静压桩贯入特性对比试验研究

梁国伟， 徐泽强， 林振华， 王波， 刘楠， 王炎杰

（1.中国铁建投资集团有限公司，北京 100855；2.青岛理工大学土木工程学院，山东 青岛 266033；3.中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，太原 030024）

0 引言

多年来，人们对静压桩贯入受力状态进行过大量研究，取得了不少研究成果。在理论分析方面，李镜培等［1］分别采用柱孔扩张理论和基于SMP 准则改进剑桥模型的球孔扩张理论来计算桩侧阻力和桩端阻力。Sagaseta 等［2］介绍了在无限不可压缩介质中圆柱扩张的解析解，解决了塑性和弹性区域的大应变问题。在现场实测方面，张明义等、寇海磊等［3，4］通过桩端安装自制压力传感器、桩身预埋光纤光栅传感器的方法实测了压桩力、桩侧摩阻力及桩端残余应力。马海龙等、寇海磊等［5，6］通过原位试验揭示了开、闭口桩的承载力时效机理，对比分析了开、闭口桩的承载力时效系数。为了更加明确静压桩沉桩过程中受力状态，在室内试验方面，李雨浓等［7］借助西澳大学的鼓轮式离心机对黏性土中不锈钢闭口方桩在不同重力场下静力压桩过程桩侧摩阻力分布情况进行了研究。Nicola等［8］借助离心机对均质砂土中的模型桩在动态和静态荷载下的受力性能进行研究。在数值模拟方面，张晓健、周健等［9，10］从开口和闭口方面分别采用Adina、PFC2D等模拟软件对端阻力和侧摩阻力的发挥方式、砂土中管桩沉桩过程土塞形成机制进行了研究。叶建忠等［11］基于离散元理论通过颗粒流数值模拟的方法从细观层面分析了不同桩径、桩端形式对静压沉桩过程端阻力的影响。

目前国内外学者通过模型试验对静压沉桩受力特性的研究主要集中于砂土中，然而在实际工程中，静压桩主要在黏性土中工作，因此，桩基工程设计需要准确考虑桩在黏性土中的受力特性。因此，文中通过模型试验对比研究了黏性土中闭口静压沉桩受力特性。

1 试验准备

1.1 试验系统

试验装置采用自行设计的模型箱、加载系统和光电一体的数据采集系统。试验所涉及的测试内容均采用FS2200RM和DH3816N进行数据采集，其中沉桩过程的采样频率为1s/次。试验成功将可旋转式轮辐压力传感器成功应用于模型桩桩端测试桩端阻力，试验加载系统如图1所示。

1.2 试验土样的制备

将现场粉质黏土通过烘干、粉碎、过筛、洒水和静置使土体固结，如图2所示。在正式进行室内压桩试验前，对模型箱中的土样进行采样，土样属于粉质黏土，呈可塑状，具有中压缩性，相对密度约为2.73，黏聚力为14.4kPa，内摩擦角为8.6°，压缩模量为3.3MPa。

图2 FBG传感器的桩身布设图（单位：cm）

1.3 模型桩介绍

模型桩为闭口铝制材料，外径140mm，壁厚3mm，两根试桩长度分别为1200、1000mm。2根试桩均通过内六角螺栓与管桩桩端相连，管桩的具体参数如表1所示。

表1 模型管桩参数

2 试验方案设计

为保证试验顺利进行以及便于观察沉桩过程各试桩的受力状态，试验设计共进行2 根模型桩的沉桩试验，沉桩深度分别为1100、900mm，沉桩速率均为300mm/min，桩身安装FBG传感器各6个，桩顶压力传感器各1 个，试桩A1 桩端安装轮辐压力传感器1 个。FBG传感器的桩身布设图，如图2所示，桩顶压力传感器如图3所示，轮辐压力传感器如图4所示。

图3 桩顶压力传感器

图4 轮辐式压力传感器

3 静力沉桩试验结果分析

3.1 沉桩过程受力性状分析

试验共进行了2 根模型管桩的静力沉桩试验，量测了沉桩过程中的压桩力、桩端阻力、桩侧摩阻力等，全面研究分析了静力沉桩过程中试桩的受力状态。其中，2根试桩的沉桩过程全荷载曲线如图5所示。

图5 各试桩沉桩全过程荷载曲线

从图5 可以看出，试验过程中2 根试桩的压桩全过程压桩力等荷载随着沉桩深度的增加逐渐变大；试桩A1、A2 的整体变化趋势相近，数值大小不同，分析主要是因为试桩A1、A2均为直径140mm的闭口管桩，所以趋势相近，但试桩A1 的端阻力由轮辐压力传感器监测，且两者桩长不同，故数值不同。根据图5可以整理得出每根试桩的桩端阻力、桩侧阻力占压桩力的百分比，见表2。

表2 沉桩结束时压桩力占比百分比

由表2可得，静力沉桩过程中，各试桩桩端阻力占压桩力的比例从大到小依次为：A1＞A2；桩侧摩阻力占压桩力的比例从大到小依次为：A2＞A1。数据表明此次关于闭口管桩在黏性土体的静压过程，2 根试桩桩端阻力占比均过55%，说明桩端阻力承担大部分压桩力。

3.2 沉桩过程压桩力分析

图6为桩顶荷载与沉桩深度的关系曲线。从图6可以看出，沉桩深度小于50cm时压桩力增长较快，随后增速变缓，说明随着沉桩深度增大，土体密实作用越明显，试桩贯入土体的速度减慢［12，13］。从图中会可以看出，沉桩初期（0～20cm 的沉桩深度范围内）试桩A2的压桩力反而大于A1，分析对比，桩长因素起主导作用，说明沉桩初期，桩长越大，对桩周土体扰动越明显，桩-土间相互作用被削弱。

图6 静力沉桩过程压桩力变化

随着沉桩深度的增大，试桩长的反而压桩力大，沉桩结束时，试桩A1 比A2 高出12%，即每100mm 压桩力高出0.18kN；桩长对沉桩终压力的影响程度较大，分析认为桩长既影响桩端阻力又影响桩侧总摩阻力［14，15］。

3.3 沉桩过程桩端阻力分析

图7为桩端阻力与沉桩深度的关系曲线。从图7可以看出，桩端阻力在深度约为10cm（约0.1 倍桩径）处的变化趋势有一定的转折。桩长越长桩端阻力提高较大，桩长越短桩端阻力提高较小，且桩长短的桩端阻力提高早于桩长长的，增加荷载主要因土体表面存在硬壳层而产生，随着沉桩深度的增加，桩端阻力逐渐增大，沉桩深度大于10cm后，试桩A1桩端阻力始终大于试桩A2。可能的原因是，土体深度越大，桩端破土沉桩需要的荷载越大，桩土作用造成桩端阻力明显的提高［16］。沉桩结束时，试桩A1 比A2 高出17.6%，说明增加桩长对桩端阻力存在一定的作用效果。

图7 桩端阻力变化曲线

3.4 沉桩过程桩侧摩阻力分析

各试桩静力沉桩过程中的总桩侧摩阻力是由桩身表面粘贴FBG 传感器并通过FS2200RM 光纤光栅解调仪测得的光纤的波长差。

图8为试桩A1和A2在沉桩过程中桩侧摩阻力的分布情况。可以看出，沉桩深度约在10～50cm 范围内，试桩A1和A2桩侧摩阻力均存在先增大后减小的趋势，沉桩深度超过50cm 后，试桩A1 和A2 桩侧摩阻力再次出现先增大后减小再增大的趋势。同时可以看出桩长不会影响桩侧摩阻力的分布形式，随着桩长的增加，桩侧摩阻力的分布形式基本没有影响。当沉桩结束时，试桩A1和A2的桩侧摩阻力分别为1.32kN和1.23kN。桩侧摩阻力的分布总体上是随着沉桩深度的增加而增加，原因是在整个沉桩过程中，随着沉桩深度增加，桩土结合的更紧密，随沉桩深度增加桩侧摩阻力表现为持续增加［17］。

图8 静力沉桩过程总桩侧摩阻力变化

4 结语

文中通过室内模型试验研究了黏性土中不同桩长静压沉桩受力特性，得出结论如下：

（1） 通过桩身安装多种测试元件成功测得静压桩贯入力学特性，成功将可旋转式轮辐压力传感器成功应用于对桩端阻力监测。

（2） 沉桩结束时，桩长对沉桩终压力的影响程度较大。沉桩深度增大，桩侧摩阻力高出27.7%，说明桩长是影响桩侧摩阻力发挥的重要因素。

（3） 试桩A1 和A2 静压沉桩产生的桩端阻力和桩侧摩阻力，均随着沉桩深度的增加表现为持续增加。