一种温控的桩侧摩阻力试验装置

鲍 旭 明

(宁波大学岩土工程研究所，浙江 宁波　315211)



一种温控的桩侧摩阻力试验装置

鲍 旭 明

(宁波大学岩土工程研究所，浙江 宁波315211)

介绍了一种用于变化温度下的桩侧摩阻力与桩—土相对位移试验装置，分析了该装置的基本原理和使用方法，并通过控制循环水的温度，研究了温度对桩侧摩阻力及桩体沉降的影响方式和机理，为类似问题的研究奠定了基础。

桩侧摩阻力，桩—土相对位移，试验装置，温度

0　引言

桩基础较好地适应如今大荷载、小沉降的建筑要求，应用广泛。桩按照荷载传递形式可以分为端承桩和摩擦桩。端承桩桩顶竖向荷载主要由桩端阻力承受，摩擦桩桩顶竖向荷载绝大部分由桩侧摩阻力承受。

通过工程实例发现，桩端阻力极限值与桩本身设计强度有关，较容易确定。而影响桩侧摩阻力极限值的因素较多，在不同工况下数值存在较大的变化，对此展开的研究也比较广泛。宋兵[1]采用有限元分析法进行桩侧摩阻力特性研究，对预应力管桩和灌注桩进行了静载试验和内力测试，给出了不同地质条件下的计算参数取值；王志达[2]在荷载传递函数法的基础上，结合双曲线模型，提出了一种新的单桩沉降计算方法，比较符合工程实践结果。邹春华[3]结合弹性理论法和桩—土相对滑移的计算模型，证明该结果能更好反映桩的受力变形情况。王忠瑾[4]从桩—土相对位移出发，提出一种新的荷载传递函数，来描述桩侧摩阻力与桩—土相对位移之间的关系。

实践结果证明，构建桩侧摩阻力与桩—土相对位移的函数关系，可以较为准确地刻画桩侧摩阻力特性。课题组研制了一台能控制温度的桩侧摩阻力与桩—土相对位移试验装置进行室内研究。本试验装置可用来测定桩—土接触面上摩阻力及桩端位移，比较桩侧摩阻力和桩端位移随温度的变化情况，为能源桩的实际应用提供模拟实验基础。

1桩—土界面荷载传递模型

桩—土相对位移与桩侧摩阻力存在异步性，当桩—土相对位移达到一定值时，桩侧摩阻力才达到最大值，且之后保持基本不变。所以桩—土相对位移与桩侧摩阻力之间不是线性关系。

荷载与桩身位移表达式[5]为：

(1)

桩侧摩阻力与荷载之间的表达式为:

(2)

将式(1)代入式(2)可得桩侧摩阻力与桩身位移的二次微分表达式为：

(3)

式中：Q(z)——桩身任意深度的截面荷载；

A——桩身横截面积；

Ep——桩身弹性模量；

s(z)——桩身位移函数；

τ(z)——桩侧摩阻力函数；

U——桩身周长。

该二次方程求解需要确定s(z)函数，代入边界条件，比较麻烦。本文采用非线性Boxlucasl函数[4]，引入温度参数，确定桩侧摩阻力与桩—土相对位移表达式为：

τz(t)=a[1-e-bs(z)]

(4)

(5)

(6)

式中：τz(t)——桩侧摩阻力随温度变化的函数；

a,b——计算参数；

σn——桩侧土体正压力；

θ(t)——土的内摩擦角随温度变化的函数；

Rf——桩侧摩阻力的破坏比；

ro——基桩半径；

rm——基桩影响半径；

Gs——桩侧土体的初始剪切刚度。

桩身位移函数的二次微分方程表达式为:

(7)

2　温度影响因素分析

鉴于目前对桩侧摩阻力特性研究和桩基沉降计算理论方面已经取得的成果和存在的不足，尤其是对温度效应的理论分析和试验研究相对实际应用明显滞后的情况下，本文引入土的内摩擦角随温度变化参数θ(t),介绍一种用于变化温度下桩侧摩阻力与桩—土相对位移室内试验装置。

从理论公式推导过程可以看出，温度变量的存在会影响内摩擦角θ，具体表现为温度上升，内摩擦角减小，从而影响a，b参数。同时温度升高会加快土体固结速度，影响桩—土相对位移Δs。随着地下空间的大力开发，能源桩技术的大量应用，越来越多的热量被带入地下，导致局部土温高于正常值。如果不考虑温度变化对桩侧摩阻力以及桩—土相对位移的影响，会给工程建筑带来不确定因素，为以后的使用埋下隐患。

为此，需要一台可以控制温度的桩侧摩阻力与桩—土相对位移试验装置来探究温度效应对τ—Δs曲线的影响，确定计算参数，满足工程建设需要。

3　一种温控的桩侧摩阻力与桩—土相对位移试验装置

3.1试验装置描述

图1为研制的装置示意图。

图1　桩侧摩阻力与桩——土相对位移试验装置

构成该装置的主要构件是容器室和模型桩。容器室采用不锈钢制作，由上端开口的圆筒构成，下端中间留孔，可以通过外加圆环调节孔洞的大小，圆环与容器底部用橡胶圈加以封闭，以适应不同直径的模型桩。使用时，先安放模型桩，后放土。模型桩从孔洞伸出一段距离，保证模型桩仅受到桩侧摩阻力，没有端承力。土体仅受自重，静置3 d后再进行后续试验。

模型桩采用不锈钢制作，模拟真实管桩。桩身上固定两个位移传感器，分别位于上端和下端。桩身另一侧均匀固定5个力传感器。管桩内部放置螺旋加热器，其余部分填沙充实。加热器从桩帽顶端伸出，接入恒温水循环装置。

3.2模型桩特点

本装置克服现有装置不能研究温度对桩侧摩阻力影响的缺陷，满足变化温度下桩侧摩阻力与桩—土相对位移模拟实验的需要。模型桩内放置螺旋加热器可以增大受热面积，提高加热效率。实验时可以根据需要调节恒温水循环装置的温度，使桩身周围土体温度达到实验要求，对比不同温度下τ—Δs曲线，得到桩侧摩阻力关于桩—土相对位移的温度函数。模型桩能够模拟能源桩，研究能源桩运行状态下的承载力以及对周围土的影响。

模型桩与土接触的长度较小，试验外荷载也较小，因此忽略桩的轴向变形。桩身上端和下端固定位移传感器可以测定桩身与土之间的相对位移Δs。通过位移传感器和力传感器，可以测定模型桩相对土的位移和桩—土接触面上的摩阻力，验证理论公式的吻合度。

4　结语

本文引入温度变量来研究桩侧摩阻力与桩—土相对位移的关系，理论上推导了τ关于Δs的温度函数，证明τ—Δs曲线随温度的变化而变化，不考虑温度的因素会导致局部计算误差较大。

本文介绍一种温控的桩侧摩阻力与桩—土相对位移试验装置，通过恒温水加热试验设备，保证每次试验在特定温度下进行，能够模拟能源桩承载特性变化，研究温度对桩侧摩阻力及桩体沉降的影响方式和机理。后期将开展具体的试验，对规范涉及的理论值进行对比，验证本实验设计的合理性。

[1]宋兵.桩侧摩阻力特性的研究[D].广州：华南理工大学,2010.

[2]王志达.单桩荷载—沉降计算的一种解析算法[D].西安：西安建筑科技大学,2005.

[3]邹春华.单桩计算的弹性理论法及其改进[D].成都：西南交通大学,2007.

[4]王忠瑾.考虑桩—土相对位移的桩基沉降计算及桩基时效性研究[D].杭州：浙江大学,2013.

[5]戚炜.单桩沉降变形与承载力的关系研究[D].西安：长安大学,2004.

The test device of a temperature controlled pile side frictional resistance

Bao Xuming

(RockandSoilEngineeringResearchInstitute,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

This paper introduced the pile side friction resistance and pile-soil relative displacement of test device under applied for temperature variation, analyzed the basic principle and use method of the device, and through the temperature control of the circulating water, researched the influence ways and mechanism of temperature to pile side frictional resistance and pile body settlement, laid foundation for similar problems research.

pile side frictional resistance, pile-soil relative displacement, test device, temperature

1009-6825(2016)21-0093-02

2016-05-11

鲍旭明(1994- )，男，在读本科生

TU411.3

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