应力释放孔对大吨位静载实验的影响分析

王 涛 朱 静 秦世伟

(1.上海大学，上海 200433; 2.上海祥测土木工程技术有限公司，上海 200072)

应力释放孔对大吨位静载实验的影响分析

王 涛1朱 静2秦世伟1

(1.上海大学，上海 200433; 2.上海祥测土木工程技术有限公司，上海 200072)

分析了大吨位堆载作用对于基准桩变形的影响，依据工程实际经验，提出了一定条件下，在基准桩开设应力释放孔，可达到减小基准桩变形的有效作用，并通过有限元软件ABAQUS进行建模分析，对基准桩开设应力释放孔的有效性给出结论。

大吨位静载实验，基准桩变形，应力释放孔

0 引言

桩基础的承载和设计的核心问题是需要准确的预测桩的极限承载力和刚度，在实际工程中，一般都是通过桩的现场静载实验来完成，该方法也是目前国际上公认的获取单桩竖向抗压、抗拔承载力的最基本和最可靠的方法，然而也受制于一部分实验条件，试桩沉降的测量都是通过固定在基准梁上的位移观测计来完成的，基准梁又是架设在基准桩上，基准桩埋设在离压重平台和试桩距离不远的土层里，在常规堆载试验中，因为地基土偏软问题，地基土在试验开始瞬间产生回弹，带动基准桩向上位移，由于基准桩产生竖向位移，导致整个基准系统上浮，常常由于此时试桩桩顶沉降量往往小于基准梁的竖向位移，出现“负”值读数。对于大吨位的桩基础应用越来越广泛的今天，基准系统的“负”值读数足以对试桩的沉降测量带来很不利的影响，张尚根、刘新宇[1]、程惠阳[2]对桩基大吨位静载实验的研究中，曾提出了基准桩变形对测试结果的不利影响，但都停留在简单的理论影响因素分析上，并没有实际的数据分析或者模拟计算分析，在洪鑫[3]的研究中，虽然通过理论模拟计算总结归纳出基准桩变形对于试桩沉降的影响，但在结论中简单的提到了要合理布置基准桩的位置以达到基准桩变形最小，但对如何实现合理布置没有做进一步的说明，缺乏解决这一问题的明确办法，在发布的国家规范[4]中，虽然有着试桩、压重平台支墩边、基准桩之间的中心距离大于4倍试桩的设计直径且大于2.0 m的硬性规定，但在工程实践中，因工程进度、经济等各方面因素的影响，经常在地表软土进行大批量的堆载试验，故在不利试验条件下，有效的减小基准桩的变形对试桩沉降测量结果的影响，具有明显的工程实际意义。

1 大吨位静载实验特点及分析

如图1所示，压重平台反力试验是常规静载试验方法之一，试验开始前设置一承重平台，上堆重物(一般为混凝土试块)，堆载重物在试验前一次性均匀的放置在承重平台上，依靠放在桩头的千斤顶施加反力，从而对试桩加载，由于实验前需一次性均匀堆设重物，其重量由两端的支撑墩传递至地面，使得桩周土受到一定的影响，由于基准桩又是埋设在附近的桩周土里，压重平台的大吨位堆载造成桩周土的沉降会带动基准桩一起沉降，而试桩加载、桩周土卸载时，又伴随着地基土的回弹，基准桩上浮，带动整个基准系统出现“负”值读数，当试桩卸载时，堆载又全部作用在地层上，地层将又产生新的沉降，因此，基准桩在这下沉—回弹—再下沉的过程中，不可避免的将产生沉降变形，而这种变形又将不断地叠加到试桩沉降的测量中，对最终确定桩的极限承载力产生较大的误差。

1.1 应力释放孔原理

在实际工程中，压重平台的堆载与卸载均会使承载台周边的土体应力发生变化，使得土体发生水平及竖向位移，因而埋设在桩周土里的基准桩也随之产生变形，为了减小基准桩的变形对试验结果带来的影响，拟对基准桩开设一定深度、一定范围的应力释放孔，来达到减小变形的目的，在常规堆载试验中：首先，由于大吨位堆载作用的存在，地基表层土的变形位移比较大，部分土体甚至超越了其地基土的承载力，造成地基土体局部隆起，应力集中，由于基准桩埋设深度较浅，很容易受其影响；其次，由于地基土体在大吨位堆载的作用下，地基土承受的应力发生变化，桩周土的渗透性会产生不同程度的孔隙水压力，侧向、竖向位移，从而造成了试桩沉降测量失真。因此在工程现场测试中，拟对基准桩开设一定深度、一定范围的应力释放孔来消除应力集中现象，采取上述措施后，整个基准系统稳定，基本没有“负”值现象的出现。

1.2 理论分析

依据弹性理论，条形荷载作用下地表的沉降采用弹性理论法进行计算[5]。按照布辛内斯克(J.Boussinesq，1885)给出的一个竖向集中力F作用在弹性半空间表面时半空间内任意一点M(x,y,z)处产生的垂直位移ω(x,y,z)解答，可取坐标z=0，则所得的半空间表面任一点垂直位移ω(x,y,0)就可作为地基表面任意点沉降W，其表达式如式(1)所示:

(1)

如图2所示，依据文献[6]中算例的相关土体参数，采用ABAQUS有限元软件进行建模分析，并对理论计算的结果ω1与ABAQUS有限元软件计算的结果ω2进行比对，其结果见图3。

由图3可以看出，在没有试桩和基准桩的自由场土体中，大吨位堆载会对基准点S的沉降产生一定的影响，且该基准点的沉降随着离试桩距离的增大而减小，理论计算和数值模拟的结果都很好的反映了这一结论。

2 数值模拟

2.1 本构模型

桩身材料由于刚度较大，本构模型按线弹性体考虑，土体为弹塑性材料，假定其服从摩尔—库仑屈服准则，为很好的模拟桩土间的错动滑移，需在桩土界面处设置接触对，采用面对面的离散方法，选取摩擦罚函数。其中，在桩土接触面上，定义桩为主控面(master-surface)，土为从属面(slave-master)。接触单元的性质设置法向和切向特性，切向特性主要设置摩擦系数μ，其中μ=tanδ。ABAQUS中有多种塑性本构模型[7]，在笔者研究中，采用比较常用的摩尔—库仑模型[8]，相关参数有：内摩擦角φ，粘聚力c，膨胀角ψ。砂性土近似采用ψ≈φ-30°进行计算[9],当ψ≤0时，可取ψ=0；粘性土的剪胀性一般较小，可取剪胀角ψ≈0。

2.2 几何模型

计算模型见图4，分别由压重平台支墩、试桩、基准桩、土体构成，其中压重平台支墩尺寸为9 m×6 m,E=25 GPa，试桩桩长为50 m，桩径d1=1 m，以试桩为中心建立平面坐标系，基准桩直径d2=0.1 m，其坐标位置分别取(-0.8，-2),(-0.8，-6),(-0.8，-10)，应力释放孔开孔深度分别取0，2d1,4d1，开孔直径为10d2，分析范围中土层沿X,Y,Z轴各为25d1,25d1,100d1，共计分为四个土层，土层①厚度5 m，土层②厚度45 m，土层③为持力层，厚度25 m,土层④为基岩，厚度25 m,具体各项土层参数见表1，其均采用Mohr-Coulomb模型。

表1 桩和土层参数

类别土层厚度m弹性模量EMPa泊松比密度t/m3内聚力ckPa内摩擦角φ/(°)试桩502．5×10-40．1723．0——基准桩102．5×10-40．1723．0——桩周土杂填土5100．318918灰绿色粘性土45300．3518．55525持力层灰色粉细砂25550．2820．01035基岩25—————

2.3 堆载过程的模拟

整个实验过程为：第一阶段先将压重平台的荷载施加于土层上，由于附加应力的作用，其会引起试桩和基准桩的沉降，见图5a)，图6,第二阶段压重平台卸载，试桩加载，逐步将堆载施加于试桩上，见图5b),此时压重平台的卸载会引起基准桩桩端土体的回弹，试桩桩顶的加载会引起基准桩桩端位置沉降，此时试桩桩顶的沉降为试桩沉降与基准桩沉降的叠加。

运用上述的几何模型和参数模拟大吨位堆载的实验过程，并记录在不同吨位堆载，基准桩在不同位置处，开设不同深度的应力释放孔时，得出第二阶段基准桩的变形值Sj和基准桩变形值Sj占试桩沉降Sc的百分比，从而来考察开设应力释放孔对于减少试桩测量误差的作用，通过分析比较，验证开设应力释放孔对于减小试桩沉降测量误差的有效性和可行性。

3 计算结果与分析

3.1 开设不同深度应力释放孔对基准桩沉降的影响

通过上述土体模型和参数对在2 700 t堆载作用下，考察基准桩在距离X轴不同距离，基准桩开设不同深度的应力释放孔时，基准桩变形值Sj及其占试桩沉降Sc百分比的模拟结果，见图7，图8。

由图7，图8可以看出，在2 700 t堆载的作用下，当基准桩距X轴距离较近时(l=2d1)，基准桩开设的应力释放孔开孔深度越深，试桩加载、地基土卸载时基准桩的上浮值越小，且基准桩变形值占试桩沉降的百分比越小，由模拟结果可以看出，可以减小8%左右；当基准桩距X轴距离较远时(l=4d1)，基准桩开设的应力释放孔对实验结果影响甚微。

3.2 不同吨位堆载对基准桩沉降的影响

通过上述土体模型和参数，对基准桩开设4d1深度应力释放孔，分别模拟计算出在540 t，1 080 t，1 620 t，2 700 t堆载作用下，考察基准桩在距离X轴不同距离时，基准桩变形值Sj及其占试桩沉降Sc百分比，具体见图9，图10。

从图9和图10中可以看出，在堆载法实验中，开设相同深度的应力释放孔，当基准桩距X轴距离一定时，堆载吨位越大，当试桩加载、地基土卸载时，基准桩上浮值Sj就越大，且其占试桩沉降Sc的百分比就越大，其相关关系近似为线性关系；当基准桩距X轴距离越大时，堆载吨位越小，基准桩上浮值Sj就越小，且其占试桩沉降Sc的百分比就越小。

4 结语

通过上述计算分析可得到如下结论：

1)在堆载法实验中，堆载吨位较大，基准桩离试桩和压重平台的距离越近时，基准桩应力释放孔开孔深度越深，基准桩变形值Sj及其占试桩沉降Sc的百分比就越小，由模拟结果可以看出，百分比减小了8%左右，使测量系统的准确性得到了提高。

2)当基准桩离压重平台和试桩的距离超过一定范围时，开设不同深度的应力释放孔对于改善基准桩变形及其占试桩沉降百分比影响甚微。

3)在堆载法实验中，开设一定深度的应力释放孔，当基准桩距X轴距离一定时，堆载吨位越大，试桩加载、地基土卸载时，基准桩上浮值Sj就越大，且其占试桩沉降Sc的百分比就越大，其相关关系近似为线性关系。

4)在堆载法实验中，当堆载吨位较大，基准桩离试桩及压重平台距离较近时，针对基准桩开设相应深度的应力释放孔能够有效改善测量结果，提高准确性，但同时由于受到实验条件的限制，在实际工程应用中，应综合考虑堆载吨位、基准桩离试桩及压重平台的距离、应力释放孔开孔深度，寻求最佳的组合，以达到基准桩变形最小，提高测试过程的准确性。

5)除了上述提到的因素外，依据实际工程经验，在基准桩周边增加应力释放孔开孔数量对于减小基准桩变形也存在一定的影响，但具体布置方案及影响程度待进一步研究。

[1] 张尚根，刘新宇.桩基大吨位静载试验中堆载对桩顶位移的影响分析[J].工程力学，1996(sup)：79-80.

[2] 程惠阳.大吨位桩基静载实验的应用研究[J].福建建设科技，2010(7)：91-92.

[3] 洪 鑫.单桩静载荷实验的理论模拟及影响因素分析[J].岩土工程学报,2012,34(2)：111-113.

[4] GB 50007—2002，建筑地基基础设计规范[S].

[5] 张孟喜.土力学原理[M].武汉：华中科技大学出版社，2010.

[6] 袁从华,章 光.大吨位堆载法对单桩承载力实验的影响[J].岩土力学,1997,18(1)：79-85.

[7] 朱向荣，王金昌.ABAQUS软件中部分土模型简介及其工程应用[J].岩土力学，2004,25(Z2)：144-148.

[8] 王金昌，陈页开.ABAQUS在土木工程中的应用[M].杭州：浙江大学出版社，2006.

[9] 杨 敏，朱碧堂.堆载下土体侧移对邻桩作用的有限元分析[J].同济大学学报，2003,31(7)：772-777.

Analysis about heavy static loading test of piles caused by stress releasing hole

Wang Tao1Zhu Jing2Qin Shiwei1

(1.ShanghaiUniversity，Shanghai200433，China; 2.ShanghaiAuspiciousCivilEngineeringTechnologyCo.,Ltd,Shanghai200072,China)

Analyze the influence of large-tonnage static loading on the deformation of the reference pile. On the basis of practical experience, puts forward that the stress releasing holes should be set under certain conditions to reduce the deformation. Then, conclude the effectiveness of stress releasing holes on the reference pile by using the finite element software ABAQUS.

large-tonnage static loading test， deformation of the reference pile, holes to release stress

1009-6825(2015)16-0038-03

2015-03-26

王 涛(1987- )，男，在读硕士； 朱 静(1987- )，女，技术员； 秦世伟(1976- )，男，博士，讲师

TU473

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