静压桩压入过程的现场试验和数值模拟

周俊鹏，黄雪峰，方 晟

(1.后勤工程学院 军事土木工程系，重庆 400041；

2.岩土力学与地质环境保护重庆重点实验室，重庆 401311)



【基础理论与应用研究】

静压桩压入过程的现场试验和数值模拟

周俊鹏1,2，黄雪峰1,2，方 晟1,2

(1.后勤工程学院 军事土木工程系，重庆 400041；

2.岩土力学与地质环境保护重庆重点实验室，重庆 401311)

为了研究静压桩在沉桩期间的力学特性和承载性状，通过静力压桩试验及载荷试验，分析了沉桩过程和载荷试验中摩阻力随埋深的变化；对非饱和黄土地区静压桩在施工过程中的承载性状及沉桩机理进行了研究，得出静压桩在非饱和黄土中的沉桩特性；将ANSYS计算值与实际测试数据进行对比，二者发展趋势较一致，说明ANSYS分析的结果可以为以后的工程设计和施工提供借鉴和参考。

静压桩；压桩力；侧阻力；载荷试验；数值模拟

静压桩技术由于噪音小、接桩方便、桩身品质有保证、施工清洁等优点，被广泛应用于城市建设。但实践表明，预制桩在静压期间会对周围环境产生不良影响，在贯入期间将使下部土体产生侧向位移并隆起，且对已压入的邻桩产生水平压力及竖向拉力，以致使邻桩产生诸多缺陷，如桩身弯曲、倾斜、侧移等，给工程带来不良后果。关于静压桩承载力的研究已较为深入[1-5]，但至今人们对压桩的挤土效应、沉桩机理等仍不是十分清楚，理论严重落后于工程实践。

有限元数值模拟方法已被证明是一种高效的模拟工具，许多学者利用其研究静压桩[6-8]。本文在分析了静力压桩试验及单桩静载试验中桩侧阻力的变化规律及其承载特性的基础上，采用ANSYS软件对静压桩进行模拟计算，得到了桩土之间的摩阻及变形，并对这些关键点进行比较分析[9-12]。

1 试验概况

预制桩为空心钢管桩，壁厚5 mm，每节桩长2.5 m，桩径500 mm，桩盖为20 mm厚并预留3个直径为20 mm孔洞(为利于应变片接线引出) 的钢板。孔洞处于桩盖的边缘，并沿桩盖均匀分布。每隔25 cm在孔洞的正下方贴一个应变片，每列共10个，在同一高度三等分处贴3个，共计30个。基本步骤：贴应变片，引线，编束，并进行校正，以确保每个应变片均能发挥作用。

1.1 试验场地

拟建场地位于兰州市五泉下广场东侧。地形较为平坦，场地地面标高为1 529.30～1 530.20 m。地貌单元为黄河南岸Ⅱ级阶地后缘，原地貌为山前冲洪积的古河道，地质条件较为复杂。土层基本物理性质如表1所示。

表1 场地土层分布

1.2 试验方案

试桩压入使用静力压桩机，试验加载采用慢速维持荷载法，每级加载为预估极限荷载的1/10～1/15，第一级可按2倍分级荷载加荷。沉降观测：每级加载后间隔5、10、15 min各测读一次，以后每隔15 min测读一次，累计1 h后每隔30 min 测读一次。

单桩静载试验在桩压入后10 d开始，堆载重40 t，加荷设备为油压千斤顶，设置基准梁，位移传感器测量桩顶位移。共分10级加载，每级荷重30 kN。加载、卸载按规范执行，采用位移计和应变片测量。现场载荷试验如图1所示。

图1 现场载荷试验

2 压桩过程分析

图2为侧摩阻力与压入深度关系图，从图2可以看出，侧摩阻力随桩的埋深而增加，且存在一有效深度，到达此深度就基本保持不变。但在-2～-6 m深度，侧摩阻力反复变化，该本段处于非饱和黄土和黄土状粉土层中，土质松散，侧摩阻力变化原因与桩周土性质有关。

图2 侧摩阻力与压入深度关系

侧摩阻力与压入深度关系曲线大致分为3段：桩端区，桩端附近土体被挤密而产生较大法向应力，使得该区域侧阻qs1较原状土的静态强度大；

高内在动机通过增强认知的灵活性和复杂性提升一般创造力。较强的自我实现需要、浓厚的兴趣、强烈的使命感和责任感可以激发内在动机，一旦内在动机得到激活，人的一般创造力就会大幅度提升。树立远大的理想、信念，培植强烈的社会责任感和使命感，同时保有对某一事物的持久兴趣可以激发较高的内在动机。当人感觉到对工作能够自主支配和有能力时，内在动机最容易产生[8]。给予个体更多的工作自主支配权以及提高个体能力能够促进提高内在动机。最后，由于外在动机对内在动机存在挤出效应[9]，因而，在可能的情境下，可以尽量减少对个体的经济报酬、物质奖励等的外在动机激励。

滑移区，桩贯入过程中由于土体被排开而产生扰动，使得该区域侧阻qs2小于qs1；

无侧阻区，由于桩贯入时产生横向晃动，地表处土体不断被扰动而出现裂隙，使得该区域侧阻qs3较小。

压桩力=端阻力+总摩擦力

压桩力、端阻力和总摩擦力分布见图3。静压法沉桩期间，其下土体被扰动和重塑，桩贯入时受到的土体阻力非静摩阻力，同样也非锤击法沉桩时的摩擦阻力。沉桩阻力与地层性质、持力层埋深、施工方法和硬土层厚度等因素有关。桩端阻力和桩侧阻力所占比率并非不变。压桩过程中，当桩端阻力较小时，静压桩以较大速度连续贯入，此时桩侧摩擦力较之更小，桩端阻力增大会导致沉桩速度降低。但是，当桩侧摩擦力值增到38.5 kN时，桩端阻力达到峰值，之后随着桩侧摩擦力的增大而减小。

图3 压桩力、总摩擦力和端阻力随深度变化

3 静载试验分析

由图4可知，试桩呈现出典型的摩擦桩特性，桩顶和桩端Q-S曲线较为相似，均为缓变型，无明显陡降段。

图4 单桩静载试验Q-S曲线

由图5可知， 侧摩阻力沿桩身分布是先增大，后变小； 在同一埋深，侧摩阻力呈增长趋势，且开始增长的速率较快。这说明随着荷载增加，桩身上部桩土之间首先发挥作用，达到极限摩阻力后逐渐往深处发展，紧接着中部摩阻力也达到极限，此时荷载传递到桩端处，桩端处土体被压缩而产生塑性变形，桩体产生沉降，但桩身下部桩土界面的摩阻力并未完全发挥达到其极限。

图5 侧摩阻力沿桩身变化

静压桩的终压力与单桩竖向极限承载力存在一定关系，但影响因素繁多，而今还很难对影响因素进行定量分析。前人通过大量试验资料的统计分析，建立了终压力与单桩竖向极限承载力的经验公式[9-11]。

本文根据压桩时运动特性，引入滑动摩擦因数建立经验公式：

Qu=KuPu

(1)

式中，Qu为极限承载力，Pu为终压力，Ku为与滑动摩擦有关的系数，其值为静摩擦因数与滑动摩擦因数的比值，滑动摩擦因数μ按Scheidegger的统计公式来确定：

lgμ=-0.156 6lgV+0.624 19

(2)

式中：V为桩周影响范围内土的体积，破裂面夹角为被动土压力时的破裂角。

式(1)偏于保守，将造成部分浪费，且未能反映桩长L对承载力的影响，根据大量的工程实践资料，对于不同的桩长，Ku可取如下值：当6 m≤L<15 m时，Ku取(0.7～1.0)；当15 m≤L<23 m时，Ku取(0.9～1.1)；当23 m

4 有限元模拟分析

4.1 模型建立

考虑对称性，取1/4桩进行分析，将土体大小取为在x，y，z方向的长度分别为桩的5倍、3倍、5倍。桩的弹性模量为土体的100倍，故设定桩为刚性体，土体为柔性体，因此桩上的面为刚性目标面，而土体的面为接触面。桩身和土体都采用SOLID45实体单元，每个节点具有x，y，z方向的自由度。具有塑性、膨胀、潜变、应力强化、大变形和大应变的能力，桩的本构模型为线弹性，土体的本构模型为Drucker-Prager模型。刚性目标面为Targe170单元，接触面为CONTA173 单元。建立的有限元模型如图6所示。施工过程采用单元生死技术实现。

图7为桩轴向位移云图，上图表明桩在荷载作用下位移是由桩周土的压缩变形和下卧层变形组成。由于桩体刚度和强度与土体相比较大，因而在瞬时荷载作用下，周围土体产生较大变形，该变形主要是由桩身摩阻力作用引起。

4.2 试验结果与有限元结果对比分析

由图8可以看出，桩体沉降ANSYS分析结果和测试结果基本吻合。当外力小于100 kN时，试验曲线与有限元曲线几乎一致，当外力大于100 kN时，试验结果总体比有限元结果小，总体变化趋势一样，都随着荷载的增加而增加。当外力大于200 kN时，沉降发展的速率比之前快。两条曲线均为缓变型，无明显陡降段，说明均未达到极限破坏状态。

图6 有限元模型

图7 桩竖向位移云图

图8 沉降对比

由图9可知，当荷载为30 kN时，在0～-2.5 m范围内有限元分析的轴力和实测的轴力相差较大，有限元结果先是略为减小，而后增大。-2.5 m以下范围内有限元分析的轴力和实测的轴力十分接近，沿着桩长变化比较均匀；当荷载为90 kN时，有限元分析的结果比实测的结果大，且0～-2 m范围内有限元结果存在突变，-2 m以下范围内变化较为均匀；当荷载为150 kN时，有限元结果比较理想，变化均匀，沿着桩长从上到下轴力逐渐减小，两者变化趋势基本一致。

由图10可知，当荷载小于210 kN时，有限元计算的摩阻力大于实测的摩阻力，当荷载大于210 kN时，反之，实测的摩阻力大。但总体来说，两者变化趋势相同，且在不同的荷载情况下，有限元计算的和实测的摩阻力的数值相差不大，说明有限元模拟结果较为理想。

图9 轴力对比

图10 摩阻力对比

5 结论

通过静力压桩试验及载荷试验，在引入滑动摩擦因数的前提下推导了承载力与终压力的关系。对黄土地区静压桩在施工过程中的承载性状及沉桩机理进行了研究，得出静压桩在非饱和黄土中的沉桩特性。将ANSYS计算值与实际测试值比较，二者较为接近、发展变化的趋势一致，说明ANSYS分析的结果可以为以后的工程设计和施工提供借鉴和参考。

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(责任编辑 周江川)

Field Testing and Numerical Modelling of Penetrating of Jacked Piles

ZHOU Jun-peng1, 2, HUANG Xue-feng1, 2, FANG Sheng1, 2

(1.Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 400041, China; 2.Chongqing Key Laboratory of Geotechnical and Geological Engineering Protection, Chongqing 401311, China)

In order to study the mechanism and bearing characters of static pressure pile in the process of pile driving mechanics, through the test and load test, static pressure pile under the premise of the introduction of sliding friction coefficient deduced the relationship between bearing capacity and final pressure, and static pressure under different loads under the bearing capacity of the pile and the relationship of the force that press a pile were analyzed; Static pressure pile in collapsible loess area in the construction process of bearing characteristics of pile driving mechanism was studied, and it is concluded that pile of static pressure pile is in unsaturated loess characteristics; Finite element calculation value was compared with the actual monitoring results, and the two were closer, and the trend of the development and change of consistent can show the results of finite element analysis for future reference and reference for the engineering design and construction.

jacked pile; pile jacking pressure; resistance at pile end; static load test; numerical modelling

2016-04-18；

2016-05-20

周俊鹏 (1991—)，男，硕士，主要从事地基处理与基础工程研究。

10.11809/scbgxb2016.10.039

周俊鹏，黄雪峰，方晟.静压桩压入过程的现场试验和数值模拟[J].兵器装备工程学报，2016(10):185-189.

format:ZHOU Jun-peng, HUANG Xue-feng, FANG Sheng.Field Testing and Numerical Modelling of Penetrating of Jacked Piles[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):185-189.

TU473

A

2096-2304(2016)10-0185-05