曹国星;刘雪颖;管金萍;王永洪
【摘 要】为准确分离黏性土中静压沉桩阻力中桩端阻力和桩侧阻力,通过在模型桩桩端安装轮辐式压力传感器,对沉桩过程中桩端阻力进行了精确测量.试验结果表明:桩端阻力随沉桩深度的增加呈逐渐增长的趋势;沉桩过程中桩端破土产生桩端阻力,桩端阻力最终为2.054kN;黏性土中的静力压桩结束时,桩端阻力承担了62.3％的荷载.总桩侧摩阻力随沉桩深度的增加逐渐增大;随着沉桩深度的增加,桩周土的侧压力逐渐增大,从而使桩侧摩阻力增大.研究结果可为桩基础设计提供参考.
【期刊名称】《低温建筑技术》
【年(卷),期】2019(041)006
【总页数】4页(P57-60)
【关键词】静力压桩;室内试验;压桩力;桩端阻力
【作 者】曹国星;刘雪颖;管金萍;王永洪
【作者单位】中国铁建航港局有限公司第三工程分公司,山东青岛266071;青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;青岛理工大学土木工程学院,山东青岛266033;蓝经济区工程建设与安全协同创新中心,山东青岛266033
【正文语种】中 文
【中图分类】TU473.1
0 引言
静压管桩沉桩过程桩端阻力随入土深度变化规律，不仅是进行桩基础设计的重要指标之一，也是研究其沉桩机理的关键。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，很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模型桩进行室内模型槽试验或离心模型试验来获得桩端阻力的变化规律。Nicola等[1]借助在离心机上进行的一系列模型桩试验，研究了均质砂土中模型桩在动态和静态荷载下的受力性能，并根据试验数据得到端部轴承响应的单一曲线。王浩等[2]通过模拟试验及颗粒流
程序数值模拟，对砂土中桩端阻力随位移发挥的内在机理进行了较为系统的研究。刘清秉等[3]在多种砂样及不同密实度条件下使用模型锥形探头进行了离心试验，模拟了在砂土中的静力压桩，研究了其桩端阻力与砂粒的关系。刘祥沛等[4]在模型箱中对混凝土模型桩进行了基底分别为黏土和砂土的静载模型试验，研究了试验过程中的桩身应力、桩侧摩阻力和桩端阻力的分布规律，并总结分析了桩基的几点破坏特点。蒋跃楠等[5,6]在模型槽中采用有机玻璃管质桩身模拟了砂土和分层土中的静力压桩，研究了模型桩在纯砂土中压桩的压桩力和桩端力以及研究了同一模型桩在不同土层及不同桩径的模型桩在同一土层中沉桩时的压桩力和端阻力。
静压桩贯入模型试验中土体变异性较大，测试桩端阻力的测试元件需要灵敏度高、稳定性好，能够准确量测数据。目前，通过室内模型试验研究静压桩的桩端阻力多是以在模型桩底埋设土压力盒来测量桩端阻力，但土压力盒灵敏度低，测量范围窄，尺寸也较大。本文通过开展了模型管桩在黏性土中的室内沉桩试验，并使用轮辐式压力传感器量测数据，研究了模型管桩在贯入过程中的压桩力与桩端阻力随沉桩深度的变化规律。为后续静压桩的试验研究提供参考。
ome 1031 试验装置
试验场地位于青岛理工大学动力试验中心，试验所用仪器为理工大学研制的大比例模型试验系统。该试验装置主要由数据采集系统、加载系统和模型箱3部分组成。此次试验中的数据采集的是桩端阻力，所用仪器是DH3816N静态应变采集仪。室内模型试验的加载系统主要由电控系统、液压千斤顶、横梁和反力架、静载控制系统等组成。电控系统可以实现控制加载横梁前后移动以及液压千斤顶的左右移动，从而进行压桩。静载控制系统主要包括RS-JYB静载试验主机和液压油泵，可以实现稳定加压，保证静力沉桩的连续性和稳定性，较大程度的贴合现场实际压桩。室内模型试验系统中的模型箱尺寸为3m×3m×2m（长×宽×高），相比其他学者[7,8]的试验，比例较大；模型箱正面有一钢化玻璃窗，便于观察沉桩过程。试验装置如图1所示。
图1 试验装置
2 室内静压沉桩试验
2.1 模型桩及传感器安装
本次室内试验进行单根模型桩的静力压桩试验，模型桩采用铝制材料，在模型桩桩端安装
轮辐传感器，安装完毕后的总长度为1200mm[9]；在桩顶安装土压力传感器进行压桩力的量测。本次试验中的模型桩桩端形式为闭口，通过内六角螺栓与管桩桩端相连，操作简易且紧密性好。
根据试验设计要求，本次试验过程中需要准确量测桩端阻力，从而实现桩侧摩阻力和桩端阻力的分离，选用可旋转式轮辐式压力传感器进行量测，轮辐式传感器灵敏度高，尺寸较小，可以准确量测数据。轮辐式压力传感器示意图见图2。
图2 轮辐式压力传感器
为了保证测量的准确性，需排除桩周土体对试验结果的影响，在桩端安装隔土套筒以分离土体，套筒高度约为20cm。首先将隔土套筒用内六角螺栓与桩端相连，后使用螺栓将压力传感器与桩端紧密连接，传感器略低于隔土套筒，压桩前，在底部用一等直径的薄钢板封装，以确保传感器受力均匀。安装轮辐压力传感器完成后的模型桩如图3所示。
图3 装有轮辐传感器的模型桩
2.2 试验土样制备
室内模型试验所用的土样取自青岛某工程现场，根据试验要求，试验用土样取自粉质黏土层，该层土样介于流塑～软塑状态。取回土样后，用装载机将土样分层放入模型箱中，然后将模型箱中的土样分层振实均匀并在其表面喷洒适量水分，保证试验土样水分的均匀性，同时在土样表面覆盖多层薄膜，防止水分的流失。静置30d，进行压桩试验。
在室内压桩试验前，对模型箱中的土样进行采样，根据GB/T 50123-1999《土工试验方法标准》[10]进行了一系列室内土工试验，测定了其相关的物理力学参数，具体参数见表1。
表1 土样物理力学参数相对密度ds重度γ/（kN·cm-3）含水率w/%液限wL/%塑限wp/%塑性指数Ip/%黏聚力c/kPa内摩擦角φ/（°）压缩模量Es1-2/MPa 2.73 18.0 34.8 34.8 21.2 13.5 14.4 8.6 3.3
2.3 试验过程
静力沉桩模型试验[11]在地基土制备完成后30d进行，试验前采集土样进行一系列室内土工试验，试验结果表明试验土样的含水率等条件已达到试验要求，可以进行静力沉桩试验。
（1） 静力沉桩试验过程中首先通过电控系统将加载横梁上的液压千斤顶移动到指定桩位。
（2） 然后打开静载试验主机，通过油泵控制千斤顶上升到一定高度，将模型桩直立放到待压桩位，使用磁性盒式水平尺吸附在管桩桩身表面上确定管桩是否垂直，防止发生偏心受压。
（3） 待确定管桩直立后，再次通过静载试验的主机控制油泵进行加压，使液压千斤顶缓慢匀速下降直至将要接触管桩桩顶时停止加压。
（4） 将轮辐压力传感器传输线依次与采集仪器连接，待确认连接无误且参数调整完毕后，在正式进行压桩试验前进行数据采集。
（5） 试验主要通过油泵加压使千斤顶逐渐降落，从而实现静力沉桩，沉桩速度约为300 mm/min。
（6） 鉴于液压千斤顶的行程有限，整个沉桩过程分两次完成，两次的沉桩深度相同，均为50cm。中间停顿一次以增加千斤顶的下落高度。刷式密封
3 试验结果及分析
3.1 沉桩过程压桩力分析
静力沉桩过程中的压桩力主要由桩侧摩阻力和桩端阻力组成，压桩力由桩顶压力传感器量测。可得到整个静力沉桩过程中模型桩的压桩力随沉桩深度的变化曲线，如图4所示。车载卫星天线
图4 静力沉桩过程压桩力变化
从图4可以看出，试验的管桩的压桩力随桩沉桩深度的增加近似呈线性增大趋势，但当沉桩深度超过0.5m时，沉桩过程中的压桩力增长速率降低。这主要是因为桩身下部桩土之间的摩阻力已达到极限，而桩身中上部桩土界面的摩阻力远小于桩端阻力，使得压桩力增长速率降低。
3.2 沉桩过程桩端阻力分析
静力沉桩过程中使用轮辐压力传感器量测了沉桩过程中的桩端阻力，绘制静力沉桩过程压桩力随沉桩深度的变化曲线，如图5所示。
图5 静力沉桩过程桩端阻力变化
真空加热炉
由图5可以看出，在整个静压沉桩过程中，管桩的桩端阻力[12]随沉桩深度的增加呈逐渐增长的趋势。当沉桩深度小于0.1m时，桩端阻力增长速率较大，主要是因为在刚开始沉桩时，桩端阻力较充分发挥，故其端阻力较大；当沉桩深度达到0.5m时，桩端阻力产生了突增，其原因主要是由于第一次沉桩结束，再次开始沉桩时桩端土体略有固结。当沉桩深度达到0.9m时，桩端阻力值较大；当沉桩结束时，桩端阻力为2.054kN，占压桩力的62.3%。可以看出，桩端阻力承担了大部分的荷载，压桩力中桩侧摩阻力占比较小，即桩侧摩阻力未充分发挥。试验中所用土体为黏性土，贯入阻力主要是由贯入过程桩端剪切土体产生的桩端阻力产生，桩侧摩阻力较小，与李雨浓等[7]在粘性土层状地基中贯入过程规律相近。
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