钙质砂中桩基承载性状的模型试验研究

杨 超，江 浩，岳 健，刘 洋

(1.湖南科技大学 a.页岩气资源利用湖南省重点实验室; b.岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201; 2.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013)



钙质砂中桩基承载性状的模型试验研究

杨 超1a，1b，江 浩2，岳 健1b，刘 洋1a

(1.湖南科技大学 a.页岩气资源利用湖南省重点实验室; b.岩土工程稳定控制与健康监测湖南省重点实验室，湖南 湘潭 411201; 2.山东电力工程咨询院有限公司，济南 250013)

通过室内模型试验研究钙质砂中桩的承载性状，并采用石英砂进行对比。试验结果表明：在钙质砂和石英砂中桩的承载性状差异显著；开、闭口对桩的承载性能影响不大，相对密实度越大表现越明显；相同相对密实度下钙质砂中闭口桩的承载力较石英砂中低很多；钙质砂中桩侧荷载分担较小，大部分荷载由桩端土体承担，桩身下部与上部轴力相差不大，密实度越大，桩端轴力分担比例越高；石英砂中，桩身轴力沿桩身呈迅速减少，轴力衰减速率随深度增加而增大；与钙质砂相比，石英砂中桩侧摩阻力大很多；钙质砂和石英砂中桩侧摩阻力分布形式相似，近似呈抛物线型，表现出相同的性质；钙质砂中桩侧摩阻力未随相对密实度的增大而明显增加，而石英砂中桩侧摩阻力随相对密实度的增大而增加十分显著。

钙质砂；模型试验；承载力；桩侧摩阻力；颗粒破碎

1 研究背景

钙质砂是一种海洋生物成因，CaCO3含量超过50%的粒状、片状材料，其颗粒强度低、形状不规则、棱角尖锐，一般还具有内孔隙，因此更易于颗粒破碎[1-2]。钙质砂地层的特殊性质，使其桩基承载性状极其复杂，已有桩基工程中的传统经验难以适用于钙质砂地层[3-6]。因此，学者们采用室内模型试验和现场测试的方法对钙质砂中桩基承载性能进行了广泛研究[7-12]。尤其近年来对南海石油天然气资源的勘探和开采、南海诸岛开发以及国防需要，开展钙质砂中桩基承载性状的研究显得尤为重要。

本文通过对比钙质砂和石英砂2种不同岩土材料中开口桩和闭口桩的荷载-沉降关系、桩身轴力传递特性以及侧摩阻力特性进行钙质砂中桩基承载性状研究。

2 试验概况

2.1 试验材料

试验所用钙质砂取自南海南沙某岛礁附近海域，为未胶结松散珊瑚碎屑沉积物，对比材料采用石英砂；钙质砂与石英砂均采用干砂，含水量不超过2%。同时，为减少颗粒破碎对试验结果的影响，分层轻压控制钙质砂和石英砂的相对密实度Dr为46%和75%。试验材料物理性质参数、颗分曲线分别见表1和图1。

表1 试验材料的物理性质参数

图1 钙质砂和石英砂颗分曲线

2.2 试验方案

试验选择模型箱尺寸为：φ700 mm的钢性圆筒，高900 mm；模型桩为：模型桩采用无缝钢管，弹性模量Es=2.06×105MPa，外径30 mm，内径24 mm，长600 mm。

图2 试验模型及加载实景

试验模型如图2所示。参考文献[13]，本次试验中模型的几何尺寸相似比例为1∶30。江浩[8]在临近箱壁和箱底的砂中各埋设一个土压力盒来测试模型箱的边界效应；实测发现，临近箱壁和箱底处砂的土压力变化很小，几乎可以忽略不计，可以认为边界效应已消除。因此，本试验可以不考虑模型箱的边界效应影响。

试验采用3 kN的油压千斤顶加载，施加荷载通过油压表控制；桩顶位移由对称设置的2个百分表测得；桩身平均布置5个应变测点，均设置有特殊防潮措施的箔式电阻应变片；同时，在靠近模型箱边缘的土层中设置温度补偿片。试验前，对所有测量传感器进行标定。

试验采用快速加载，每级加载1 h后，施加下一级荷载；每5，10，15，15，15 min各记录1次读数；若桩顶的沉降量为前一级荷载作用下沉降量的5倍或达到千斤顶最大行程方可终止试验。

图3 开、闭口桩Q-s曲线

3 试验成果分析

3.1 开、闭口对桩基承载特性的影响

从图3可以看出:钙质砂地基中，桩顶荷载P较小时，即Q-s曲线呈直线段，此时桩周土变形处于弹性阶段，开、闭口桩的Q-s曲线较接近，开、闭口对桩的承载性能影响不大，相对密实度越大表现越明显；随着荷载的继续增大，Q-s曲线进入曲线段，此时桩周土进入塑性阶段，开口桩桩端土体进入桩体内部，开、闭口对桩的承载性能影响开始显现，但由于钙质砂颗粒破碎的影响，土塞效应并不十分明显；Dr=46%时，闭口桩的单桩极限承载力比开口桩提高约12%；Dr=75%时，闭口桩的单桩极限承载力比开口单桩提高约17%；相对密实度对开、闭口桩的承载能力提高影响不大。

同时，相同相对密实度下钙质砂中闭口单桩的承载力较石英砂中低很多。如Dr=75%，钙质砂中闭口桩的单桩极限承载力为2.15 kN，约为石英砂的66%，体现出钙质砂具有特殊工程性质。

3.2 桩身轴力传递特性

由图4可以看出，各级荷载作用下，钙质砂中桩侧土分担荷载较小，大部分承载力由桩端土体承担，桩身轴力变化不大，桩端轴力达70%以上，表现为摩擦端承桩性状；相对密实度越大桩端轴力分担比例越高，但提高比例不大，Dr=75%较Dr=46%中桩端轴力分担比例提高约5%(见图5)。

图4 不同桩顶荷载闭口桩桩身轴力分布

图5 不同相对密实度钙质砂地基中闭口桩桩身轴力分布

然而，石英砂中桩身轴力分布较钙质砂中有较大差异(见图4、图6)。石英砂中，桩身轴力沿桩身呈迅速减少，轴力衰减速率随深度增加而增大，荷载较小时，桩端轴力分担桩顶荷载比例约5%；随荷载增大，端阻增加较快，相对密实度越大，增加越大。Dr=46%，桩顶荷载0.22 kN时，桩端轴力分担桩顶荷载比例5%，桩顶荷载增加0.95 kN，桩端轴力分担桩顶荷载比例达46%；Dr=75%，桩顶荷载0.34 kN时，桩端轴力分担桩顶荷载比例12%，桩顶荷载增加2.90 kN，桩端轴力分担桩顶荷载比例达70%。与钙质砂相比，石英砂中桩侧摩阻力大很多。钙质砂和石英砂地基中桩端土体分担荷载比例见表2。

图6 钙质砂与石英砂地基中桩身轴力之差

地基类型相对密实度Dr/%桩顶荷载/kN桩端轴力/kN桩端分担荷载比例/%钙质砂石英砂460.220.1568460.830.6882750.340.2574752.902.4986460.220.105460.950.4446750.340.0412752.902.0270

图7 不同桩顶荷载闭口桩桩侧摩阻力分布

3.3 桩侧摩阻力特性

从图7可以看出，钙质砂和石英砂中桩侧摩阻力分布形式相似，近似呈抛物线型，表现出相同的性质，二者桩侧摩阻力都随桩顶荷载增加而增大；当荷载到达一定值时，桩侧摩阻力基本维持一个稳定值，而不随荷载而发生较大的变化。值得注意的是，钙质砂中桩侧摩阻力并未随相对密实度的增大而显著增加；钙质砂中相对密实度Dr为46%，75%时，桩侧极限摩阻力分别为3.86 kN和4.56 kN。而石英砂中桩侧摩阻力随相对密实度的增大而增加十分显著；相对密实度Dr为46%，75%时，桩侧极限摩阻力分别为14.08 kN和22.84 kN。

一般认为，钙质砂的摩擦角高于石英砂，但钢管桩的桩侧摩阻力却远远小于石英砂的，承载能力也较低是由钙质砂颗粒破碎造成的[14]。桩侧摩阻力可由式(1)求得，即

(1)

轴向荷载作用时，通过桩土应力传递，桩周土会同时产生剪切作用和挤压作用。剪切作用使桩周土发生大量的颗粒破碎；挤压作用在使桩周土压密的同时，还促使钙质砂发生颗粒破碎；从而导致桩周砂土级配随之变化，桩周水平有效应力减小。对于钙质砂来说，颗粒破碎引起的桩周水平有效应力的降低远远大于挤密作用导致水平有效应力的增加[11]。

4 结 论

(1) 开、闭口对桩的承载性能影响不大，相对密实度越大表现越明显；且相同相对密实度下钙质砂中闭口桩的承载力较石英砂中低很多。

(2) 各级荷载作用下，钙质砂中桩侧分担荷载较小，大部分荷载由桩端土体承担，桩身下部与上部轴力相差不大，密实度越大，桩端轴力分担比例越高。石英砂中，桩身轴力沿桩身迅速减少，轴力衰减速率随深度增加而增大。与钙质砂相比，石英砂中桩侧摩阻力大很多。

(3) 钙质砂和石英砂中桩侧摩阻力分布形式相似，近似呈抛物线型，表现出相同的性质。当荷载到达一定值时，桩侧摩阻力基本维持一个稳定值，而不随荷载而发生较大变化。但钙质砂中桩侧摩阻力并未随相对密实度的增大而显著增加；而石英砂中桩侧摩阻力随相对密实度的增大而增加十分显著。

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(编辑：赵卫兵)

Model Test on Bearing Behaviors of Single Pile in Calcareous Sand

YANG Chao1,2, JIANG Hao3, YUE Jian2, LIU Yang1

(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2.Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;3.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co. Ltd., Jinan 250013, China)

The bearing behaviors of pile in calcareous soil foundation were studied by model test. Silica sand was also tested for comparison. Results reveal that the bearing behaviors of single pile in calcareous sand are different with those in silica sand. The bearing capacity of end-open pipe pile hardly differs from that of end-closed pipe pile. But in the presence of the same relative compaction, the bearing capacity of end-closed pipe pile in calcareous sand is much lower than that in silica sand. Moreover, in calcareous sand, the soil at pile’s endpoint undertakes most of the loads, and the axial force on the upper part of the pile has no big difference with that on the lower part. The greater the soil compactness, the more the ratio of load sharing by pile’s axial force. In silica sand, the axial force of pile reduces rapidly along the depth direction, and the rate of decay grows with the increase of depth. The side friction of pile in silica sand is larger than that in calcareous soils. The side friction of pile in calcareous sand distributes in a parabola shape, which is similar with that in silica sand. In calcareous sand, the side friction resistance of pile does not increase with the increase of relative compactness; whereas in silica sand, the increase is remarkable.

calcareous sand; model test; bearing capacity; side frictional resistance; grain crushing

2015-10-03；

2015-11-06

国家自然科学基金项目(51308209，51608192)；水能资源利用关键技术湖南省重点实验室开放基金项目(PKLHD201602);湖南科技大学科研启动基金(E51497)

杨 超(1983-)，男，湖北武汉人，博士，讲师，主要从事岩土力学与工程方面的教学和研究工作，(电话)0731-58290269(电子信箱)yangc_3201@foxmail.com。

10.11988/ckyyb.20150830

2017,34(1):87-90

TU43

A

1001-5485(2017)01-0087-04