持力层厚度变化对预制桩承载特性的影响研究

胡锡鹏，邓修甫，杨珍帧

(湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201)

持力层厚度变化对预制桩承载特性的影响研究

胡锡鹏，邓修甫，杨珍帧

(湖南科技大学 土木工程学院，湘潭 411201)

针对桩身位于粉质粘土中而桩端支撑在圆砾层上的预制管桩,进行室内模型试验，研究桩端圆砾层的厚度变化对预制管桩承载力的影响及模型桩荷载作用下的侧摩阻力分布.试验结果表明：圆砾层厚度越大，桩的承载力越大；圆砾层厚度越大，桩侧摩阻力的增幅越大；圆砾层的厚度越大，预制管桩破坏时的总沉降量越小，破坏反应较厚度小者更强烈，桩侧摩阻力随桩土相对位移的增大出现极限值.

粉质粘土；圆砾层；模型试验；侧摩阻力

0 引言

由于城市建设的高速发展，预制桩得到了广泛运用，桩端条件的不同对桩基设计提出了很多新的要求，在打桩过程中遇到密实砾石夹层的情况导致预制桩无法打到指定深度甚至出现断桩、桩头打烂等情况.鉴于将预制桩持力层设置在砾石夹层上的试验研究不太完整，本文针对砾石夹层基础条件设计模型地基，研究砾石夹层做持力层的条件下，砾石夹层厚度变化对预制桩承载力及侧摩阻力特性影响的研究.以往的模型多基于砂土地基模型的研究，对粘土特别是复杂层状地基基础的模型试验研究相对较少，主要原因是砂土条件下的模型试验周期短，操作方便；粘土基础模型的固结时间长导致周期较长[1].然而工程实际中均质的桩侧土环境是不存在的，为了更加贴近实际工况本文涉及了上述模型.本文的结论对桩基承载性状研究做了一些补充，具有一定的现实指导意义[11].

1 试验方案

1.1 实验准备

为使试验结果更贴近实际情况，本试验根据实际工况资料设置模型地基，基础土层分为粉质粘土层、砾石夹层、粘土层、透水层.土层参数如表1所示.

表1 试验所用土的物理力学指标

试验采用4 cm铝合金管做模型桩，铝合金的弹性模量E=70 GPa，同时设置一根同条件补偿桩用以补充试验数据并进行对比分析得出准确地结论.桩土关系如图1所示.

图1 桩土关系图

1.2 方案设计

试验加载采用慢速维持加载方案，在桩顶放置30 cm×30 cm承压板为厚度1 cm，承压板上对称布置的量程为50 mm，精度为0.01 mm两个百分表监测试桩的竖向位移.针对桩身轴力数据监测，考虑到应变测量外贴外引线法会影响桩土关系，模型设计时决定采用在铝合金管内部贴片的内贴内引线方案，同时在桩端埋设土压力盒用以监测桩端阻力变化.根据现有研究成果，桩端持力层部分的轴力变化幅度较大，为了准确的反馈桩端部分的轴力数据在应变片排布设计时考虑将端部位置设计为加密段，每5 cm粘贴一个应变片，上部桩体按10 cm等距贴片，在桩底埋设直径为3.8 cm的土压力盒.根据现有研究成果，受力桩对桩周10倍桩径以外范围的影响基本可以忽略，模型箱尺寸和桩位布置采用图2所示方案，桩身应变和桩底阻力数据采集元件采用如图3所示方案进行布置.

图2 桩位平面布置图

图3 桩位布置剖面图

1.3 数据采集

试验每级加载为极限荷载预估值的1/10～1/15，每级荷载加载完成后间隔5 min、10 min、15 min各测度一次百分表读数，达到相对稳定后施加下一级荷载，终止加载的条件参照建筑桩基技术规范(JGJ94-2008)的相关要求[2].应变和土压力数据采集使用DH3816 静态应变测试系统，在采集过程中由于应变测量容易受外界温度、扰动、电流等条件影响，为保证数据的准确性，本试验采用多次读数取平均、预热稳定和减少干扰等措施减少试验误差[3].

2 模型试验结果

2.1 荷载沉降关系

从图4所示工况的荷载(Q)-沉降(S)曲线可以发现，工况1中单桩的极限承载力为1200 N对应沉降量为16.2 mm，工况2中单桩的极限承载力为1650 N对应沉降量为2.5 mm.从图示Q-S曲线可以看出，砾石夹层的厚度对桩破坏形式的影响明显，对比工况可得出结论砾石夹层厚度越大承载能力越强而极限荷载后的破坏反应更为迅速，在极限荷载出现之前的总沉降量较工况1要小,工况2则表现为明显的刺入破坏，由此可知持力层厚度的差异是影响单桩极限承载力的主要原因.

图4 单桩荷载(Q)—沉降(S)曲线

2.2 桩身轴力分布

根据粘贴在试桩上的应变片测得的应变数据，按下式计算桩身轴力

Pi=EsK(fi-f0)ΔAp

(1)

式中：Pi第i级荷载下的轴力和应变；Es模型桩的弹性模量；K应变片的标定系数；ΔAp模型管桩截面面积。

图5 单桩轴力传递曲线

通过分析图5所示轴力分布曲线发现室内模型试验所得出来的桩身轴力分布曲线和理论分析值基本一致，在竖向荷载施加后桩身上部分首先受压并产生相对土体向下的沉降，沉降发生的过程桩周土对桩体下沉的摩阻力由上而下开始发挥作用，桩顶荷载在传递过程中沿桩身方向不断向土体中扩散，从而导致桩身轴力沿土深度增加逐渐减少.

2.3 桩侧摩阻力

桩侧平均阻力的计算公式如下：

τi=(Pi-Pi-1)/Ap

(2)

图6 单桩侧摩阻力曲线

从图6可以看出，桩侧摩阻力随桩土相对位移的增大出现极限值，桩身侧摩阻力随桩身入土深度增加总体呈现增大趋势，桩端持力层部分侧摩阻力明显大于上部粉质粘土层，持力层厚度变化对摩阻力影响明显，厚度较大的持力层对桩侧摩阻力的桩端强化作用现象更为明显，而厚度较小的持力层对桩侧摩阻力的在桩端强化作用较弱.桩身上部分摩阻力随桩顶沉降增加而增大，达到极限后反而随沉降量增加呈下降趋势，桩端位置的侧向摩阻力在达到极限荷载之前一直呈现增大的趋势[10].

3 结论

本文通过对模型试验数据静载荷试验进行的对比分析研究，得出以下结论：

(1)桩侧摩阻力沿深度方向分布大致呈现单个峰值状态，而且随桩顶沉降的增大峰值出现的位置逐步下移.在达到极限承载力时的单桩，桩周土体随位置变化，经历加固硬化，应变软化和残余强度阶段.

(2)桩身上部的摩阻力随桩土相对位移的增大呈现出先增大后减小的趋势，而桩端位置的摩阻力在极限荷载出现之前总体呈现增大的趋势.

(3)对比两个工况单桩的承载力随持力层的厚度增加而变大，持力层较厚者破坏时的沉降量小，达到极限承载力引起破坏时持力层较厚者表现为明显的刺入破坏形式.

(4)桩身轴力眼入土深度方向呈现下降趋势，随荷载增大轴力由上到下传递，由此可知桩端阻力和桩侧摩阻力不是同时发挥作用，有时桩端阻力甚至不发挥作用.

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Model Test on Prefab Pile Bearing Behaviors Under Thickness Variation

HU Xi-peng, DENG Xiu-fu, YANG Zhen-zhen

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

A laboratory model test is conducted to reveal the thickness variation of round gravel layer, at the bottom of a pile. The influence of the gravec layer thickness change on the model pile load bearing capacity and the action of pile skin friction distribution under the bearing are otudied. The test results show that the bigger the round gravel layer thickness is, the greater the bearing capacity of the pile and the skin friction are; the bigger the round gravel layer thickness, the less the pile settlement is and the more intense the reaction of destroy is. The skin friction resistance shows limit value along with the increase of pile-soil relative displacement.

silty clay; round gravel; model test; skin friction

2015-03-28

胡锡鹏(1990-)，男，硕士研究生，研究方向：岩土工程.

TU413.4

A

1671-119X(2017)01-0091-04