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。     

高喷插芯组合桩荷载传递机制足尺模型试验研究

高喷插芯组合桩（简称JPP）是由高压旋喷桩和预应力混凝土芯桩构成的一种新型组合桩,为了对其荷载传递机制有更深入的认识,以自行开发的大型土工试验模型槽为依托,进行了JPP桩、灌注桩和高压旋喷水泥土桩静载荷对比试验。通过埋设在JPP桩中的监测仪器对桩身轴力、桩端阻力以及桩体沉降等进行了直接量测,进而分析了JPP桩中管桩与水泥土轴力的分布和内外侧摩阻力的分布。试验结果表明,JPP桩与同桩长、同桩经灌注桩相比承载力高30%以上;JPP桩变形由芯桩控制,管桩轴力分布与水泥土轴力分布规律不一致,但同一截面上管桩和水泥土的轴力比值约为其弹性模量的比值;内外摩阻沿桩身的分布规律类似,内摩阻是外摩阻的1.62倍左右,约为JPP桩直径和管桩直径的比值;桩侧摩阻力与桩土相对位移近似双曲线分布,桩端阻力和桩端位移也近似双曲线分布。     

增强型管桩和普通管桩受力性能试验对比研究

通过对桩身预埋有混凝土应变计的普通光圆预应力管桩和增强型预应力管桩的静载对比试验,比较了两种桩的荷载-沉降曲线、桩身轴力分布情况、桩侧摩阻力及桩端阻力的发挥性状,研究了增强型管桩荷载传递规律及桩身环向凸肋的荷载分担情况.结果表明,由于环向凸肋的存在,使增强型管桩在桩周形成的剪切破坏面比普通管桩更大,从而提高了增强型管桩的承载能力.在最大试验荷载作用时,增强型管桩的侧摩阻力要比普通管桩高27.4％～39.5％.     

基于BOTDR的能源桩现场试验与承载特性分析

能源桩集承受荷载和热量交换于一体,受荷载-温度联合作用,其承载性状变化异常复杂。通过上海某能源桩工程现场试验,利用基于布里渊光时域反射技术（BOTDR）的分布式光纤智能感测技术监测桩身轴力和温度变化,获取荷载与温度单一因素及联合作用下桩身轴力及桩侧摩阻力分布曲线,分析了荷载-温度联合作用下能源桩承载性状与荷载传递特征。结果表明：能源桩承载性状与普通灌注桩有一定的差别,桩身温度升高会引起桩身变形,在土体约束作用下产生较大的桩身轴力,其大小与桩身温度变化量近似呈线性关系;荷载-温度联合作用时,桩身轴力远大于受单一因素作用时的桩身轴力,由荷载-温度联合作用引起的轴力增量可达到荷载单独作用时桩身轴力的2倍及以上,同时桩身受温度升高的影响会在较大范围产生桩侧负摩阻力,而荷载作用能够明显缓解桩侧负摩阻力的产生。     

BOTDR分布式检测技术在复杂地层钻孔灌注桩测试中的应用研究

采用布里渊光时域反射技术（BOTDR）对灌注桩进行了分布式应变检测,据此计算桩身位移、桩身挠度、桩身轴力、侧摩阻力和桩端阻力等参量,并在一复杂地质条件场地内两种不同长度和工艺类型的灌注桩内力测试中等到应用,测试表明:灌注桩加载过程中,桩身应变分布在塌孔、夹层及地层分界面等部位出现异常;荷载主要由桩身侧摩阻力承担,桩端阻力在试验荷载内都未发挥;桩基承载能力和特性差异主要由施工工艺及地层条件不同所引起。     

预制静压桩静动载现场试验分析

原位试验是获取桩基设计参数和了解桩基力学性能的最客观、最可靠方法。基于现有疲劳机和千斤顶等试验设备,研制了桩顶静载和动载组合加载装置,为现场静、动载试验解决了一个技术性难题。利用该装置对某工程混凝土预制静压桩进行了模拟交通荷载的现场静、动载试验。通过单桩竖向抗压静载试验和动载试验,分析了静动载对桩身轴力分布、桩身侧摩阻力和基桩沉降的影响及其变化规律。试验结果表明：在静动载作用下桩身侧摩阻力的分布规律基本一致,并且随着振动次数的增加,桩身上部侧摩阻力减小、下部略有增加,但动载循环超过30万次后,侧摩阻力趋于稳定。     

静钻根植竹节桩承载力及荷载传递机制研究

静钻根植竹节桩是由预应力竹节桩和桩周水泥土构成的一种新型组合桩基,该新型桩不仅承载性能较好,而且可以大量减少桩基施工过程中所产生的泥浆污染。通过静钻根植竹节桩和钻孔灌注桩的静荷载对比试验及埋设在竹节桩桩身上的应变计对桩身轴力进行测量,分析了静钻根植竹节桩桩身的轴力分布情况以及侧摩阻力的分布,用有限元软件ABAQUS对静钻根植竹节桩进行三维建模计算,详细地分析这种新型组合桩的荷载传递机制。结合现场试验与模拟计算可以得到:在软土地区,静钻根植竹节桩这种新型组合桩的承载力比普通钻孔灌注桩要高;静钻根植竹节桩桩身变形由预制桩所控制,竹节桩与桩外围水泥土近似变形协调;竹节桩竹节的存在对组合桩承载性能有着极其重要的作用;在软土中静钻根植桩侧摩阻力是灌注桩侧摩阻力的1.05¹.10倍。     

基于桩身应力测试的静压PHC管桩贯入机制

压桩过程中PHC管桩侧摩阻力与端阻力的分离是制约其贯入机制及承载力研究的瓶颈。通过桩身预埋准分布式FBG光纤传感器,对贯入成层土地基中5根足尺开口PHC管桩侧摩阻力及端阻力发展变化情况进行了监测。试验表明,准分布式光纤传感测试技术现场可操作性强,粗放施工环境下贯入阻力分离效果较为理想。成层土地基中压桩力曲线基本反映地层土性变化,桩端土层性状对压桩力影响较大。硬质土层界面处试桩压桩力平均增幅约为64.06%,端阻力受地层变化影响更为显著,平均增长幅度约为97.41%,侧摩阻力平均增长幅度约为17.92%;桩端位于非硬质土层试桩压桩力变化不明显。贯入过程中现场足尺试验桩身应力变化不同于室内模型试验,桩身上、下部侧摩阻力发挥的力学机制不同。受现场粗放施工条件及深度方向土层变化影响,贯入成层土地基中桩侧摩阻力临界深度现象不明显。     

基于有效应力法的单桩负摩阻力计算

负摩阻力问题广泛存在于新建填土地区的桩基工程中,对桩基础承载特性产生较大的影响。基于有效应力法和桩侧摩阻力发挥机理,建立单桩负摩阻力计算的分段模型;通过桩土体系的变形假设和静力学平衡方程,确定桩侧摩阻力分段区间及中性点位置;利用位移和桩截面轴力控制方程,推导分段区间内桩身位移及轴力解析解。验证结果表明:桩侧负摩阻力的传递特征及分布范围可以通过计算公式确定。     

砂土地基中桩顶竖向-水平加载路径下柔性单桩水平承载力分析

砂土地基中桩顶竖向-水平加载路径下单桩水平承载理论研究较少,且鲜有考虑预先施加的竖向荷载对土抗力p与桩身水平位移y曲线的影响。鉴于此,考虑桩顶预先施加的竖向力对桩周土体产生挤密作用,从而对双曲线型p-y曲线的极限土抗力进行修正。采用余弦函数表征被动侧径向土压力分布,构建了被动侧最大径向土压力与总土抗力的关系式,推导了被动侧的侧阻抗力矩解析表达式。考虑被动侧摩阻力与竖直方向存在夹角β对由摩阻力引起的桩身轴力变化量进行修正,给出了修正计算公式。建立了同时考虑修正的p-y曲线、桩身自重和被动侧摩阻力引起的轴力变化量、二阶效应（即P-Δ效应）以及侧阻抗力矩的桩身挠曲微分方程,通过MATLAB编程求得其数值解。将计算结果与已有模拟和试验结果进行比较,验证了该方法的正确性。在此基础上,探讨了预先施加的竖向力大小对单桩水平承载性能的影响。计算结果表明：推导的桩身轴力变化量计算公式能更准确地表征被动侧摩阻力对桩身轴力的影响,且可用于大变形条件;预先施加的竖向力可以增大柔性单桩的水平承载力,随着预先施加的竖向力的增大,增强效果逐渐减弱。     

有孔管桩开孔应力集中系数试验研究

有孔管桩能够有效减轻静压沉桩挤土效应,加速超孔隙水压力的消散并降低其最大值,随着超孔隙水压力的加速消散,能够有效避免桩体上浮和偏移等不利情况,并能有效提高整体桩基的承载力和开挖基坑的稳定性。但桩身开孔将会引起管桩应力集中现象,并降低管桩极限承载力。为此,开展了有孔管桩应力集中现象和极限承载力模型试验,分析了桩身开孔所引起的应力集中系数和开孔对桩极限承载力的折减情况。通过试验研究,得出对称开孔桩型的整体承载力性能优于不对称开孔桩型,其中星状有孔管桩桩型的承载能力最好。试验成果为有孔管桩的设计和布孔选型提供了试验基础,并对其优化设计提供依据,对有孔管桩的推广应用有着积极的指导作用。     

不同堆载形式对群桩负摩阻力的影响

在既有桥墩桩基础周围土体堆载时,会引起土体的沉降和侧向变形,进而在桩身产生负摩阻力,对桩基变形及承载性能有很大影响。为研究围载和单侧边载作用下群桩中不同位置桩基的受力差异,以3×3群桩基础为研究对象,进行围载和单侧边载作用下的模型试验,分析了不同位置桩基轴力、侧摩阻力、中性点位置和基桩承载力安全系数等的变化规律及差异。研究结果表明：围载工况下,角桩的轴力、侧摩阻力最大,边桩次之,中心桩最小;中性点位置角桩最深,边桩略高,中心桩距桩顶最近。边载工况下,靠近边载侧和中间一排桩基轴力、侧摩阻力与围载时的变化规律类似,远离边载侧的一排桩基受边载影响较小,无负摩阻力;各桩基中性点位置变化规律类似于围载工况。与围载工况相比,边载时同一位置桩身轴力、负摩阻力均较小,中性点位置较高。与单侧边载工况相比,围载时各基桩承载力安全系数FS均较小且随荷载的增大衰减梯度较大。该研究成果为不同堆载形式下群桩基础的设计提供参考。     

塑料套管管侧前注浆桩承载特性的现场试验研究

为提高塑料套管混凝土桩（简称TC桩）的承载性能,结合桩侧注浆技术,发展和形成了塑料套管管侧前注浆桩（简称TCSG桩）。通过现场试验,对TCSG桩、TC桩和扩径塑料套管混凝土桩（简称TCLD桩）3种桩型在不同时期进行了静载试验,并引入了3种易于应用的单桩沉降计算模型对各桩体的沉降进行了计算。试验结果和沉降模型计算分析表明：与TC桩相比,TCSG桩增加了8.3%～20.0%的承载力,并减小了19.8%～33.5%的沉降,而TCLD桩降低了10.0%～16.7%的承载力,且增加了13.2%～43.8%桩体的沉降;TCSG桩的轴力衰减速率大于TC和扩径的TCLD桩的,TCSG桩的前、后期的平均轴力衰减速率相差不大,TC桩后期的平均轴力衰减速率相比前期提高了1.1%～14.2%,而TCLD桩却降低了5.9%～21.9%;在前、后期静载时,TCSG桩在各级荷载下的平均单位侧摩阻力相比TC桩分别提高了14.5%～39.6%和9.2%～28.6%,扩径后的TCLD桩则分别降低了4.9%～11.8%和11.5%～30.7%;管侧前注浆后的TCSG桩的时效特性不显著,扩径后的TCLD桩的侧摩阻力随时间减小而端阻力则增大;基于桩土荷载传递的单桩沉降计算模型能够较好地预测塑料套管桩的沉降。     

不同成桩工艺条件下冻结粉土中基桩承载性状试验研究

桩基础作为冻土工程中最适宜的基础形式,主要采用插入桩、静压桩和灌注桩三种桩型,因其成桩工艺不同对冻土地基及桩基自身造成的差异不一。为研究不同成桩工艺对冻土地基及基桩承载性状的影响,通过开展室内-1.5 ℃条件下单桩静载模型试验,分析在冻结粉土中不同成桩工艺对地温场、桩基极限承载力、桩身轴力以及桩侧摩阻（冻结力）的影响规律。试验结果表明：灌注桩对桩周地温场扰动剧烈,桩侧温度较高,地温变化幅度大。随着桩周土体的回冻,地温逐步降低,其中灌注桩桩侧降温速率最大;在承载力方面,2根灌注桩的极限承载力约为12.8 kN,静压桩为11.6 kN,插入桩极限承载力最小,仅为钻孔灌注桩的2/3。并对比4种不同成桩工艺的基桩在不同荷载条件下对应的沉降量,体现出成桩工艺对基桩沉降造成的差异性;随着桩顶荷载的逐级增加,桩侧摩阻（冻结力）和桩端阻力逐渐发挥作用,桩身上部1/3由于温度较低,致使桩侧摩阻（冻结力）较大,在10 cm深度附近温度最低,使桩侧摩阻（冻结力）达到最大值;并对比4种不同成桩工艺的基桩在荷载5.6 kN下轴力沿桩身的传递情况,发现静压桩更易把荷载传递到冻土区深层地基。     

珊瑚砂地基中膨胀混凝土桩竖向受压承载性能研究

为研究珊瑚砂地基下膨胀混凝土桩竖向承载特性,开展了室内单桩竖向静载模型试验,分析了膨胀混凝土桩的单桩荷载-位移曲线以及轴力、桩侧摩阻力等沿桩长分布特性,与PLAXIS 3D软件数值模拟结果进行对比并探究了线膨胀率对承载特性的影响。结果表明：珊瑚砂中膨胀混凝土桩的荷载位移曲线呈现缓变型,在加载过程中,荷载主要由桩侧摩阻力承担,轴力随着深度的增加而减小,桩侧摩阻力随深度先增加后逐渐减小,随荷载的增加逐渐发挥作用。随着膨胀剂用量的增加,桩身线膨胀量逐渐增加,桩-土相互作用更加明显。添加25% HCSA型膨胀剂可提高近20%的极限承载力和56%的极限侧阻力,提高桩体线膨胀率可以有效提高桩的极限承载力和侧摩阻力。该研究可为珊瑚砂桩基工程设计提供参考。     

厚层沉渣嵌岩桩承载性状研究

首先对嵌岩桩进行了现场钻孔抽芯试验和静力载荷试验,试验结果表明：当采用冲击成孔工法施工且桩侧存在弱胶结土层时,桩底沉渣厚度普遍较大,远厚于规范允许值;当荷载达一定值时,呈现突发性下沉且下沉量较大,主要与厚层沉渣导致端阻力未发挥作用有关。试验结果说明：当采用冲击成孔工法施工且桩侧存在弱胶结土层时,现有嵌岩桩设计方法同时考虑端阻和侧阻作用是不妥的,嵌岩桩单桩承载力宜仅按土层和嵌岩段侧阻力确定。进一步基于数值分析对嵌岩段摩阻力分布及变形等承载性状进行研究。在施加荷载一定条件下,嵌岩深度与基岩强度越大,下沉量越小,且厚层沉渣嵌岩桩沉降存在嵌岩深度效应。随着桩顶荷载增大,嵌岩深度与基岩强度差异导致的下沉量的差值增大。嵌岩段桩侧摩阻力沿深度呈马鞍型分布,嵌岩深度与基岩强度较小时,嵌岩段下部峰值比上部峰值大;嵌岩深度与基岩强度较大时,嵌岩段下部峰值则比上部峰值小。在桩顶荷载一定条件下,嵌岩深度越小,下沉量越大,越有利于侧摩阻力发挥,嵌岩段桩侧摩阻力越大。由于厚层沉渣存在,嵌岩段桩身轴力沿深度方向从桩顶荷载逐渐衰减为0,嵌岩深度越小,衰减速度越快。     

秦巴山区软岩地基桥桩承载性状试验研究

为了研究软岩地基桥桩的荷载传递性状、破坏机理,并获取在该地质条件下更为可靠的桩基计算参数,对秦巴山区软岩地基3根钻孔灌注试桩进行竖向静载试验。结果表明：秦巴山区软岩地基桥桩试桩荷载沉降曲线呈陡降型,实测竖向极限承载力为20 500kN,桩的破坏方式为桩身材料强度破坏;淤泥质亚黏土地层中的碎石起到一定的骨架作用,增强了此地层桩极限侧阻力,发挥极限侧阻力所需的桩土（岩）相对位移为4～8mm;强风化砾岩表现为加工软化型,发挥极限侧阻力所需的桩土（岩）相对位移为3～8mm;中风化砂砾岩表现为明显的加工硬化型,所需的桩岩相对位移大,且桩极限侧阻力的特征点不明显;淤泥质亚黏土地层桩侧阻力占总荷载的60%～70%,随着桩顶荷载的逐步加大,该地层桩侧阻力所占比例不断下降,而嵌岩段桩侧阻力所占比例逐渐上升,达到55%～65%,嵌岩段桩侧阻力沿桩深的分布曲线表现出非线性的特征;试桩为端承摩擦桩,桩端阻力约占桩顶荷载的20%左右,且未充分发挥,在上部结构允许的沉降范围内,适当增加桩端的沉降有利于端阻力的发挥;桩侧阻力先于端阻力发挥,建议单桩承载力设计时分别采用不同的端阻力和侧阻力安全系数。     

黄土斜坡桩基竖向荷载传递规律现场试验研究

结合某黄土斜坡桥梁桩基工程,对同一坡度相近位置的两根桩基开展现场试验,研究其在不同竖向荷载工况下的桩身上、下坡面两侧的轴力、桩侧摩阻力及桩侧土压力的传递规律与分布特征。试验表明：桩基荷载传递具有明显的区域性,第1区域是从桩顶至约3倍桩径深度处,此区域上坡面桩侧轴力较下坡面相应位置小,且其轴力随深度递减幅度及侧摩阻力发挥程度均较下坡面桩侧大;第2区域是从约3倍桩径至10倍桩径深度处,桩身上坡面一侧竖向受力减小幅度小于桩基下坡面一侧,但此时下坡面桩侧摩阻力发挥幅度大于桩基上坡面一侧;第3区域是从约10倍桩径直至桩端,该区桩身两侧轴力差异不大,摩阻力发挥幅度相近,荷载平衡协调且向下传递稳定。针对斜坡桥梁桩基上、下坡面两侧所受土压力的不均匀性,对设计桩基竖向承载力进行了一定程度地折减,并对计算公式作了相应修正,研究结论可供类似工程参考、借鉴。     

扩底后注浆桩的现场试验研究与分析

结合某工程的桩基现场静载荷试验和桩身应力测试,对比分析了同一场地中相同桩长的普通钻孔灌注直桩、后注浆灌注直桩、扩底灌注桩和扩底后注浆灌注桩4种桩型的承载力特性、桩身轴力和桩侧摩阻力的分布特性,阐述了扩底后注浆桩的桩身轴力传递规律和侧阻力发挥性状。研究表明：扩底后注浆桩有沉降小、单桩承载力高的特点,具有良好工程性状和经济效益。