均质黏性土中静压沉桩桩土界面孔压增量及有效土压室内试验研究

王永洪，徐泽强，张明义，张腾，银吉超，吴江斌，魏家斌; WANG Yonghong; XU Zeqiang; ZHANG Mingyi; ZHANG Teng; YIN Jichao; WU Jiangbin; WEI Jiabin

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均质黏性土中静压沉桩桩土界面孔压增量及有效土压室内试验研究 PDF

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王永洪 ^1,2
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徐泽强 ¹
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张明义 ^1,2
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张腾 ¹
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银吉超 ¹
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吴江斌 ³
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魏家斌 ⁴

1. 青岛理工大学，土木工程学院，山东青岛 266033； 2. 青岛理工大学，山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东青岛 266033； 3. 华东建筑设计研究院有限公司上海地下空间与工程设计研究院，上海 200002； 4. 同济大学土木工程学院地下建筑与工程系，上海 200092

中图分类号： TU473.1

最近更新：2024-11-22

DOI：10.11835/j.issn.2096-6717.2022.075

摘要

研究饱和黏性土中静压沉桩引起的桩土界面孔压增量及有效径向应力的变化规律对工程实践具有重要意义。利用自制的大比例模型试验系统，通过双壁开口和闭口管桩，实现了开口和闭口桩桩身表面嵌入式安装微型测试元件，得到了考虑孔压增量的桩土界面有效径向应力的变化规律。研究结果表明：入土深度越大，桩土界面孔压增量及有效径向应力越大，闭口桩桩土界面超孔压大于开口桩；桩身上部桩土界面超孔压和有效径向应力小于桩身下部；同一入土深度，随着桩身h/L的增加，桩土界面土压力存在侧压力“退化”的现象；特定试验条件下，闭口和开口桩桩土界面超孔压与上覆有效土体自重比值最大值分别是61.2%和52.1%，桩土界面有效径向应力是超孔压的3.76~5.46倍。桩土界面超孔压和有效径向应力与桩身h/L位置有关。

关键词

静压沉桩; 开口管桩; 闭口管桩; 有效土压力; 桩土界面; 室内试验

在饱和黏性土地基中，对静压桩沉桩效应及长期承载力的发挥产生影响的重要因素是桩土界面超孔隙水压力和土压力^[

1-3]。学者们采用理论方法研究静压管桩贯入过程土压力变化^{[参考文献 4-6}4-6]。理论研究方法包括：圆孔扩张理论^{[参考文献 7-9}7-9]、应变路径法^{[参考文献 10-11}10-11]和有限单元法^{[参考文献 12-13}12-13]。然而，理论公式和数值模拟难以完全模拟现场的沉桩过程和真实反映桩周超孔隙水压力和土压力的分布。

许多学者通过试验研究了桩周孔压增量和径向应力的变化规律。Hwang等^[

14]、Pestana等^{[参考文献 15

百度学术}15]和Yang等^{[参考文献 16

百度学术}16]实测了超孔隙水压力，发现距桩轴距离大于15倍桩径的超孔隙水压力很小，随着长径比增加，桩身径向应力衰减效应越明显，沉桩深度达到孔压计和土压力计埋置深度时超孔隙水压力和土压力达到最大值。唐世栋等^{[参考文献 17

百度学术}17]、张宇超等^{[参考文献 18

百度学术}18]、周火垚等^{[参考文献 19

百度学术}19]、胡向前等^{[参考文献 20

百度学术}20]、张忠苗等^{[参考文献 21

百度学术}21]、李国维等^{[参考文献 22

百度学术}22]通过现场试验研究了桩周孔压增量、径向应力及位移变化。静压桩贯入过程中超孔隙水压力和土压力在桩周土体和桩土界面有较大差别。Bond等^{[参考文献 23-24}23-24]测试了沉桩过程的桩土界面孔压增量和径向应力变化。王永洪等^{[参考文献 25-26}25-26]通过室内模型试验对黏性土中沉桩过程桩土界面超孔隙水压力和土压力进行研究。为了深入研究黏性土中桩土界面受力特性，笔者开展均质黏性土中静压沉桩室内模型试验，在模型管桩桩身表面嵌入式安装微型测试元件，获得了开口和闭口管桩沉桩过程桩土界面孔压增量和径向应力变化规律。

1 试验方案

1.1 试验仪器

为便于观察沉桩过程，试验模型箱的正面安装尺寸为500 mm×500 mm的钢化玻璃窗。加载系统主要由反力架和横梁、液压千斤顶、电控系统、静载控制系统等组成，以实现试验模型桩的静力沉桩过程^[

27]。大比例模型试验装置如图1所示。

图1 大比例模型试验装置

Fig. 1 Large proportion model test device

1.2 试验制备

进行压桩试验前，对模型箱中的土体进行采样，根据《土工试验方法标准》（GB/T 50123—2019）^[

28]进行室内土工试验，测定其相关的土样参数，测试结果：相对密度2.73，密度18.2 g/cm³，含水率34.8%，黏聚力14.4 kPa，内摩擦角8.6°。

1.3 模型桩及传感器安装

室内模型试验共有2根试桩TP1（闭口）、TP2（开口），试桩TP1桩端安装与桩身等直径的底板。模型管桩采用铝制材料，弹性模量为72 GPa、泊松比为0.3。试桩TP1和TP2桩长均为1 000 mm，内、外径分别为100、140 mm。双壁模型管桩的结构示意图如图2所示。在模型桩桩身表面h/L=1/20、1/10、1/5、2/5、3/5、9/10（h为传感器距桩端高度，L为模型桩桩长）位置处安装传感器，传感器布设如图3所示。

(a) 闭口管桩

(b) 开口管桩

图2 双壁模型管桩结构示意图

Fig. 2 Schematic diagram of double-wall model pipe pile structure

图3 传感器布设

Fig. 3 Sensor placement

1.4 试验方案

为了充分利用模型箱空间，沉桩桩位布置见图4。试验分别对1根闭口桩TP1和1根开口桩TP2进行沉桩试验，沉桩深度为900 mm，沉桩速度为300 mm/min。静压沉桩过程为：先将液压千斤顶定位到沉桩位置；再将试验桩放至桩位，并检查试验桩是否垂直；待将传感器的传输线连接到对应采集仪上，进行试验前调试并开始采集数据；最后通过油泵加压使液压千斤顶缓慢、匀速下降进行沉桩。

图4 桩位布置

Fig. 4 Layout of pile position

2 试验结果分析

2.1 沉桩过程的压桩力

从图5可以看出，2根模型桩压桩力随沉桩深度的变化规律相似。在沉桩初期0~20 cm深度范围，桩端破土贯入，破坏土体原有的结构，压桩力迅速增大，呈现出近似线性增长的现象。由于桩端形式的不同，开口桩TP2压桩力小于闭口试桩TP1。分析原因为开口管桩TP2在沉桩过程中会逐渐形成土塞，导致桩端封闭效果不如闭口管桩，开口管桩的压桩力小于闭口管桩。随着沉桩深度的增加，压桩力增长速率降低。当沉桩结束时，试桩TP1和TP2压桩力分别为2.938、2.538 kN，这是因为开口管桩在沉桩过程中会形成土塞，沉桩阻力相对闭口管桩较小，从而压桩力较小。

图5 压桩力

Fig. 5 Pile driving pressure

2.2 桩土界面超孔隙水压力结果分析

沉桩过程中试桩TP1和TP2孔隙水压力传感器量测的孔隙水压力总量与入土深度的关系如图6所示。由图6可知：与试验土样的静止水压力相比，不同h/L位置处1#~5#传感器测得的桩土界面孔隙水压力总量较大，桩土界面孔隙水压力随着入土深度的增加近似呈线性增加，这与王育兴等^[

29]研究结论一致。分析原因为：试验所用土样为均质土，试桩入土深度较小时，桩周上覆土重较小，水平侧压力小，孔隙水的消散较快，桩土界面孔隙水压力较小；随着入土深度的增加，桩周上覆土重逐渐增大，水平侧压力也随之增大，因此桩土界面孔隙水压力近似呈线性增加。

(a) 试桩TP1

(b) 试桩TP2

图6 试桩TP1和TP2沉桩过程中孔隙水压力分布图

Fig. 6 Pore water pressure distribution diagram of test pile TP1 and TP2 during sinking process

从图6还可以看出，沉桩结束时闭口试桩TP1桩身h/L=1/20、1/10、1/5、2/5、3/5位置处的传感器测得的桩土界面孔隙水压力分别为12.71、11.2、9.35、6.66、3.8 kPa，开口试桩TP2对应的桩土界面孔隙水压力分别为12.08、10.68、9.24、6.56、3.87 kPa，除h/L=3/5位置处，同一h/L位置处闭口试桩TP1大于开口试桩TP2的桩土界面孔隙水压力^[

19]。原因为闭口管桩对桩周土体挤压作用比开口管桩较大，桩周土体径向变形较大，致使闭口管桩TP1桩土界面孔隙水压力较大。在同一土层深度处，试桩TP1和TP2桩身1#~5#孔隙水压力传感器测得的桩土界面孔隙水压力较接近。以入土深度30 cm为例，试桩TP1沉桩过程中1#~5#传感器测得的桩土界面孔隙水压力分别为4.12、4.19、4.01、3.8、3.8 kPa，最大相差仅0.39 kPa，试桩TP2沉桩过程中1#~5#传感器测得的桩土界面孔隙水压力分别为4.17、4.06、3.96、3.73、3.87 kPa，最大相差仅0.3 kPa。

表1、表2分别为沉桩结束时，试桩TP1和TP2不同h/L位置处传感器测得的超孔隙水压力与其上覆有效土重比值表。由表1和表2可知，试桩TP1和TP2桩土界面超孔隙水压力与其上覆有效土重比值随入土深度增大而逐渐增大，试验结果与胡向前等^[

20]研究结果相符。这是因为h/L较小位置处埋深较大，上覆土重较大，桩土界面紧密程度增加，沉桩产生的孔隙水压力消散缓慢，导致超孔隙水压力逐渐增大。其中，闭口试桩TP1和开口试桩TP2在h/L=1/20时桩土界面超孔隙水压力与其上覆有效土重比值最大值分别为61.2%、52.1%，两试桩相差9.1%；在h/L=1/10、1/5、2/5位置处桩土界面超孔隙水压力与其上覆有效土重比值比较接近，均在44.3%~55.6%范围内，但闭口试桩始终大于开口桩。由于表层土体隆起，h/L=3/5位置处孔压消散快，闭口试桩TP1和开口试桩TP2桩土界面超孔隙水压力与其上覆有效土重比值仅为32.9%、36.3%。

表1 试桩TP1桩土界面超孔隙水压力与其上覆有效土重比值表

Table 1 Table of ratio of excess pore water pressure of pile-soil interface and overlying effective soil weight of test pile TP1

传感器位置 h/L	超孔隙水压力/kPa	上覆有效土重/kPa	比值/%
1/20	4.21	6.88	61.2
1/10	3.2	5.76	55.6
1/5	2.35	4.64	50.6
2/5	1.66	3.52	47.2
3/5	0.79	2.4	32.9

表2 试桩TP2桩土界面超孔隙水压力与其上覆有效土重比值表

Table 2 Table of ratio of excess pore water pressure pile-soil interface and overlying effective soil weight of test pile TP2

传感器位置h/L	超孔隙水压力/kPa	上覆有效土重/kPa	比值/ %
1/20	3.58	6.88	52.1
1/10	2.68	5.76	46.5
1/5	2.24	4.64	48.3
2/5	1.56	3.52	44.3
3/5	0.87	2.4	36.3

2.3 桩土界面径向土压力结果分析

图7为沉桩过程中试桩TP1和TP2桩身1#~5#土压力传感器量测的桩侧土压力。由图7可知：沉桩过程中桩侧土压力逐渐增大，与Lenane^[

30]和李雨浓等^{[参考文献 31

百度学术}31]试验结果一致。当模型桩的贯入深度小于10 cm时，桩侧径向土压力较小，且其增长速度较低，主要是因为模型桩下沉对浅层土体造成的长时间的重复剪切作用，致使土体与管桩之间的黏结力降低，接触紧密程度降低，从而导致侧压力较小；当模型桩贯入深度超过10 cm时，径向土压力近似线性增长且增长速率较高。沉桩结束时闭口试桩TP1测得的桩土界面径向土压力分别为20.03、16.68、13.23、8.42、5.1 kPa，开口试桩TP2对应的桩土界面径向土压力分别为19.59、16.67、13.83、9.05、4.54 kPa。由试验结果可知：闭口桩和开口桩桩土界面径向土压力相差不大，闭口和开口桩均是距离桩端越远桩土界面径向土压力增幅越小，分析原因是桩土界面径向土压力受上覆土重的影响，距桩端越远上覆土重越小，挤土效应越弱导致径向土压力增幅越小。

（a）试桩TP1

（b）试桩TP2

图7 试桩TP1和TP2沉桩过程中桩侧土压力分布

Fig. 7 Distribution of lateral earth pressure of test pile TP1 and TP2 during sinking process

为了解释桩侧土压力“退化”现象，将相邻传感器侧压力退化值用“Δ”符号在图7中进行标注。当入土深度在50 cm左右，闭口试桩TP1相邻传感器侧压力退化值分别为Δ_1-2=2.08 kPa，Δ_2-3=1.51 kPa，Δ_3-4=1.36 kPa。以开口试桩TP2入土深度为30 cm为例，相邻传感器侧压力退化值分别为Δ_1-2=1.36 kPa、Δ_2-3=1.0 kPa、Δ_3-4=0.92 kPa、Δ_4-5=0.54 kPa。由以上数据可以看出，在同一入土深度处，从桩端到桩顶桩侧土压力退化值逐渐减小。随着沉桩深度的增加，同一深度处的径向土压力呈递减趋势，出现土压力“退化”现象。分析原因为随着h/L增加，桩周土被不断剪切，桩土之间产生泥浆水膜，桩土接触紧密程度降低，使得桩土界面土压力释放。

2.4 桩土界面径向有效土压力结果分析

图8为闭口桩TP1和开口桩TP2桩土界面有效土压力与孔压增量的比较。从图8中可以看出，2个试桩得到的有效土压力和桩土界面孔压增量相近，同一h/L位置处桩土界面孔压增量小于桩土界面有效土压力，随着h/L增大，桩土界面有效土压力递减速率大于桩土界面超孔隙水压力。将桩土界面有效土压力与桩土界面超孔隙水压力作比较，h/L=9/10位置处闭口桩TP1和开口桩TP2桩土界面有效土压力与孔压增量比值分别为5.46、4.22，不同h/L位置处闭口桩TP1比值分别为3.76、4.2、4.63、4.07，不同h/L位置处开口桩TP2比值分别为4.47、5.22、5.17、4.8。

图8 桩土界面有效土压力与超孔隙水压力的比较

Fig. 8 Comparison between effective soil pressure of pile-soil interface and excess pore water pressure

3 结论

通过开展均质黏性土体中静压沉桩室内试验，研究了沉桩过程中桩土界面超孔隙水压力和有效土压力的变化规律，得到以下结论：

1）桩土界面孔隙水压力和孔压增量与入土深度成正比关系，在同一桩身位置处闭口试桩桩土界面孔隙水压力大于开口试桩，桩土界面孔隙水压力增量幅值均随着h/L增大而减小。

2）桩土界面径向土压力在不同h/L位置处随着入土深度的增加呈线性增长趋势，桩土界面径向土压力受桩端形式影响不大，闭口和开口桩桩土界面径向土压力随着h/L增大而减小。

3）闭口和开口桩桩土界面径向有效土压力均为桩土界面土压力的主要组成部分。随着h/L增大，桩土界面有效土压力递减速率大于孔压增量。

由于研究仅限于给定的均质黏性土、桩端形式不同的模型桩和h/L位置，其他不同土层、模型桩和h/L位置条件下的桩土界面土压力、超孔隙水压力及有效土压力的变化规律还有待进一步深入研究。

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