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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

黏性土中静力沉桩过程桩土界面土压力模型试验

为探讨静压桩贯入过程中桩土界面土压力的变化特性,开展了室内饱和黏性土中静压桩沉桩模型试验。采用双壁模型管桩分离内外摩阻力,在桩身安装微型土压力传感器,监测桩-土界面土压力,分析了沉桩过程中压桩力与桩端阻力的变化规律,探讨了静压桩沉桩过程中桩土界面土压力的分布特征,明确了桩土界面土压力在沉桩过程中存在明显的退化效应,揭示了饱和黏性土中静压桩沉桩过程桩土界面土压力的变化机理。试验结果表明：压桩力随贯入深度的增加近似呈线性增长,在贯入后期闭口桩的压桩力明显大于开口桩的压桩力;桩端阻力基本呈现出线性增长,在沉桩过程中桩端阻力占压桩力的比例较大,占比为62.3%;在静压桩贯入初期,桩土界面土压力的增长速度较低,随着静压桩的逐渐贯入,桩土界面土压力呈现出线性增长且增长速率较快;在同一深度处,随着静压桩的逐渐贯入桩土界面土压力出现明显的土压力退化现象,在深度20、30、40、50、60、70 cm处,土压力依次平均退化14.6%、13.8%、13.2%、9.2%、7.2%、6.1%。     

基于光纤传感技术静压桩承载力时效性机理分析

在桩身预埋FBG（fiber bragg gating）光纤传感器,利用静压桩隔时复压试验的优势,观测开口PHC管桩的承载力、桩端阻力以及桩侧摩阻力随休止时间的变化情况。试验表明,桩极限承载力在沉桩结束一定时间范围内随时间大致呈对数型增长,沉桩284 h后提高幅度达140%,时效性系数为0.52;桩端阻力和桩侧摩阻力在休止期内的提高幅度分别为6.28%和475.37%,说明试验场地条件下试桩承载力的提高主要源于桩侧摩阻力。试验结果显示,桩极限承载力及桩侧摩阻力的发展符合3阶段增长模型,时间界点分别为21.5 h和279 h。研究成果可为基桩时效性研究及相关设计提供依据。     

黏性土中静压桩沉桩过程现场试验及桩土界面桩侧土压力分析

为了揭示黏性土中静压桩贯入过程中桩土界面桩侧土压力的受力特性,依托山东东营某桩工程开展了现场足尺试验,得到了静压桩沉桩过程中桩土界面桩侧土压力随贯入深度的变化规律,分析了贯入过程中不同土层桩侧土压力的分布特性,明确了桩侧土压力在沉桩过程中存在明显的退化效应,探讨了桩土界面桩侧土压力与桩侧上覆土体竖向土压力的比值关系。结果表明：桩土界面桩侧土压力与土层性质密切相关;随着传感器贯入深度的逐渐增加,桩侧土压力逐渐增大,并且增大幅度随土层的不同而不同;在同一贯入深度处,桩土界面桩侧土压力存在明显的退化现象,粉土中的退化幅度明显小于粉质黏土中的退化幅度;同一土层中桩土界面桩侧土压力与桩侧上覆土体竖向土压力的比值为常数,并且粉土中的比值明显大于粉质黏土中的比值。     

基于球孔扩张理论和侧阻力退化效应的压桩力计算模拟

根据静压桩的贯入机制,将沉桩过程模拟为半无限土体中一系列球形孔的连续扩张,土体假定为Mohr-Coulomb材料。利用球孔扩张和源-源假设理论,并采用Boussinesq解进行地面应力的修正,在此基础上分别计算出桩侧极限摩阻力和桩端阻力。通过现场试验研究发现,沉桩过程中侧摩阻力退化效应带来的影响是明显的,提出了相应的侧阻力退化公式。在充分考虑以上因素的基础上推导出了静压桩压桩力的模拟计算公式。使用Matlab6.5软件进行理论计算,并与山西太原某试验进行对比分析,一定深度以下理论值与实测数据基本吻合,证明该计算模拟是可行的。     

基于现场试验的闭口静压管桩贯入层状地基桩端阻力研究

在以粉土与粉质黏土为主的层状土地基中,利用桩端装有全截面压力传感器的试验桩,连续高密度采集贯入全过程中的桩端阻力。根据多个贯入行程的桩端阻力曲线,明确了桩端阻力初始贯入土层的变化阶段及连续贯入同一土层的变化阶段,分为线性陡增段、非线性缓增段、平台段、非线性缓降段、线性陡降段;桩端连续贯入穿越多个土层界面时桩端阻力的变化阶段与初始贯入土层相比缺少线性陡增段;连续贯入时,前一行程的陡降初始值与后一行程的陡升终值较为接近,该值能够体现土体弹性压缩的极限,并可以通过土层静力触探Qc平均值进行推算,作为桩基设计依据;对同一土层的多次贯入,最大桩端阻力发生在该土层的初始贯入阶段。沉桩过程中的桩端阻力曲线与静力触探Qc曲线有相似性。分析发现,层状土中每层的最大桩端阻力与静力触探Qc平均值及标准贯入平均击数呈线性关系;稳态的残余桩端阻力与静力触探Qc值及标准贯入平均击数呈线性关系。提出了弹性极限桩端阻力、极限桩端阻力及残余桩端阻力拟合公式,其中极限桩端阻力拟合公式较经验参数法、静力触探法、极限平衡理论有较高的准确度。     

珊瑚礁地层中PHC桩原位静载试验研究

珊瑚地层是钙质砂和礁灰岩的统称。在珊瑚地层中开展预应力高强度混凝土管桩（PHC桩）的原位堆载测试,分析了桩?珊瑚地质的相互作用规律。采用光纤光栅传感技术采集加载过程中的试桩桩身应变,由计算获取桩身轴力,分析加载过程中珊瑚地层中PHC桩基础的承载特性。试验结果表明,（1）桩?土响应处于线弹性阶段;（2）桩的承载发挥状态与入土深度显著相关,且入土深度超过15倍桩径时桩端阻力发挥峰值;（3）桩的安装方式几乎不影响其在珊瑚地层中的承载性能,但贯入能量的大小则显著影响;（4）入土深度和贯入能量的大小,影响珊瑚地质的破碎程度,颗粒破碎显著影响珊瑚地质中桩的承载发挥特性。通过原位测试可知在珊瑚地质中在贯入深度在15倍桩径以内,入土深度与桩端阻力正相关,与桩侧摩阻力反相关。     

Field loading tests of screw micropiles under axial cyclic and monotonic loads

Unlike conventional grouted micropiles, screw micropiles have been recently introduced to the foundation industry. Full-scale field tests of screw micropiles were carried out at a cohesive soil site. The screw micropiles have a diameter varying from 76 to 114 mm and a length varying from 1.6 to 3 m, and spiral threads welded on the lower half of the steel tubular shaft. Site investigation from cone penetration tests (CPT) and laboratory testing implies that the soil was medium to stiff, low plasticity clay. Six axial monotonic and three axial cyclic load tests were performed on three micropiles. One micropile was instrumented with strain gauges to investigate the shaft load distribution during loading. The axial cyclic loading was intended to simulate cyclic inertia load during vertical ground motions. Results showed that the micropiles behave as frictional piles during monotonic tests; the unit shaft resistance and adhesion coefficient were calculated and compared with results in the literature. The end installation torque was estimated using CPT shaft resistance and was shown to agree reasonably with the measured torque. Under axial cyclic loading, the micropiles underwent small cumulative displacements and the magnitude of the displacement decreased with increasing pile length and diameter. Cyclic loading redistributed the load transfer along different segments of the micropile. Negative skin resistance was observed along the smooth pile shaft when the pile underwent decreasing axial loading.

     

Field measurements regarding the influence of the installation method on soil plugging in tubular piles

Soil plugging in open-ended piles leads to an increase in compressive bearing capacity but also influences pile driving resistance. Many different factors affect the tendency for soil plugging, for example, pile diameter, penetration depth and installation method. In this paper, the influence of the installation method on soil plugging is investigated. In situ measurements during the installation of two instrumented tubular piles are carried out to investigate the internal and external stresses acting on the pile during the installation process. Furthermore, the cone penetration resistance inside one pile is measured during the installation, and the accelerations and strains at the pile head are monitored to predict the bearing capacity. The installation method is varied between vibratory and impact pile driving. The results show that a significant increase in horizontal stresses inside the pile occurs during impact driving which leads to the conclusion that a soil plug is formed. During vibratory pile driving, no stress increase was observed.     

厚层黄土状土中扩底墩竖向承载性状

根据同一试验场地厚层非湿陷性黄土状土中8根大直径扩底墩、2根等直径桩的竖向承载力静载试验,对扩底墩的竖向承载性状进行了研究。结果表明,在其他条件相同时,随扩底墩直径D的增大,虽单位面积极限端阻力有不同程度的降低,但墩的极限承载力Qu增大;当D和墩身直径d不变时,总极限侧阻力所占墩顶极限荷载的百分比随长径比L/d的增大而增大;d不变时,随长径比L/D的增加,各墩的墩顶荷载呈起伏变化,总端阻所占百分比（比等直径桩大）相应降低,平均极限侧阻力（比等直径桩小）相应增大,而L/D = 3时,其承载性状较好;在扩底墩墩身直径d与等直径桩相同、入土长度相当的情况下,前者承载力比后者大,且沉降小。     

砂土中单桩竖向抗压承载机制的离散元分析

将单桩视为平面问题,采用二维离散单元法分析了砂土中单桩竖向抗压承载机制。首先利用离散元模拟地基的形成、挖孔灌注桩的成桩过程以及地基土的双轴压缩试验;然后通过离散元模拟单桩竖向抗压静载试验,分析其承载机制。结果表明：随着桩的沉降增大,桩端阻力一直增大,桩侧摩阻力先增大后达到稳定值;单位桩长侧摩阻力从桩顶到桩端呈非线性增长趋势;当荷载达到桩的极限承载力时,桩端发生刺入破坏,导致桩侧与桩端附近土体的转动场梯度、应力场梯度增大,主应力发生大角度旋转。     

软土地区填砂竹节桩抗压承载性能研究

软土地区土体工程性质较差,土体所能提供桩侧摩阻力和桩端阻力较小,预制桩桩身材料强度无法充分发挥。在预制桩压入土体过程中灌入砂石能够改善桩周土体性质,提高桩-土接触面摩擦性能,从而提高桩基的抗压极限承载力。为了研究填砂竹节桩的抗压承载性能,进行了一组现场静载试验和ABAQUS三维建模计算,通过对试验和计算结果的分析可以得出以下结论：软土地基中填砂竹节桩的抗压承载性能相比常规等截面管桩有了显著提高;填砂竹节桩桩身轴力在竹节节点处减少幅度较大,竹节节点能够提高桩侧承载性能;软土地基中填砂竹节桩桩侧承载性能相比常规等截面管桩有了显著提高,且侧阻增大系数为1.15～1.40。     

粉质黏土中沉箱-桩复合基础水平向承载性能试验研究

为进一步研究沉箱-桩复合基础的水平向承载性能,开展粉质黏土中单桩、沉箱-桩复合基础在水平向荷载和竖向及水平向组合荷载作用下的系列试验,对沉箱-桩复合基础的水平荷载与位移关系、桩身弯矩、位移及土抗力分布规律及群桩效应等进行了研究。结果表明,在水平荷载作用下沉箱对桩顶的约束使桩身弯矩分布较桩顶自由情况要更均匀,并能有效地降低桩身弯矩、位移及土抗力,提高了基础水平承载能力;在同时作用有竖向和水平向组合荷载时,沉箱底摩擦力参与抵抗水平力作用、桩顶竖向力也有利于进一步提高基础水平承载力;试验获得了不同桩数、桩顶约束、荷载作用条件下的沉箱-桩复合基础群桩效应系数,对于桩距为6倍桩径的情况,桩与桩之间的相互影响很小。     

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.