静压开口混凝土管桩施工效应试验及理论研究

摘要

静压开口混凝土管桩的施工效应包括土塞效应、挤土效应、承载力时间效应和残余应力四部分。它们彼此相互影响共同制约桩的承载力性状。本文通过现场足尺试验、室内物理力学试验,统计分析和理论建模解析计算,系统揭示了施工效应中各个方面对静压开口混凝土管桩受力特性的影响规律。本文的主要工作及创新成果如下:
　　 土塞效应是指挤入桩孔内的土柱对桩-土体系的影响。本文通过现场试验和室内土工试验,获得了不同土层中土塞的物理力学特性、分层特征及发展规律,建立了土塞端阻与土塞增长率的线性表达式；发现桩端以上4～5倍桩径范围内土塞的物理力学指标优于原状土,桩端处土塞的静力触探锥尖阻力高于原状土67％。基于土塞效应,首次建立并解答了开口混凝土管桩“桩中桩”荷载传递解析模型.研究表明土塞摩擦力的发挥主要集中在桩端以上2倍桩内径范围内,桩端处的土塞摩阻力为桩壁外侧摩阻力的3.4倍。同时,本文提出了更适用于开口混凝土管桩的基于静力触探试验的承载力设计方法-ZJU设计法。
　　 挤土效应是指沉桩挤土对桩-土体系的影响。本文在粉土地基中进行了开口管桩的挤土效应试验,揭示了沉桩过程及静置期内桩周土体的应力、孔隙水压力和位移的变化规律,发现单桩压入对周围土体的影响范围约为15倍桩径。基于试验结果,建立了开口管桩挤土效应解析计算模型,将桩体的压入过程模拟为半无限体中一系列球孔的扩张。现场实测表明黏性土中管桩的挤土效应导致群桩中单桩的承载力降低35％～75％,并讨论了挤土效应的防治措施。通过自制的恒刚度剪切试验,揭示了桩侧摩阻力随剪切循环的指数型退化规律。
　　 时间效应是指管桩沉桩后承载力随休止时间的提高。本文提出了承载力三阶段增长理论模型,并建立了基于固结理论的承载力时效解析计算模型。计算表明,完全非闭塞的摩擦型开口管桩承载力随时间的相对增长速度高出闭口桩约10％。采用隔时复压试验和静载荷试验揭示了开口管桩的时效性规律,发现基桩承载力随时间呈对数型增长,每时间对数循环的增幅处于15％～29％范围。利用时效性的有益影响,提出了基于隔时复压试验的静压桩承载力优化方法。
　　 残余应力是指沉桩后由于桩身压缩不能完全恢复而残留于桩内的应力。本文利用光纤传感技术对开口管桩的残余应力展开足尺试验研究,建立了残余应力与沉桩过程的关系.根据试验结果,实现了基于能量守恒的残余应力模拟计算解答,揭示了桩土参数和沉桩方式对残余应力的影响规律。研究表明,忽略残余应力将高估中性点以上摩阻力,而低估中性点以下摩阻力及桩端阻力。
　　 开口管桩施工效应的系统研究表明,土塞效应、挤土效应、承载力时间效应和残余应力共同制约管桩的承载力性状。统计近2000根管桩静载荷试验发现,管桩的极限承载力与压桩终止瞬间的压桩力存在相关性:短桩的极限承载力往往小于终压力,而随着桩长的增加承载力将超过终压力；单桩极限承载力与终压力的比值随桩长径比呈双曲线型增长,持力层为黏性土且桩侧为粉土时增幅最显著。