土共同作用条件 s ，。为桩端下土层的压缩量；s ，。为桩端的刺入量，系指桩端相对于岗围土体的剪 切位移。 承台f 地基上的沉降量表示为： 第一章鳞论 s s s 。+ s 。( 1 3 ) 遮晕，s 。为桩潢隧下豹压缭量；s 。为蕴蓑噬羔攘蠢主豹篷绞鬟。 s 。和s ，：都代表由于群桩基础全部荷载产生的桩端以下土朦的压缩量，可以 认为它们相等，即： s 。一s 。( 1 - 4 ) 从式( 1 - 1 ) ( 卜4 ) ，承台与其下地基士 | i 持接触的条件可写成： s p i + s p + = s s 2( 卜5 ) 黧璇赛压续莹缀小胃怒臻不诗，主式霹竣写为； s p l s w ( 1 6 ) 丛土基豆丝委出! 尽壹挂强趔熏釜王蕉端隧圭蕉翘鲍羼缠量鲢! 丞龟量 墓至圭霆芨鑫攮麓熊：辇塞囊蕉墨獯盘基嚣篷鬟1 1 2 本文的研究目的 从前面分析可见，桩端刺入变形在桩一土一承台共同作用及其沉降计算分析 研究中具有重要意义。因此有必要去研究桩端刺入变形的发展机理和时间效应及 桩端阻力、桩侧摩阻力随刺入变形发挥情况；此外需研究与刺入变形相关的桩间 土压缩变形特性与其对桩一土一承台体系共同作用的影响。 1 3 国内外研究现状概述 1 3 1 桩端周围土体性状的试验研究 y a s u f u k u ( 1 9 9 5 ) 。1 采用模型试验，研究了可压缩砂的桩端阻力与沉降间 的关系，给出了显示桩端破坏机理的宏观观测照片。w h i t e 等( 2 0 0 2 ) “采用图 像分析技术，用离心机试验研究了砂土中挤土桩设置过程中桩周观测区的变形性 状。刘祖德等( 1 9 8 9 ) 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 ) ”3 进行了砂土中桩端刺入变形的试验研究。侯兆 霞( 1 9 9 3 ) ”1 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 ) “1 通过模型桩试验观测了桩贯入桩端持力层 籀章缮论 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。王浩( 2 0 0 3 ) “采蠲模黧试验方法，鞣究了不厨簿赛度翡砂土中燕端剩入变形f 躬土体瞧状， 揭示了刺入变形下桩端周围土体的聪密一扩张过程，并对桩端刺入变形的枫理进 行了初步探讨。 激上文献孛翡试验磅究蟓分糕侧重于菜一方囊，曼多必定蠖援述，缺芝系统 定量化的研究。 1 3 2 桩间土体变形问题的试验研究 国内外大量的桩土共同作用研究集中于桩顶及承台( 筏板) 下土体的荷载分 担比及总沉降之间的关系，对桩间土的变形问题研究很少。陈惠康( 1 9 9 0 ) “” 介绍了前苏联b h ro ny6kob 以及我国建筑科学研究院刘金砺的桩基试 验成果。试验均证实桩间土承载与荷载水平密切相关，刘金砺的试验量测了桩间 土竖向位移随深度的变化情况。宰金珉( 1 9 9 5 ) “”对佟世祥1 9 8 1 年粉土中的模型 试验结果进行重新整理后得到桩间土压缩与荷载水平、桩距、桩数等因素的相互 关系。指出常规桩距对小桩群( 桩数小于9 ) 主要表现为桩间土压缩，随荷载水 平及桩距增大桩间土压缩所占的份额增加。池跃君“”( 2 0 0 2 ) 通过现场试验， 测出了刚性桩复合地基各土层的变形，指出单桩复合地基中加固层压缩是产生沉 降的主要原因，下卧层的压缩量很小，垫层压缩量占沉降的比例随荷载而变化。 王浩( 2 0 0 3 ) “”在标准砂中进行了带承台的单桩和双桩的模型试验，较为系统的 研究了桩间土压缩变形的发展过程以及承台板底应力、桩侧摩阻力随桩端刺入变 形( 桩间土压缩变形) 的变化。 1 3 3 桩端阻力问题的研究现状 桩端极限承载力的确定方法主要有原位测试法和理论分析方法。 原位测试法主要有静力触探及标准贯入法。标准贯入击数是以标准锤使用动 力击打方式获得的结果，这一过程与准静态的桩基受荷过程关联性不够理想。而 静力触探测试过程非常类似小尺寸桩的准静态加荷过程，许多研究者( d e b e e r 、 j a m i o l k o w s k i 、f r a n k e 、g h i o n n a 、f i o r a v a n t e ) 指出，采用静力触探结果作为 确定桩端极限阻力的比较标准，具有更小的误差“。 第一章缝论 理论分析方法主鼹有以刚塑体理论为基础及以小孔扩张理沦为基础的两大 类方法。 | | 冀剐翅体理论为蘩础的方法假定不同的桩端破坏面形态，推导出不同的极限 桩端阻力理论表达式。基于刚塑体蠼论的公式，严格上只能用于地基土整体翦切 破坏静壤况，瑟量没蠢考虑堑牲区体粳交建斡影嘲。魏嚣克鬟爨戆逮基承载力诗 算将地慧土破坏模式分为整体剪韬破坏、局部剪切破坏以及刺入剪切破坏，并提 出基于他发展的球形及圆筒孔扩张瑕论的判定地蕊土破坏模式的刚度指标。该理 论缓定分震其奏内聚力及摩擦蘸秘魏震，共考纛了氅牲区体积变豫熬影嫡“。 l a d a n y i 、k i s h i d a 、m i u r a 、y a s u f u k u 等分别独立地观察到桩端土体破坏变 形后的形状非常类似无限介质中的球孔扩张。“1 ，y a s u f u k u 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“”。由v e s i c 提出的球孔扩张理论 应用于桩端阻力研究是基于桩端土体屈服后在桩端形成圆锥体刚性区的假定：在 这个圆锥区以外的土体存在一个球面区域，球面上受到各向相等的压力，压力值 等于土体作为塑性材料的球孔扩张极限压力“5 ”1 。球孔扩张理论可将桩端土层 的性质参数很方便地与桩体受力状态建立直接静力平衡函数关系，也就是说，运 用小孔扩张理论分析桩端阻力可以很自然地考虑桩端土层性质对桩端阻力的影 响，能比较合理地反映地基的实际状态。 与极限端阻力的研究不同，还没有合理的计算分析理论对端阻力随刺入变形 的发挥性状进行描述。对这一问题的研究目前还有赖于现场试验及模型试验。 n i c o l a 和r a n d o l p h “7 1 采用配备轴向应力计的模型桩，在离心机试验中系统 研究了打入管桩在均质砂中的特性，试验在硅粉中进行，得到桩端阻力随刺入变 形发挥的一些重要结果。y a s u f u k u 1 5 j 总结了大量的现场及试验成果，以双曲线函 数模拟桩端阻力随沉降发展曲线。王浩( 2 0 0 3 ) 总结了国内外模型试验及现场 试验，给出了上海地区砂土持力层桩端阻力随刺入变形的发展公式。 1 3 4 桩侧摩阻力问题的研究现状 静力法计算桩侧极限縻阻力的方法有所谓a 法、法、r 法，原位试验方法 主要有静力触探法i ”】。此外还有一些基于地区经验的方法。对这些方法的论述 篱一章结诡 较为常见，此处不再赘述。e 海地区依据试验资料及工程实践，提出了一张按土 层分类懿撼瘴疆力帮端艇力表格。鼗矮，撵出了袄据篦静力联搽毙羹a 隧力悠箕 极限倒摩阻力的公式【1 9 1 。 桩侧摩阻力的发挥主要与桩周土的力学性质，侧向有效压力，桩土的相对位 移量，撼豹接簸性震，辩闻效盛警毒关”。大爨懿试验分爨诞实，控鸯各患懿 摩阻力极限值的大小取决于该点的深度和土质，假无论哪一点，其极限摩阻力的 发挥则主臻取决于桩士的相对位移，称为极限位移，仅与土类有关，与桩径凭关。 对予鹣热，投鼹霞移篷绞为5 l o m m ，露殄类主魏蔻1 0 2 0 黼。82 “。 1 3 5 桩一土一承台共同作用问题的研究现状 从考虑承台分担荷载的角度看，桩一土一承台共同作用问题的研究方法大致 可分为这么几类： 1 3 5 1 明确荷载分担比的简单方法 这类方法一般基于地区实测经验、模型试验或桩筏基础相对刚度的简单计 算，在设计开始即确定荷载分担比，在此基础上确定桩数桩长等。代表性的算法 有： ( 1 ) 基于模型试验的方法 杨克己等( 1 9 8 8 ) 。2 1 在重塑饱和亚粘土中做了不同桩距、桩长、桩数等条件 下的多组对比性模型试验，根据试验数据，用回归分析法，提出了下面关于荷载 分配的经验公式： 土分配的比率：告p ( ) = 2 5 3 5 + 6 7 詈 ( 1 7 ) 痒 式中：口f 一桩间土反力；历低桩基础极限承载力：口一桩距；d 一桩径。 上述经验公式一般适用于粘性土，桩距7 = - - ( 3 5 6 ) d 桩的入土深度与 基础宽度之比腩l _ 5 3 0 。 依据大规模现场试验的结论，建筑桩基技术规范2 ”分承台内区及外区，提m 如下考虑承台分担的表达式： r 。= 叩c a 。i y 。 ( 卜8 ) 第章绪谊 热驴和妻；净z o s 詈序。 具体含义参见文献 2 3 。 比较( 卜7 ) 式和( 1 - 8 ) 式可见，( 卜8 ) 式考虑了承台宽度、桩距、械长、 控经，舆骞更骥确懿携理意义。 ( 2 ) 蘩于刚度分析的方法 这类方法建立在对桩筏刚度分析的基础上。 阳蠢塞( 1 9 9 7 ) 。“在讨论摭麓 将主襻分瑟装入模篓 攮，务实露震蘩色妙竣囊据恚蘑殿缨鼹逵黥瀵灏蘧， 并设饕变形观测点。 ( 2 ) 在土体中特定位置放入土藤力盒，对中厝放入模型桃，模型桩顶部用丝 线固定程攘鳖疆这，疆确绦壤避耧孛揍鍪撞零镶霞； ( 3 ) 继续填土。猩观测区范围内设置变形观测点、染色砂标志层及追踪观测 区，直黧桩顶。静置撼个模型1 2 小酣后进行试骏。 2 2 3 1 2 压入式援靛试验准备 ( 1 ) 将土样分层装入模型槽，务实后用染色砂设置标志层及细观追踪观测区， 著竣鬟嶷影蕊测点。 ( 2 ) 在土体中特窳位置放入土藤力盒，继续填土。在观测区范围内设鬣交形 观测点、染色砂标志朦及追踪观测区。静置整个模型1 2 小时厢进行试验。 2 2 3 2 加载及量测 2 2 3 2 1 埋入式桩的加载及量测 ( 1 ) 热裁 采阁快速维持荷载法进行试验。 按初步诗算的极黻承载力确定加载分级。 采髑快速薪载法，每级翔载螽，第1 5 、3 0 m i n 溺读一次。蕊后藐藕下一缀蘅 载。 ( 2 ) 应力及变形量溅 试验前记录两次镪读数。在翔簸过程当中，财应力逶行逶续动悉溺试n 第二章单桩桩端刺入变形的模型试验研究 在每级加载丌始前，用数码相机拍摄记录变形观测点和染色砂标志层的变 化。 ( 3 ) 土体细观行为观测 在装砂时用染色砂设置好细观观测追踪区，在加载开始前及特定加载级，用 体视显微镜对追踪区进行观测，采用图像分析软件对其孔隙率变化进行分析。 2 2 3 2 2 压入式桩的加载及量测 ( 1 ) 加载 采用快速维持荷载法进行试验。 采用快速荷载法，加载速率控制在0 0 5 m m s ，每级加载后，第1 5 、3 0 m i n 测读一次。其后施加下一级荷载。 ( 2 ) 应力及变形量测 试验前记录两次初读数。在加载过程当中，对应力进行连续动态测试。 在每级加载开始前，用数码相机拍摄记录变形观测点和染色砂标志层的变 化。 ( 3 ) 土体细观行为观测 在装砂时用染色砂设置好细观观测追踪区，在加载开始前及特定加载级，用 体视显微镜对追踪区进行观测，采用图像分析软件对其孔隙率变化进行分析。 2 2 4 试验内容 2 2 4 1 单辍桩端刺入变形试验( 4 组) 袁2 - 1 不同桩径的单柱桩端刺入燮形试验一览畿 备注：s 指桩端蒯入变形鼙( 对单桩等同了挑项沉降餐) 。 第一章晕摭箍鞴刺入变形嚣模糕试验磷究 3 4 平头压入0 ，7 7 乎头理入0 ，7 7 桩端p s 。曲线，桩端周 围位移场。桩端周闸颗 粒懿缀褒行鸯，援髑瘟 力场 2 3 攀桩桩端裁入交形试验 2 3 1 试验测点布鼹图( 图2 2 ) a 筻二组试验测点布置图及照片 第二章单桩桩端刺入变形的模掣试验研究 b 第三组试验测点布置图及照片 试验四溅点布置祥圈 c 第四组试验测点布簧图及照片 1 4 一一一 一 第二章单桩桩端刺入变形的模型试验研究 d 第五组试验测点布置图及照片 图2 - 2 单桩试验测点布置图及照片 2 3 2 试验结果分析 2 3 2 1 不同成桩方式的单桩试验结果分析 该缀分析选择试验三和试骏四进行比较。 l 拄鞴隧力蕤铡入变形瓣发曩 桩端阻力随归一化刺入变形( 刺入变形s d 桩径) 的发展情况见图2 5 。 蠢匿2 3 可觅，蒸一，嚣入式接帮埋久式穰盼巍线寄较大差是，在稻同靛涮入变 彤时，压入式桩的桩端阻力均大于埋入式桩，这燕要是由于压入式桩的搬端周围 砂土被栋贯入时挤密的缘故。冀二，压入式桩的板端阻力在刺入变形为零时并不 为零，遗主要是出于压撼使桩端存在一定豹残余应力。其三，对于蘧入式桩，在 归一化刺入变形s d 达到0 0 5 时，桩端阻力增加幅度较大。而对于埋入桩，在 援蘧爨一纯蒯入交形s d 达弱0 3 霹，摭溃疆力方达到极限篷。这说明，篷入棱 的极限端阻力发挥需要的位移比埋入桩小。其四，无论最埋入桩还是压入桩，在 掇端隘力达囊校黻餐隧舔，柱臻瓣力随羯一纯利入交形穗线在经秘了一个较祀陵 段以后都有不同程度的增长，这主要是因为承台下的土压密范陶增大的缘故，j 使得桩潲阻力又有了一定的提高。 薰二章擎掇柱藕瓣入变形耱摸羹谈验疆究 o o ，2 囊0 4 锻 一 * 基0 ，6 丑 桩端阻力k p a 0 1 0 02 0 03 0 0 图2 - 3 桩端阻力随归一化刺入变彤的发展 ( 2 ) 桩端阻力发挥的土体位移表现 稷潮亵l 入交澎下豹蒋经移表瑷 分析土体在测入变形s d = o 1 9 时不同成桩方式的搬端周围体的位移 场。如圈2 - 4 a 、b 所示。出图2 - 4 可觅，其一，在相弼蒯入交形条件下，不 髑成桩方式的桩端对砂驰影响范踊不同，相比较瓶言，聪入式桩麴影响范豳 较大，这主要是由于在桩压入的前期使砂变得密蜜的缘敞。其= ，从位移场 豹表理象看，撼髑呈 薅球建形扩张鞠态势比较明显，在靠近接端处，球灏豳 弧的曲率最小；在桩端平面以下的较远位置处，球面圆弧边的曲率变大。其 三，对予送天式援，柱灞乎覆致上静接溺遣是爱球魏澎扩张，哭是球甏錾 弧的曲率较桩端小而已；而对于埋入式撤这一现浆则不明显；其四，桩端土 的扩孔角度大约在3 0 。，桩端两侧的扩孑l 角度并不完全桐同，这主要是国于 在桩端刺入对的外界原因( 荷载微偏心、桩端体的不完全均匀) 引起的。 第二章单桩桩端刺入变形的模型试验研究 1 01 5卸器 卸3 5 ( a ) 埋入式桩，s d = o 1 9 ，桩端土体位移场 2 0 2 5舶3 5椰45卯 ( b ) 压入式桩，s d = o ，1 9 。桩端土体位移场 图2 - 4 不同成桩方式的单桩在相同剌入变形下的桩端土体位移 呈极限端阻力态势下的土体位移表现 由图2 5 可见( a ) 、( b ) 可见，对于埋入式桩的砂土，刺入变形从1 7 4 4 r a m 变化到3 1 4 4 r a m ，而桩端阻力从2 0 1 k p a 变化到3 0 1 k p a 。这个阶段表现出端阻力 达到极限状态的态势；由图2 - 5 可见( c ) 、( d ) 可见，对于压入式桩的砂土，刺 入变形从1 7 5 1 m m 变化到2 4 3 7 m ( 因为此桩在压到该位置以前时，压入荷载和 端阻力已不再增加，而且此时桩被破坏，放在2 4 3 7 m m 时终止了试验) ，而桩端 阻力从7 0 2 k p a 变化到7 2 8 k p a 。这个阶段表现出端阻力达到极限状态的态势。可 见，对于埋入式的桩，桩端阻力随着刺入变形的增加幅度较大。在极限荷载下， 桩端土的扩张方位大约在3 5 。，比前边初始时扩张角度有所增加。 对照图2 5 ( a ) 、( b ) 、( c ) 、( d ) 可见，在桩端刺入的起始阶段，土体的位 移以竖向变形及斜向下挤出扩张为主。由图2 5 ( b ) 可以看出，埋入式的桩端 第二章译挺较璇牵l 入变形静穰型试验毒j 究 阻力呈现极限桩端阻力态势时( 端阻力和桩端刺入变形都有较大增长) ，士体位 移斜囱下瓣扩张为主。露交蹙2 - 5 ( d ) ，压入式熬缓璇阻力呈瑗援啜援端隧力态 势时( 端阻力仅有少蘩增长，桩端刺入变形却增加较大) ，体位移以水平向和 斜向下的扩张为主。膜入式的桩在愿到承台与砂接触时，桩端限力已经有了较大 发挥，援旗戆终已经拔揍褥较兔鬻实，赦在嚣麓当裁入变形发展到一定程发霹， 桩端阻力不可能再有较大发展。 ( a ) 埋入式桩，刺入变形o 1 7 。4 4 栅，械端阻力o 2 0 1 k p a o幅 2 。2 s靳躯 ( b ) 埋入式穰，剩入变形1 7 ，4 4 3 1 4 4 ，撼端阻力2 0 1 3 0 1 k p a 第二章擎摭档旗朝入变形抟壤燮试验磷究 2 0豁a s柏特驰 ( e ) 压入式疆，裁a 变形0 h 1 7 。5 1 m ，簸端疆力3 9 0 7 0 2 k p a 尸咄吣_ “ 。矗t 再”“”一一| p “t 嘲远 ；矗辆“，”，i r 飞 茹渖一洲一 “n 一一j ；1 “1 、啄酬 ；澌一 一l i r 、蠢巍菇，+ * “”1 卜“，i 稿。潮m ”一| 卜w _ “ “f ，甜+ “_ p “”i t 一_ _ 。”p h 。_ # d 9 第二章挚謇 ! 毓端稍久整形魏穰蘩试验疆究 中，正值袭示体积压缩，负值则表示体积膨胀，结果表明，在桩端刺入过程中 挂端土黪渖剪嫠内鄂蒡簇蛙明显，霹懑剪謦以外的区域劂表瑷为压缩特性。 ( a ) s d = o 0 5 嘞s d = 0 1 第二章单桩桩端刺入变形的模型试验研究 ( c ) s d = o 2 ( d ) s d = o 3 ( e 1s d = o 4 第一章荦柱粒端捌入变形蕊模鐾试验疆完 s d - - - o 5 ( g ) s d d = 1 0 圈2 - 6 接璇趋最大劈应交分毒 ( a ) s d = o ，0 5 第二章单挂穗勰露l 入变彩抟攥型试验研究 ( ”s d = o 1 国s d = o 2 润s d = o 。3 第二章单桩桩端刺入变形的模型试验研究 ( e ) s d = o 4 ( ds d = o 5 ( 曲s d = 1 0 图2 7 桩端砂土地基的体积戍变分布 ( 4 ) 桩端周围土体孔隙率的变化 第二章单槛拣端剩入变形豹模麓试验研究 对埋入式桩的试验，用体视显微境拍摄了桩周砂土的细观照片，对其孔隙率 采弱国豫处理程彦送行了分辑，鳟爨整蓑剿入螽耱蹋髂魏瓣率熬变讫弱。 图像处理简介f 3 l 由娜观图像统计孔隙率的处理，以给定灰度作为判定孔隙的阀值。在对同批 爨片送行大量毙较分援磊，确定溺镶。茨疫篷奁阙蕊骧上夔爨索，帮裁定鸯鬏粒， 在阀值以下的像素判定为孔隙。对阎值上下的像索点数量进行统计后即可褥到图 像孔隙率。 ( a ) 骚照片( b ) 获痊裁鞭延壤蒸鹭像 ( c ) 蔹发爨方强 图2 - 8 照片孔隙率处理说明 第二章争槛褴端捌丸变形抟骥穗试验醑究 桩周土体孔隙率变化 孔骧率季鑫照点参凳鞫2 2 。穰蘧箨琵藤率交纯羹甏2 - 9 。a ，b 瓣令楚 呈现相似的规律。桩端斜下约4 5 艘范围内孔隙率变化最大，从整体看，孔隙率 变化呈球孔形向远离械端外逐渐递减。比较a ，b 两个图可见，随羞桩端的刺入 发震，擦糍竣上箍溺主薅靛毳骧攀露掰减少 文簸 餐夯羯示了这一褒掺) 。 图2 - 9 桩周主体孔隙率变化云图 ( a ) s d = o 2 ( b ) s d = 1 0 圈2 一l o 桩避土体静原型照片+ ( 5 ) 承台下土的交形试验 第一章擎牲越壤捌凡燮黟瓣壤墅试验鹾究 试验测点布置 测点布置见銎2 - 2 c 、d 。 试验结梁分析 i 桩侧周围土中的水平土压力 摭测周匿的瘩警压力分搬媾凝曼2 - 1 1 _ ： 拜2 - 1 2 。由强可尼，桩侧阕围 的求平压力分布星“e ”字形，摭上部周围的水平土压力髓刺入变形豹增大而 增大，桩下部的水平士压力几乎是随着刺入变形的增大而减小。另外，在躐离桩 端2 7 梭长距离娃，压力见乎势举睫裁入变形熬增大瑟变绽，可鞋认戈怒“0 ” 点，在“0 ”点位饕之上，水平瓢力随刺入变形的增大而增大；在“0 ”点位置 之下，桩下部的水平土压力几乎是随着刺入变形的增大而减小。对于压入式的桩， 棱端周甏寒平囱土压力隧裁入变形戆增大减夸豹冁度较大，嚣壤入式桩较夺。 o 5 1 0 1 5 蓦 遗2 0 醛 2 5 3 3 5 4 0 水平向土压力k p a 0 3691 21 51 8 1 2 5 甏2 - 1 1 压入式糍铡周垂本平蠢蘧力箍深菠鹣袋震 辩二章单挺被端剿入受搿鲭辏型试驻磷究 o 5 1 0 i 5 嚣 蠢2 0 聪 2 5 3 0 3 5 4 0 o 图2 - 1 2 埋入式桩侧周围水平向压力随深度的发展 i i 基础的沉降与变形特性 蓬2 - 1 3 绘岛了掰缀试验蔫载麓沉簿鬻嚣关系魏线。 图2 - 1 4 给出了两组试验基础犄载与刺入变彤量( 桩间土愿缩) 及桩端下土 体的整体压缩量之间的关系曲线。由圈2 1 3 可以看出，在棚同的基础沉降处， 垂入式被豹鏊磷蓠载大于溪入式投，这主要是融予莲入式柱鹣端隘力秘侧黼办较 早发挥的缘故；另外，压入式桩较犟的破坏了土体。由图2 一1 4 可见，对于埋入 式桩和艇入式桩，在棚网的基础旖载下，棱端下体的整体聪缎蹙差别弗不是很 大，基獭豹沉降差剐烹簧取决予援端裁入变形豢。 5 l 2 3 4 5 6 7 8 9 0 0 * 0 o o o o o o o o 1 一 u = = = 1 1 = i i l l i i l i f | 一 i _ d d d d d d d d d d一 s s s s s s s s s s s 第二章单桩桩端刺入变形的模型试验研究 基础荷载k n oo 4o 81 21 6 + 压入式 。 4 8 鑫。 桑。 孳 蓑2 。 2 4 2 8 3 2 基础荷载k n 0o306o9 i2i5 压入式一刺入变形 图2 - 1 3 基础荷载与沉降的关系 图2 - 1 4 基础荷载与变形的关系 i i i 桩间土的位移随刺入变形的发展 图2 1 5 和2 1 6 分别给出了埋入式和压入式单桩基础桩间土位移随刺入变 形的发展情况。由图可见，对于压入式桩，桩间土的位移场呈弧线型。而对于埋 入式桩，在靠近承台下土体的位移场成弧形，再向下渐渐成直线型。另外，随着 刺入变形的发展，承台下土体的影响范围在逐渐增大，尤其是对于埋入式桩，在 归一化刺入变形s d 为1 0 时，桩端下的土体受承台的影响，位移场也呈直线型。 0 0 0 挖 埔 加 弘 拈 弛 目澄蛙鼹埔 第二章革柱擒端捌a 变形酌搂燕 试验疆宠 ( 曲压入式桩，s d = o 2( b ) 压入式槭，s d = o 5 0 0 3 7 3 毒 ( c ) s d = l0 图2 - 1 5 乐入式桩间土的位移随刺入变形的发展 *习| 一蠢 一蒂 第二章单摭禳端裁入变黪抟覆黧斌验醅究 r _ _ 习 0 0 1 71 7 o1 52 0 2 5 卜 0 0 7 32 5 c s d = 1 。0 图2 = 1 6 埋入式桩问十的位移随刺入变形的发展 3 l 一卜 | i | | 一 & 一 第= 章单桩桩端刺入变_ 耨的模型试验研究 v 承台扳底应力随刺入变形的发展 图2 1 8 给出了承台板底应力随刺入变形发展的比较曲线。由阉可见，在相 嗣瓣剌入变形时，压入式攘的投底痰力大予埋入式攘，这主要是由予惩桩傻承台 下的土体变得密实的缘故。另外，图2 1 7 给出了承台荷载分担比随归一化刺入 交形戆发糕魄较藩线，簌强上霹苏麓密，匮入式菝懿赫载分撵跑旱予淫入式糖达 到最大值；在相同的归一化刺入变形时，域入式桩的荷载分挺比较大，压入式桩 静赘载分擒阮较小；另努，瑟线上有些，j 、波动，这种桩土之间应力辐互转移豹现 象，是桩进入极限旃载状态下间歇式桩端刺入的反映。 板底戍力k p a 4 0 2 5 口 蛰 制 一 葚 基 耍 荷载分担比 5 0 7 51 0 0 图2 - 1 7 荷载分担比随刺入变形的发展比较图2 ，1 8 承台板底应力随刺入变形发展比较 v i 桩侧摩阻力随刺入变形的发展 图2 1 9 ( a ) 、( b ) 给出压入式桩和埋入式桩侧摩阻力随刺入变形的变化情 况。从图上可以看出，侧摩阻力沿桩身呈“s ”型分布。另外，因实测的桩轴力 反而小于其下段某点处的轴力，而使该桩段呈“负摩阻力”现象，而且，负摩阻 力的峰值随着桩端刺入变形( 桩间土压缩) 的增大而增大。这可解释为刚性承台 迫使基土向下位移主要集中在桩的上段部位。随着桩端刺入变形的发展，这块区 域土体逐渐压密形成密实土块。该土块与桩i 二段紧紧握在一起结合成一个块状整 体( b l o c ke f f e c t ) ，好似增加了承台的厚度。承台一部分接触应力通过该块状 整体的底部传递给紧靠该处的桩段，使该桩段处的轴向力反而大丁| 桩顶处，该处 o 2 4 6 8 1 o o o o 第二章单桩桩端刺入变形的模型试验研究 上段呈现“负摩阻力”现象( 文献 1 3 、 4 3 亦发现过类似的现象) 。块状整体 的形成与开展不仅与刺入变形和土质有关，而且还受到桩“遮拦作用”程度大小 影响。至于桩顶负摩阻力的增大，这是承台板底应力增大使得该块体所承受的力 增大的缘故。 侧摩阻力m p a lo 聪4 0 。 ( a ) 压入式桩 侧摩阻力m p a 2一l0 一一争一 一s d = o s d = o * - s d = o 卜_ s d = o ( b )埋入式桩 图2 1 9 桩侧摩阻力随刺入变形的发展 2 3 2 2 不同桩径的单桩试验结果分析 ( 1 ) 桩端阻力随刺入变形的发展 从图2 2 0 可以看出，不同桩径桩端阻力随刺入变形的发展呈相似的趋势， 大直径桩的桩端阻力略小于小直径桩。当用桩径对归一化刺入变形进行归一后， 不同的桩径的曲线形态呈现相似的规律性。另外，图2 2 l 给出了桩端荷载随刺 入变形的发展比较曲线，从图上可以看出，大直径桩的桩端荷载是大于小直径桩 的，这和桩基设计理论是一致的。 第二：章单桩桩端刺入变形的模型试骏研究 15 0 0f ” o ，2 罨 蓑 争t 蛙 甚 o 6 “ ! o 8 l 桩端阻力k p a 2 2 02 9 03 6 0 曙 醴 融 一 麟 落 露 桩端荷载k n - 一d = 3 c m - d = 4 c m o 17 圈2 - 2 0 桩端阻力随蒯入变形姻发展比较图2 - 2 1 桩端荷载随蒯入变形的发展 ( 2 ) 蘧棱端阻力及裁久蔓移不赣下毽壤土俸经戆经移表瑗 图2 2 2 和2 2 3 给出了d = 3 c m 和d = 4 c m 的端阻力及刺入变形增大下 桩端周围土体的位移表现。从这八幅图上可以看出，随着刺入变形的不断 增大，桩端土体的角度几乎一直是增大的，对于d = 3 c m 的桩，扩张角度从 约3 0 。一直增加到4 0 。；对于d = 4 c m 的桩，扩张角度从约1 5 。一直增加 到2 4 。；从图上可以看出，大直径桩对桩端土的影响范围明显大于小直径 桩，尤其是在竖向方向上。 o1 52 0 2 53 03 5 ( a ) s d = o 1 3 4 第二嚣单桩桩端刺入蹙彤的模型试验研究 o1 52 0 2 53 03 5 锤) s d = 0 2 01 5黝 2 5 3 0 3 5 ( c ) s d = o 5 o1 5 2 02 53 0 3 5 ( d ) s d = 1 0 图2 2 2 端阻力及刺人变形增大f 桩端阁嗣寸：体的位移表现( d = 3 c m ) 第二章单桩桩端刺八变形的模型试验研究 5 0 4 0 3 5 一 - t “_ _ _ ， 0 ，州， _ 州_ _ - _ _ f _ + t ，制小 _ _ “_ t 柏，蚋， ，“_ 小 t _ - “_ _ _ _ ，_ _ _ ，_ ，蚋 f r ，t t ，”，t _ _ t “_ ，“，_ ，“，1 f m t t 二 一 2 02 53 03 5 ( a ) s d = o 1 2 53 0 3 5 ( c ) s d = o 5 44l4vl4444q44 h 件- “ “ “一羹黼 h - “ “_ ”囊黼 ”“h “ “4 _ 一 ”l 嬲 “- “ “_ i 翘 “m m w1 t _ m ，- 。”i 豳 舢虬 “州- 1 ”忡l h _ 二”。稠黧 w 、 m m 。 圜 “h “n ”瞄_ “：7 孺 “ t 粕椭茹佃- _ _ h ；：”7 “_ 小- ”“再而萌，岫i 祭 r “ m 轴南 r t t 黼“m 。薹w “m - 州m h 而t “” 1 - i t _ t t h 1 h 讨t ，o - ，辽： 2 02 53 03 5 ( b ) s d = o 2 2 02 53 03 5 ( d ) s d = 1 0 圈2 2 3 端阻力及刺入变形增大f 桩端周同十体的位移表现( d = 4 c m ) ( 3 ) 桩间土的变形试验 筵二章单援挺璃剩入变形的搂墅试验龋究 试验测点布茕 测点布置见圈2 - 2b 、e 。 试虢绪采分轿 i 桩侧周围土中的水平土压力 桩侧周围的水平土压力分布情况见2 2 4 ( a ) 、( b ) 。由图可见，桩侧周围土 的水平土压力分布呈“c ”字形，桩上部周围的水平土压力随刺入变形的增大而 增大，桩下部的水平土压力几乎是随着刺入变形的增大而减小。另外，在距离桩 端2 7 桩长距离处，土压力几乎并不随刺入变形的增大而变化，可以认为是“o ” 点，在0 点位置之上，水平土压力随刺入变形的增大而增大；在“0 ”点位置 之下，桩下部的水平土压力几乎是随着刺入变形的增大而减小。上述结论和本章 前一部分的结论似吻合的。 0 5 1 0 1 5 5 蠢2 0 骺 2 5 3 0 3 5 4 0 水平向土堆力k p a 03 06 09 01 2 0 o 5 1 0 1 5 暮 蠢2 0 瓒 2 5 3 0 3 5 4 0 水平向土压力k p a o3 06 09 01 2 0 = 0 = 0 1 9 = 0 0 9 = o 3 5 = o 4 6 = o 5 5 _ ( a ) 桩径d = 3 o c m( b ) 桩径d = 4 o c m 图2 2 4桩侧水平土压力随深度的发展比较 i i 基础的沉降与变形特性 图2 2 5 两组试验荷载与沉降问的关系曲线。很明显d = 4 o c m 桩的基础荷 载明显大于d - - - - 3 c m 的桩。 嚣二章单裢靛辩刺入变瑟蕊壤鍪试验磷究 。 5 墨l 。 粪 黎1 5 2 0 2 5 綦础葡载k n e2468 圈2 - 2 5 蒸础蔫载与浣辫酌美系 i i i 桃间土位移随刺入变形的发展 圈2 2 6 帮2 2 7 分别给出了皴径3 c m 帮4 c m 帮承台摭闽使移随归一他刺入 交形酶发展情况。扶瀚主可班看蹬，疆着刺入交形的发袋，承螽下土俸的影响范 围在逐渐增大。另外述可以看出，大直径桩的桩侧士的影响范围明显大于小烈径 桩。 _ p “”“m # f p ”铷“ 。，? 纛。j 。一“二! ! ! ! = - # 5嚣辩帮 ! - “一一 “一h m 一 。- ! ! ：4 ：。? ”- ”t - ，督， ； s南捞3 0撼 ( b ) s d = o 。2 第二章单越照璃剩入变形豹簇整试验 | 究 一一t i 铺暗；赢，t 氛毒0 ，缸抽峨- 一肿、r 一确。h t 诛； i “懈“，“。郴出出 蛳+ o 一望：q 娃叫。_ m m t n 妞址= ! ! ! 竿j 1 01 5 i t s群 ( e ) s d = o 5 ( b ) s d = 1 0 图2 2 6 荣承台接基疆整翔燕移夔翔一纯翩入囊鼙豹发袋( d = 3 c t a ) 2 5 3 52 0 2 5 第二章单桩桩端刺入变形的模型试验研究 w ( d ) s d = 1 0 闰2 2 7 带承台桩基础桩间土位移随归一化刺入变形的发展( d = 4 c m ) v 承台板底应力随刺入变形的发展 图2 - 2 8 给出了承台板底应力随刺入变形发展的比较曲线。由图可见，在承 台沉降发展的初始阶段，两者并无太大区别。随着沉降的发展，小直径桩的承台 作用先发挥了出来，即在相同的刺入变形时，小直径桩的承台扳底应力大于大直 径桩的承台板底应力。当承台沉降达到一定值时，小直径桩的承台板底应力先于 大直径桩的承台达到极限状态。 图2 2 9 给出了承台荷载分担比随刺入变形的发展，由图可见，在桩