静压沉桩与CPTU贯入离心模型试验及机制研究

为了探究静压沉桩与CPTU贯入力学机制,开展了饱和黏土中静压沉桩及CPTU贯入的离心模型试验,获得了静压沉桩与CPTU贯入过程中土压力、超孔压和贯入阻力的变化规律。同时,将静压桩和CPTU压入过程视为一系列球孔的连续贯入,应用圆孔扩张解答,建立了静压沉桩和CPTU贯入过程中锥头阻力、侧阻力与超孔压的预测方法。通过离心模型试验和理论预测结果的对比分析表明：随着桩体的压入,桩周土体的超孔压和土压力均逐渐增大,当桩头通过监测点时,超孔压与土压力均达到最大值;在饱和黏土中,CPTU锥头阻力、锥侧摩阻力和锥头超孔压与锥头贯入深度总体上呈线性关系。预测方法估算沉桩和CPTU贯入引起的土压力、超孔压与模型试验结果相符,较好地反映了饱和黏土中静压沉桩和CPTU贯入的力学机制。     

基于光纤光栅传感技术的静压沉桩贯入特性及影响因素研究

针对黏性土中静压沉桩贯入特性方面的研究相对较少的状况,基于光纤光栅(fiber bragg grating,简称FBG)传感技术,考虑开口、闭口不同桩端形式和不同桩径,研究了静压沉桩过程中沉桩阻力、桩身轴力以及桩身单位侧摩阻力的变化规律。通过静压沉桩模型试验,分析了桩端形式、桩径、沉桩深度等因素对沉桩阻力、桩身轴力及桩身单位侧摩阻力的影响规律。研究结果表明:FBG传感技术对黏性土中静压沉桩阻力的测试性能优越,能够准确体现静压管桩的贯入特性。沉桩结束时开口和闭口试桩的桩端阻力分别约占沉桩阻力的66.7%、59.5%。沉桩过程不可忽略开口土塞效应和桩径对沉桩阻力的影响。桩身轴力的分布形式不会因桩端形式而发生改变。桩径140 mm试桩的桩身轴力传递性能优于桩径100 mm试桩,两试桩桩身轴力递减率分别为40.8%、34.2%。开口试桩内管和外管桩身单位侧摩阻力最大值分别为1.67、4.83 kPa,均小于闭口试桩。贯入深度为90 cm时桩身单位侧摩阻力最大值随着桩径增加而增大,同一深度桩径越大桩身单位侧摩阻力"侧阻退化"越明显。入土深度为30 cm时两不同桩径桩身单位侧摩阻力减幅相差0.93 kPa。确定静压贯入沉桩阻力时考虑基于黏性土的侧阻退化后实际值更为合理。     

基于透明土的静压楔形桩沉桩效应模型试验研究

楔形桩是一种可以有效提高桩侧摩阻力的纵向变截面异形桩,然而针对该变截面桩沉桩效应特性方面的研究却相对较少。基于透明土材料和粒子图像测速技术（简称PIV）,开展静压楔形桩沉桩模型试验,测得沉桩过程中桩周土体的位移场变化规律;沉桩过程中桩周土体位移场由激光射入透明土材料,与透明土材料之间的相互作用产生的独特散斑场,通过CCD（charge-coupled device）电荷耦合元件相机成像处理而获得。同时进行了等截面桩的沉桩模型试验,并对等混凝土材料用量情况下楔形桩和等截面桩的沉桩效应进行对比分析。最后,将此试验结果与基于常规试验手段的静压楔形桩沉桩模型试验和圆孔扩张理论计算结果进行对比分析,验证了基于透明土材料的静压楔形桩沉桩模型试验的准确性和可靠性。研究结果表明,基于透明土材料和PIV技术可以有效地开展静压楔形桩沉桩模型试验研究;楔形桩静压施工过程中对桩周土的影响范围约为等混凝土用量等截面桩的1.2倍。     

层状地基静压桩贯入过程机理试验

通过在多层软粘土地基中静力压入单桩的室内模型试验,对模型桩在整个沉桩过程中压桩力、桩动端阻力及桩动侧阻力随桩贯入深度的变化情况进行了研究,获得了桩在贯入不同土层分界面时阻力的变化规律以及桩周土体应力的分布特征。并对开口管桩和闭口管桩贯入试验情况进行了比较分析,揭示了不同桩端形式桩在贯入过程中桩动侧摩阻力的发展规律,以及分层土体中开口管桩贯入过程中土塞的变化情况。试验结果表明：在粘性土中沉桩时,压桩阻力主要来自桩端向下穿越土体产生的端阻力,而侧摩阻力较小;由于桩侧水平应力的释放使得同一深度点上的动摩阻力随着桩的下沉表现出不同程度的降低,出现摩擦疲劳。     

利用标贯击数估算静压桩的沉桩阻力

选用最易获得的标准贯入试验锤击数估算静力压入桩的沉桩阻力,提出了经验公式。对桩端阻力、桩侧阻力在土层中的变化等计算的细节问题进行了讨论,并编制了计算结果可视化的程序。2个工程实例的计算结果表明,用标贯锤击数估算静压桩沉桩阻力的方法是可行的,计算出的压桩力满足工程精度要求,可以方便的用于判断沉桩可能性、估算承载力、选择沉桩设备等。     

静压桩贯入地基的球孔扩张-滑动摩擦计算模式

针对静力压桩的特点,将沉桩过程中的侧摩阻力和端阻力分开计算,建立了一种新的计算模式,即球孔扩张-滑动摩擦模式。编制了计算程序,对桩端土按球形孔扩张计算;对桩侧土按滑动摩擦计算。算例证明,该计算模式是可行的。     

土体湿化膨胀与桩基相互作用的试验与理论研究

为研究同一湿度场环境下土体湿化膨胀与桩基相互作用的机理，设计了室内物理模拟试验，对土体湿化膨胀与桩基相互作用进行了分析。通过人工降雨入渗的方式模拟变化的湿度场环境，实时监测模型箱中不同入土深度的桩基抬升量以及膨胀土地基的变形和应力数据，研究桩基入土深度与抬升情况的关系，基于非饱和土力学理论、桩–土相互作用剪切位移理论，提出考虑土体刚度和隆起量变化的侧摩阻力计算方法，并将桩侧摩阻力理论计算结果与模型试验结果进行对比分析。结果表明：在土体吸水膨胀过程中，桩体的向上抬升会引起桩底端部的卸载作用；地层隆起量随着深度的增加呈线性递减，随着桩尖入土深度的增加，桩顶隆起量呈对数趋势减小，增加桩长可以在一定程度上抑制桩基抬升；同时，基于剪切位移理论得出的桩侧摩阻力与基于非饱和膨胀土理论得出的桩的侧摩阻力及试验测试数据分布基本一致，表明本文所提出侧摩阻力计算公式是可靠的。     

双层高岭黏土中沉桩特性模型试验

为了揭示黏土中静压沉桩的宏观力学特性,采用西澳大学的梁式离心机压桩系统,通过在双层高岭黏土中进行一系列1g重力场情况下的T-bar触探测试试验、静压沉桩试验、桩拉伸试验和压缩试验,对比分析了T-bar分别在均质软质黏土和双层黏土中随贯入深度变化测得的不排水剪切强度的特性;研究了桩体在贯入过程中沉桩阻力、桩端阻力以及桩侧摩阻力的发展规律;并对桩身径向总应力在沉桩过程中的变化规律进行了探讨;此外,还揭示了不同桩型沉桩终压力与桩承载力之间的关系。结果表明：在黏土中沉桩时,桩侧摩阻力在整个沉桩阻力中发挥主要的作用;对于同一土层而言,当桩超过土层分界面以下2D（D为桩径）范围后,桩端阻力并不受相邻土层性质的影响;随着压桩后时间的推移,桩侧摩阻力对承载力的时效影响较桩端阻力大。     

静压管桩桩-土作用机制及其竖向承载力确定方法

为深入研究静压管桩桩土的作用机制及其竖向承载力的确定方法,以长春地区建筑工程使用的静压管桩为例,采用数值模拟方法和桩的载荷试验,分析了桩对桩周土的挤压作用以及桩端阻力变化规律。结果表明：桩被压入土体过程中,主要受到桩侧摩阻力和桩端阻力的作用,并造成桩周及桩端附近土体受到挤压而变形;随着桩入土深度的增加,桩顶荷载逐渐增大,而且桩径越大,相应深度的桩顶荷载就越大;同时,随着桩入土深度的增加,桩端阻力在单桩竖向承载力中的比例有规律地下降。根据桩端阻力在单桩承载力中所占比例与入土深度的关系,提出了静压管桩单桩承载力特征值的计算方法;对比建议公式和经验公式计算结果,其比值为0.57~1.26,两者结果接近。因此,文中所提出的单桩承载力特征值的确定方法是可行的。     

考虑固结的透水管桩沉桩全过程有限元模拟

运用透水管桩技术加快沉桩后桩周土体内超静孔隙水释放,进而消除沉桩施工中超静孔压的不利影响。基于有限元数值计算法,利用ABAQUS有限元软件建立透水管桩模型,实现透水管桩贯入过程以及桩周土体固结过程模拟。对比CEM圆柱孔扩张理论验证数值计算结果;阐述透水管桩贯入过程中位移场以及超静孔压场变化规律;对比分析静压桩和透水管桩桩周土体固结性状,结果表明透水管桩能加速超静孔压消散,短期内实现桩基承载力的快速提升。     

基于有效应力法的静压桩时变承载力研究

基于天然饱和黏土地基中静压沉桩扩孔问题的弹塑性解,以沉桩结束后桩周土体的应力状态为初始条件,推导了桩周孔压消散的解析解。在此基础上,考虑桩周土体再固结过程中的土体松弛效应,提出了采用有效应力计算天然饱和黏土中静压桩时变承载力的理论方法。通过已有离心模型试验和现场试验结果对该方法进行了验证,研究了沉桩结束后静压桩承载力随固结时间的变化规律。结果表明,提出的理论方法合理考虑了土体的原位力学特性、沉桩效应及沉桩结束后土体有效应力的变化,因而可以较好地预测静压桩的时变承载力。该研究成果为合理确定黏土中静压桩承载力提供了理论依据,具有一定的理论和工程意义。     

High pressure jet-grouting column installation effect in soft soil: Theoretical model and field application

This paper presents a theoretical model for investigating the installation effect of high pressure jet grouting column in soft clay. The model is formulated by assuming the installation process as a series of pressure-controlled spherical cavity expansion in semi-infinite soil, of which the approximate solutions are derived by combining use of two fundamental solutions of spherical cavity expansion in finite spherical symmetry soil and displacement-controlled spherical cavity expansion in semi-infinite soil. The approximate solutions are then validated by comparing the predictions with FEM results as well as published results. The comparison results show that the presented approximate solutions are suitable for the problem of pressure-controlled spherical cavity expansion in semi-infinite soil, particularly in evaluating the limit expansion pressure as well as the expansion pressure-ground surface displacement relation. Subsequently, the proposed approximately solutions are applied to interpret the limit injection pressure and the grouting pressure-ground surface displacement during the installation process of HPJ-GC. Some parametric studies are also conducted. Furthermore, an instrumented field test study of HPJ-GC is conducted in the thick soft soils comprising quaternary alluvial and marine deposits of the Lianyungang-Yancheng Highway located in Jiangsu Province, China. The measured ground heave is compared with the analytical predictions using the proposed theoretical model. Reasonable agreement is achieved.     

基于极限平衡法的现浇X形桩群桩负摩阻力计算分析

软弱土及湿陷性黄土等地区桩基负摩阻力计算是桩基础设计与施工必须考虑的问题之一,目前针对群桩负摩阻力计算方面的研究相对较少。采用有效应力法计算单桩负摩阻力,基于极限平衡原理计算负摩阻力群桩效应系数,从而得到群桩负摩阻力计算公式。结合现场试验结果,对现浇X形桩群桩负摩阻力及桩身下拽力进行计算分析,并讨论了群桩基础中各基桩位置对桩身下拽力的影响,以及群桩效应系数随相关影响因素的变化规律。研究结果表明,文中计算结果与现场实测结果具有良好的一致性;地面堆载等级越高,群桩所受的桩身下拽力越大,且群桩效应系数随着桩间距的增大而增大,随着负摩阻力系数和中性点深度比的增大而减小。     

考虑桩-土体系渐进破坏的单桩承载特性研究

针对目前桩基承载特性确定时未考虑桩-土体系渐进变形过程的现状,采用现场试验和理论分析等手段对考虑桩-土体系渐进破坏的单桩承载特性展开研究。首先,利用现场试验数据对侧阻和端阻的软化特性展开深入探讨,提出了侧阻和端阻软化模型,明确了模型中各参数取值方法,并验证了其合理性。同时,根据提出的侧阻和端阻软化模型,建立了一种可考虑桩-土体系渐进破坏的单桩承载特性的迭代算法。算例分析表明,计算获得的破坏性单桩承载特性与实测值有较好的一致性,且可反映侧阻和端阻的破坏特性。实际工程中,结合单桩承载特性分析算法,可根据单桩的实际受力特点灵活选用不同形式的侧阻和端阻荷载传递函数来分析不同桩顶荷载水平下的单桩受力特性。     

The Shaft Capacity of Displacement Piles in Clay: A State of the Art Review

The rapid expansion of the offshore wind sector, coupled with increasing demand for high rise structures, has placed renewed demand on the driven piling market. In light of this industry growth, this paper reviews the evolution of design approaches for calculating the shaft capacity of displacement piles installed in cohesive soils. The transition from traditional total stress design towards effective stress methods is described. Complex stress–strain changes occur during pile installation, equalisation and load testing and as a consequence, the selection of parameters for use in conventional earth-pressure type effective stress approaches is not straight-forward. These problems have led to the development of empirical correlations between shaft resistance and in situ tests, such as the cone penetration tests. However, many of these approaches are limited because they were developed for specific geological conditions. Significant insight into pile behaviour has been obtained from recent model pile tests, which included reliable measurements of radial effective stresses. These tests have allowed factors such as friction fatigue and interface friction to be included explicitly in design methods. Whilst analytical methods have been developed to investigate pile response, these techniques cannot yet fully describe the complete stress–strain history experienced by driven piles. The use of analytical methods in examining features of pile behaviour, such as the development of pore pressure during installation and the effects of pile end geometry on pile capacity, is discussed.     

静压沉桩桩体受力全过程数值分析

沉桩是十分剧烈的桩-土相互作用过程,沉桩过程中桩体受力形态对桩后期承载力和耐久性有重要影响。本文运用有限单元法对静压沉桩进行数值模拟,通过位移控制法实现沉桩,模拟计算沉桩过程中桩土径向压缩和竖向摩擦,对沉桩全过程桩体受力情况进行分析。结果显示,沉桩过程中桩主要承受竖向压应力,尤其沉桩后期桩顶部受到的竖向压应力较大。采用单因素控制法对影响桩体受力的各项因素进行分析,并对各影响因素进行相关性和敏感性分析。分析表明,静压沉桩过程中桩体受力与摩擦系数、内摩擦角、粘聚力和桩尖角呈正相关,与桩径呈负相关,桩尖角对桩体所受竖向应力敏感性较弱。     

静钻根植竹节桩桩端承载性能试验研究

静钻根植竹节桩是由预制竹节桩和桩周水泥土所构成的一种新型组合桩基,它主要通过桩周水泥土改善桩-土接触面摩擦性质以及桩端水泥土扩大头改善桩端承载性能。通过现场静载试验对静钻根植竹节桩桩端承载性能进行研究,并采用传统桩端沉降计算公式对其桩端沉降进行计算;通过模型试验对竹节桩桩端与水泥土扩大头相对位置不同的试桩桩端承载性能进行研究。结合现场和模型试验可以得到：桩端水泥土扩大头可以改善静钻根植竹节桩桩端承载性能;当竹节桩桩端位于水泥土扩大头中间位置时,静钻根植竹节桩桩端承载性能最好;可以用传统桩端沉降计算公式对静钻根植竹节桩桩端沉降进行计算,且当竹节桩桩端位于水泥土扩大头中间位置时,理论计算与实测曲线几乎完全吻合。     

桩基内力长期监测中的蠕变影响分析

以黄土地区桩基浸水试验为代表的桩身内力长期监测过程中,桩身混凝土除发生弹性应变外还会发生蠕变,以往工作中往往忽略了混凝土在轴力长期作用下蠕变对测试结果的影响,但蠕变真实存在,它对内力测试结果的影响程度以及如何消除其影响值得研究。根据现场实测试验资料对比分析表明,长时间的桩基内力测试应考虑桩身蠕变的影响;基于混凝土蠕变的相关理论,推导了从实测应变中扣除桩身蠕变的公式;从消除蠕变影响角度分析了黄土桩基浸水试验中应采取的措施,其关键技术是控制试验桩的混凝土强度等级,在桩顶附近设置标定段,并保持标定段混凝土的温度和湿度恒定,且与下部桩体一致,获得具有代表性的蠕变度函数曲线。