靜壓樁壓入過程的現場試驗和數值模擬

周俊鵬，黃雪峰，方 晟

(1.后勤工程學院 軍事土木工程系，重慶 400041；

2.巖土力學與地質環境保護重慶重點實驗室，重慶 401311)

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【基礎理論與應用研究】

靜壓樁壓入過程的現場試驗和數值模擬

周俊鵬1,2，黃雪峰1,2，方 晟1,2

(1.后勤工程學院 軍事土木工程系，重慶 400041；

2.巖土力學與地質環境保護重慶重點實驗室，重慶 401311)

為了研究靜壓樁在沉樁期間的力學特性和承載性狀，通過靜力壓樁試驗及載荷試驗，分析了沉樁過程和載荷試驗中摩阻力隨埋深的變化；對非飽和黃土地區靜壓樁在施工過程中的承載性狀及沉樁機理進行了研究，得出靜壓樁在非飽和黃土中的沉樁特性；將ANSYS計算值與實際測試數據進行對比，二者發展趨勢較一致，說明ANSYS分析的結果可以為以后的工程設計和施工提供借鑒和參考。

靜壓樁；壓樁力；側阻力；載荷試驗；數值模擬

靜壓樁技術由于噪音小、接樁方便、樁身品質有保證、施工清潔等優點，被廣泛應用于城市建設。但實踐表明，預制樁在靜壓期間會對周圍環境產生不良影響，在貫入期間將使下部土體產生側向位移并隆起，且對已壓入的鄰樁產生水平壓力及豎向拉力，以致使鄰樁產生諸多缺陷，如樁身彎曲、傾斜、側移等，給工程帶來不良后果。關于靜壓樁承載力的研究已較為深入[1-5]，但至今人們對壓樁的擠土效應、沉樁機理等仍不是十分清楚，理論嚴重落后于工程實踐。

有限元數值模擬方法已被證明是一種高效的模擬工具，許多學者利用其研究靜壓樁[6-8]。本文在分析了靜力壓樁試驗及單樁靜載試驗中樁側阻力的變化規律及其承載特性的基礎上，采用ANSYS軟件對靜壓樁進行模擬計算，得到了樁土之間的摩阻及變形，并對這些關鍵點進行比較分析[9-12]。

1 試驗概況

預制樁為空心鋼管樁，壁厚5 mm，每節樁長2.5 m，樁徑500 mm，樁蓋為20 mm厚并預留3個直徑為20 mm孔洞(為利于應變片接線引出) 的鋼板。孔洞處于樁蓋的邊緣，并沿樁蓋均勻分布。每隔25 cm在孔洞的正下方貼一個應變片，每列共10個，在同一高度三等分處貼3個，共計30個。基本步驟：貼應變片，引線，編束，并進行校正，以確保每個應變片均能發揮作用。

1.1 試驗場地

擬建場地位于蘭州市五泉下廣場東側。地形較為平坦，場地地面標高為1 529.30～1 530.20 m。地貌單元為黃河南岸Ⅱ級階地后緣，原地貌為山前沖洪積的古河道，地質條件較為復雜。土層基本物理性質如表1所示。

表1 場地土層分布

1.2 試驗方案

試樁壓入使用靜力壓樁機，試驗加載采用慢速維持荷載法，每級加載為預估極限荷載的1/10～1/15，第一級可按2倍分級荷載加荷。沉降觀測：每級加載后間隔5、10、15 min各測讀一次，以后每隔15 min測讀一次，累計1 h后每隔30 min 測讀一次。

單樁靜載試驗在樁壓入后10 d開始，堆載重40 t，加荷設備為油壓千斤頂，設置基準梁，位移傳感器測量樁頂位移。共分10級加載，每級荷重30 kN。加載、卸載按規范執行，采用位移計和應變片測量。現場載荷試驗如圖1所示。

圖1 現場載荷試驗

2 壓樁過程分析

圖2為側摩阻力與壓入深度關系圖，從圖2可以看出，側摩阻力隨樁的埋深而增加，且存在一有效深度，到達此深度就基本保持不變。但在-2～-6 m深度，側摩阻力反復變化，該本段處于非飽和黃土和黃土狀粉土層中，土質松散，側摩阻力變化原因與樁周土性質有關。

圖2 側摩阻力與壓入深度關系

側摩阻力與壓入深度關系曲線大致分為3段：樁端區，樁端附近土體被擠密而產生較大法向應力，使得該區域側阻qs1較原狀土的靜態強度大；

高內在動機通過增強認知的靈活性和復雜性提升一般創造力。較強的自我實現需要、濃厚的興趣、強烈的使命感和責任感可以激發內在動機，一旦內在動機得到激活，人的一般創造力就會大幅度提升。樹立遠大的理想、信念，培植強烈的社會責任感和使命感，同時保有對某一事物的持久興趣可以激發較高的內在動機。當人感覺到對工作能夠自主支配和有能力時，內在動機最容易產生[8]。給予個體更多的工作自主支配權以及提高個體能力能夠促進提高內在動機。最后，由于外在動機對內在動機存在擠出效應[9]，因而，在可能的情境下，可以盡量減少對個體的經濟報酬、物質獎勵等的外在動機激勵。

滑移區，樁貫入過程中由于土體被排開而產生擾動，使得該區域側阻qs2小于qs1；

無側阻區，由于樁貫入時產生橫向晃動，地表處土體不斷被擾動而出現裂隙，使得該區域側阻qs3較小。

壓樁力=端阻力+總摩擦力

壓樁力、端阻力和總摩擦力分布見圖3。靜壓法沉樁期間，其下土體被擾動和重塑，樁貫入時受到的土體阻力非靜摩阻力，同樣也非錘擊法沉樁時的摩擦阻力。沉樁阻力與地層性質、持力層埋深、施工方法和硬土層厚度等因素有關。樁端阻力和樁側阻力所占比率并非不變。壓樁過程中，當樁端阻力較小時，靜壓樁以較大速度連續貫入，此時樁側摩擦力較之更小，樁端阻力增大會導致沉樁速度降低。但是，當樁側摩擦力值增到38.5 kN時，樁端阻力達到峰值，之后隨著樁側摩擦力的增大而減小。

圖3 壓樁力、總摩擦力和端阻力隨深度變化

3 靜載試驗分析

由圖4可知，試樁呈現出典型的摩擦樁特性，樁頂和樁端Q-S曲線較為相似，均為緩變型，無明顯陡降段。

圖4 單樁靜載試驗Q-S曲線

由圖5可知， 側摩阻力沿樁身分布是先增大，后變小； 在同一埋深，側摩阻力呈增長趨勢，且開始增長的速率較快。這說明隨著荷載增加，樁身上部樁土之間首先發揮作用，達到極限摩阻力后逐漸往深處發展，緊接著中部摩阻力也達到極限，此時荷載傳遞到樁端處，樁端處土體被壓縮而產生塑性變形，樁體產生沉降，但樁身下部樁土界面的摩阻力并未完全發揮達到其極限。

圖5 側摩阻力沿樁身變化

靜壓樁的終壓力與單樁豎向極限承載力存在一定關系，但影響因素繁多，而今還很難對影響因素進行定量分析。前人通過大量試驗資料的統計分析，建立了終壓力與單樁豎向極限承載力的經驗公式[9-11]。

本文根據壓樁時運動特性，引入滑動摩擦因數建立經驗公式：

Qu=KuPu

(1)

式中，Qu為極限承載力，Pu為終壓力，Ku為與滑動摩擦有關的系數，其值為靜摩擦因數與滑動摩擦因數的比值，滑動摩擦因數μ按Scheidegger的統計公式來確定：

lgμ=-0.156 6lgV+0.624 19

(2)

式中：V為樁周影響范圍內土的體積，破裂面夾角為被動土壓力時的破裂角。

式(1)偏于保守，將造成部分浪費，且未能反映樁長L對承載力的影響，根據大量的工程實踐資料，對于不同的樁長，Ku可取如下值：當6 m≤L<15 m時，Ku取(0.7～1.0)；當15 m≤L<23 m時，Ku取(0.9～1.1)；當23 m

4 有限元模擬分析

4.1 模型建立

考慮對稱性，取1/4樁進行分析，將土體大小取為在x，y，z方向的長度分別為樁的5倍、3倍、5倍。樁的彈性模量為土體的100倍，故設定樁為剛性體，土體為柔性體，因此樁上的面為剛性目標面，而土體的面為接觸面。樁身和土體都采用SOLID45實體單元，每個節點具有x，y，z方向的自由度。具有塑性、膨脹、潛變、應力強化、大變形和大應變的能力，樁的本構模型為線彈性，土體的本構模型為Drucker-Prager模型。剛性目標面為Targe170單元，接觸面為CONTA173 單元。建立的有限元模型如圖6所示。施工過程采用單元生死技術實現。

圖7為樁軸向位移云圖，上圖表明樁在荷載作用下位移是由樁周土的壓縮變形和下臥層變形組成。由于樁體剛度和強度與土體相比較大，因而在瞬時荷載作用下，周圍土體產生較大變形，該變形主要是由樁身摩阻力作用引起。

4.2 試驗結果與有限元結果對比分析

由圖8可以看出，樁體沉降ANSYS分析結果和測試結果基本吻合。當外力小于100 kN時，試驗曲線與有限元曲線幾乎一致，當外力大于100 kN時，試驗結果總體比有限元結果小，總體變化趨勢一樣，都隨著荷載的增加而增加。當外力大于200 kN時，沉降發展的速率比之前快。兩條曲線均為緩變型，無明顯陡降段，說明均未達到極限破壞狀態。

圖6 有限元模型

圖7 樁豎向位移云圖

圖8 沉降對比

由圖9可知，當荷載為30 kN時，在0～-2.5 m范圍內有限元分析的軸力和實測的軸力相差較大，有限元結果先是略為減小，而后增大。-2.5 m以下范圍內有限元分析的軸力和實測的軸力十分接近，沿著樁長變化比較均勻；當荷載為90 kN時，有限元分析的結果比實測的結果大，且0～-2 m范圍內有限元結果存在突變，-2 m以下范圍內變化較為均勻；當荷載為150 kN時，有限元結果比較理想，變化均勻，沿著樁長從上到下軸力逐漸減小，兩者變化趨勢基本一致。

由圖10可知，當荷載小于210 kN時，有限元計算的摩阻力大于實測的摩阻力，當荷載大于210 kN時，反之，實測的摩阻力大。但總體來說，兩者變化趨勢相同，且在不同的荷載情況下，有限元計算的和實測的摩阻力的數值相差不大，說明有限元模擬結果較為理想。

圖9 軸力對比

圖10 摩阻力對比

5 結論

通過靜力壓樁試驗及載荷試驗，在引入滑動摩擦因數的前提下推導了承載力與終壓力的關系。對黃土地區靜壓樁在施工過程中的承載性狀及沉樁機理進行了研究，得出靜壓樁在非飽和黃土中的沉樁特性。將ANSYS計算值與實際測試值比較，二者較為接近、發展變化的趨勢一致，說明ANSYS分析的結果可以為以后的工程設計和施工提供借鑒和參考。

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(責任編輯 周江川)

Field Testing and Numerical Modelling of Penetrating of Jacked Piles

ZHOU Jun-peng1, 2, HUANG Xue-feng1, 2, FANG Sheng1, 2

(1.Department of Civil Engineering, Logistical Engineering University, Chongqing 400041, China; 2.Chongqing Key Laboratory of Geotechnical and Geological Engineering Protection, Chongqing 401311, China)

In order to study the mechanism and bearing characters of static pressure pile in the process of pile driving mechanics, through the test and load test, static pressure pile under the premise of the introduction of sliding friction coefficient deduced the relationship between bearing capacity and final pressure, and static pressure under different loads under the bearing capacity of the pile and the relationship of the force that press a pile were analyzed; Static pressure pile in collapsible loess area in the construction process of bearing characteristics of pile driving mechanism was studied, and it is concluded that pile of static pressure pile is in unsaturated loess characteristics; Finite element calculation value was compared with the actual monitoring results, and the two were closer, and the trend of the development and change of consistent can show the results of finite element analysis for future reference and reference for the engineering design and construction.

jacked pile; pile jacking pressure; resistance at pile end; static load test; numerical modelling

2016-04-18；

2016-05-20

周俊鵬 (1991—)，男，碩士，主要從事地基處理與基礎工程研究。

10.11809/scbgxb2016.10.039

周俊鵬，黃雪峰，方晟.靜壓樁壓入過程的現場試驗和數值模擬[J].兵器裝備工程學報，2016(10):185-189.

format:ZHOU Jun-peng, HUANG Xue-feng, FANG Sheng.Field Testing and Numerical Modelling of Penetrating of Jacked Piles[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2016(10):185-189.

TU473

A

2096-2304(2016)10-0185-05