静压桩贯入特性室内模型试验研究进展

2022-03-08刘雪颖王永洪张明义白晓宇

青岛理工大学学报 2022年1期

刘雪颖，王永洪，张明义，白晓宇

(1.青岛地矿岩土工程有限公司，青岛 266101；2.青岛理工大学土木工程学院，青岛 266525； 3.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛 266525)

静压沉桩是利用静压力将预制桩压入地基中的一种桩基础施工方法，是通过静力压桩机的压桩机构以压桩机自重和机架上的配重提供反力而将预制桩压入土中的沉桩工艺，完全避免了锤击打桩所产生的振动、噪声和污染，具有无噪声、无振动、施工速度快、沉桩质量好、综合经济效益高等诸多优点，在工民建、道桥、市政、港口等工程领域中备受青睐[1-3]。静压沉桩的压桩设备技术已较为成熟，较其他沉桩方法优势明显，工程应用广泛，符合绿色岩土的要求，但静压沉桩的力学特性受压桩力、沉桩速度、土层、地下水等因素共同影响，因此对其贯入机理的研究还不够充分，静压桩多通过工程类比或原有经验来进行设计[4]。

目前，常用的静压沉桩贯入机理研究方法有：理论分析法[5-10]、原位试验法[11-15]、数值分析法[16-19]、模型试验法[20-23]。由于影响静压桩贯入机理的因素复杂，用理论进行严格分析的难度较大；原位试验虽然所测数据真实可靠，但试验成本较高、耗时较长且现场操作难度大；数值分析法利用模拟软件进行模拟，具有周期短、花费小、效率高等优点，但是由于岩土工程的一些不确定因素，输入参数难以精确，还有模型简化等问题，存在一定局限性。而模型试验法可以根据具体工况合理选择制作地基土、模型桩，根据研究方法安装特定的监测传感器，对所需数据进行监测和采集。模型试验法成本低、效率高、易于操作且所测数据针对性强，所以学者们纷纷选择模型试验法对静压沉桩贯入机理进行研究，并取得了诸多成果。本文对静压沉桩贯入机理室内模型试验研究中的相似原理、常重力场及离心模型试验的研究成果和存在的问题、传感测试技术在室内模型试验中的应用进行介绍性总结和分析，并对其未来的发展方向进行展望。

1 相似原理

相似理论是解释自然界和工程实践中存在的各种相似现象原理的学说，它是研究自然现象中个体性与普遍性、特殊性与普遍性、内部矛盾与外部条件之间关系的理论。在结构模型试验中，只有当模型与原型完全保持相似时，才能从模型试验结果中推导出准确的原型结构的相应结果。它的理论基础，是关于相似的三个定理。相似第一定理是指两相似现象的相似指标为1，相似准则相同。这是由法国人BERTRAND J建立的[24]，在使用相似原理指导模型研究时，首先要推导出相似准则，然后在模型试验中测量与相似准则相关的所有物理量。相似第二定理是设某个物理现象含有n个物理量φ(x1,x2,x3,…,xn)=0，其中m个为基本物理量(量纲相互独立)，那么这n个物理量可以表示为(n-m)个相似准则π1,π2,…,πn-m之间的函数关系：

f(π1,π2,…,πn-m)=0

(1)

即为准则方程。这一定理是1914年由美国学者Buckingham首先提出的，所以又称为Buckingham定理[25]。相似第二定理表明将各物理量的关系方程转化为无量纲方程，则方程的项即为相似准则。对于相似第二定理，必须找到相似准则的推导方法。推导相似准则的方法有三种：方程分析法、定律分析法和量纲分析法。从理论上讲，可以用三种方法得到相同的结果，但物理现象(或过程)可以用不同的数学方法来描述。相似第三定理为相似的充分必要条件。相似现象应符合的条件：①两个相似的现象必须用一个方程组来描述；②单值条件类似；③由单值量组成的相似准则要相等。相似第三定理是由原苏联人KUPNHYEB M B提出的[26]。

模型设计的理论基础是相似理论，在模型测试中，主要问题是如何设计模型以及如何将模型测试的结果推广到原型实体对象。因此，在结构模型试验中，几何尺寸的确定需要综合考虑模型类型、材料、生产条件、承载能力、测点布置和设备条件等，以确定最佳几何尺寸。目前，模型试验的基础条件已较为完善，可以满足材料与设备条件等的要求，但仍无法完全解决相似比的问题。

2 常重力场室内模型试验

鉴于现场试验的工程地质条件复杂、各种不确定性因素较多等情况，许多学者通过简化现场复杂的土层条件，在室内利用按比例缩尺的试验箱和试桩在常重力场下进行室内模型试验，通过控制不同的试验条件来研究静压桩的贯入机理。

2.1 均质土中的室内模型试验

由于砂土的制备较为简便，国内外众多学者选择砂土作为地基土对静压桩沉桩贯入机理展开研究：CHIN等[27]基于干石灰质砂土的模型桩室内试验，研究了模型桩在循环荷载作用下桩身摩阻力的尺度效应；但缩尺后的模型桩的弹性模量未满足相似比，所得结论不具有普适性。LEHANE等[20]通过以砂土为地基土的模型槽静压沉桩试验，研究了开口管桩的桩径与壁厚对开口管桩承载性状的影响，结果表明在管桩内壁上测得的剪切应力的大小和分布与现有的试验数据相吻合，并且承载性状与应力水平、界面摩擦角等相关。YASUFUKU等[28]根据压缩系数、摩擦角和剪切刚度对砂土地基桩端承载力进行了研究，提出了一种基于理论和试验预测砂土中桩端承载力和荷载-沉降曲线与土壤压缩系数的关系的计算方法，并通过数据对比，验证了该方法的适用性。王浩等[29]通过砂土中的模型试验对桩端土体位移、应力和孔隙变化进行了分析，并对桩端阻力随位移变化的贯入机理进行了研究。周健等[30]采用室内模型试验研究了密实砂中静压桩沉桩贯入机理，对桩周土体的力学响应进行了分析，通过模型试验对不同位置土体的位移模式进行了对比与研究，揭示了其变位规律，其桩周土体位移矢量场与桩周土体径向位移如图1所示。蒋跃楠等[31]基于砂土中的静力压桩，研究了具有不同桩端的模型桩在均质砂土中的压桩力和桩端力。刘祥沛等[32]通过自行设计的静压桩承载力室内模型试验，进行了以砂土为桩端土的室内模型试验，对桩顶荷载、位移、桩侧摩阻力和桩底反力进行了测试，对静压桩的破坏特征进行了进一步研究。以砂土为地基土的室内模型试验，操作简便，可以定性地分析静压沉桩贯入机理，但均质砂土与天然地层相差较大，且实际工程中多是在黏土中进行沉桩，实际工程中桩基础多应用于软黏土地基中，在砂土和黏性土中沉桩机理是存在显著差异的，砂性土中，抗剪强度变化不大，各土层作用于桩上的桩侧摩阻力并不是一个常值，而是一个随着桩的继续下沉而显著减少的变值；而黏性土存在黏聚力，在黏土中沉桩，桩与黏土间存在的摩擦类别与砂土不同，因此其试验结果难以适用于不同土层中的沉桩贯入机理的分析。

图1 桩周土体的位移变化[30](单位：cm)

随着对静压桩沉桩贯入机理研究的不断深入，越来越多的学者选择在黏性土地基中进行静压桩室内模型试验：LEHANE等[20]通过黏土中的沉桩模型试验，测量了沉桩过程中的桩身应力、桩侧土压力和孔隙水压力，并将实测值与理论值相比较，结果较为吻合。AZZOUZ等[21]采用一种现场测试装置PLS进行了两种黏土中的沉桩模型试验，测量了沉桩过程中的总水平应力、剪应力和孔隙水压力，研究了桩侧摩阻力的发挥性状。胡立峰等[33]通过在均质黏性土中的静压桩模型试验，研究了沉桩过程中静压桩的力学机理，试验结果表明在均质黏性土中静压沉桩，其桩端阻力和桩侧阻力的比例是不断变化的。周淑芬等[34]通过在黏性土中进行的大型室内超长群桩模型试验，对室内模型试验和原有实测数据进行分析，获得了超长群桩的荷载传递机理和承载力特性。杨庆光等[35]通过在黏性土中进行模型试验，对比研究了楔形与等截面静压桩沉桩贯入机理的差异，结果表明贯入阻力与楔角大小呈正相关。刘祥沛等[32]通过同时进行桩端土为黏性土的室内沉桩模型试验，与桩端土为砂土的试验结果进行对比，总结了桩基在黏性土地基中的破坏特征。黏性土地基的制作较为困难，如何获得饱和黏土是目前黏性土地基室内模型试验中的一大问题，这也制约着对静压沉桩贯入机理的研究。

可以看出，无论是均质砂土还是均质黏土中的室内模型试验，大都局限于单一土层对贯入机理影响的研究，以单一土层为地基土的室内模型试验可以获得静压桩沉桩机理的定性分析结果，为静压桩的沉桩机理的研究提供一定的借鉴与参考。但实质上静压桩贯入机理主要受土层性质等因素的影响，基于单层土获得的贯入机理与实际沉桩过程中的贯入机理相差较大。其次，上述室内模型试验大多未考虑模型桩的弹性模量问题，导致所得出的结论仅可为静压桩贯入机理的定性分析所用。

2.2 成层土中的室内模型试验

图2 模型试验[22]

为了获得成层土的沉桩贯入机理，部分学者基于成层土进行了室内模型试验：张述涛等[36]基于手摇式静力触探仪进行压桩，在双层地基中将模型桩连续，得到了桩侧土体位移的变化规律，并分析了其最终的位移场，获得了静压桩在双层地基中不同于均质地基的位移变化规律。李雨浓等[22]通过在多层软黏土地基中进行静力压入模型桩，监测了整个沉桩过程中的压桩力、桩动端阻力及桩动侧阻力，研究了桩在土层分界面处的阻力变化与桩周土的应力分布，其模型试验如图2所示。李镜培等[37]通过室内模型试验研究了成层地基中静压桩的贯入机理，并分析了沉桩过程中的挤土效应，获得了静压桩在软硬土层交界处的土体位移变化规律。孙晓东等[38]通过在饱和成层土中进行的静力压桩模型试验，对比研究了沉桩过程中单桩与多桩沉桩贯入机理的联系与区别，获得了挤土效应的相关解答，其单桩贯入时不同土体位置处的水平位移如图3、图4所示。

基于常重力场下的室内模型试验的研究，在静压桩的贯入机理及承载机制等方面有着大量的研究成果。但在常重力场下进行模型试验，仍有近半数的相似比无法满足，同时原型与模型的库仑准则也并不相似。因此，常重力场下的室内模型试验所反映出的桩土相互作用、桩土界面受力特性与地基土的变形情况与原型并不完全相似，所得到的试验结果也无法得出原型的实际特性。

3 离心模型试验

3.1 离心试验原理

在岩土工程问题中，自重产生的应力场往往对工程结构和周围介质的变形、强度和稳定性起主导作用。在考虑自重的相似材料模拟试验中，需要使模型与原型在材料强度、容重、几何尺寸、变形特性和应力状态等方面均相似，且各相似比之间要满足一定的约束条件，但要同时满足这些相似条件很困难。且岩土体的物理力学性质又很复杂，因而，通常只能放松约束条件，这样的试验结果很难用来评价工程原型的实际力学行为和工程特性。

如果采用原型材料将工程原型按一定比例CL缩制成模型，那么模型和原型的物理力学性能完全相同。为了使模型的应力状态能够反映原型的应力状态，当物理力仅为重力时，必须满足以下条件：

(2)

由于原型与模型的材料相同，CE=1，则有

(3)

表1 离心模型试验参量比例常数

因此，为了使模型的力学状态与原型完全相似，模型的容重应该是原型容重的CL倍。由于离心加速度场与重力加速度场具有完全相同的力学效应，如果将模型置于CL倍重力加速度的离心加速度场中，模型中的应力场与原型中的应力场将完全相似。

根据上式可知，离心模型的CL越大，所需的离心加速度越大，容重相似比越小。根据相似原理，在离心模型试验中，模型中任意点的应力、应变与实体中对应点的应力、应变均相等，而实体的位移即为模型对应点位移的CL倍。

经过计算可得离心场模型试验参量比例常数，见表1。

3.2 静压桩离心模型试验

NICOLLA等[23]借助离心机进行了一系列的离心模型试验，研究了在均质砂土中模型桩在沉桩过程与静载过程动态和静态荷载下的受力性能，并将试验数据进行归一化后得到了端部轴承响应的单一曲线。刘清秉等[39]基于多种砂样及不同密实度的条件下使用模型锥形探头进行了离心试验，模拟了中等圆形闭口桩在不同砂土中的静力压桩，研究了其桩端阻力与砂粒粒径的关系。陈文等[40]通过离心机进行了两种不同性质的黏性土的模拟沉桩试验，通过在土中埋设的孔压计实测了压桩过程中的超孔隙水压力，获得了超孔隙水压力的影响范围。李雨浓等[41]基于西澳大学室内离心机，对预固结的高岭黏土进行了不同离心力场下的沉桩模型试验，获得了沉桩过程中的径向应力和桩侧摩阻力的变化规律，并利用两种经验公式对侧摩阻力进行了预测与对比，其不同重力场下的径向应力分布如图5所示。

JANG等[42]进行了一系列离心试验，通过改变桩的直径和长度来评估嵌入砂层的吸力桩的最大水平拉力，发现吸盘的水平拉出能力与其直径和长度的平方成正比。WENG等[43]基于60 t重的地球离心机上进行了一系列离心模型测试，采用FBG传感技术监测在黏土土层中进行静态压桩所产生的应变，所提出的基于FBG的传感器组件能够有效地监测沉桩过程中的应变分布。TRUONG等[44]在鼓式离心机试验中，对中等密度和高密度砂中单桩对横向循环载荷的响应进行了系统的研究。离心试验是在不同的循环载荷和强度比下进行的，而循环载荷的顺序也有所不同。试验结果为单向循环荷载下的单桩提供了经验设计建议。

图5 径向总应力[41]

对常重力场室内模型试验与离心模型试验的优缺点进行了对比，见表2。

表2 常重力场室内模型试验与离心试验对比

4 传感测试技术

传统的传感测试技术是采用电阻应变片作为传感元件，将应变片粘贴或安置在构件表面上，随着构件的变形，应变片敏感栅也产生相应变形，将被测对象表面指定点的应变转换成电阻变化。电阻应变仪将电阻变化转化为电压(或电流)信号，由放大器放大后由指示仪表显示或记录器记录，也可以输出到计算机等设备进行数据处理，获得最终结果。

近年来，传感测试元件凭借灵敏度高、精度高和尺寸小等优点广泛应用于室内模型试验数据采集。ALI等[45]通过在静压沉桩模型试验中使用恢复传感器代替应变传感器，监测了静载试验中各级的载荷和桩身位移。周健等[30]在模型桩桩顶安装了荷重传感器，获得了桩端阻力和桩侧摩阻力的分布规律。朱友群等[46]基于FBG-布里渊时域分析技术监测了打入桩的桩身应变，分析了打入桩的贯入机理。李雨浓等[41, 47]以高岭黏土为地基土进行了静压沉桩离心试验，在模型桩桩顶安装荷重传感器，如图6所示，测试了沉桩过程中的沉桩阻力，研究了静压桩贯入机理。王永洪等[48]在均质黏性土中进行静力压入模型桩室内试验，分别在桩端和桩身安装双模式光纤光栅土压力传感器和增敏微型光纤光栅应变传感器，其所用传感器如图7所示，分析了沉桩过程中的贯入机理及桩端阻力与桩侧摩阻力的发挥特性。

在静压桩室内模型试验中，传感测试技术凭借其连续监测、线路简单、传输距离长、精度高以及抗干扰能力强等优点，可以实时监测静压桩在沉桩过程中的应力和变形，通过传感测试元件进行数据采集的广泛应用，获得了桩土界面处的相关沉桩机理，促进了对静压桩贯入机理的研究，结果表明传感测试技术在静压桩室内模型试验中具有较高的准确性。在今后的发展中，建议将传感测试技术与粒子图像测试等新兴技术[49]相结合进行静压桩室内模型试验的数据检测与分析。