淺談靜壓樁沉樁機理特性研究的國內外現狀

朱亮亮 肖昭然

（河南工業大學 土木建筑學院，河南 鄭州 450001）

目前，高層建筑已成當今城市建筑的主題，其對地基基礎提出很高的技術要求。 樁是設置于土中的柱形基礎構件，它與上部承臺組成深基礎，一起傳遞上部結構產生的載荷。 由于樁基礎穩定性好、承載力高、沉降量較小且均勻等特點，所以它成了現代基礎工程體系中非常重要的基礎形式。 靜壓樁作為其中一種樁基形式，由于其沉樁具有無振動、無噪聲、無沖擊力、施工應力小、樁頂不易損壞和沉樁精度較高且便于文明施工等特點，如今得到了很大規模的推廣應用。

由于樁基型式和地基土體物理力學特性等的多樣性，所以在理論上準確確定工程應用中的靜壓樁的豎向承載力有很大的難度。 提出的許多確定方法常是基于工程實踐，有較大的局限性且最終結果相差很大。 隨著巖土工程學科的研究發展，人們更加重視對靜壓樁沉樁機理的研究。 為方便于實現我國靜壓樁研究，有必要分析一下國內外靜壓樁承載力特性研究方法的現狀。

圖 1-1 樁基礎主要研究方法的分類

1 國內外靜壓樁承載力特性的試驗研究現狀

試驗方法主要有三種：室內模型樁試驗，離心機模型樁試驗，現場樁試驗。 主要是為了獲得不同深度下的樁阻力（側摩阻力及樁端阻力）和孔隙水壓力與土壓力。 在試驗方面，由于現場試驗的成本很大和現場復雜因素，室內模型試驗對研究靜壓樁的沉樁機理相比而言比較重要。

Dave White 等在室內試驗砂箱中做了靜壓樁的模型試驗，并在工地上做了靜壓樁試驗。 一方面通過室內模型試驗研究了砂土的特性對靜壓樁的影響；另一方面通過現場靜壓樁試驗來驗證模型試驗得出的結論。

Lehane 等人通過在松砂中的靜壓模型樁試驗， 研究了樁徑、管樁管厚、應力水平等參數對靜壓樁性能的影響。

Paik 等人通過改變砂土的特性來研究樁的壓入方法對刺入參數和承載力的影響。 試驗結果表明在相同的錘擊能量下，隨著夯錘質量的增加，錘擊次數和填充率減小。 靜壓樁的試驗表明，由于靜壓比錘擊更加有利于樁端土塞的發展，靜壓樁的承載力更高。

Bond,A.J&Jardine,R.J.做了一系列靜壓樁在超固結土中的現場試驗，模型樁長7m，直徑102mm，樁尖水平角為60°。 樁身裝有軸向壓力傳感器、應變片、孔壓計和位移傳感器。 試驗時，勻速分段壓入，每次每段為225mm，整個過程中傳感器每3s 讀一次數。 等樁壓入穩定后進行靜載試驗。 試驗量測了樁在靜壓過程中，土的固結、孔隙水壓力的消散過程及樁土接觸面上的有效應力變化。 實驗結果得出，剪應力值伴著樁貫入過程逐漸增大然后保持穩定。 樁土界面處剪應力大小與土的初始強度關系不大，另外在不同的壓樁速度下其剪應力值是不相同的。

Bond,A.J&Jardine,R.J.另外還通過用兩種模型樁試驗測出了樁在壓入和靜載試驗時的樁土界面處的剪應力、孔隙水壓力和環向有效應力值的變化。

Price&Wardle 等對超固結土做了大量的研究，得出土的應力變化受樁的壓入速度影響。

Coop&Wort 通過試驗測出超固結土的孔壓變化，分析了靜壓樁的成孔效應。

Kens 等在一個大型砂坑中， 使用不同的探頭做一些列的試驗，量測了在壓入過程中樁端阻力及平均側摩阻力的變化規律，并說明了“臨界深度”這一概念。

Vesic 通過現場砂土中的靜力初探與靜壓樁貫入試驗，量測了端阻力及側阻力的變化，研究了臨界深度的位置。

劉祖德等介紹了在土工試驗模型中使用顯微鏡位移跟蹤法的方法，其把位移場轉為介質密度場與應變場，研究了靜力初探的機理。

張明義等改進了室內試驗的儀器，通過其研究了樁-土滑動摩擦及其時效性，為靜壓樁沉樁過程中的數值模擬和承載力特性分析打下基礎。

圖1 -2 樁-土滑動摩擦試驗儀器（左） 不同固結壓力下滑動摩阻力隨位移的變化（右）

侯兆霞通過在不同密實度的砂中進行模型樁試驗， 量測了樁附近土體的應力變化，研究了砂土的破壞機理。

2 國內外靜壓樁承載力特性的理論研究

上述主要是利用試驗現象來闡述沉樁機理， 但對試驗方法的增補與升華離不開理論方面的研究方法。 大致有以下幾類：

1）剛塑性理論

有關砂土地基的地基極限荷載用這個理論可以轉化為：Pu=rhN（N 為深基礎承載力系數）。

這個理論沒有考慮樁尺寸的影響。 使用剛塑性理論的有關深基礎地基極限荷載的計算方法只能在小于臨界深度且在考慮多層土對其的影響的條件下使用。

2）圓孔擴張理論

圓孔擴張理論假定樁尖的貫入為在彈塑性無限介質中的球形孔擴張、圓柱孔穴擴張、或介于圓球與圓柱之間的擴張。 它認為土的強度和變形影響樁貫入過程中的阻力。

Yasufuku 認為樁端砂的受壓變形形狀與砂的可壓縮性沒有明顯聯系。 故球孔擴張理論能很好的在計算分析樁端阻力中所應用。 其使用此理論把小孔擴張壓力與樁端阻力相關聯，在實際應用中有較大的實用性。

張明義在樁端土上使用此理論， 并聯系樁周土體介質的相對摩擦得出了球形孔擴張-滑動摩擦的計算公式。

王啟銅等提出在研究靜壓樁的相關機理時使用考慮介質不相等的拉、壓模量時的圓柱孔擴張解答。

3）應變路徑法

Baligh 等總結出一種基于樁貫入過程中不考慮土的本構關系但可以準確得到土體的位移場的方法，此方法簡化了相關問題的求解。

Baligh 提出的這個方法能大體分析預測出由土體內不同剛樁導致的土的擾動。

這個方法有許多優點：考慮了樁壓入過程的連續性，認識到了樁周彈性介質和縱向坐標之間的關系。 但這個方法計算起來比較復雜且實際上是個大致近似方法。 一些人的研究就指出，此方法假設的一維模型不能描述二維的問題，因為它太過于簡化。

3 國內外靜壓樁承載力特性的數值分析研究

由于靜壓樁沉樁問題的復雜性， 在求解析解或近似解時常常非常困難，且當在一些復雜情況下不能很好的計算樁基礎時，如樁周土體介質的特性過于復雜，可以使用數值解法。

Liyanapthirana 在砂土中開口鋼管樁的壓入過程中用大變形有限元法模擬，分析了樁端土的應力應變特性。

Daichao Sheng 等在ABAQUS 中使用大滑移面算法成功模擬了樁的貫入過程。

張明義在ANSUS 中使用設定位移邊界條件的方法模擬了樁的貫入，分析了樁的位移場與應力場。

張明義總結了在樁上有限元法的應用： 樁體貫入的有限元分析分為小變形和大變形兩種形式，沉樁過程中宜采用大變形分析方法，其能夠處理幾何非線性與材料非線性問題。 在處理樁土界面時要使用滑動面算法。

朱合華與李元海等開發了用于分析砂土模型試驗變形量測的圖像的軟件，結合使用數碼照相與圖像分析技術觀測了變形。

4 結語

從上述分析的國內外研究現狀和發展動態可見， 目前對靜壓樁的研究主要集中于單樁貫入的承載力、 樁周土體變形、沉樁機理、擠土效應等問題。 而對于樁壓樁前后樁周砂土密實度的變化規律、相關土體力學特性的變化對于樁承載特性的影響等問題的研究仍較缺乏。

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