（岩土工程专业论文）静压桩挤土效应和承载力时效试验研究.pdf

摘要 摘要 饱和软粘土地基中静压桩挤土效应是岩土工程中常见的问题，其形成机理也十分复杂。许多学者 对此进行了大量的理论研究，建立了不少的数学模型。然而，由于岩土工程现场条件的复杂性，这些 数学模型往往不能完全模拟现场的沉桩过程和满足现场边界条件。足尺静压桩沉桩挤土效应的试验研 究由于能够克服上述缺点而更具有工程现实意义。监测土体侧向位移、分层沉降、孔隙压力、地面隆 起随压桩过程变化的规律能够为理论研究提供验证，也是很多研究者希望实施的计划。 另外，桩基的承载力也是工程技术人员十分关心的问题之一，特别是桩基承载力的时效性，不仅 涉及工程安全问题，而且还涉及工程经济内容。因此，准确描述桩基承载力时效性的变化规律，也是 当前许多桩基研究者关注的课题。 针对上述问题，本文主要做了以下4 个方面的研究工作： ( 1 ) 监测并研究分析了饱和软粘土中足尺试验桩桩周土体侧向位移、分层沉降、孔隙压力、地面隆 起等随压桩过程的变化规律； ( 2 ) 监测并研究分析了在沉桩结束后定休止期内桩周土体侧向位移、分层沉降、孔隙压力随时间 的变化规律，同时还在各个试验桩进行了不同休止期的静载荷试验； ( 3 ) 对现场取回的原状土样进行三轴试验获取相应参数，并进行理论计算，研究分析饱和软粘土中 挤土效应引起的挤土应力和超静孔隙水丝力。 ( 4 ) 根据计算的桩周土挤土应力，对现场取回的原状土样进行三轴应力路径试验，模拟研究挤土效 应对桩周土体参数的影响和单桩极限承载力的时效性。 【关键词】：饱和软粘土、足尺试验桩、挤土效应、g d s 三轴测试系统、单桩承载力时效性 a b s t r a c t a b s t r a c t s o i lc o m p a c t i n ge 仃e c to fj a c k e d i np i l ei nt h es a t u r a t e ds o rc l a yi sat o p i co fc o n c e mi nt h eg e o t e c i l i l i c e n g i n e e r i n ga n di t sf o m l a t i o nm e c h a n i s mi sa l s ov e 叫c o m p l i c a t e d al o to fs c h 0 1 a r sh a v ec a r r j e do nal a 唱e 锄o u n to ft h e o r e t i c a l r e s e a t c ht ot h i sa n dh a ss e tu pm a n ym a t h e m a t i c a lm o d e l s b u tb e c a u s eo fc o m p l e x i t yo f i ns i t ug e o t e c h n i ce n g i n e e r i n g ，t h e s em a t h e m a t i c a lm o d e l sc a nn o tc o m p l e t es i m u l a t i o np i l e s i n k i n ga n dm e e t o n t h e s p o tb o u n d a r yc o n d i t i o n e x p e r i m e n t a ls t u d yo fs o i lc o m p a c t i n ge f r e c to ff u l ls i z ej a c k e d - i np i l eh a sa r e a l i s t i cm e a n i n go fap r o j e c te v e nm o r eb e c a u s eo fc a no v e r c o m es h o r t c o m i n gm e n t i o n e da b o v e m o n i t o r i n g 1 a w s o f1 a t e r a ld i s p l a c e m e n to fs o i l ，p o r ep r e s s u r ea n dl a n du p h e a v a l d u r i n gp i l e s i h k i n gc a n 硝f e rf 0 r t h e o r e t i c a lr e s e a r c hp m v i n g ，a n di ti sap r o j e c tt h a tal o to fr e s e a r c h e r sh o p et oi m p l e m e n tt o o i na d d i t i o n ，b e a r j n gc a p a c i t yo fp i l ei sa l s oo n eo ft h et o p i cw h i c ht h ee n g i n e e r sa n dt e c l l n i c i a n sc a r e a b o u tv e d ，m u c h ，e s p e c i a l l yt h et i m e e f r e c to fb e a r i n gc a p a c i t yo fp i l e ，n o tm e r e l yi n v o l v es a f e t yp r o b l e m ，a n d i n v o l v et h ee c o n o m i cc o n t e n t s o ，d e s c r i b i n gt h e1 a wo ft i m e e f f 色c to fb e a r i n gc a p a c i 够o fp i l ea c c u r a t e l yi s t h es u b j e c tw h i c hal o to fp i l er e s e a r c h e r sp a yc l o s ea t t e n t i o nt oa tp r e s e n t t bp r o b l e md e s c r i b e da b o v e ，t h i sp a p e rh a sm a j n l yd o n et h er e s e a r c hw o r ko f 4f o l l o w i n gr e s p e c t s ： ( 1 ) m o n i t o ra n da n a l y z e1 a w so fl a t e r a ld i s p l a c e m e n to fs o i l ，h i e r a r c h i c a ls e t t l e m e m ，p o r ep r e s s u r e 柚d l a n du p h e a v a ld u r i n gp i l e - s i n k i n g ； ( 2 ) m o n i t o ra n da n a l y z el a w so fl a t e r a ld i s p l a c e m e n to fs o i l ，h i e r a r c h i c a ls e t t l e m e n t ，p o r ew a t e rp 陀s s u r e d u r i n gt h er e s t i n gp h a s e ，a l s oc a r 叮o ns t a t i ct e s to ne a c ht e s t i n gp 订er e s p e c t i v e l ya tt h es a m e t i m e ( 3 ) g oo ng d st r i a x i a l t e s t sf o ro b t a i n i n gt h ec o l l r e s p o n d i n gp a r a m e t e rt ou n d i s t u r b e ds o 订t h a tf e t c h e d i ns i t u ，c a r n ，o nt h e o r yc a l c u l a t i o n ，r e s e a r c ha n da n a l y z ee 仃e c t i v ep r e s s u r ea n de x c e s sp o r ew a t e rp r e s s u r el n t h es a t u r a t e ds o rs o i lw h i c hi n d u c e db yp i l e s i n k i n g ( 4 ) a c c o r d i n gt ot h es t r e s sc a l c u l a t i o nr e s u l t s ，g oo ng d s t r i - a x i a l t e s t st ou n d i s t u r b e ds o i lm a tf e t c h e di n s i t u ，a n ds t u d yh o ws o i lc o m p a c t i n ge 行i e c ti m p a c to ns o i lp a r a m e t e ra n dt i m e - e f f e c to fb e a r i n gc a p a c i t y k e yw o r d s ：s a t u r a t e ds o rc l a y ，f u l ls i z et e s tp i l e ，s o i lc o m p a c t i n ge 仃e c t ，g d st r i - a x i a lt e s t s ，t i m e - e a e c t o fb e 撕n gc a p a c i t yo fp i l e l l l 日舀 j j l ! 一 刖舌 静力压入预制桩的施工工艺是近年来得到广泛使用的沉桩工艺。静力压入法施工有无噪音、无震 动、质量易控制等特点，具有很强的实用性。但静雎桩是一种挤土桩，挤土作用将对桩基础本身和周 围环境产生一系列影响，引发一系列工程问题；同时，挤土作用对桩基础承载力的时效性具有积极的 影响作用。本文丰要研究压桩施工时在单桩桩周土体中引起的位移、应力和超静孔隙水压力的分布和 变化规律，在此基础上研究分析了考虑挤土效应的单桩承载力时效作用，对静压桩的设计、施工和相 应防护措施的选择有较大的指导作用，并可提高工程的经济效益，具有较重要的意义。 首先，进行现场试验，监测分析沉桩挤土造成的桩周土的位移和超静孔隙水压力的分布规律；其 次，修正已有的圆孔扩张解答和进行三轴试验获取相应土体参数，代入解答计算分析挤土效应对桩周 土体应力状态的影响，获得沉桩结束时和再固结完成后的土体应力状态；最后根据计算结果模拟桩周 土的应力状态并进行三轴应力路径试验，研究挤土作用对桩周土体参数和桩侧摩阻力的时效的影响作 用。 主要创新： ( 1 ) 监测并研究分析了饱和软粘土中足尺试验桩桩周土体侧向位移、分层沉降、孔隙压力、地面隆 起等随压桩过程的变化规律，以及沉桩结束后一定休止期内桩周土体侧向位移、分层沉降、孔隙压力 随时问的变化规律，同时还对各个试验桩进行了不同休止期的静载荷试验，获得了第一于资料； ( 2 ) 根据有效应力原理和c l u 试验推导出基于有效应力解答的超孔隙水压力估算公式；对饱和软粘 土的原状土样进行三轴应力路径试验，模拟研究挤上效应对桩周土体参数的影响和单桩极限承载力的 时效性。 学位论文独创性声明： 本人所呈交的堂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) ：! 垂1 堕沙，孑年月乙日 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) ： 夕绸坠壶 沙莎年月乙日 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 引言 1 1 1 静力压桩法的发展概况 静力压桩法是今年米得到广泛使用的沉桩施tt 艺。静力压桩法是指用静力压桩机对预制桩施加 压力，当压力与地基十对桩的极限阻力相平衡时，桩被压入十中的一种沉桩上艺。静力压桩施工法在 2 0 世纪6 0 年代开始在上海研究应用，2 0 世纪8 0 年代，随压桩机械与环保意识的增强得到进一步的发 展，随后，压桩机实现系列化，乐桩技术更加成熟，用此方法施t 的桩k 可达6 0 米以上，设计压桩力 可达7 0 0 0 8 0 0 0 k n 。 静力乐入桩已经在我国得到了广泛的虑用。从已有的资料信息来看，我国静力乐入桩的使用数量 为世界之最【。目前，广东、浙江、上海、福建、西安等地都已大量应用静压桩，从多层建筑剑高层建 筑，从一般民用建筑到重型t 业厂房，到处都有静力压入桩的使用实例，静力压入桩正在发挥着越来 越大的作用。 1 1 2 静压桩基本特点 从对地基土的影响程度上来说，静压法施t 的桩也属丁挤土桩，同常见的打入方法( 如锤击法，振 动法) 相比，两者对土体作用的机理上有一定的相似性，但仍有一定的差异的，主要体现为：静力压桩 时，沉桩速率保持在一定的范嗣内，囚此压桩过程可以看作准静态过程，而打入桩的贯入主要依靠动 力使桩体沉入地层，贯入过程并不连续。 1 1 2 1 静压桩的优点 随着施工工艺的改进，静力压桩法施工相对其它桩型具有以下的优点i l 一一j ： ( 1 ) 施上时无噪音，适合在市区及其它对噪声有限制的施上场地施上，如：附近有学校、医院和住 宅区等。 ( 2 ) 施上时无振动，适合在其它重要建筑物和精密仪器或设备房附近施上。 ( 3 ) 静力压桩施t 避免锤击法瞬间的大应力，且桩的施t 过程中一般不出现拉应力，所以桩的断面 可以减小，桩的配筋率与混凝十强度标号都可降低。此外，静压施上时桩项部位一般不会碎裂，还可 以节省锤垫、桩垫等缓冲材料，提高经济效益。 ( 4 ) 静压预制桩一般在工厂中制作，其质量较可靠。在压桩过程中可以全程记录压桩力，可以较正 确、较容易的估计单桩承载力。 ( 5 ) 施r l = 文明，场地整沾。不会发生冲孔灌注桩与钻孔灌注桩中出现的泥浆排放污染问题，也不要 挖孔桩所需的抽水、堆土与运设备。 ( 6 ) 施j ：速度快，- l 期相对较短。 ( 7 ) 施t 时桩长可以接驳，长度不受机械设备的限制。 ( 8 ) 静压桩的桩端持力层可以取中密密实的砂性十层、硬塑坚硬的粘性土层、全风化岩层甚至强 分化岩层，比钻孔灌注桩、人丁挖孔桩的持力层为浅。 1 1 2 2 静压桩的缺点 尽管如此，静力压桩法也存在着一些不足之处，它的挤土效应也对环境或工程场地产生一定的影 响，归纳起来，主要有下述几个方面i l j ( 1 ) 沉桩挤土会引起地基十侧向位移，并对邻近的建筑物基础或地下设施产生挤压力，从而产生一 系列不良后果，如：邻近桩桩身弯曲或断桩，地下管线弯曲、变位或开裂。虽然可以通过预钻孔、隔 离沟和隔离墙等措施加以部分避免，但这些措施多具有经验性，尚没有严格的沉桩理论的指导，所以 静压桩施工以上影响仍然无法完全避免； l 河海大学硕士学位论文 ( 2 ) 压桩可能造成地面隆起，并对已入土的邻桩产生竖向拉拔力，使桩体向上移动，桩底悬空，削 弱桩基承载力； ( 3 ) 先压入的桩可能使地基土产生挤密作用，一方面可以使土体密实度增大，从而提高了地基承载 力：但另一方面也可能产生后续施_ l 压桩力增人的负面影响； ( 4 ) 沉桩过程中和成桩后超孔隙水应力的产生和消散，将对土体强度和地基承载力产生很大的影响， 而对丁这种影响，目前理论上解释还不完善： ( 5 ) 基坑开挖与压桩施工的相互影响。由于施工进度的要求和场地面积的限制，往往在两个相邻场 地间，甚至同个场地同时进行压桩施t 和基坑开挖，压桩施t 产生的挤土作用，使基坑坑壁发生水 平位移，坑壁的水平位移义会影响桩的定位，这种耦合作用给桩基设计与施工带来很大的难度。 1 2 桩基承载力的确定方法 现有的确定桩基承载力的方法很多，主要分为两大类1 4 j ： 第一类是直接法，即通过对实体桩基进行静、动以及静一动联合的试验测定，包括静载荷试验、高 应变动力测试、静动试桩法以及新技术方法等。 第二类是间接法，又称静力计算法，即通过其它手段，分别得出桩底端阻力和桩身侧表面摩阻力 后相加计算求得，不用对桩直接进行试验，主要包括原位测试、经验公式、承载力理论公式等。 1 2 1 直接法 ( 1 ) 静载荷试验 静载荷试验是用千斤顶给桩基施加竖向荷载，通过荷载传感器或精密标准油压表标定后量测千斤 顶出力值作为桩顶荷载，同时用大量程百分表或位移传感器量测桩顶沉降量。用该方法可以确定单桩 竖向极限承载力，结合在桩身和桩顶预埋测试元件还可以测定桩侧摩阻力分布情况、桩端反力和桩身 轴力等。该方法是目前确定桩基承载力最直接最有效的方法，其中有代表性的方法是：锚桩法、堆载 法、锚桩堆载法和桩身安放千斤顶加载法等。 ( 2 ) 高应变动力测试 该方法是崩打桩锤或一定质量的落锤撞击桩顶，使桩土之间产生相对位移，桩产生一定量的贯入 度，通过能量守恒原理或波动理论，参照静、动对比资料，确定单桩极限承载力，具有代表性的方法 有：动力打桩公式、锤击贳入法和实测曲线拟合法等。 ( 3 ) 静动试桩法 静一动试桩法( s t a t n 猢i c ) 是目前国际上一种新的桩基承载力检测方法。1 9 8 9 年由加拿大 b e 珊i n g h a m m e r 公司和荷兰皇家科学院建上研究所( 1 n o ) 联合研制成功。该方法简便易行，相对成本 比静载试验低，测试速度快，同一工地一大可以测试2 3 根试桩。该方法的容许检测最大极限承载力 已达7 0 m n ，且不受桩型、斜桩和桩周环境的限制，特别适用于测量斜桩、群桩和水上作业的各种桩 型，并且具有较高的可靠准确性，目前已在加拿大、荷兰、美国、德国、以色列、韩国、日本和新加 坡等十几个国家得到应用。 ( 4 ) 新技术方法 比较有代表性的有o s t e r b e r g 测桩法和自平衡法。 o s t e r b e 曜测桩法，义称为o c e l l ( 奥氏荷载箱) 试桩法，其基本原理【5 6 】是，在桩身的底部或桩身中 部埋设一种千斤顶式的荷载箱( l o a dc e l l ) 作为加压装置，当从桩顶的输压管向荷载箱施压时，它能推动 桩端及桩身分别向下及向上产生位移。该法不需要压重平台或锚桩反力装置，不占用施t 场地，试验 方便，费用低廉，能节省试验时间，又能直接测出桩侧阻力和桩端阻力。 自平衡测桩法的原理1 7 】是将一个特制的液压荷载箱( 又称o c e l i 压力盒) 埋在桩孔的底部或其上部 一定位置处，待混凝土达到一定强度后，通过对荷载箱内腔施加压力，箱顶与箱底被推开，产生向上 与向下的推力，从而调动桩周土的侧阻力与端阻力。荷载箱的埋设位置在桩身平衡点处，使上、下段 桩的反力相等以维持加载，得到荷载箱上段桩及下段桩两条q s 曲线。将两条实测q s 曲线通过数 2 第l 章绪论 据处理【8 ，9 1 ( 精确转换法和简化转换法) 等效为桩顶传统静载方法获得的一条q s 曲线( 等效转换曲线) ， 由等效转换曲线判断承载力。 1 2 2 间接法 ( 1 ) 原位测试法 原位测试法是指承载力理论公式中的桩端阻力和桩侧摩阻力直接通过原位试验获得。常用的原位 试验方法有：静力触探、标贯试验和旁压试验等 ( 2 ) 承载力理论公式 该法是将桩的极限承载力分为桩底的极限承载力和桩侧的极限摩阻力两部分，然后根据极限平衡 理论，按照深基础的地基承载力计算桩底阻力，同时根据土对桩侧的单位摩阻力计算桩侧摩阻力，最 后把两者相加，即可得到桩的设计极限摩阻力。 ( 3 ) 经验公式 经验公式的形式与理论公式相同，不同的是桩底阻力和桩侧摩阻力的取值，是根据静载试验资料 和地区实践经验，通过各种方法整理、统计和分析获得的。国内外计算桩基承载力的经验公式很多， 但是一般仅作为初步设计阶段参考。 桩基础在我国已经获得大量的使用，桩基承载力的检测方法也迅速发展。桩的静载荷试验是公认 的检测桩基承载力的可靠方法，是各种动测法的参照标准。但是桩的静载试验费时、费力、费用高， 做不到随机抽检，进行概率统计分析的代表性不足。动力测桩法是一种实用的近似方法，简便、快速， 但其可靠性还有待进一步提高。间接法一般比直接法简便、省时、省力，但是经验公式区域性差异大， 而且理论体系还不是很完善，通常在初步设计阶段时作为估算承载力的手段。 1 3 静压桩时效性机理 0 e i d ee ta l ( 1 9 6 1 ) 的研究( 见图1 1 ) 表明，在饱和软十中，桩承载力随沉桩结束后休止时间的增 长而提高，桩承载力在施丁完毕之后的不同时期的增长率是不同的，初期桩承载力随时间增长很快， 后期变慢，最后趋于某个恒定值。桩承载力的这种变化与桩周十在沉桩时引起的超孔隙水压力的消散 有密切关系，两者之间有极其相似的规律。沉桩结束的初期，超孔压大，消散快，桩的承载力增长也 快，随着固结时间增加，超孔压值变小，消散速率减慢，最后停止，这时桩基的承载力达到最大值。 3 6 0 0 l270 0 r 秘l 8 0 0 曦 睦 辎9 0 0 0 0 lo o2o o3o o4oo5 0 060 0 70 08o o 沉桩后间歇时间 ho u r 图1 1 桩基承载力随时问的增长 静力压入桩在沉桩过程中，桩周土体会受到严重的挤压、扰动和重塑，从而引起很大的超静孔隙 水压力，在一倍桩径范围内有时甚至可以超过上覆土层的自重压力【l l ，1 2 j ，使十体的有效应力极大的减 小削弱。压桩结束后，随着超静孔隙水压力的消散，土体中的有效应力不断增加，土体的抗剪强度提 高，作用在桩身侧壁上的水平应力也在增大，因此有学者将桩基承载力的增长归冈为桩侧摩阻力的提 升1 3 ，14 1 。另外，f e l l e n i u s ( 2 0 0 0 ) 【1 5 】基于m 0 n o t u b e 桩( 变截面桩) 的试验研究指出桩基承载力的提高应归因 于桩周土体的硬化( s t i f f i n g ) 时效。 3 河海大学硕士学位论文 根据土力学中的有效应力原理，桩基的承载力受桩周土的有效应力控制，因此，根据超静孔隙水 压力的消散过程，k o m u r ke ta l ( 2 0 0 3 ) 将沉桩后桩基承载力的时间效应分为三个阶段：基于对数时间 轴的非线性消散( 阶段i ) ；基于对数时间轴的线性消散( 阶段i i ) ；有效应力的稳定期( 阶段i i i ) ，如图1 2 所示。 a 、 a 阶段i阶段ii阶段ii i 一鍪垂篝童囊 裔爵盏奏茬窭茬 土体老化、孀变 i。 。- t o时间( 1 9 t ) 图1 2 承载力时问效应不同阶段的示意图 事实上，静压桩承载力的时效机理比较复杂，归纳起米有以下几点1 3 1 ： ( 1 ) 土的触变恢复时效 桩周土在沉桩过程中被挤压扰动，强度显著降低，粘性土的触变作用使损失的强度随着时间逐步 恢复。 ( 2 ) 土的固结时效 桩体贯入过程中，桩体挤开桩周土体，使得桩周土体的总应力和超孔隙水压力剧烈增人。沉桩结 束后，桩周十体中的超孔隙水压力从较高的孔压区向较低的孔压区消散，从而使得桩周土体产生同结 效应，土体的强度也逐渐恢复，甚至有可能超过其初始强度。 ( 3 ) 土的硬化时效 受压桩过程竖向剪切和横向挤压作用，桩周附近的土体成为完全塑性区，当桩、土产生相对滑移 时，桩一土界面将形成一层水膜，该水膜起到降低沉桩阻力的作用，使压桩顺利进行。若压桩途中因为 某些原因( 如接桩等) 而停顿，该水膜就会消失，则沉桩阻力会在短时间内显著增加。 压桩结束后，经过一段时间的静置和固结，逐步形成一层紧贴于桩身表面的硬壳层。该层厚度为 3 2 0 m m ，并随土的性质以及桩体表面粗糙程度而变化。由于该硬壳层的土体抗剪强度高丁周围土体的 强度，因此当桩体承受竖向荷载发生位移时，该层二卜体随桩体一同移动，剪切面发生在该层土体之外， 即发生在完全塑性区与部分扰动区的交界面。这实际上使得桩的侧表面积增大，即增加了侧表面的摩 擦面积，从而增大桩基的承载力。 1 4 研究现状 1 4 1 试验研究 试验研究桩基承载力的时效性，主要有两种手段：第一是间接方法，通过考虑沉桩挤土条件下桩 周土体性质的时效性，间接的研究桩基承载力的时效；第二是直接方法，运用不同的测试方法，得到 不同时期桩基承载力的增长程度，直接研究桩基承载力的时效性。 1 4 1 1 桩周土体性质时效的研究 ( 1 ) 桩周土不排水强度研究 h o u s e l & b u r k e y ( 1 9 4 8 ) 和c 啪m i n g s 等( 1 9 5 0 ) 在粘性土中进行了桩体贯入效应的现场试验观测， 发现明显的土体扰动发生在距桩壁2 倍桩径的范围内；他们还根据在沉桩后不同时刻对桩进行的持续 4 第1 章绪论 加载到桩破坏的试验结果，推断出粘土的不排水强度在沉桩的初始阶段下降很多，但随后会随时间的 消逝而显著恢复。o r r i e & b r o m s ( 1 9 6 7 ) 1 9 】发现在灵敏软粘土中，当群桩中桩的间距小丁四倍桩径时，随 时间的变化十的不排水强度恢复程度很低。他f i 、j 认为十的不排水强度在沉桩九个月后儿乎恢复了其未 受扰动之前的c u 值。h o l t z & l o w i t z ( 1 9 6 5 ) 1 列j ；f e l l e n i u s & s 锄s o n ( 1 9 7 6 ) 川等人的研究表明，在1 5 2 倍桩径的区域，剪切强度随着桩体的贯入而降低，贯入后随着孔压的消散而恢复，并有所提高。 ( 2 ) 桩周土体应力和孔压监测试验 b o g a r d & m a t l o c k ( 1 9 9 0 ) 【2 2 2 3 j 对桩端开口和桩端闭口的模型桩贯入软土进行了观测，发现在桩径相 近的情况卜，桩端闭口桩贯入后产生的孔压和侧向总应力比桩端开口桩要大得多；同时，两种桩型贯 入时初始侧向有效应力较小，但随时间增长，侧向有效应力则和贯入完成时相比有较大的增长。 l e h a n e & j a r d i n e ( 1 9 9 4 ) 1 2 4 j 进行了中皮超固结软土中的贯桩试验，发现贯入后经一段时间圃结，平 均径向有效应力为贯入刚完成时刻的3 倍。a z z o u z & m o r r i s o n ( 1 9 8 8 ) 口副在轻度超吲结软粘土中观测桩的 贯入，得到水平有效应力和竖向有效应力之比与时间的曲线。 l a d a n y i & l o n 毋i n ( 2 0 0 5 ) 2 6 j 利用可以测量水平总应力和孔隙水压力的静力触探仪( i s c t ) 在中等一 坚硬的灰色粘十中进行了应变保持试验( s t r a i n - h o l d i n gt e s t ) ，发现作用于触探杆壁上的水平总应力很快 就衰减稳定下米，超静孔隙水压力消散的相对慢一些，而水平向的有效应力是先下降然后不断增加， 见图1 3 、图1 4 和图1 5 。 仃 曼 、 r 出 图1 3 总应力和超孔压随时间的变化规律图【箱l 图1 4 总应力和超孔压随时间对数的变化规律图阑 5 河海大学硕士学位论文 图1 5 有效应力随时间对数的变化规律图嘲 ( 3 ) 桩侧摩阻力试验研究 1 9 8 4 年，n a u r o y h j f & l e t i r a n t p 在法国西部的p i s o u 场地的钙质砂中做了打入桩的抗拔试验，入 土一周后拔桩与入土后立即拔桩相比，前者的侧摩阻力比后者提高了4 倍1 2 7 1 。r o b e r t s o ne ta l ( 1 9 9 0 ) 1 2 8 】 在粉十场地进行静力触探发现，孔压消散后，静力触探侧壁阻力有很大提高。 b u l l o c k ( 1 9 9 9 ) 睇州进行了标准贯入一扭剪( s p t - t ) 试验，在标贯探头贯入土中4 分钟后开始测试。 他发现经过不同间歇期后，扭转力在砂土中是下降的，而在粘土中是上升的；承载力的增长和超孔压 的消散在粘性土中吻合的相当好，但在砂土中短时间内二者规律吻合的差一些。同时，b u l l o c k 还进行 了静力触探试验( c p t u ) ，发现静力触探的侧摩阻力在初始阶段有明显的升高，接着在粘性土中持续上 升，在砂性土中仍有下降的趋势。 a x e l s s o n ( 2 0 0 0 ) 副发现砂土中经过不同间歇期的s p l l _ t 试验，峰值扭转力的增加幅值要远高于残 余扭转力的增加幅值，图1 6 为其中个试验结果。 另外，自从上世纪七十年代自钻式旁压仪( s b p m ) 出现以来，它因为具有对土层扰动小、能获得与 室内不排水试验相近的应力一应变关系曲线、解释理论较为成熟等优点而得到广泛应用。旁压试验的 过程类似于一个柱孔在径向不断扩张的过程，这与静力压入桩采用的解释理论柱孔扩张原理是一 样的。因此，旁压试验也多用来模拟静力压入桩的挤十效应。 图1 6 砂土中不同间歇期的s p 卜扭剪试验结果【1 3 】 在时间效应方面的研究主要集中在旁压过程终止后，周围土层固结过程中孔压的变化和旁压压力 的变化，按试验条件的不同可分为：保持旁压压力不变( p r e s s u r e h o l d i n gt e s t ，p h t ) 和保持旁压体积不 变( s t r a i n h 0 1 d i n gt e s t ，s h t ) 两种。p h t 与桩挤土结束后应力状态不一致，主要用于确定土层的水平渗 6 第1 章绪论 透系数h ，而s h t 则与桩挤十结束后所处状态相似，可以获得该边界条件下桩周士的孔压消散过程和 作用在桩壁上土体压力的变化过程。f i o r a 、1 t e ( 1 9 9 4 ) 【3 0 】在f u c i n o 粘土上做了大量的p h t 和s h t 试验， 两种试验的旁压应力和旁压体积是明显不同的( 见图1 7 ) 。 芝1 o 匣。 q o 5 o h2 暑 柚 _ b l o6 01 2 0 t i m e m i n ( a ) s h t 试验( 左图：旁压应变一时间，右图： o 母 z 。 司 8 t i m e m i n 旁压应力一时间) ( b ) p h t 试验( 左图：旁压应力一时间，右图：旁压应变一时间) 图1 7f u c i n o 粘上中的p h t 和s h t 试验1 ( 4 ) 老化作用( a g i n g ) 对土体工程特性的影响 在砂土中孔压很快就消散完成了，桩基承载力也应该不再发生变化，但是c h o w ( 1 9 9 7 ) p7 j 在法国的 d u n 】( j r k 砂中，桩基承载力5 年后提高约8 5 。l e h a n e ( 19 9 3 ) 【引】通过在l a b e n n e 地区的松散中密砂中 的桩基时间效应研究指出，作用在桩壁上的摩擦力r ，遵循m o h r - c o u l o m b 破坏准，其公式表达如下： o = ( 仃二+ t ) t a n 一 ( 1 1 ) 式中，口名为桩设置并稳定后的水平有效应力，西是破坏时桩士接触的摩擦角，口；载荷试验中水 平应力增量( 主要由剪涨引起) ，可以归因于老化作用。 大量的室内试验结果表明，经过不同时间老化作用的土样，其刚度、剪胀性和强度都随时间增大。 s c h m e n m a n n ( 1 9 9 1 ) 【3 2 】的现场c p t 试验显示，新近沉积的土层或压实填土其锥尖和侧肇阻力都随时间 增大。m e s r i ( 1 9 9 0 ) 【3 3 1 和s c h m e r t m a n n ( 1 9 9 1 ) 分析认为老化过程中砂的蠕变或次固结也可能增加了土粒 问的咬合作用( i n t e r l o c k i n g ) ，从而导致内摩擦角和剪涨性增大；也有学者认为对于钢桩，由于桩体的化 学锈蚀作用导致桩的截面面积、桩土接触面积和接触面的粘聚力、剪胀性增大。r 锄m a h 等( 2 0 0 4 ) p 4 j 则在小应变条件下观测了老化作用对土体刚度的影响，发现随着老化时间增长，粘土的初始剪切模量 增大。为了消除上述影响，c h o w ( 1 9 9 7 ) 【3 7 】用不锈钢对不同老化时间的d u l l l ( i r k 砂进行室内直剪试验， 老化过程中砂的密度保持不变，试验结果表明，接触面的粘聚力没变化，但是剪切刚度和剪胀角均随 老化时间增长，试验结果图1 8 所示。这说明在老化过程中，土体中存在微结构的重组和颗粒间接触增 强等作用，使得r 十的力学性质有很大提高。 7 河海大学硕士学位论文 3 5 3 0 2 5 墨2 0 豁1 5 1 0 a o 1 o1 52 o 水平位移m m 2 5 0 0o 51 o1 5 水平位移m m 图1 8 老化作用对桩土接触面剪切特性的影响 ( 5 ) 桩周土土拱应力松弛的研究 室内模型桩贯入试验中，a l l e r s m a 和c h o n g ( 1 9 8 8 ) 发现贯入过程中桩尖处砂被高度压缩，造成沿桩 壁形成一像“袖子”的松砂层，并在松砂层外形成很高的环向应力，这是沉桩结束斤桩周形成的土拱( 如 图1 9 所示) 。随着桩周十的应力松弛，十拱不断向桩方向蠕变，蠕变的结果不仅导致土体的剪胀性增 大，同时导致作用在桩壁上的水平应力不断增大。土拱蠕变机理也就可以解释为什么在砂中的挤土桩 存在承载力随时间增跃的时效性，而钻孔灌注桩却不存在的这现象的原囚。 应力o r “袖” 图1 9 桩周上拱效应示意图 p e s t 锄a 和h u n t ( 2 0 0 2 ) 2 1 通过在海相粘土中的打入桩试验，发现土体水平位移随着距离桩轴增加而 减小；同时土体水平位移还随时间的增k 逐渐减小( 见图1 1 0 ：b 4 、b 5 和b 一6 分别距桩轴0 7 6 m 、1 3 0 m 和2 2 0 m ，桩径为0 6 1 m ) 。桩打入土中4 7 天时，桩周土固结度达到7 0 8 0 ，约2 4 0 天时固结完成。 8 第1 章绪论 由此不难看出，主固结完成后存在着桩周土体向桩方向的蠕变，且距桩体近的土体向桩方向的蠕变变 形较远侧的明显。 e l i s a b e t h ( 2 0 0 5 ) 分析沉桩挤土过程的应力路径，然后以此应力路径对砂土进行三轴排水蠕变试 验，指出颗粒性状和强度、相对密度和加载速率会影响到桩基承载力的时效性。 ：5 岳 。 图1 1 0p e s t a n a & h u n t 试验结果 1 4 1 2 桩基承载力的时效研究 1 9 5 9 年，天津新港软粘土地基，钢筋混凝土预制桩，截面为4 5 0 m m 4 5 0 m m ，入土深度1 0 m 时， 入土2 4 0 天的承载力为4 2 天的1 3 7 倍；入土深1 7 5 m 时，入土2 1 0 天的承载力是1 4 天的1 4 2 倍。1 9 6 1 年，日本横滨软粘土地基，钢管桩直径3 0 0 m m ，入土深6 6 m ，入土2 8 天的承载力是入土2 h 承载力的 2 5 倍。 李雄和刘金砺( 1 9 9 2 ) 【3 6 】进行5 根模型桩的静力试桩，研究时效影响并测试了桩身荷载的传递，并通 过试验得出以下三个结论：一是利用同一根桩不同问歇时间重复试压对桩的承载力的时间效应研究是 可行的；二是单桩极限承载力随间歇时间呈双曲线规律增长；三是单桩承载力随时间的增长主要表现 为桩侧阻力的增长，桩端阻力对单桩承载力时效的影响很小。 f c c h o w ( 1 9 9 7 ) f 3 7 】在法国北部的敦克尔克进行了开口钢管桩打入密实性海相砂土的试验，结果发现 五年后的承载力比六个月时的承载力增长8 5 。 张明义( 2 0 0 2 ) 【3 8 】对软粘十中的l o 根静压桩进行隔时复压试验和静载荷试验，发现间隔不同时间复 压时的起动阻力都有大幅度提高，接桩操作间隔0 5 h 后，启动压力也有明显提高，说明桩的早期承载 力就已经有较人提高；另外，静载荷试验得到的极限荷载是压桩力的2 3 倍。 1 4 2 理论研究 对静力压入桩的桩基承载力时效性的理论研究主要包括两个方面：一是基于超孔压消散，桩周土 体再固结，从而使得十体的工程特性( 例如土的孔隙比、密度、剪切强度等) 发生改变，并导致桩基承载 力提高；一是基于土的老化作用( s o i la g i n g ) 对土性参数的影响，这是因为很多工程在超孔压消散完毕 后，桩的承载力仍然随时问增长。也有学者认为，由丁桩体贯入过程中形成的十拱在桩体压入后仍然 不断向桩轴方向蠕变，从而导致作用在桩壁上的有效应力不断增大，最终提高了桩基承载力。 用数学模型来模拟研究桩基承载力时间效应，归纳起来主要有以下三种方法：孔腔扩张法、应变 路径法和数值模拟计算法。国内外的学者在这方面做了很多工作，也获得了许多的研究成果，下面根 据研究方法简要介绍桩基承载力的理论研究进展。 1 4 2 1 孔腔扩张法 在柱孔扩张理论的基础上，v e s i c ( 1 9 7 2 ) 3 9 利用h e n k l e 公式得出弹、塑性区域孔压的分布规律： 9 河海大学硕士学位论文 弹性区：等_ 2 l n 争“7 3 妒0 5 8c h r j ( 1 2 ) 塑性区：等= 。朋8 ( 3 彳，_ 1 ) ( 争) 2 - o 5 7 8 口，( 争) 2 m 3 ， 柱表面处：等叫n ( 币j + 1 7 3 妒o s 8 c 。 i2 ( 1 + y ) c 甜j 朔性区半径鲁= 胨 厂o 、zi l + i ，j l 甜 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 式中：砌为桩的半径，e 为土的弹性模量，g 为土的不排水抗剪强度，y 为土体的泊松比，口，为 孔隙水压力系数，彳r 为土破坏时的孔压系数，彳严甜( 盯r 毋) 。 根据现场测试的试验研究表明主要孔压梯度在大部分桩长范围内是径向的，所以r a n d o l 曲e t a l ( 1 9 7 9 ) l j 假定孔隙水的流动和土颗粒的移动主要发生在径向，即只考虑径向一维同结，同时假设同结 过程中作用在桩壁上的水平应力是不变的，固结过程中土骨架变形是弹性的，最后利用柱孔扩张分析 的方法分析并得到了粘土中沉桩后桩周土再固结的解析式： u ( ) ： 军耵币厶( 柳 io 砸力= 垆印抛卅坶) 厂奉 g 。，+ ( 1 7 ) ， ，毋 。 式中，f ( t ) 由在边界f p 处连续性条件确定，u ( r ，t ) 为孔压，毛( r ，t ) 为位移，l n ( 。r ) 是根据边界条件 确定的由零阶、一阶贝塞尔函数线性组合形成的柱函数， 。为l 。的第n 个零解。并得到了| 爿结完成 后偏应力增量q 与球应力增量p 的比值为： 参= 将 8 ， 一= 二- 一 ii - 卸( 1 + y ) 、7 该比值在小丁2 3 倍桩径范闱内是大于o 的，在其它范围内是小于o 的，说明在犬部分范围内士 骨架变形是弹性的，而在桩周附近则是塑性变形。 国内，章根德( 1 9 8 7 ) h 0 】根据柱孔扩张原理，假设沉桩后桩周土的固结过程中，土骨架变形是弹性的， 推导出超孔隙水压力消散的级数解和位移解表达式。w e id o n gg u “2 0 0 0 ) 【4 1 】基于平面应变条件下的固结 以及土骨架变形是遵循m e r c h a n t 模型的假设，推导了桩周土粘弹性固结的解析解。另外，唐世栋( 1 9 9 0 ， 2 0 0 6 ) j 贝忻u 用实测资料，建议超孔压表示如下： 址砜嚣 ( 1 9 ) 并以b i o t 固结理论为基础，把桩侧土的固结问题简化成轴对称平面应变问题，通过考虑沉桩引起 的超孔隙水压力的初始分布和边界条件，得到了b i o t 方程超孔隙水压力消散解析解的一般表达式： l o 第1 章绪论 u ：喜桨( 五扣x p - 掣( 制 n 呐 式中：u 为任意时刻任意位置的超孔隙水压力；4 甜是初始超静孔隙水压力；g 为土的固结系数； r = 啊；如，山各为零阶、一阶贝塞尔函数，l ，为零阶贝塞尔函数的第f 个零解。 但是，桩体贯入是一个三维课题，而经典的圆孔扩张理论解决的是一维圆孔扩张问题，未考虑深 度影响，导致其解只与径向坐标r 有关，而与竖向坐标z 无关，并忽略孔壁竖向摩擦力的影响。为了克 服这个缺点，国内学者胡中雄( 1 9 8 8 ) 、朱泓和殷宗泽( 1 9 州4 引、姚笑青( 1 9 9 4 、1 9 9 7 ) 、许清侠( 1 9 9 8 ) 、 陈文( 1 9 9 9 ) 【4 引、王旭东( 2 0 0 2 ) 【4 6 】等，采用空间轴对称的圆柱孔扩张理论米模拟沉桩过程。 陈文( 1 9 9 9 ) 【4 5 1 基丁- 沉桩时桩侧法向应力和切向应力均沿桩艮晕线性增加的假设( 如图1 1 1 所示) ，采 用m o h 卜c o u l o m b 屈服准则，提出了考虑桩侧摩擦力的圆孔扩张理论的三维解析解，给出了不同深度处 应力表达式。 凸 弹性区： 塑性区： 图1 1 1 桩侧孔壁压力和摩擦力分布示意图 q = 概+ 等睾 = 概一等睾 ( 1 1 1 ) q = (