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PCC桩芯土室内模型试验研究

来源：爱够旅游网

　第38卷第12期　2005年12月

土　木　工　程　学　报

CHINACIVILENGINEERINGJOURNAL

Vol138No112Dec1　2005

PCC桩芯土室内模型试验研究

张晓健　刘汉龙　高玉峰

(河海大学,江苏南京210098)

摘要:通过自行研发的试验装置,对PCC桩进行单桩以及单桩复合地基的室内模型试验,从而得出桩芯土的工作性状。从试验结果看出,桩芯土是发挥作用的。关键词:PCC桩;桩芯土;模型试验

中图分类号:TU473　　　　　文献标识码:A文章编号:10002131X(2005)1220099204

MODELTESTOFINNERSOILOFPCCPILE

ZhangXiaojian　LiuHanlong　GaoYufeng

(HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

Abstract:Testequipmentisemployed,andmodeltestsofsingle2pileandsingle2pilecompositegroundarecarriedout.Asaresult,thepropertiesofinnersoilareobtained.Itisconcludedthatinnersoilisfunctional.Keywords:PCCpile;innersoil;modeltest

前　　言

作为复合地基的一种形式,桩体复合地基近年来在建筑道路与桥梁工程中得到越来越多的应用,并取得了较大的发展。它是依靠桩与土的共同作用以达到提高承载力及减小变形的目的。常用的三种类型桩有:散体材料桩、柔性桩和刚性桩。而管桩具有结构简单、用料量少、结构受力条件好、施工速度快、造价低等优点,已成为研究者研究的重点。常见的有钢管桩、大圆筒结构、沉管灌注筒桩和现浇混凝土薄壁管桩(以下简称PCC桩)。许多学者致力于这方面的研究,而桩芯土即管内土体的工作性状又成为研究的重点。陈福全、龚晓南等指出大圆筒结构是无底的,在垂直向与水平荷载作用下,刚性的无底圆筒结构将挤入基床,在筒底下部产生很大的反力,会急剧增大筒内填土的竖向压力,相对

[1]

于筒壁,摩阻力方向向上,有利于结构抗倾稳定。朱向荣指出筒桩的单桩竖向极限承载力除保留沉管灌注桩的桩侧摩阻力、桩端阻力外,还增加了土芯端阻力,但对土芯的作用机理尚不清楚。他同时得出无桩芯土情况下,不仅土芯的端阻力为零,而且

[2]

桩端阻力的发挥也比有土芯时要小。费康、刘汉龙等指出PCC桩内侧摩阻力由下向上发展,且管内

收稿日期:2004203223

壁传递荷载是PCC桩荷载传递的主要特点,但是并没有从试验结果加以验证。

可见,桩芯土的研究已成为关注的重点。PCC桩

[4,5]

是河海大学研制的一种新型桩,因其实用性和经济性而逐渐应用于工程建设中。以往对它的研究大多局限于理论研究和数值计算,包括用大型有限元程序计算桩的承载力和位移,而对其室内模型试验尚无先例,对其桩芯土的研究更是甚少。本文通过自行研制的加载和量测装置对PCC桩进行单桩和单桩复合地基的室内模型试验,得出桩芯土的工作性状。

[3]

1　试验方法

试验在一个长115m,宽018m,高112m的模型试验槽内进行,用砂土作为桩周土。为了力图模拟现场现浇管桩的性状,用两个不同管径的硬质PVC管(管径分别为110mm和75mm,长度为90cm)固定在底座上,其中内管固定时预先分成几瓣,外管分成两瓣,便于成桩后拆模。然后在两管之间浇筑混凝土,待混凝土具有一定强度后,即进行拆模,所得到的管桩与现浇混凝土桩具有一定的相似性,但不完全等同于预制桩,然后将其进行室内试验。

试验的加载系统主要由杠杆和砝码组成,力臂之比为3∶1,即三倍于砝码的重力作用在桩顶,本次试验所施最大荷载为4200N。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　土　木　工　程　学　报・100・2005年

量测系统由百分表、频率仪以及应变仪组成。其中百分表用来量测桩顶的沉降,频率仪用来测定桩周土压力的大小,进而计算作用在桩身上的摩阻力。采用XD—20B智能选点应变仪采集系统,在加载过程中可以测出桩身某一点的应变变化值,从而计算出桩身轴力。

试验开始,每级荷载为600N。在某级荷载作用稳定后用应变仪自动采集出每个测点的应变值,以计算桩身的轴力,同时记下该级荷载下的百分表读数和频率值,用于计算桩顶沉降和桩身土压力。然后再施加下一级荷载,直至加载结束。由于桩身模量较大,试验并未加载至破坏。

为达到研究土芯工作性状的目的,本次试验开始没有注入桩芯土,试验结束后再在管内注入砂土进行第二次试验,以便将两种结果进行对比。212　单桩复合地基试验

在单桩试验的基础上进行了单桩复合地基试验。将砂土表面与桩顶置于同一平面上,然后将承压板置于该表面,其余的试验过程与单桩试验相同。为了消除表面不平整而引起的百分表读数误差,在加载前先施加一小荷载进行预压,使砂土表面与承压板底面齐平,以保证所测沉降为桩顶沉降。本试验同样进行了有无桩芯土两种情况下的对比,便于更好的研究土芯的性状。213　试验结果与分析2　模型试验

本次试验做了单桩以及单桩复合地基两种试验。为了重点研究桩芯土的工作性状,在试验时分别考虑

了有桩芯土和无桩芯土两种情况,并对试验结果进行对比。试验装置示意图如图1所示。

图1　试验装置图Fig11　Installationoftheexperimentalequipment211　单桩试验

本次试验得到了有无桩芯土两种情况下单桩和单桩复合地基桩顶荷载沉降P-S曲线以及桩身土压力分布情况,同时还得到了无桩芯土情况下的桩身应变变化分布,亦对应于桩身轴力分布。

在有无桩芯土两种情况下,单桩与单桩复合地基的桩顶P-S曲线分别如图3、4所示。

试验前,先清扫模型槽,然后注入砂土30cm左右。在制好的模型桩两侧对称的贴上应变片,并通过导线引出,接到端子上,再与XD—20B选点智能应变仪连接。在贴片的地方用胶布保护以免应变片受到破坏。然后将模型桩放置于槽中央,在桩两侧紧靠桩身埋设土压力盒,沿桩长均匀布置,相邻土压力盒间隔为15cm,如图2所示。边埋边填砂土,埋设时注意压力盒要保持垂直位置,以使所测压力为桩身单元的侧向压力。同时由下而上分别记下各压力盒的编号,便于试验时读出相应土压力盒的频率值。直至埋置距桩顶约4cm处,整平砂土表面。在桩顶处固定一块刚性承压板(30cm×30cm),通过槽上的基准梁将百分表架到承压板上,以便测得桩顶的沉降。

图3　有桩芯土桩顶P-S曲线图

Fig13　P-Scurveofpileheadwithinnersoil

图2　桩身压力盒分布图

Fig12　Distributionofpressurecellsalongthepile

从图3和图4可以看出,无论有无桩芯土,单桩

桩顶沉降较单桩复合地基沉降都要大,这是因为在荷载较小的情况下,桩的弹性压缩量很小,桩顶沉降主要是由桩的刚体位移所引起。对单桩复合地基,在上部荷载作用下,由于使用了刚性承压板,桩顶与砂土表面要变形协调,因此荷载将由桩与桩周土共同承担,桩顶实际承受的荷载比单桩要小,故沉降也比单桩小。

　第38卷　第12期张晓健等・PCC桩芯土室内模型试验研究・101・

从图5可以看出,对于PCC桩,考虑内摩阻力的

计算结果与有桩芯土的试验结果较接近,而不考虑内摩阻力的计算结果则与没有桩芯土的试验结果吻合较好。由此也可以推断,对于大直径现浇混凝土薄壁管桩,其内部土体是发挥摩阻力和端阻力作用的。

试验还得到了有无桩芯土情况下单桩复合地基桩身的土压力分布,见图6和图7。

图4　无桩芯土桩顶P-S曲线图

Fig14　P-Scurveofpileheadwithoutinnersoil

由上图还可以看出,在无桩芯土情况下,其单桩

与单桩复合地基的桩顶沉降都比有桩芯土时要大,有土芯情况下,单桩与单桩复合地基的沉降分别为2186mm和1141mm,而在无桩芯土情况下,两者分别达到了3183mm和3106mm,这说明桩芯土是发挥一定作用的。可以推断,对于外径为1000mm,内径达到760mm的PCC桩来说,其土芯是承受一定的上部荷载并发挥一定的摩阻力作用的。为了更好地说明桩芯土是否发挥摩阻力作用,用Seed和Resee提出的双曲线荷载传递函数模型来计算单桩桩顶荷载,即τ(z)=

S(z)as+bsS(z)

图6　有桩芯土单桩复合地基桩身土压力分布

Fig16　Earthpressurealongthesinglepileof

compositegroundwithinnersoil

式中:τ(z)为桩身摩阻力;S(z)为桩身位移;

as、bs为传递系数。将桩身分成n个单元,从最底部单元开始,假定一桩端沉降,对该单元应用上述传递关系计算该单元顶部的荷载,直至计算至桩顶,得到的就是桩顶荷载和沉降,具体的计算过程笔者另有文叙述。考虑了有无内摩阻力两种情况,将计算结果与实测结果比较,如下图5所示。

图7　无桩芯土单桩复合地基桩身土压力分布

Fig17　Earthpressurealongthesinglepileof

compositegroundwithoutinnersoil

从上述两图可以看出,土压力较大的部位都集中

在靠近桩顶的部位,这是由于在单桩复合地基中,使用了刚性承压板,桩和桩周土开始就共同承受上部荷载,但是由于桩周土的模量比桩的模量要小,会产生较大的变形,使得上部土中的应力急剧增加,因此桩顶附近的桩身土压力很快增大。桩周土的竖向变形近

[6]

似为线性减小分布,因此随着深度的增加,土压力又逐渐小。由于刚性承压板的存在,桩土表面变形协

图5　计算值与试验值对比

Fig15　Comparisonbetweencomputedandmeasureddata

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　土　木　工　程　学　报・102・2005年

调,桩承受的荷载逐渐增大,桩端产生刚体位移(由于桩体模量很大,其弹性压缩量非常小),使得桩身中下部的摩阻力首先被调动出来,故中下部的土压力又有所增大。从图中还可以看出,无桩芯土时上部桩身土压力要比有桩芯土时要大,最大达39178kPa。这表明有土芯存在的情况下,桩芯土承受一定的上部荷载。

综合上述试验结果对比分析可知,桩芯土的存在不仅承受了部分上部荷载,并且发挥了一定的摩阻力作用。这证实了朱向荣等把土芯端阻力作为沉管灌注

[2]

筒桩极限承载力一部分的合理性。

此外,试验得到了无桩芯土时桩身应变变化分布,如下图8所示。从图中可以看出,随着摩阻力的不断发挥,上部荷载被逐渐传递到桩周土中去,因此,桩身应变变化量逐渐减小,但由于荷载较小,因此减小的幅度并不大。

3　结论与建议

本文通过自行研制的加载和量测系统装置,对PCC单桩和单桩复合地基做了室内模型试验,从试验

结果可以得出以下结论:

(1)从单桩以及单桩复合地基的P-S曲线可知,无桩芯土时桩顶的沉降都较有桩芯土时沉降要大,这表明土芯发挥了一定的摩阻力作用。

(2)根据荷载传递函数计算出的荷载沉降曲线,在考虑内摩阻力情况下,结果与有桩芯土时的实测结果较接近,而不考虑内摩阻力时则与无桩芯土时的实测值吻合较好,同样说明桩芯土是承受一定的摩阻力作用的。

(3)有桩芯土时单桩复合地基中桩顶附近的土压力比无桩芯土时要大,表明土芯承担了部分上部荷载,把它作为极限承载力的一部分是合理的。

本文定性地说明了桩芯土的工作性状,但对其发挥的程度还有待于进一步的研究,如何从理论上说明其作用机理,并且将其摩阻力定量化计算是今后需要解决的问题。

参　考　文　献

[1]　陈福全,龚晓南,等.大直径圆筒码头结构土压力性

状模型试验[J].岩土力学,2002,24(1):72-75[2]　朱向荣.沉管灌注筒桩的承载特性分析[J].岩土工程

学报,2003,25(5):538-542[3]　费康,刘汉龙,等.现浇混凝土薄壁管桩单桩承载性

图8　桩身应变变化量分布

Fig18　Distributionofstrainalongthepilebody

能分析[A].第九届土力学及岩土工程学术会议论文

集(上)[C].北京:清华大学出版社,2003

[4]　刘汉龙,费康,马晓辉,高玉峰.振动沉模大直径现

):开发与研制[J].岩浇薄壁管桩技术及其应用(Ⅰ

由于试验误差的存在,上部应变变化略有所增

大,而下部016m处也有所增大,但总体趋势大致逐渐减小,且在荷载较小的情况下,其变化量还是符合实际情况的。图中中下部减小的幅度较大,说明摩阻力发挥多集中在中下部。

土力学,2003,24(2):164-168

[5]　刘汉龙,郝小员,费康,陈永辉.振动沉模大直径现

):工程应用与现场试验浇薄壁管桩技术及其应用(Ⅱ

[J].岩土力学,2003,24(3):372-375

[6]　傅景辉等.刚性复合地基工作特性分析[J].岩土力

学,2000,21(4):335-339

张晓健　博士研究生。从事软土地基处理研究。通讯地址:210098　江苏省南京市河海大学岩土工程研究所278#　E2mail:

joker234@tom1com

刘汉龙　教授,博士生导师。主要从事土动力学与地基基础工程教学与科研工作。高玉峰　副教授。从事岩土工程专业教学和科研工作。

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