浅谈静压桩沉桩机理特性研究的国内外现状

朱亮亮 肖昭然

（河南工业大学 土木建筑学院，河南 郑州 450001）

目前，高层建筑已成当今城市建筑的主题，其对地基基础提出很高的技术要求。 桩是设置于土中的柱形基础构件，它与上部承台组成深基础，一起传递上部结构产生的载荷。 由于桩基础稳定性好、承载力高、沉降量较小且均匀等特点，所以它成了现代基础工程体系中非常重要的基础形式。 静压桩作为其中一种桩基形式，由于其沉桩具有无振动、无噪声、无冲击力、施工应力小、桩顶不易损坏和沉桩精度较高且便于文明施工等特点，如今得到了很大规模的推广应用。

由于桩基型式和地基土体物理力学特性等的多样性，所以在理论上准确确定工程应用中的静压桩的竖向承载力有很大的难度。 提出的许多确定方法常是基于工程实践，有较大的局限性且最终结果相差很大。 随着岩土工程学科的研究发展，人们更加重视对静压桩沉桩机理的研究。 为方便于实现我国静压桩研究，有必要分析一下国内外静压桩承载力特性研究方法的现状。

图 1-1 桩基础主要研究方法的分类

1 国内外静压桩承载力特性的试验研究现状

试验方法主要有三种：室内模型桩试验，离心机模型桩试验，现场桩试验。 主要是为了获得不同深度下的桩阻力（侧摩阻力及桩端阻力）和孔隙水压力与土压力。 在试验方面，由于现场试验的成本很大和现场复杂因素，室内模型试验对研究静压桩的沉桩机理相比而言比较重要。

Dave White 等在室内试验砂箱中做了静压桩的模型试验，并在工地上做了静压桩试验。 一方面通过室内模型试验研究了砂土的特性对静压桩的影响；另一方面通过现场静压桩试验来验证模型试验得出的结论。

Lehane 等人通过在松砂中的静压模型桩试验， 研究了桩径、管桩管厚、应力水平等参数对静压桩性能的影响。

Paik 等人通过改变砂土的特性来研究桩的压入方法对刺入参数和承载力的影响。 试验结果表明在相同的锤击能量下，随着夯锤质量的增加，锤击次数和填充率减小。 静压桩的试验表明，由于静压比锤击更加有利于桩端土塞的发展，静压桩的承载力更高。

Bond,A.J&Jardine,R.J.做了一系列静压桩在超固结土中的现场试验，模型桩长7m，直径102mm，桩尖水平角为60°。 桩身装有轴向压力传感器、应变片、孔压计和位移传感器。 试验时，匀速分段压入，每次每段为225mm，整个过程中传感器每3s 读一次数。 等桩压入稳定后进行静载试验。 试验量测了桩在静压过程中，土的固结、孔隙水压力的消散过程及桩土接触面上的有效应力变化。 实验结果得出，剪应力值伴着桩贯入过程逐渐增大然后保持稳定。 桩土界面处剪应力大小与土的初始强度关系不大，另外在不同的压桩速度下其剪应力值是不相同的。

Bond,A.J&Jardine,R.J.另外还通过用两种模型桩试验测出了桩在压入和静载试验时的桩土界面处的剪应力、孔隙水压力和环向有效应力值的变化。

Price&Wardle 等对超固结土做了大量的研究，得出土的应力变化受桩的压入速度影响。

Coop&Wort 通过试验测出超固结土的孔压变化，分析了静压桩的成孔效应。

Kens 等在一个大型砂坑中， 使用不同的探头做一些列的试验，量测了在压入过程中桩端阻力及平均侧摩阻力的变化规律，并说明了“临界深度”这一概念。

Vesic 通过现场砂土中的静力初探与静压桩贯入试验，量测了端阻力及侧阻力的变化，研究了临界深度的位置。

刘祖德等介绍了在土工试验模型中使用显微镜位移跟踪法的方法，其把位移场转为介质密度场与应变场，研究了静力初探的机理。

张明义等改进了室内试验的仪器，通过其研究了桩-土滑动摩擦及其时效性，为静压桩沉桩过程中的数值模拟和承载力特性分析打下基础。

图1 -2 桩-土滑动摩擦试验仪器（左） 不同固结压力下滑动摩阻力随位移的变化（右）

侯兆霞通过在不同密实度的砂中进行模型桩试验， 量测了桩附近土体的应力变化，研究了砂土的破坏机理。

2 国内外静压桩承载力特性的理论研究

上述主要是利用试验现象来阐述沉桩机理， 但对试验方法的增补与升华离不开理论方面的研究方法。 大致有以下几类：

1）刚塑性理论

有关砂土地基的地基极限荷载用这个理论可以转化为：Pu=rhN（N 为深基础承载力系数）。

这个理论没有考虑桩尺寸的影响。 使用刚塑性理论的有关深基础地基极限荷载的计算方法只能在小于临界深度且在考虑多层土对其的影响的条件下使用。

2）圆孔扩张理论

圆孔扩张理论假定桩尖的贯入为在弹塑性无限介质中的球形孔扩张、圆柱孔穴扩张、或介于圆球与圆柱之间的扩张。 它认为土的强度和变形影响桩贯入过程中的阻力。

Yasufuku 认为桩端砂的受压变形形状与砂的可压缩性没有明显联系。 故球孔扩张理论能很好的在计算分析桩端阻力中所应用。 其使用此理论把小孔扩张压力与桩端阻力相关联，在实际应用中有较大的实用性。

张明义在桩端土上使用此理论， 并联系桩周土体介质的相对摩擦得出了球形孔扩张-滑动摩擦的计算公式。

王启铜等提出在研究静压桩的相关机理时使用考虑介质不相等的拉、压模量时的圆柱孔扩张解答。

3）应变路径法

Baligh 等总结出一种基于桩贯入过程中不考虑土的本构关系但可以准确得到土体的位移场的方法，此方法简化了相关问题的求解。

Baligh 提出的这个方法能大体分析预测出由土体内不同刚桩导致的土的扰动。

这个方法有许多优点：考虑了桩压入过程的连续性，认识到了桩周弹性介质和纵向坐标之间的关系。 但这个方法计算起来比较复杂且实际上是个大致近似方法。 一些人的研究就指出，此方法假设的一维模型不能描述二维的问题，因为它太过于简化。

3 国内外静压桩承载力特性的数值分析研究

由于静压桩沉桩问题的复杂性， 在求解析解或近似解时常常非常困难，且当在一些复杂情况下不能很好的计算桩基础时，如桩周土体介质的特性过于复杂，可以使用数值解法。

Liyanapthirana 在砂土中开口钢管桩的压入过程中用大变形有限元法模拟，分析了桩端土的应力应变特性。

Daichao Sheng 等在ABAQUS 中使用大滑移面算法成功模拟了桩的贯入过程。

张明义在ANSUS 中使用设定位移边界条件的方法模拟了桩的贯入，分析了桩的位移场与应力场。

张明义总结了在桩上有限元法的应用： 桩体贯入的有限元分析分为小变形和大变形两种形式，沉桩过程中宜采用大变形分析方法，其能够处理几何非线性与材料非线性问题。 在处理桩土界面时要使用滑动面算法。

朱合华与李元海等开发了用于分析砂土模型试验变形量测的图像的软件，结合使用数码照相与图像分析技术观测了变形。

4 结语

从上述分析的国内外研究现状和发展动态可见， 目前对静压桩的研究主要集中于单桩贯入的承载力、 桩周土体变形、沉桩机理、挤土效应等问题。 而对于桩压桩前后桩周砂土密实度的变化规律、相关土体力学特性的变化对于桩承载特性的影响等问题的研究仍较缺乏。

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