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变截面桩地基破坏性状模型试验研究 摘要 桩基础极限承载力问题一直是岩土工程界广泛关注的问题。而近年来随着 高层建筑的兴起，其地基极限承载力的要求越来越高，因此变截面桩作为一种 新兴的桩型，由于其施工灵活、适应能力强等优点在地基处理中得到了广泛的 应用，但目前对变截面桩的破坏机理缺乏一致的认识。 论文主要对变截面桩在地基中受垂直竖向荷载工作性状及破坏机理开展模 型实验研究。考虑扩大盘的几何因素对地基极限承载力和破坏机理的研究，主 要考虑了扩大盘分别设置的位置、个数、间距等对地基破坏的影响。根据模型 实验结果，对扩大盘设置在上部、中部、下部和扩大盘位置的间距对地基破坏 的性状进行研究，通过模型试验和数值模拟的结果，得出扩大盘上部土体出现 应力为零甚至正区域，说明扩大盘上部为应力拉伸破坏区域，扩大盘下部土体 应力最大，扩大盘下部土体土体应力向周围扩散，说明扩大盘起到了一定的端 承桩的作用。无扩大盘的桩身破坏主要是桩端刺入破坏。当桩身只设置一个扩 大盘时候，扩大盘上部土体处于拉伸破坏区，扩大盘下部土体处于压密区，扩 大盘上部土体由于扩大盘的下移而处于主动状态，扩大盘下部土体处于被动状 态，扩大盘上部土体破坏面范围较大，当扩大盘处于上部位置时候，扩大盘能 充分发挥作用，但是扩大盘发挥能力有限，土体不能够足够的土体抗力，上部 土体破坏区向地基表面扩展形成大面积的塑性区。当扩大盘处于桩身下部时候， 单个扩大盘下部塑性区的范围为4 h ( h 为扩大盘盘高) ，因此扩大盘设置在桩身 上的位置至少应该设置在距桩端4 h 处，因此扩大盘宜设置在桩身中部。扩大盘 上部土体侧摩阻力由于扩大盘的作用导致桩侧摩阻力减小，对极限承载力的结 果有影响。有两个扩大盘作用时候，扩大盘的间距会对地基的破坏造成影响， 如果两个扩大盘的间距距离较近的话，地基破坏主要是盘间土间的剪切破坏， 第一个扩大盘的上部是拉伸破坏，第二个扩大盘下部是土体的压密；而当两个 扩大盘间距较大时候，破坏模式与两个盘单独作用的破坏模式相同，两个扩大 盘单独作用不会产生相互干涉。 关键词：变截面桩；模型试验：破坏性状；数值模拟； ”d a m a g ：h a n i s mo fv a r i a b l es e c t i o np i l e sfoundationlh ed a m a g em e c h a n l s mo tv a r l a o l e - s e c t l o np l i e st o u na t l o n b ym o d e l t e s t a b s t r a c t t h eu l t i m a t eb e a r i n gc a p a c i t yp r o b l e mo ft h ep i l e f o u n d a t i o nh a sb e e n b e c o m i n go n eo fm o s ti m p o r t a n tp r o b l e m si ng e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n gf i e l d a ta l l t i m e s i nr e c e n t y e a r s ，w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n t o fh i g h - r i s e b u i l d i n g s ， v a r i a b l e - s e c t i o np i l ei san e wt y p eo fp i l e ，w i t ht h ea d v a n t a g eo fi t sc o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o na n ds t r o n ga d a p t a b i l i t y , t h ev a r i a b l e s e c t i o np i l e sa r ew i d e l yu s e di n s o i l i m p r o v e m e n t h o w e v e r , i t i sl a c ko f s y s t e m a t i c a n d c o m p r e h e n s i v e u n d e r s t a n d i n go nh o w a n dw h yt h et e c h n i q u ew o r k s i nt h i sa r t i c l e ，m o d e lt e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o na r ed o n et os t u d yt h ew o r k c h a r a c t e ro fv a r i a b l e - s e c t i o np i l e ss u b j e c t e dt o t h ev e r t i c a ll o a d s ，a n dd a m a g e m e c h a n i s mo ft h ep i l ef o u n d a t i o ni sf u r t h e ra n a l y z e dc o n s i d e r i n gt h eg e o m e t r yf a c t o r s u c ha st h el o c a t i o n , t h en u m b e r , t h ed i s t a n c eo ft h ee n l a r g i n gp l a t e s i ti sf o u n dt h a t t h ev a l u eo ft h en o r m a ls t r e s so ft h es o i lu p p e rt h ee n l a r g i n gp l a t e si sm o r et h a nz e r o t h r o u g hm o d e lt e s t sa n dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n , s oi ti sc l e a rt h a tt h er e g i o na b o v et h e e n l a r g i n gp l a t e si st h et e n s i o nf a i l u r es t r e s sz o n e ，w h i l et h es t r e s so ft h er e g i o nu n d e r t h ee n l a r g i n gp l a t e si sq u i t el a r g ea n dt h ee n l a r g i n gp l a t e sc o n t r i b u t e st ot h es t r e s s d i f f u s i o no ft h es o i lu n d e rt h ee n l a r g i n gp l a t e s v a r i a b l e - s e c t i o np i l ec a na c t s 嬲 e n d - b e a r i n gp i l e t h ed a m a g ef o r mo ft h ep i l ew i t h o u tt h ee n l a r g i n gp l a t e sc a nb e d e s c r i b e da sp e n e t r a t ed a m a g e w h e no n l yo n ee n l a r g i n gp l a t ei ss e t , t h er e g i o n a b o v et h ee n l a r g i n gp l a t e si st e n s i l ed a m a g ez o n ed u et ot h ea c t i v es t a t e ，o nt h e c o n t r a r y , t h er e g i o na b o v et h ee n l a r g i n gp l a t e si sc o m p r e s s i o nz o n e d u et ot h e p a s s i v es t a t e t h ef a i l u r es h a p eo f t h es o i lu p p e rt h ee n l a r g i n gp l a t ei sl a r g e rt h a nt h e s o i lu n d e rt h ee n l a r g i n gp l a t e s ，w h i c hc a nb ea t t r i b u t e dt ot h es t a t eo ft h es o i ls u c ha s t h ea c t i v es t a t eo rt h ep a s s i v eo n e w h e nt h ee n l a r g i n gp l a t ei sl o c a t e di nt h eu p p e ro f t h ep i l e ，t h ee n l a r g i n gp l a t ec a ng i v i n gf u l lp l a yt ot h eb e a t i n gc a p a c i t y , w h i l e e n l a r g i n gp l a t el o c a t e di nt h ep i l e ，t h es o i l c a n n o ts u p p l ys u f f i c i e n tr e s i s t a n c e ，t h e 蔚。 s o i la b o v et h ee n l a r g i n gp l a t et of o r mal a r g ea r e ao ft h ep l a s t i cz o n ef r o mt h er e g i o n a b o v et h ee n l a r g i n gp l a t et ot h eg r o u n ds u r f a c e w h e nt h ee n l a r g i n gp l a t ei sl o c a t e d i nt h el o w e ro ft h ep i l e ，t h er a n g eo fp l a s t i cz o n eu n d e rt h ee n l a r g i n gp l a t ei s4 h ( hi s t h eh e i g h to ft h ee n l a r g i n gp l a t e ) ，s oi tc a nb ee a s i l yd r a w nt h a tt h e r ei si n t e r f e r e n c e b e t w e e nt h es t r e s sz o n eu n d e rt h ee n l a 玛i n gp l a t ea n dt h eo n eu n d e rt h et i po ft h ep i l e t h ee n l a r g i n gp l a t es h o u l db el o c a t e di nt h em i d d l eo ft h ep i l e ，a n dt h ed i s t a n c e b e t w e e nt h et i po ft h ep i l ea n dt h ee n l a r g i n gp l a t ei sm o r et h a n4 h a st w oe n l a r g i n g p l a t e sa r es e t ，t h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w oe n l a r g i n gp l a t e sw i l lc o n t r i b u t em o r e t o t h ed a m a g ef o r m i ft h eg a pb e t w e e nt h ee n l a r g i n gp l a t e sa r el a r g e ，t h es o i lb e t w e e n t h et w oe n l a r g i n gp l a t e sa r es h e a rf a i l u r e ，t h es o i lu p p e rt h ee n l a r g i n gp l a t ei st h e s a m ea st h eo n eo fp i l ew i t ho n ee n l a r g i n gp l a t e i ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt h et w o e n l a r g i n gp l a t e sa l es m a l l ，t h ef a i l u r ef o r mi st h es a m ea st h eo n e o fp i l ew i t ho n e e n l a r g i n gp l a t e ，b u tt h et w o t h ee n l a r g i n gp l a t e sw o r ki n d e p e n d e n t l y , w i t hn om u t u a l k e yw o r d s ：v a r i a b l e s e c t i o np i l e ；m o d e lt e s t ；d a m a g em e c h a n i s m ；n u m e r i c a l s i m u l a t i o n ； 1 1 1 变饿面桩地幕破坏性状模型试验研究 1 绪论 1 1 问题的提出 水泥土桩工法作为一种经济、快速的地基处理方法在软土地基处理工程中 被广泛采用。由于桩身是水泥与原位土的固结体，故一般情况下其强度不高， 而且桩身强度随地层土质的变化而相应变化。因此，水泥土桩竖向承载时的临 界桩长【m 1 较小，超过临界桩长后其较高的桩侧摩阻力得不到充分发挥。 为提高水泥土搅拌桩的承载力，一方面水泥土搅拌桩向刚性方向发展，其 工法主要来源于s m w 工法，在水泥土搅拌桩初凝前插入h 型钢作为劲性钢芯： 发展了另一方面水泥土桩又要克服临界桩长的限制，为了克服临界桩长的限制， 在临界桩长范围内，增加桩侧摩阻，通过在桩身不同位置扩大桩径形成变截面 桩。 变截面桩是指横截面尺寸及形状沿着桩身轴向而变化的桩【”。变截面桩的 施工根据施工工艺的不同主要有爆扩桩、旋扩珠盘桩、挤扩支盘桩、人工扩底 桩等【4 】。本文的研究的变截面桩是青岛勘察设计院孙涛等提出的一种新工法 新型劲性水泥土桩工法【5 】，扩大盘部分主要是通过旋喷技术形成。深层搅 拌桩适用于软土，具有造价低廉，施工速度快，无噪音无振动无泥浆污染的特 点。同深层搅拌桩相比，旋喷桩有更强的地层适应性和更高的强度，但造价相 对较高。水泥土桩局部区域扩径通过旋喷扩径这样可以在临界桩长范围内提高 水泥土桩的承载性能，而且相比旋喷桩而言，造价低廉。 确定桩的单桩承载力的方法有直接和间接法两种。直接法主要有静载荷试 桩法和大应变试桩法两种。用直接法确定单桩承载力直接可靠，但是费时费力， 且试桩数量也受到限制，难以反映工程的离散性。而且对于实际工程中的桩的 极限承载力的测定也不可能一直受压到破坏状态，所以工程中多采用间接法进 行桩基承载力设计。间接法是根据室内模型试验的分析与研究，结合现场试桩 结果和大量工程的使用情况，考虑不同地区的土层性质和扩径部分的特殊性能 等因素，总结出经验性的计算方法进行单桩承载力的设计计算。因此通过室内 模型试验研究新型变截面桩的承载性状具有很重要的意义，为实际工程设计提 供理论指导。 单桩极限承载力与桩的破坏密切相关，桩的破坏包括桩本身的破坏和地基 变截面桩地基破坏性状模型试验研究 的破坏，这里我们只研究地基的破坏，桩基础的地基破坏与浅基础有所不同， 对于等截面桩的破坏，t e r z a g h i 、m e y e r h o f 等其破坏面不会像浅基础那样形成 连续的贯通的滑裂面，而是终止于深基础一定位置，呈现局部剪切破坏和刺入 破坏【6 l 。因此研究对于研究变截面桩的破坏性状对于预测变截面桩的单桩竖向 极限承载力十分重要。 1 2 变截面桩的发展现状 近年来，随着高层建筑的兴起和工程地质条件的日趋复杂，以及城市建设 周边环境条件的苛刻，桩基技术面临着全新的挑战。在桩基的发展史上，方 面向长、大直径灌注桩方向在发展，另外一方面又向短的扩底墩、多级扩径桩、 变截面桩方向发展，前者是通过增加桩长来达到桩承载力的目的，后者是通过 增加截面积来达到桩承载力的目的。 印度的d m o h a n 【7 - 8 】在1 9 6 9 年对变截面桩进行过模型试验研究，探讨了最 佳扩大盘的最佳间距。但是当时的施工技术的有限，这一技术并没有大规模推 广。 1 9 7 8 年初，北京市建筑工程研究所等在团结湖小区进行干作业成孔的小直 径( 桩身直径3 0 0 m m 、扩大头直径4 8 0 m m ) 两节和三节扩孔短桩( 桩长不足 5 m ) 施工工艺及静载试验研究。结果表明，两节和三节扩孔桩的单位桩体积提 供的极限承载荷载分别为直径桩的1 2 8 1 7 6 倍 9 1 。 1 9 7 9 年建设部建筑机械研究所和北京市机械施工公司在国内首先研制开发 出挤扩、钻扩和清虚土的三联机，简称z k y - 1 0 0 型扩孔器，同北京市桩基研究 小组首先在劲松小区进行静载试验，有力地推动里变截面桩技术的应用。 2 0 世纪9 0 年代北京俊华地基基础工程有限公司集团开发出该公司的第一 代锤击式挤扩装置和第二代y z j 型液压挤扩支盘成型机及挤扩多分支承力盘 桩，使得变截面桩技术得以大范围推广。 挤扩支盘桩是从1 9 9 2 年在建筑工程中逐渐开始使用的。而近几年随着我 国建筑规模的突飞猛进，挤扩支盘桩应用也越来越多，各地方和各行业都制定 了相应的技术章程。2 0 0 0 年国家电力公司电力规划设计总院制定了 火力发电 厂支盘灌注桩暂行技术规定( d l g j l 5 3 2 0 0 0 ) 。2 0 0 5 年中国工程建设标准化协 会发布了 2 倍盘径) 一般为自上而下，破坏时承力盘上 部土体出现正应力，即出现负摩阻，位移量大于桩周土体，即可能出现临空面， 盘上部土体可能发生坍塌，上盘下部土体位移向下扩展，直至上下盘间的土体 发生整体剪切破坏，此后下盘土体位移再向下扩展，直至整个土体发生塑性破 坏，桩的承载力达到极限值 柴浩( 2 0 0 7 年) 1 2 3 1 用颗粒流p f c 2 d 软件模拟得到了桩土破坏界面的细观研 究，得出加载过程中支盘上端存在“拱 现象，桩侧有“剪切带”，并且随荷载 增大向桩身靠拢。 1 4 模型试验变形观察方法 地基中位移场观测一种是基于铺设标志层的方法，另一种是无标志层的方 法。 刘祖德掣2 4 1 在土工模型试验中运用的通过设置标志层和观测窗口，在观察 窗口上设置，然后用显微镜位移观测地基变形的方法，这种方法虽然精度较高， 但有一定的局限性，多适用于对称课题的半模实验和平面课题的狭槽实验 变截面桩地基破坏性状模型试验研究 张斌，李广信【2 5 】等基于显微镜示踪技术研究了基坑土体变形规律，得出了 不同变形阶段工况下位移演化轨迹，实现了对基坑不同施工工况下土体变形规 律的实验模拟。 李元海、朱合华等f 2 6 】在模型观测面上，通过设置嵌入式彩色标点，在实验 各阶段利用数码相机拍摄照片，然后应用数字图像处理技术，识别并比较每一 实验阶段的标点坐标，利用有限元中常用的四边形等参变换的方法将测点图像 空间坐标转换为模型空间坐标，实现了图像校准和变形计算 另外一种方法是数字照相技术1 2 7 1 ，用高分辨率数字相机作为数据采集工具， 利用图像分析方法，在计算机上实现变形量测与分析的一项先进的实用量测技 术 r a d o s l a w 等采用无标点法，对砂土地基的变形模式进行了一些研究，结果 表明：数字照相变形量测技术对地基变形量测有效。但r a d o s l a w 使用的数字 照片分辨率与照片比例均相对较低 李元海，朱合华等【2 8 1 基于数码图像技术提出了无需布置嵌入式量测标志点 或描画网格的无标志层的观测技术，直接用数码相机在试验各阶段拍摄照片， 然后对照片序列进行图像相关分析，即可得出模型试验的变形场分布。利用 图像匹配技术追踪模型上点的位移，借用f e m 常用的等参单元的概念进行图像 校准和应变计算，采用双线性插值技术可以实现微小变形量测，并提出同时用 平移和旋转搜索方法，以适应砂土模型的变形特点 洪宝宁，赵维炳【2 9 1 建立了利用图象序列测量土工模型位移场的数学模型， 并对测量过程的数学描述方法和测量方法中识别函数的几何意义进行研究。结 合平面位移场测量问题，给出了实际位移与图象位移之间的关系式及成立条件。 上野腾利例等开发的c c i p 法用于岩土试验模型量测应用研究中，精度达到 一个像素以下。 1 5 本文的研究目的、方法 1 5 1 研究目的 本文研究的目的是通过观察地基变形情况反映变截面的桩土相互作用， 为变截面桩单桩极限承载力的计算提供参考，同时为设计变截面桩几何尺寸提 6 变截面桩地基破坏性状模型试验研究 供一定的理论依据。 本文研究的主要内容通过铺设标志砂的方法观察不同桩型几何尺寸变截面 桩的破坏模式，可以直观地反映出变截面桩周土体的位移场，通过破坏性状， 同时辅助以数值模拟模拟出桩周土体在不同加载情况下地基的变形情况，讨论 几何尺寸对极限承载力的影响情况。 1 5 2 研究方法 本文主要的研究方法是采用重力场室内模型试验和辅助以数值模拟对变截 面桩地基的变形情况与桩土相互作用进行定性的反映。土力学是- i 1 以实验为 基础的学科，如果脱离实验，土力学就是纸上谈兵，因为土的参数千差万别， 因此必须以基础实验作为基础来研究土的强度与变形问题，本文采用模型实验 研究变截面桩砂土地基变形和变形问题，同时结合一定的数值模拟对土的变形 与破坏机理进行研究。 7 变截面桩地基破坏性状模型试验研究 2 变截面桩承载力模型试验方法 2 1 模型设计理论 2 1 1 模型的概念和意义 2 1 1 1 模型的概念 模型试验中的模型是相对实体而言的，它是根据实体的特征和变化规律进 行的一种抽象，是对原型的一种模拟，因此模型相比原型而言，模型不能够完 全反应原型的所有特征，也不可能反映物体所有的性质，只是模型是对原型特 征更加普遍、更集中、更深刻地反映，并且模型相比原型而言更加理想化，可 以忽略一些实体的次要因素可能对试验产生的误差影响，因此模型是优于实体 的，能够更加深刻地反应事物的特征和规律【3 n 。 2 1 1 2 模型实验的意义 在岩土工程领域，常用来对实际工程状况进行考察的手段主要是原型观测、 模型试验和数值方法，原型观测是岩土工程中最直接、结果最有说服力的方法， 但是原型试验步骤繁杂、耗资巨大，仅应用于较少的工程实践中。从实际研究 对象抽象出来的数值模型是一种便利而花费较少的方法，但是数值模型的精度 主要依赖于输入参数及本构关系的准确性【3 2 】；数值模拟中参数的随机性以及所 选物理模型的不合理性等使得数值模拟的结果往往与实际相差太大，不能真实 地反映实际状况【3 3 】。模型试验研究方法主要有重力场足尺模型试验、重力场缩 尺模型试验和离心场缩尺模型试验3 种，足尺试验可信度高，但历时较长，受外 界因素影响较大，费用高，并且具有不可重复性。重力场缩尺模型相对于原型 满足几何相似性，但无法再现实物内部的应力状态，难以满足力学相似性要求： 离心模型试验能够加速土体达到固结的状态，因此特别适用于模拟自重为主要 荷载岩土构筑物的特性研究。但是离心模型试验花费太多，使得很多研究者望 而却步，对于离心模型试验的推广存在一定问题，同时模型试验还存在诸如加 速度不均匀等缺点。 模型实验相比于原型观测和数值模拟方法具有以下的优点i 搏3 5 】： ( 1 ) 模型试验可以通过控制对象的参数达到排除外界条件的干扰目的，因此试 验结果更加可信。( 2 ) 模型试验中的模型是对原型特征性质的抽象，因此能够 更加突出试验的主要矛盾来达到把握事物内部联系的目的。( 3 ) 模型试验相比 3 变截面桩地笨破坏性状模型试验研究 现场原型试验，一般都是缩尺试验，因此能够节省大量的资金和人力_ 差旦可 以比较容易地重复多次试验。( 4 ) 原型试验很多都是破坏性试验，因此不可能 对实物对象进行直接实验，因此可以进行模型实验，探讨其规律，为原型实验 提供一定的理论支撑。( 5 ) 对于一些结构十分特殊的结构模型不能在实物上进 行试验的，例如太大负荷载组合困难等只能采用模型试验。 但是模型实验也存在很多不足，如相似条件难以满足；对局部细节难以模 拟，对于缩尺模型试验的刚度、质量都非常小，对外界条件反应敏感因此存在 尺度效应问题等。 2 1 2 相似原理 两个同一类物理现象的相应物理量成一定比例，则称两个现象相似。确定 两个现象是否相似的理论成为相似理论。 相似理论用来判断自然界和工程中各种实物现象是否相似。而判断的理论 基础也是相似理论的核心是相似三定理。模型试验是相似方法的重要内容。为 了研究实物的特性而采用模型试验研究，就必须找到实物与原型时间的某些联 系，这些联系我们可以称之为相似性要求，这些联系可以归纳为相似三定理， 相似三定理阐述了满足什么条件才能达到相似条件。模型试验和实际物体之间 所涉及的物理量应该相同，同时要满足相同关系式。 相似三定理是指导模型设计及其试验数据处理和推广的依据。对于现实中 纷繁复杂的物理现象，我们要模拟实际原型，就必须抽象出具有原型特征性质 的模型，并且保证模型与原型之间具有相似性，这样才能保证实验结果和规律 能够反映实际状况。这些相似性模型的建立必须遵循相似三定理，相似三定理 简述如下1 3 6 。3 7 】： 。 ( 1 ) 相似第一定理( 相似正定理) 相似现象的性质相似第一定理，是指相似 现象的相似指标等于1 ，或相似判据相等，即：7 ，一7 m 式中下标p 与m 分别表示原型和模型。相似第一定理说明相似现象的基本性质， 相似判据相等是模型和原型相似的必要条件。 ( 2 ) 相似第二定理( 兀定律) ：描述某个现象n 种物理量之间存在因次函数关 系，可以表示为相似准数之间的无因次函数关系：( 乃，磊一t ) 20 ，其中n 表示1 1 种物理量，k 表示k 个物理量是独立的。 9 变截面桩地基破坏性状模型试验研究 ( 3 ) 第3 相似定理相似逆定律：对于同一类物理现象，若单值量相似，并 且由单值量所组成的相似准则在数值上相等，则有现象相似。 相似第三定理是判定两个现象相似的充要条件。单值量是指单值条件下的 物理量。单值条件是指一个现象区别于一群现象的那些条件。单值条件一般包 括：几何条件、物理条件( 介质条件) 、初始状态和边界条件等。几何条件相 似。模型所有尺寸与实物尺寸均存在同一个比例常数，则称模型与实物几何相 似。物理条件( 介质条件) 相似。主要是对结构研究有重要影响的物理参数， 诸如弹性模量和泊松比等应满足单值条件。时间相似。主要是针对动力学问 题而言，模型上物理量与原型物理量在位置和对应时间上都保持一定比例，并 且运动方向是相同的，则时间相似。对于一般的静力学结构问题模拟无需考虑 时间单值条件。初始条件相似。除了问题的本质外，初始条件也十分重要， 因此初始条件也需满足单值条件。边界条件相似。边界条件也需满足。 由第三定理可以知道，当研究物件越复杂，要求的物理量越多，相似条件 也就会越多，模型与原型相似条件也就越严格，所以在设计模型实验时候，应 根据具体试验目的，保证主要的物理量满足相似条件，对次要的物理量放宽条 件来近似。 2 1 3 模型试验的相似准则 为了突出主要影响因素对试验结果的影响，本项试验采用重力场缩尺模型 试验，几何比尺采用1 2 0 对原形进行模拟试验。 对于桩基础地基变形的模型试验，由于影响地基破坏的因素较多，诸如地 基土层性质、基础的埋深、加载方式等都会影响到地基的破坏特征，不可能用 统一的物理方程描述，只能采用物理模拟的方法，本试验以变截面桩基础为原 型，采用物理模拟方法对变截面桩的地基破坏性状进行研究。主要考虑以下几 个方面： 1 几何条件相似。几何条件相似。模型与原型相似，几何条件必须相似，因此 模型中基础的几何形状应与实际基础相似，主要是桩长、桩径和深度几何相似。 采用缩尺比例为1 2 0 进行与原型相似。 2 材料相似。因为本实验主要是观察变截面桩地基破坏性状研究，所以地基模 型要与原型土相似，采用细砂，与实际砂土具有天然的相似性。 1 0 变截面桩地綦破坏性状模型试验研究 3 载荷相似。在模型与原型的几何、材料相似满足后，载荷相似就能够保证模 型内部的应力水平与原型相似。载荷相似需要模型与原型在对应点所受的载荷 大小成比例、方向一致。 4 边界条件相似。充分考虑到实际情况，模型边界按照半无限空间设计，考虑 到边界效应，模型槽的尺寸边缘近似考虑到对桩的承载力和地基的破坏有影响。 5 起始应力条件相似。把土填至模型槽内预定高度后，土体保持天然自重条件 并且通过击实功控制地基中一定的相对密度来反映应力历史，保持与实际有一 定的相似性。 2 2 试验模型设计 2 2 1 试验设计原理和方案 单桩的极限承载力取决于土( 岩) 对桩的阻力和桩身的强度。因此单桩在 竖向荷载作用下的破坏包括：桩周地基土的强度破坏和桩身强度的破坏。单桩 的破坏模式主要由桩周与桩端下土的性质与桩的类型决定。桩的极限承载力与 破坏特性影响因素很多，诸如桩穿越的土层的性质、桩端持力层的性质、桩的 几何特征、桩身材料与强度特性、成桩方法等因素影响。本试验内容主要考虑 桩的几何特征对桩的极限承载力和破坏性状的研究，考虑扩大盘对桩的极限承 载力和破坏性状的影响。不同变截面桩的尺寸设计如图2 1 所示。主要考虑扩 大盘的位置及间距对地基极限承载力的影响。其中c 1 和c 2 桩为无扩大盘的直 杆桩，c 3 、c 4 、c 5 桩为扩大盘位置变化对地基破坏性状的影响，c 6 、c 7 为两 个扩大盘位置不同的影响，而c 7 、c 8 、c 9 、c 1 0 为扩大盘间距不同对破坏性 状的研究。 本实验主要是研究极限荷载情况下桩土相互作用，尤其是地基的变形情况。 极限荷载情况下包括桩的破坏和地基的破坏，试验认为桩的刚度在试验或者实 际中是不被破坏的，主要探讨地基的破坏，在极限荷载情况下桩与土的相互作 用，因此要反映桩与土的力传递情况。桩的位移与应力可以通过在桩身上布设 应变片采集桩身应变从而转化为桩身轴力，桩的位移通过位移计测量得到，因 此桩的变形可以通过应变片和位移计得到反映桩的工作性状，桩的位移与变形 通过采集仪自动采集到电脑中。地基的性状通过铺设标志层来反映地基的变形， 这样桩的性状与地基的性状都可以得到反映。 变截面桩地基破坏性状模型试验研究 t _ 上t 呈凹c - i i 图2 - l模型桩设计图 2 2 2 模型桩设计 ( 1 ) 模型桩材料选择 模型材料的选择要选择相似材料，能满足相似判据要求的材料称为相似材 料，或者称为模型材料。如果所研究的问题仅限于弹性范围内的静力学问题， 一般比较容易，但是如果所研究的问题超出弹性范围而涉及到材料的破坏状态， 这时候就必须考虑原型材料从开始受力到破坏整个状态的应力状态变化情况。 对于岩土工程领域而言，主要的原型材料包括岩石、土以及混凝土，这些材料 都不是单一成分的材料，因此材料力学性能差异十分大，破坏机理也异常复杂， 在应力应变全过程力学特性都将会不同。包括受力条件在内的各种因素，都可 将导致材料力学性质的多变性，给试验带来十分大的难度。 比较理想的相似材料都应具备以下条件【3 5 】：均匀、各向同性；不易受 外界环境条件的影响；力学性能稳定可以进行重复试验；便于模型材料加 t n 作；易于实施测量；取材方便，价格较低。当模型试验涉及到材料的 破坏时，模型试验一定要能够反映原型结构的破坏部位、破坏形态和破坏发展 过程，同时要求相似材料与原型材料在整个极限荷载范围内应力应变关系保持 相似；材料的极限强度有相同的相似常数。本试验主要是考虑地基的破坏，而 不考虑变截面桩的破坏，所以对于模型桩只要模型桩加载在弹性范围内不发生 塑性破坏即可。而对于地基则采用的是真实的砂土，保证其破坏特性是真实的 性状。考虑到理想的弹性材料的特点同时希望材料的弹性应变范围较大我们选 用了尼龙桩，因为尼龙桩采用的是同一性质材料的模型桩，其力学性能比较稳 定，试验具有可重复性和对比性，同时制造方便，取材容易。 1 2 变截面桩地摹破坏性状模型试验研究 ( 2 ) 模型桩尺寸的选择 模型桩的几何尺寸与现实中采用1 ：2 0 的几何缩尺而来。变截面桩的几何尺 寸如图1 ( 图中尺寸为m m ) 。 实际中变截面桩桩长一般小于2 0 m ，按照1 2 0 缩尺进行试验设计。模型试 验设计要考虑到粒径效应和边缘效应的影响，粒径效应和边缘效应都是参考离 心场土工模型试验的要求，o v e s e n 3 8 1 通过干砂圆形基础承载力试验表明：基础 直径与平均粒径之比在3 0 1 8 0 不产生尺寸效应。徐光明、章卫刚3 9 1 通过试验进 一步证实，上述的径径比不应小于2 3 0 。因此当模型槽的宽度与模型土料平均 粒径之比在6 0 - 2 5 0 时不会产生几何尺寸效应【4 0 1 。 边界效应主要是模型尺寸与模型箱大小的关系问题由于模型箱周壁的约束 作用，模型受模型箱侧壁摩擦力的影响，必然会引起边界受力条件或变形条件 的改变。对于地基承载力试验的基础底板，一般要求其宽度不超过模型尺寸最 小尺寸( 边长) 的1 5 a 1 1 。 考虑到粒径效应，参考离心场粒径效应研究成果，同时结合缩尺比例得到 桩基础的桩径为3 0 r a m ，取长径比3 0 则桩长9 0 0 r a m ，扩大盘直径取2 d - 6 0 m m ， 相当于实际桩径6 0 0 r a m ，桩长l g m ，扩大盘直径为6 0 m m 。 2 2 2 地基砂样制备 砂样制备主要有两个目的，一个是用来做地基，另一个是做地基中的标志 层黑砂。砂样的制备过程中目的要保证砂土的抗剪强度具有可重复试验的特性。 而土的抗剪强度与土的自身性质和土的应力状态有关。土的性质就包括土的矿 物成分、含水量、原始密度、粘土的触变性影响，而土的应力状态就是土的应 力历史。因此试验设计所需土样最理想的地基就是纯净的干砂做地基，同时通 过控制土的初始密度来达到保证每次试验地基的抗剪强度都是比较恒定的状 态。首先要去除海砂中的杂物，洗去盐分，然后烘砂，再筛砂，晒去其中的杂 质，这样做的目的就是保证土的性质变化不大可以重复试验。 地基采用砂土地基，主要原因就是砂土地基的变形与强度受应力历史影响 较小，所以采用砂土地基，试验的可重复性和试验对比性较强。而采用软土存 在结构，土的压缩变形和抗剪强度都会因为击实功压实的程度不同抗剪强度都 会发生变化。 变截面桩地基破坏性状模型试验研究 ( 1 ) 地基砂的制备 砂土采自青岛即墨鳌山卫海砂，海砂的成分颗粒级配极不均匀，存在很多 超粒径颗粒，超粒径颗粒对于模型试验的影响非常大，造成明显的粒径效应问 题，同时为了降低砂土颗粒的不均匀程度造成的试验结果的离散型，因此要对 超粒径的颗粒进行剔除。 海砂的淘洗 海砂淘洗的目的是降低砂土中的胶结成分，为了排除海砂中微弱的粘结 力，要洗去其中的盐分，从而使得砂土的抗剪强度指标只与砂土的内摩擦角有 关。是否洗净可以通过检测下洗砂前后电导率变化情况判定。 烘干 将洗过的海砂去除其中的盐分和胶结物质之后，放在烘箱中恒定温度烘 干，因为含水量影响土的抗剪强度，所以采用砂土地基进行试验。 筛砂 筛砂得到粒径级配如图2 2 的地基用砂。地基砂的主要粒径范围主要在0 1 i m m 之间，保证地基砂的均匀性，保证模型以降低试验结果的离散型。主要 是对超粒径的砂土颗粒进行剔除，因为较大的颗粒会与变截面桩的基础尺寸产 生明显的粒径效应。因此通过人工剔除超粒径的砂土颗粒，控制模型槽所能允 许的最大粒径，然后剔除此粒径范围以上的粒径颗粒，同时人为剔除细粒成分， 因为要保持砂土的特性，而不能根据缩尺试验使得土颗粒含有粉土颗粒的性质。 n 。啦n 0l f i u 口v ：u ， | 1 、 i 、 、 、 、 l 、 、 、 、 i 、- 麓i 在d _ 图2 - 2 砂土的粒径级配曲线 1 4 v曩求阻鼍州n曩霉阶七 变截面 ! = 地艇破土4 i 忡状模型试验研究 图2 3 试验地基川砂 通过上述步骤得到的试验用砂即为地基用砂，可以到看到砂土的均匀性较 好，曲线中的平均粒径d 5 0 为o 2 0 8 m m ，有效粒径d l o 为0 1 0 5 m m ，不均匀系数 c 。为2 3 6 ，曲率系数c 。为0 8 3 。地基用砂的其他物理性质见表1 。 表1 地基砂十物理性质 ( 2 ) 标志层黑砂的制备 在砂土中地基破坏性状的观察，需要铺设标志层，以反映地基的变形状况。 标志层要求与地基用砂尽可能一致，物理性质不能差别太大，否则对砂土的抗 剪强度影响较大，鉴于此采用仍然是地基用砂只是颜色与地基用砂不同的染色 黑砂，因此标志层用砂与地基用砂物理性质完全相同，只是颜色不同。 黑色砂的制备过程具体如下：将普通的地基砂1 0 k g 置于托盘中，然后称取 2 5 l 的水和约7 5 0 m l 的一得阁墨汁混合于地基砂中染色形成黑色砂，然后搅拌 静置7 天左右，再放在烘箱中烘干，形成块状黑砂，再碾碎，用水浸泡去除浮 色，再晾二干二形成黑色标志层用砂，观察形成的黑色标志层用砂是否褪色厉害， 如果褪色厉害则重新配合墨汁比例或者调整浸泡时间，直到最后获得较理想的 染色效果为止，如果观察染色效果较好则可以用来做标志层了。 2 2 3 模型槽与地基制备 2 2 3 1 模型槽 变截面桩地基破坏性状模型试验研究 图2 4 标志层染色砂的制作图2 5 染色墨汁 考虑到地基的轴对称，模型槽采用的是圆筒形状，模型槽的大小尺寸考虑 到模型桩的影响半径，模型槽的尺寸是二8 0 0 1 2 0 0 m m 。模型槽采用刚度很大 的钢制圆筒，主要是为了防止加载过程中的主动土压力以及加载工程中加压系 统的反力。加载系统在模型筒上方加载力时候，为了防止模型槽的变形，在模 型槽侧壁上都焊接的有肋梁。而模型槽是通过两个1 2 半圆槽拼接在一起，并 通过肋梁上的螺孔将两个半圆形圆槽连接在一起，并与圆底板的螺孔固定在一 起。 图2 - 6 模型槽 2 2 3 2 地基的制作 地基的制作要使得地基的应力状态保持与实际相同，由于土的强度与变形 都受到土应力历史影响，模型试验要保证每次地基承载力试验地基的强度与变 形特性都尽量恒定，所以选用砂土地基，砂土地基的抗剪强度受到土的初始密 度的影响，即孔隙比的影响，紧密砂土具有剪胀性，松散砂土则不然。试验要 使地基中的应力水平主要为自重作用下地基中的应力水平，并通过一定的击实 变截面帆地艇破坏性状模型试验研究 功控制砂土的密实度，保证地基中的应力水平每次试验基本保持一致。砂土地 f ， 图( a ) 铺设标j 占砂“容器” 图( b ) i 嗣定桩 图( c )铺设的标忠黑砂 图( d ) 标忠层铺设不意图 图2 7 地基的制作过样 基采用分层控制密度法来进行地基的铺设，每层地基称取试验砂1 5 k g ，铺设于 模型筒内，然后用击实仪分层击实。在每层地基上都铺设有标志层，标志层主 要是用黑砂标志砂铺设，目的是反映地基的变形情况。标志层厚度大约3 m m ， 通过两半的三合板拼接在一起形成填装标志砂的“容器”，如图2 7 所示，考虑 到标志层如果简直径范围内都铺设标志砂不仅造成浪费，而且造成黑色标志砂 与地基普通用砂混合在一起，最终污染地基用砂。所以通过三合板“容器”，在 “容器”内洒满黑色标志砂，然后用刮刀沿着三合板平面将标志层铺设水平， 最终铺设好的标志层如图2 8 中图( d ) 所示。标志层铺设完之后又在上面铺设 下一层地基，盖住黑色标志砂，铺设一层之后击实砂土，控制砂土的密实度， 反映在地基上主要是通过高度进行控制。 模型桩通过一个三脚架固定在模型槽中心位置，并保持竖直，三脚架固定 装置是通过螺丝与模型槽上部边缘固定，模型桩则是固定在三脚架中间的圆环 变截面桩地皋破坏性状模型试验研究 内，通过三个螺丝孔调整使得模型桩保持竖直位置，竖直位置通过水准尺进行 测量，保证模型桩保持竖直状态，防止产生偏心加载的情况。 图( a ) 实物图 图2 - 8 模型桩的同定 图( b )l 司定桩的模型支架 2 2 4 加载程序 加载装置是由南京土壤仪器厂定制的m s z 1 型模型试验加载装置，加载 应变速率：0 0 0 2 4 5 m m m i n ，配备5 k n 、1 0 k n 、3 0 k n 拉压力传感器，位移传 感器量程范围0 1 0 0 m m 。 2 一选 1 - 叫e 3力学传感器 。耷一反) j 迁桨 图2 - 9 加载设备 如图2 - 9 所示，加载装置包括位移计、马达、力学传感器、反力支架几部 分，位移计主要是用来量测桩顶位移，力学传感器主要是测量桩顶荷载量，反 力支架主要是提供加载所提供的反力。加载装置控制主要通过电脑来控制，其 控制面板与数据采集系统结合一起。试验加载方式主要采用等贯入速率法进行 变截面桩地基破坏性状模型试验研究 加载，加载的结束条件为控制沉降量，约为桩径的1 0 0 。等贯入速率法的优点 是试验曲线形状轮廓分明，可以很快得出极限荷载【4 2 l ，而且由于等贯入速率法 可以采集多组试验数据，因此更具有科研性。慢速维持荷载法是最常用的加载 方法采用分级加载，但是时间周期较长，而且采