（岩土工程专业论文）静力触探预估静压桩承载力的试验研究.pdf

郑卅l 大学硕士学位论文 摘要 摘要 静压桩以其施工不污染环境、压桩力可控制以及单位承载力造价低等优点得 到越来越广泛的应用。但是，在静压桩设计旋工方面还有许多问题需要研究和探 讨，比如静压桩的贯入机理、挤土问题以及承载力估算等问题。本文针对静力触 探预估静压桩单桩承载力方法，进行了一系列理论和试验方面的研究和探讨。 本文的主要工作： 1 在国内外有关静压桩和静力触探贯入机理研究成果的基础上，阐述并指出 承载力理论、圆孔扩张理论、混合理论、应变路径法、有限元分析法等几 种理论方法的进展概况、应用范围及优缺点，进一步阐述了球孔扩张理论 在沉桩机理方面的应用。 2 针对静压桩和静力触探的相关性，本文提出了在p h c 管桩中预埋钢筋计 测桩身轴力的现场试验方案，首次在静压桩贯入过程中测得桩身轴力，从 而研究静压桩沉桩机理以及静压桩与静力触探的受力相似性。 3 对试验桩进行了抗压、抗拔静载试验，测得不同分级荷载作用下的桩身轴 力图，以此来研究静压桩的承载力机理，进一步研究了静压桩的承载力与 静力触探数据的相关性。 4 在理论和试验结果分析的基础上，提出了用静力触探指标预估静压桩承载 力的方法，并用工程实例进行了验证，证明了本文所提方法预估的结果与 静载试验结果基本吻合。从而，找到了预估静压桩承载力中最简单快捷、 准确合理的方法，弥补了地区规范的不足，为设计施工提供了可靠合理的 依据。 关键词：静压桩静力触探单桩承载力贯入机理静载试验 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t s t a t i cp r e s s u r ep i l eh a sb e e nw i d e l yu s e d ，o w n i n gt ot l l ea d v a n t a g e so fn o e n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o n ，c o n 仃o l l i n go fp r e s s u r ee a s i l y ，l o wc o s t b u t ，m a n y p r o b l e m ss h o u l db es 0 1 v e di nt 1 1 ed e s i g na n dc o n s t m c t i o n ，s u c ha sp e n e n a t i o n m e c h a l l i s mo fs t a t i cp r e s s u r ep i l e ，c o m p a c t i n ge 髓c t ，p r e d i c t i o no fc 印a c i t ya n d s oo n f o rp r e d i c t i o nt l eb e a r i n gc a p a c i t yo f p i l eb yd a t ao f c p t ，as e r i a lo fs t u d y o n l em e o r ya j l df i e l dt e s ti sc a r r i e do u t t h em a mw o r ka i l dc o n c l u s i o n si nt h i sp 印e ra r ea sf 0 1 l o w s ： 1 t h ep 印e ri l l u s t r a t e sd e v e l 叩m e n t ，a p p l i e dr a l l g e ，m c r i t sa n df a u l t so f t h e c 印a c 时t l l e o 吼c a v 时e x p a n s i o nm e m o d ，m i x t u r et h e o s 舰mp a m m c t h o d ，f - m i t e e l e m e n tm e t h o da n ds o o n ， b a s e do np e n e 臼a t i o n m e c h a i l i s mo fs t a t i cp r e s s l l r ep i l ea n dc p ti nm ew o r l d a n ds p h e r i c a l c a v 姆e x p a i l s i o nm e o r yi s 印p l i e di na i l a l y s i so f p e n e 眦i o nm e c h a n i s m 2 f o rt h ed e p e n d e n c eo fs t a t i cp r e s s u r ep i l ea n dc p t ，t h ep 叩e rp r o p o s e sa s c h e m eb yw h i c hs e c t i o n a lf o r c eo fp i l ec a nb em e a s u r e d f o rm ef i r s t t 硫e ，t l l es e c t i o n a lf o r c eo fp i l ei sm e a s u r e dd u r i n gt h ep i l ep e n e t r a t i o n i 1 1 廿1 ef i e l dt e s t a f c e r a n a l y z i n gt h e d a t ao ft e s t ，w ec a ng e tt h e p e n e t r a t i o nm e c h 眦i s mo fp i l ea n dt h er e s e m b l a n c eo fs t a t i cp r e s s u r e p i l ea i l d c p t 3 a 叫t h es t a t i cl o a d i n gt e s ti st e s t e do nm ep i l e s ，d u r m gt 1 1 ec o u r s ew e c a ng e ts e c t i o n a lf o r c e f i g u r e o fp i l ep e r1 0 a d i n g t h e nm ec 印a c 时 m e c h a n i s mo fp i l ea n dd a t ad e p e n d e n c eo fs t a t i cp r e s s u r ep i l ea n dc p t a r ea n a l y z e d 4 b a s e do nm ea 1 1 a l y s i so f 也e o r ya i l dt e s td a t a ，t h ep 印e rp r o p o s e sa m e t h o do f p r e d i c t i n gb e a r i n gc 叩a c i t yo fs t a t i cp r e s s u r ep i l ew i md a t ao f c pt t h em e m o di sa p p l i e di ne n g i n e e r i n g ，a n dt h ec a l c u la _ t er e s u l t s a 铲e ew i t l lr e s u h so fs t a t i cl o a m n gt e s t s ow eg e ta ne a s i e ra l l dm o r e a c c u r a c ym e m o d i np r e d i c t i o no fb e 州n gc a p a c i t yo fs t a t i cp r c s s u r cp i l e t h em c m o dm a k e su pf b rl o c a ls t a n d a r d s ，a n do 廊r sc r e d i b l ee v i d e n c e f o rm ed e s i g na n dc o n s t n l c t i o n k e yw o r d s ：s t a t i cp r e s s u r ep i l e ；s t a t i cc o n ep e n e t r a t i o n ；b e a r i n gc a p a c i t yo f p i l e ； m e c h a n i s mo f p e n e t r a t i o n ；s t a t i cl o a d i n gt e s t u i 郑重声明 本人的学位论文是在导师指导下独立撰写并完成的，学位论文没有剽窃、抄 袭等违反学术道德、学术规范的侵权行为，否则，本人愿意承担由此产生的一切 法律责任和法律后果，特此郑重声明。 学位论文作者( 签孙臣护面 沙年，月印日 郑卅大学硕士学位论文 第l 章绪论 第1 章绪论 本章主要对静力触探和静压桩的发展概况及应用前景进行了概述，指出目前存 在的问题并提出相应的解决方案，分析了问题的研究现况，并介绍了本文各章节 的主要内容。 1 1 发展概况 1 1 1 静压桩的发展概况 桩基础【1 是一种广泛应用的深基础形式，当天然地基上的浅基础沉降量过大或 地基稳定性不能满足建筑物的要求时，常采用桩基础。桩基础是将上部结构的荷 载通过较弱地层或水传递到深部较坚硬的、压缩性小的土层或岩层。其主要应用 于对深厚的软土层、土质不均以及存在振动荷载场地的地基处理，特别应用在建 造高层建筑、重型厂房和具有特殊要求建筑物的场合。 桩按施工方法可以分为钢筋混凝土预制桩和灌注桩，预制桩又有实心方桩、 实心圆柱桩、空心方桩和管桩，还有是否存在预应力之分，各种桩型有各自的优 势。近年来，预制桩在一些地区使用有明显增多的趋势，主要是因为预制桩具有 质量稳定可靠、造价较低、工期短、旄工工艺简单等优点。相比而言，灌注桩施 工工艺复杂，且易发生事故，可靠性不如预制桩。 预制桩的沉桩方式主要有三种，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，但预制桩锤击法沉桩施工有自身的不足，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；振动沉桩法会造成桩周围大面 积的地基土的液化及设备要求条件高等。而静力压入法沉桩克服了这些缺点。静 力压入法沉桩施工方法简称静压法，是借助于静力压桩机或利用桩架自重及桩顶 的配重，将预制桩徐徐压入土层中的一种桩基础旎工方法。所压入的桩称为静力 压入桩，简称静压桩或压入桩( j a c k e dp i l e 或p r e s s i np i l e ) 。 静压桩有许多优点，归纳如下： ( 1 ) 静压旌工法无噪声，适合于市区作业。目前有些城市已禁止在市区内锤 击打桩，静压施工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地区施工； ( 3 ) 静压桩桩身可工厂化预制，加早强剂后5 天左右就可以压桩，时间周期 短，且旌工前的准备期也可缩短； ( 4 ) 静压桩压入旌工时不像打桩那样在桩身产生动应应，减少了对桩的破坏 郑州大学硕士学位论文 第1 章绪论 应，从而可以降低对桩身的强度等级要求，节约钢材和水泥； ( 5 ) 施工过程中的压桩阻应能自始至终地显示和记录，可定量观察整个沉桩 过程，桩的承载应有保障，这一点工程技术人员特别感兴趣； ( 6 ) 施工文主，场地清洁，桩头布置整齐，自动化操作程度高，工人劳动强 度低； ( 7 ) 静压桩适用于岩溶地区施工，而打入式预制板桩一般不适用于这些地区； ( 8 ) 送桩深度比打入式桩要深，且送桩后桩身质量较可靠，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那样受施工机械的限制，在深厚软土地 区压用，有较大的优势； ( 1 0 ) 经济效益高。静压预制桩本身的工程费用，可能比灌注桩高，但如果 考虑其承载应高( 单方传应比大) 、桩身质量有保障、承台可减小、旌工工期短等 方面的因素，设计合理时的综合效益比灌注桩要高。一般而言，静压桩单方混凝 土的传应比灌注桩的高1 6 2 o 倍。 静压桩有如此灌的优点，就定具有广阔的发展前景。静压桩发展是随着我 国国民经济建设的发展而发展起来的。2 0 世纪7 0 年代初期，我国的建筑项目多为 3 8 层，建筑物对地基基础承载应要求比较小。当时的静压桩主机主要是绳索式 压桩机，以桩架的自重和桩架上的配重作为反应，施压部位在预制桩的顶端面， 压应一般为6 0 0 7 0 0 ，最大也不不大于1 5 0 0 斟，预制桩断面尺寸多为 1 5 0 r 衄1 5 0 m m ，目前这种绳索式静压桩机已很少应用。进入2 0 世纪8 0 年代，我 国国民经济高速发展，高层建筑迅猛发展，为此建筑物对地基基础承载力的要求 也越来越高。近年来，随着环保意识的不断加强，施工造成污染环境的钻孔灌注 桩和锤击桩等施工方法受到一定限制，而静压桩以其诸多优势得到了迅速发展。 为此，大吨位液压式静压桩机也应运而生，静压桩机从2 0 0 t 、3 0 0 t 、4 0 0 t 发展到 5 0 0 t 、6 0 0 t 、7 0 0 t 。静压预制桩断面尺寸【3 = 方桩：3 0 0 m m 3 0 0 m m 、3 5 0 m m 3 5 0 m m 、4 5 0 n n 4 5 0 m m 发展到5 0 0 i n m 5 0 0 m m 、5 5 0 吼5 5 0 n 吼、6 0 0 m m x 6 0 0 n n ： 管桩：平3 0 0 m m 、p 4 0 0 m m 发展到( p 6 0 0 m m 、中8 0 0 n 。又出现了预应力方桩( 包 括实心和空心) 和预应力管桩，从而使静压桩的承载力得到了很大的提高，静压 桩的应用范围得到了拓宽，使静压桩技术得到了空前的发展。 静压桩作为一种正处于发展时期的施工技术，在设计和施工方面有许多问题 需要研究探讨，比如压桩机比较笨重的硬件问题、静压贯入机理及挤土问题、沉 桩阻力估算及沉桩可能性分析问题、由最终压桩力推算桩的承载力问题等。随着 对这些问题的深入研究和不断解决，静压桩技术会更加成熟，会得到更加广泛的 应用。 郑州大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 1 2 静力触探的发展概况 静力触探试验( c p t ) 是在竖直方向上利用液压机把圆锥探头以一定速率压入 土层中，利用探头内的传感器，通过自动记录仪来存储贯入过程所得到的各种数 据，这些数据反应了地基土的各种参数，如土类的判别、土的物理性质、土的强 度等。目前，探头有单桥、双桥与孔压触探之分，其测试精度高、功能齐全，具 有快捷、准确、经济、节省人力等优点，而且成果的可靠性与再现性好，测试成 果处理的微机化和自动化程度很高。因此，在实际工程项目中静力触探的应用越 来越广泛1 4 j 。 1 9 3 2 年荷兰工程师p b a r e n t s e n 进行了世界上第一个静力触探试验【5 j 1 9 3 5 年 荷兰d e l 矗土力学实验室第一任主任t k i u i z i n g a 设计并使用了1o t 的荷兰锥贯入 装置，并开始用于桩承载力试验研究。从1 9 4 9 年起荷兰d e l r 土力学实验室开始 应用电测探头，并作了大量试验研究。1 9 5 3 年，b e g e m 锄设计出可测侧阻力的摩 擦套。1 9 5 7 年，荷兰d e l f i 土力学实验室研制出第一台能测侧阻力的电测式探头， 此后世界上不少国家研制出大量不同的电测式触探仪。7 0 年代后期，出现了孔压 静力触探( c p t u ) 、环境静力触探及其它多功能探头，静力触探技术得到了广泛 的应用和进一步的发展。 我国在3 0 年代也出现机械式的荷兰静力触探仪。1 9 5 4 年陈宗基教授从荷兰引 进该技术，并在黄土地区进行了试验研耕6 1 。1 9 6 4 年，王钟琦等独立成功地研制 了我国第一台电测式触探仪口j 。但是，8 0 年代以后对探头传感器技术改进很少。 1 2 研究问题的提出及解决方案 目前，根据大量的静压桩施工经验得知，施工现场经常出现预制桩过长或过 短，而造成截桩或补桩现象，增加了施工难度，甚至会造成修改设计和施工方案。 由众多工程项目得知，预估静压桩的极限承载力与静载荷试验确定的极限承载力 不符，有的相差甚大，因此不仅给施工增加了一定的难度，而且造成了资源的很 大浪费。 究其原因，主要是静压桩的单桩竖向承载力预估不准确。因此，如何正确的 预估静压桩单桩竖向承载力标准值，使成果可以准确地应用于设计施工，是摆在 眼前必需解决的问题。 一般来说，桩的承载力主要取决于土对桩的支承力，特别对于桩身强度较高 的预制桩更是如此。土的支承力主要由桩侧表面摩擦力q 和桩端土层的端阻力轨 两部分组成i 8 j ，即 q = q + q 。 ( 1 - 1 ) 郑州大学硕士学位论文第1 章绪论 对于静压桩，最重要的是静压桩的单桩竖向承载力标准值。在设计之前，单 桩竖向承载力标准值由岩土工程勘察报告提供的参数求得，可以有以下几种途径 求得：根据土的物理指标与承载力参数之间的经验关系确定；承载力经验参 数来确定；根据标准贯入试验与桩的承载力关系确定：根据旁压试验与桩的 承载力关系确定；根据静力触探试验与桩的承载力关系确定；根据桩的静载 荷试验确定。第一种方法，众所周知，钻探工人的技术水平及工作态度、土样的 取法及保存、士样的运输及开样、实验的仪器的精度及实验员技术水平等诸多因 素，都可以扰动土样，使实验成果偏离原状土的真实值，还会出现篡改实验数据， 甚至于凭空捏造实验数据，因此这种方法不能够真实地反映桩的承载力，误差比 较大。第二、三、四种方法，由于现场试验受客观和主观因素的影响大，也不能 真实地反映桩的承载力，误差比较大。第六种方法是公认的最直接最准确的，但 是桩的静载荷试验有成本高、周期长等缺点。静力触探试验与静压桩的贯入过程 有一定的相似性，都是将桩压入地层中，受力方式也基本上相同，都受到土层对 桩侧的摩阻力和土层对桩端的阻力，两者有很好的相关性，其主要差别在于尺寸 效应以及尺寸效应有关的深度效应。静力触探试验具有快捷、准确、经济、节省 人力等的优点，受客观和主观因素影响小，数据成果准确可靠。因此静力触探能 够真实地反映桩的承载力性状，用静力触探数据评价静压桩的承载力应该是最理 想最简便的方法。 建筑桩基技术规范中，用双桥探头静力触探资料确定预制桩单桩竖向极限承 载力标准值时的公式1 9 】： 如= “。屈z ：+ 口吼4 ( 1 2 ) 式中_ ，：。第f 层土的探头平均侧阻力； 吼桩端平面上、下探头阻力，取桩端平面以上4 d ( d 为桩的直径或连 长) 范围内按土层厚度的探头阻力加权平均值，然后再和桩端平面以 下1 d 范围内的探头阻力进行平均； 日桩端阻力修正系数，对粘性土、粉土取2 3 ，饱和砂土取l 2 ； 屈第f 层土桩侧阻力综合修正系数，按下式计算： 粘性土、粉土：层= 1 0 0 4 ( 兀) 。0 5 5 砂土：层= 5 0 5 ( z ，) “4 5 建筑桩基技术规范中的公式主要是根据上海地区的试验资料整理分析而来 的。岩土工程问题的区域性使这样的公式不适用于其它地区。因此各地出现了许 多经验公式，如广东、上海等地，而这些经验公式都是建立在比贯入阻力的基础 之上，主要是因为单桥探头静力触探试验在我国占据了很长一段时间，并且积累 郑州大学硕士学位论文 第l 章绪论 了一定的经验关系。而现在绝大多数是用双桥探头静力触探，需要双桥探头资料 转化成比贯入阻力再根据经验公式或图表得到桩的承载力，势必会造成桩的承载 力取值误差增大，给设计施工提供不准确的参数。 因此，精确预估静压桩的承载力，为实际工程提供可靠的依据，对设计施工 有重大意义，可以节约大量的资源，创造一定的社会效益和经济效益。 本文对静力触探预估静压桩承载力进行了理论和试验的研究，首先分析静力 触探试验和静压桩的贯入机理，以此作为理论依据，进行一系列足尺寸现场试验， 实测得到多种参数，在理论分析的基础上，探求静力触探与静压桩的受力机理的 关联，进一步研究静力触探指标与静压桩承载力之间的关系。 1 3 研究现状 1 3 1 静力触探和静压桩贯入机理研究 理论上求解静力触探探头的贯入机理是一个相当复杂的力学问题，至今仍处 于探索中。现有的理论解是在饱和粘土中不排水贯入条件下或纯砂中排水贯入条 件下得到的，这些理论或方法主要有：承载力理论、空洞扩张理论、应变路径法【l “、 g r e n o b l e 理论【1 3 1 4 l 【1 5 】、压缩机理论 1 6 】、o 1 d e 理论 1 7 】、有限元理论【18 】等。大部 分的机理分析是建立在室内和室外试验的基础上，分析试验结果，找出其相关性， 在多种假定条件下提出贯入机理理论。目前常用的理论有压缩机理论和空洞扩张 理论，大量的实践证明这两种理论结果与实际情况最接近，有限元理论分析静力 触探贯入机理也是一种很好的方法，有很强的生命力。 国外对挤土桩的研究较早，但着重于打入桩的研究，对静压桩的研究较少。 国内的研究工作始于8 0 年代初9 1 ，取得了一定的成果，但尚限于初步认识。对静 压桩的研究多采用静力触探相类似的研究理论和方法，这些理论和方法大致可以 分为圆孔扩张理论( c a v i t ye x p a 璐i o nm e t h o d ，简称c e m ) 、应变路径法( s t m i np a m m e t h o d ，简称s p m ) 、有限元分析法( f i n i t ee l c m e n tm e t h o d ，简称f e m ) 、滑移线理 论和模型槽试验五类【2 0 】。这些研究方法有各自的假定条件和优缺点。极限承载力 理论过于简单；应变路径法则过于复杂，较少有人采用；有限元模拟的力学原理 清晰，但其模型参数难以确定；圆孔扩张理论则是几种理论中应用最广的方法， 它抓住了问题的本质，可以较好地模拟沉桩过程土体的侧向扩张，且使用方便， 但该方法也有其不足之处，主要体现在其不考虑竖向坐标的影响，将空间柱体的 扩张简化为平面应变问题。 郑卅l 大学硕士学位论文 第l 章绪论 1 3 2 单桩承载力的研究 ( 1 ) 静载试验法 静载试验法是在桩顶直接分级加载，同时观测其每级加载的稳定沉降，最后 分析试验结果确定单桩承载力。这种方法综合考虑了桩与土的相互作用，是确定 单桩承载力最为可靠的方法，因此重要的工程一般要求在现场作静载荷试验以确 定单桩承载力。但是，这种方法的成本高，周期长；另一方面是在岩土土工程勘 察阶段一般不做静载试验，因而其提供的承载力是依据其它方法而来的。 ( 2 ) 动测法 桩基动测法是基于动力理论和桩土体系的边界条件而建立起来的。从测试机 理上看，动测又分为小变形和大变形两类。动测法的技术和经济效果是十分明显 的，它与静载试验相比，无论在试验设备、测试效率、工作条件或试验经费上， 均有明显的优越性，但是动测法确定承载力的误差较大，主要用来检测桩身的完 整性。 ( 3 ) 静力法计算单桩承载力 静力法计算桩端阻力，即承载力理论，代表性的计算桩端阻力极限平衡公式 有太沙基公式、梅耶霍夫公式、别列赞捷夫公式及魏西克公式 2 ”。用静力法计算 桩的极限端阻力通常是取桩身范围内各层土的极限承载力之和，而各家对各种土 层的桩侧阻力取值有所不同，可以分为口法、口法和a 法。 ( 4 ) 原位测试法确定桩的承载力 对地基土进行原位测试，利用静载试验和原位测试之间的经验关系，确定桩 的侧阻力和端阻力，常用的原位测试方法有静力触探田l 、标准贯入试验法以及旁 压试验法【冽等，也有直接用静载试验结果拟合或统计桩的承载力。 ( 5 ) 经验法确定桩的承载力 根据桩的静载试验和桩周土的物理力学指标进行统计分析，建立桩侧阻力和 桩端阻力与土性指标之间的经验关系，根据这种经验关系预估单桩承载力。经验 算法比较简单，但各地区土的变异性大，经验法预估单桩承载力的可靠性低，对 于地区规范而言，这是一种切实可行的方法。 综上所述，国内外在静力触探和静压桩贯入机理方面的研究有一定的进展， 但停滞在现有基础上，没有突破性的进展。贯入机理方面的研究应该是今后的重 点也是一个难点。对于桩的承载力的研究都是早期的一些成果，用静力法计算桩 的承载力误差相对大一点，这方面的研究还有很多工作要做。原位测试和经验法 确定桩的承载力适应了岩土区域性的特点，应用范围相对广一点，但其可靠度及 精度有待进一步的提高。在静力触探和静压桩方面的研究很多，但把两者结合在 一起进行理论和试验研究较少，尤其缺少静力触探和静压桩贯入机理及其相关性 郑州大学硕士学位论文 第l 章绪论 方面的全面系统的研究。岩土工程的区域差异较大，因此，开展静力触探和静压 桩相关性的区域化研究是有必要的，根据当地的土质情况快速、方便而准确地寻 求静力触探和静压桩相关性，用静力触探资料评价静压桩承载力及相关问题，应 该是今后岩土工程发展的一个方向。 1 4 本文研究的主要内容 本文主要是通过对静力触探和静压桩贯入机理的研究，深入分析了桩的承载 力及土体破坏模型，结合室内试验和现场试验以及工程实例，分析两者的相关性， 提出静力触探指标评价静压桩承载力方法，为静压桩的设计施工提供可靠的依据， 以促进相关规范的发展。 本文的主要工作可以分为以下几个方面： ( 1 ) 对静力触探和静压桩发展概况及应用前景进行了概述，指出目前存在的 问题并提出相应的解决方案，分析了问题的研究现状，并介绍了本文各章节的主 要内容。 ( 2 ) 分析国内外有关静压桩和静力触探贯入机理，分别阐述了承载力理论、 圆孔扩张理论、混合理论、应变路径法、有限元分析法，并指出几种理论的应用 范围、进展概况及优缺点，进一步阐述了球孔扩张理论在沉桩机理方面的应用。 ( 3 ) 介绍了有关静压桩的现场试验研究进展及取得的成果，针对本文试验目 的，提出了试验方案，详细阐述了现场试验的实施过程以及相关技术规程。 ( 4 ) 介绍了试验场地的地质资料情况，并根据桩土体系的荷载传递机理以及 原始数据的处理方法，有效分析静压桩贯入过程及静载试验的数据，得到试验桩 在贯入过程及抗压、抗拔静载试验的桩身轴力图，研究桩端阻力和桩身摩阻力的 分布情况，并与静力触探资料对比，得出相关的理论。 ( 5 ) 在总结静力触探预估单桩承载力方法的基础上，依据本文试验成果提出 静力触探预估静压桩单桩承载力的方法，并指出该方法应注意的问题。进一步把 本章提出的静力触探预估静压桩单桩承载力的方法应用于两个工程实例，证明了 本文提出的预估方法是可行的。 ( 6 ) 总结本文研究成果，同时指出一些不足之处，并对静力触探和静压桩的 研究进行了展望。 郑州犬学硕士学位论文 第2 章静力触探和静压桩的贯入机理 第2 章静力触探和静压桩的贯入机理 本章主要论述了静力触探和静压桩贯入机理的几种方法理论，其中包括承载 力理论( 或称滑移线理论) 、圆孔扩张理论、混合理论、应变路径法、有限元分析 法，阐述了几种理论的应用范围、进展概况及优缺点，重点阐述了球孔扩张理论 及其在沉桩机理方面的应用。 2 1 贯入机理分析 静力触探与静压桩的贯入过程有一定的相似性，两者有很好的相关性，其主 要差别在于尺寸效应以及尺寸效应有关的深度效应 2 4 1 。因此，对于贯入机理方面 的研究较多采用相同的方法和理论，可以概括为以下几种：承载力理论( 或称滑 移线理论) 、圆孔扩张理论、混合理论、应变路径法、有限元分析法和模型槽试验 法等【2 5 】。研究静压桩的承载力，应该从研究静压桩的沉桩机理开始，首先从理论 上论证求解，才能从根本上认清静压桩的工作性能，结合试验结果的修正，使理 论更好地符合于实际情况，从而指导静压桩技术的发展。 2 1 1 承载力理论 承载力理论是土力学中地基承载力计算采用的经典理论。根据这种理论，对 于砂土地基，基底极限荷载可简化为： 只= ，城 ( 2 - 1 ) 式中砌有效覆盖压力( 心a ) ； m 深基承载力系数。 由于深基础的直径一般比深度要小的多，因此公式( 2 1 ) 中忽略了宽度的影 响，或将其合并在深度项中考虑。在平基底的条件下，m 主要是砂土内摩擦角的 函数。但由于不同的研究者在推导时，假设滑动面图形的不同( 图2 1 ) ，故所得 结果也不同。 从公式( 2 1 ) 可知，深基础的基底极限荷载将随埋深的增加而不断增加，增 加的速率是线性的递增或递减，与虬的表达式有关。当深度超过了临界深度后， 端阻不再随深度的增加而增加，这就出现了矛盾，为了解决这一问题，梅耶霍夫 等对公式( 2 1 ) 进行了修正【2 6 】。此外，公式( 2 1 ) 还不能反映探头或桩穿过多层 地基的端阻变化规律。 郑州大学硕士学位论文 第2 章静力触探和静压桩的贯入机理 q 懿 吼 。舔 i l 心堑拶 ( a ) 太沙基1 9 3 4( b ) 德别尔1 9 4 8( c ) 别列赞采夫1 9 6 l( d ) 比阿雷兹1 9 6 1 维西克1 9 8 3削1 9 7 5 图2 1 假设滑动面的不同形式 2 1 2 圆孔扩张理论【2 7 】 2 8 】 2 9 】 圆孔扩张理论可分为柱形孔扩张理论和球形孔扩张理论。传统的圆孔扩张理 论首先假设土体是理想弹塑性体，材料服从t r e s c a 屈服准则或m o h r - c o u l o m b 屈服 准则，根据弹塑性理论，求出无限土体内足够小初始半径的圆柱形孔或球形孔、 被均匀分布并不断增大的内压力所扩张的一般解。由于桩体贯入时，一定深度处 的土体逐渐出现半径为桩径的孔洞，周围一定范围内的土体进入塑性状态，因此， 一般采用柱形孔扩张来模拟桩侧土体的变形情况。圆孔扩张理论以其形式简单， 力学原理明确，被广泛地应用于力学及岩土工程中。 b i s h o p 在金属成形方面研究时，首次用到圆孔扩张法，后来圆孔扩张法被应 用于岩土工程问题研究中。v e s i c 采用相关流动的m o h 卜c o u l o m b 屈服准则，给出 了理想弹塑性圆孔扩张问题的基本解，并应用于深基础承载力方面的研究。c a t e r 采用非相关流动的m o l l r c o m o m b 屈服准则，并考虑了塑性区的大变形，得到了圆 孔从零半径扩张到有限半径的极限应力解。接着圆孔扩张理论在屈服面模型、本 构关系、大小应变及数值解方面都取得了较大的进展。 随后圆孔扩张理论也被用于模拟静压桩的沉桩过程。对于饱和的软粘土而言， 需要确定压桩阻力及压桩过程中产生的超孔隙水压力。r a n d o l p h 利用柱形孔扩张 理论，采用数值计算分析了孔隙水压力消散的规律，并给出了孔压消散后桩的极 限承载力。 2 1 _ 3 混合理论 维西克【3o 】提出按图2 - 2 的破坏图式计算基础的极限端阻。维西克指出，桩基 础的极限端阻可用下式表示： 郑州大学硕上学位论文第2 章静力触探和静压桩的贯入机理 q m = c n c 十p nq i ；单加 式中j 桩端平面侧边的平均竖向应力( k p a ) ； 静止侧压力系数； m 虬= ( 虬一1 ) c o s 妒； 虬承载力系数。 ， !l l 、 、 翅性隧! 掰 图2 2 维西克提出的破坏圈式 ( 2 2 ) 维西克指出，在较密实的土中，平底压入时，桩尖下形成一锥形压密核，见 图2 2 中的楔体i ，压密核将土向i i 外挤，b d 面上的必须侧向膨胀，才能允许 桩继续贯入。混合理论即是根据圆孔扩张理论计算作用在b d 面上的极限应力，再 结合过渡区i i 的平衡方程，求出桩端的极限端阻。但由理论与试验分析结果可见， 维西克混合理论也不能完全反映试验结果。 2 1 4 应变路径法 根据压桩产生的土体变形规律，麻省理工学院b a l i 曲【3 1 1 等学者经过十年的研 究总结出了一种主要用于分析深基础问题应变路径法。他利用一个点源和它的匀 速下沉，分析了一个光滑的圆头桩贯入土体的过程，得到了独立于本构关系的应 变场。这个方法的特点是，在贯入过程中不必考虑土的本构关系就可以比较准确 地确定土体的位移场，然后通过微分求出应变。 b a l i 曲的模型是用点源和竖直方向的流场来模拟光滑圆头桩的沉入过程，而忽 略了地表面的边界条件( 自由面) 。因此，应变路径法只适用于桩端附近的应变场， 郑州大学硕士学位论文 第2 章静力触探和静压桩的贯入机理 而对于远离桩端的应变场则很难得到一个合理的结果，且没有实际的物理意义。 随后b a l i 曲在利用应变路径法得出位移及应变场基础上，也推导出了相应的 剪应力及孔压规律。b a l i 曲& l e v a d o u ) ( f 3 2 】【3 3 1 分析了桩压入后的土体固结过程，并 给出了孔压的消散规律。 虽然压桩力对于不同的工程地质土而言存在着较大的差别，但对于刚度较大 的桩体而言，沉桩在土中产生的变形具有相似的地方。而且应变路径法能得到较 为合理的解析解，使计算结果简单合理，因此应变路径法有较大的发展空间。 但是，应变路径法在整个桩身范围内的土体位移、桩型问题、大应变与小应 变的问题、土体不可压缩问题和桩土界面摩擦影响等方面还存在一定的问题。 2 1 5 有限元分析法 有限元方法在数值计算方法中具有极为重要的地位，应用于很多领域内，具 有强大的生命力。静压桩沉桩机理方面也可以借助于有限元分析法来研究，桩的 有限单元分析可以采用小应变和大变形模型两种类型。 ( 1 ) 小应变分析。在小应变分析中，将桩体置入预先钻好的孔中，周围土体 仍处于初始应力状态，然后进行增量的塑性破坏计算，并假定破坏荷载等于贯入 阻力。在桩贯入过程中，桩侧产生很大的侧向应力导致了实际阻力比小应变结果 要大。静力贯入问题的小应变研究首先由d e b o r s t 和v e m 壕e r 【3 4 j 给出。g r i 伍t h s l 3 5 】 对具有光滑表面的贯入仪阻力进行了分析。国内的周健采用变网格有限元对静压 桩沉桩进行了数值模拟，得到了一些关于沉桩挤士效应和超孔压分布的成果 3 6 】。 ( 2 ) 大变形分析。用有限元分析静压桩贯入机理时，一般基于小变形假设， 但事实上，在桩体贯入过程中应变很大，靠近桩周的土体中应变可达1 0 2 0 1 3 ”， 呈现出材料与几何双重非线性，这时用小变形假设显然不合实际。而采用大变形 有限元则有可能克服上述缺陷。在静压桩的沉桩机理及挤土效应研究中，在考虑 土体材料、几何双重非线性，以及静力贯入对初始应力条件的影响，有必要采用 大变形有限元。b a i l e r j e e 和f a t l l 触l a h 【3 8 】发展了一套欧拉方程，通过应力变化率和应 变变化率之间的关系，用有限元计算得出了沉桩过程中的应力和孔隙水应力。 s i k o r a 等【3 9 】同样在假设大变形的拉格朗同方程基础上，用时间积分的方法得出其 有限元解答。虽然b a n e l j e e 等人的工作克服了前人的研究中不考虑几何非线性的 不足，但其所用的欧拉方法很不方便，所以k i o u s i s l 4 0 】等对此提出了改进。近年来， 国内的谢永利【4 1 开展了土体固结大变形的研究，鲁祖统 4 2 】建立了空间轴对称问题 考虑大变形和弹塑性耦合的有限元方程和采用修正l a g r a g i a i l 算法的表达式，应用 虚功原理推得了空间轴对称问题采用修正l a 伊a g i 锄格式的b i o t 固结有限元方法， 并对单桩压入饱和粘土中桩和土体变形情况进行了研究。 郑州人学硕十学位论文 第2 章静力触探和静压桩的贯入机理 有限元方法在这方面的数值模拟是探索性的，具有十分积极的意义。但是， 将大变形有限元法的理论成果应用于实际分析，使其研究成果得到工程界的广泛 接受，尚有待于进一步的探索。 2 2 理想弹塑性材料的球孔扩张理论4 3 】 传统的圆孔扩张理论假设土体是理想弹塑性体，材料服从1 r e s c a 屈服准则或 m o n c o l l l o n l b 屈服准则1 4 钔，根据弹塑性理论，能够求出无限土体内，具有足够小 的初始半径为口的圆柱形孔或球形孔、被均匀分布并不断增大的内压力p 所扩张的 一般解。 ( 1 ) 基本假定 球孑l 扩张理论的基本假定：土是均匀的、各向同性的理想弹塑性材料； 土体饱和、不可压缩；土体屈服满足n e s c a 屈服准则或m o h r _ c o u l o m b 屈服准则； 球孔扩张前，土体具有各向等同的有效应力，即不考虑垂直和水平自重应力的 差别。随着内压p 的增大，围绕球形孔的球形区域将由弹性状态进入塑性状态。 塑性区随p 的增大而不断扩大，塑性区以外土体仍保持弹性状态。扩张过程如图 2 3 所示，图中口为球形孔的初始半径，r ，为扩张后半径，r 。为塑性区最大半径， 只，为相应的孔内压力最终值。 图2 3 球形孔扩张问题 ( 2 ) 基本方程 球形孔扩张属于球对称问题，在极坐标下，平衡微分方程为： 孥+ 2 盟：o( 2 3 ) 西r 一 郑州大学硕士学位论文 第2 章静力触探和静压桩的贯入机理 式中 盯，、彳圣向应力和环向应力( k p a ) ； ，计算点处的半径( m ) 。 几何方程为： 占一：旦生 ( 2 4 a ) 咖 岛：生 ( 2 4 b ) 式中“，轻向位移( m ) 。 弹性本构方程： s ，= ( 口，一2 d 目) ( 2 5 ) 。壶 ( 1 _ ) 一暇】 2 6 式中 s ，、径向应变和环向应变； e 、材料的弹性模量( k p a ) 和泊松比。 ( 3 ) 弹性变形阶段的解答 由弹性轴对称问题的解答，考虑边界条件，可得弹性阶段的应力场和位移场： q ：p 乓 ( 2 7 ) 一号一 c z 舶 一p 矿一互盯r 2 。8 甜= 等一 ( 2 - 9 ) 舻苜阿， 旺母 式中球形孔的初始半径( m ) 。其余符号同前。 ( 4 ) 屈服准则 塑性变形阶段采用m o n c o l l l o m b 屈服准则，其屈服函数为： f = ( 盯，一盯口) 一( 盯，+ 盯目) s i n 妒一2 c c o s p = o ( 2 1 0 ) 式中c 、伊材料的粘聚力( k p a ) 和内摩擦角( o ) 。对于静力压桩，由于沉 桩速度较快，粘性土处于不排水或弱排水状态，宜采用快剪指标。 以上皆规定压应力为正，拉应力为负。 ( 5 ) m o l 廿c o u l o m b 材料的弹塑性解答 在塑性区，材料的屈服准则不同，其塑性区发展规律也不同。本文仅讨论 m o h r - c o u l o m b 材料一种情况。 对m o h 卜c o u l o m b 材料，屈服条件可表示为： 郑州大学硕士学位论文 第2 章静力触探和静压桩的贯入机理 可鬲面一鬲茹 ( 2 - 1 1 ) 结合平衡方程( 2 3 ) ，得 望生+ ! ! 垫竺! 上+ ! ! ! ! 里! ：o 毋 1 + s i n 伊r1 + s i n 妒， ( 2 1 2 ) 记 ! ! 垫翌：爿! ! ! ! ! ：曰 1 + s l n 伊 1 + s l n p 则上式可写为： 堕+ 一生+ 旦：o( 2 1 3 ) 上式是一阶线性微分方程，解之，得 仃，= ( p 。+ c c 增纠( 兰已) 1 + 血9 一c c 留妒 ( 2 1 4 ) n 4s m p 考虑体积变化，引入塑性区的平均体积应变，球形孔扩张后其体积变化等于 弹性区的体积变化与塑性区的体积变化之和，即： 显：一口3 = r ；一( 矗，一“p ) 3 + ( r ；一r ：) ( 2 - 1 5 ) 展开上式，并略去“；和4 3 项( 因为径向位移和初始孔半径日都较小) ，得： r ：( 1 + ) = 3 “p r ；+ r ； ( 2 - 1 6 ) 或皲 ，小。“夸筹 沼 在弹塑性区交界处( r = r 。处) ，由弹性区径向位移表达式( 2 9 ) 得 圹等即， ( 2 - 1 8 ) 甜，= i 寺代p 盯p l 2 l hj 考虑土中初始应力d 。，得 由( 2 1 4 ) ，得 圹等蹦旷叫 旷帆懈酬c 等等硼妒 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 将上式代入式( 2 1 9 ) ，得 驴等小。栅c 等怒七o + c c c z - z ， 再将上式代回式( 2 1 7 ) ，得 - 1 4 - 郑州大学硕士学位论文 第2 章静力触探和静垤桩的贯入机理 ，小。等紫卜螂，c 每长帆摆协z z ， 在弹塑性区交界( r = 月。处) ，大小两个主应力盯，和应该满足m o l m c o u l o m b 屈 服条件( 2 1 0 ) ，还应满足式( 2 8 ) ，于是得 盯：竺! ! 翌( 2 2 3 ) 盯p2 盂 旺矗引 将上式代入( 2 2 0 ) ，得 c ”御，c 务等一陟釜蔷 协z 4 ， 或写成 c ”魄力c 务器= 警 沼z s ， 考虑土体内各向相等的初始应力氏，有 ( ”。喀力( 鲁) 怒：塾芒掣螋 ( 2 _ 2 6 ) “j s l n 口 若能确定出上式中的比值惫，便可计算出球形孔最终内压n 。 将( 2 2 6 ) 代入式( 2 2 2 ) ，得 s 鲁等 鳖警巾o + c c 垮+ 协：， 疋 2 e 3 一s i n p 、” 1月! 化简后得 娶三掣坐单塑+ ：l + ( 2 - 2 8 ) e 2 e 3 一s i n 妒 一 当o 妒4 5 。时，掣1 。故上式可改写为 j s 1 n 鲁 ! ! ! 趔! 鱼塑盟+ e 引进刚度指标 ，= 墨 2 ( 1 + p ) ( c + 仃。增p ) 式中g 弹性剪切模量( k p a ) ： s 抗剪强度( k p a ) 。 式( 2 - 2 9 ) 可改写为 1 5 k 1 + ( 2 2 9 ) g s ( 2 3 0 ) 郑州大学硕士学位论文 第2 章静力触探和静压桩的贯入机理 筹c 小 筹= 南叶，