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土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究 内容提要 本文主要研究土体内球形空穴扩张问题静压挤土桩沉桩机理以及它们在工 程中的应用。 在前人工作的基础上，根据土塑性力学的基本原理，假定土体为均质、各向 同性的理想弹塑性体考虑到士体具有不同于其他材料的剪胀特性，引入了土性参 数剪胀角，采用摩尔一库仑屈服函数和不相适应的流动法则首次获得了考虑土体剪 胀性的球形扩张问题的解析解o ( 包括球形空穴扩张后周围塑性区范围的太小、空穴 扩张总体积变化、总塑性体积变化、总弹性体积变化、塑性区内平均体积应变、塑 性体积变化和弹性体积变化，空穴扩张到任一直径时的极限内压力及其周围土体中 的应力和位移分布j 分析了土性参数、流动法则及排水条件变化对解的影响，并得 出了一些规律性的结论。 对挤土桩沉桩机理的研究方面，假定桩身沉入时桩尖处各点均按球形空穴扩 张，创造性地提出利用源一源的影像法和b o u s s i n e s q 解解决用无限体内球形扩张的 解答来模拟半无限体中沉桩的问题，同时还考虑了沉桩时桩侧摩阻的影响，获得了 挤土桩沉桩后在周围土体内产生的应力场、位移场、孔隙水压力场和土体强度变化 规律的分析方法，并和其它方法进行了比较。研究了土性参数和桩参数变化对应力 场和位移场的影响。f 分析了六个工程实例，分别计算了静力压桩压桩力、静力触探 端阻力、单桩和群桩贯入后产生周围土体的水平位移、强度变化规律，理论计算结 果与实测值基本一致，说明本文方法的合理性和可靠性，并得出了系列具有工程 实用价值的结论。卜 一7 + 在工程应用方面，根据上述理论本文提出直接利用土性基本参数求得沉桩压 力的方法，可有效地选择沉桩或桩基设备并较准确地预估桩基承载力。在此基础上 本文进一步推得了用球形空穴扩张时塑性区半径的大小来确定桩基进入持力层的 “临界深度”或离软弱下卧层“最小厚度”及其相应端阻的计算公式。分析证明了 许多学者从现场实测上得到的关于“临界深度”、“最小厚度”及其相应端阻的一 系列结( 回答了工程上经常碰到的三个问题：( 1 ) 对于有软弱下卧层的桩基持力 层，桩尖离下卧层项面应留的“最小厚度”：( 2 ) 桩尖进入持力层的“临界深 度”；( 3 ) 不同的上下土层或土层组合对“最小厚度”或“临界深度”的影响。对 现行的 关于桩基进入持力层深度及离软弱下卧层距离太小进 行了讨论，并提出了自己的见解。根据本文推得的计算方法和现场实测，初步探讨 了群桩施工迎桩面和背桩面挤土问题的遮帘效应。厂丫 文章最后提出了还有待解决的问题和进一步研究工作的建议。 关键词：球形空穴扩张、挤土桩沉桩机理、临界深度、最小厚度 a s t u d y o n s p h e r i cc a v i t ye x p a n s i o n a n ds t a t i cp i l i n gi ns o i l s a b s t r a c t s p h e r i cc a v i t ye x p a n s i o n s t a t i cp i l i n gi ns u b s o i l sa n di t sa p p l i c a t i o nh a v eb e e n s t u d i e di nt h i sp a p e r s o l li sa s s u m e dt ob eah o m o g e n e o u s i s o t r o p i ca n de l a s t i c p e r f e c t l yp l a s t i cm a t e r i a l a n dad i l a t i o n a ia n g l ei su s e dt oc o n s i d e rs o l ld i l a t a n c y b yu s i n gt h ep r i n c i p l eo ft h e e l a s t o p l a s t i ct h e o r y ，t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o no ft h es p h e r i c a lc a v i t ye x p a n s i o ni n c l u d i n g t h eu l t i m a t ep r e s s u r e ，t h es t r e s sf i e l da n dd i s p l a c e m e n tf i e l d ，p l a s t i c s c o p e ，t h et o t a l v o l u m e t r i ci n c r e a s e p l a s t i ca n de l a s t i cv o l u m e t r i ci n c r e a s ew a so b t a i n e d t h ee f f e c to f f l o wr u l e ，t h ev a r i a t i o n so ft h es o l lp a r a m e t e r sa n dt h ed r a i n a g ec o n d i t i o n so fs u b s o i l so n t h ec a l c u l a t e dr e s u l t sh a v eb e e nd i s c u s s e da n ds e v e r a lc o n c l u s i o n sa r e p r e s e n t e d o nt h es t u d yo ft h em e c h a n i s mo fs t a t i cp i l i n g am o d e lo fs p h e r i c a lc a v i t ye x p a n s i o n a tt h ep i l et o ew h i l ep i l i n gi si n t r o d u c e d t h ep r o b l e mo fs t a t i c p i l i n g i n h a l f - s p a c e m e d i u mh a sb e e n c r e a t i v e l y s o l v e d b y as o u r c e s o u r c e i m a g i n gt e c h n i q u e a n d b o u s s i n e s q s s o l u t i o n t h es o l u t i o n so fas t r e s sf i e l d ，ad i s p l a c e m e n tf i e l d ，ap o r e p r e s s u r ef i e l da n dt h ev a r i a t i o no f s o l ls t r e n g t hf o rp i l ei n s t a l i i n gh a v ea l s ob e e np r o p o s e d t h er e s i s t a n c e d i s p l a c e m e n tf i e l d v a r i a t i o no fs o l ls t r e n g t hc a u s e db yp i l ei n s t a l l a t i o n a n dt h ee n db e a r i n go fs t a t i cs o u n d i n gh a v eb e e nc a l c u l a t e df o rs i xc a s e s i th a sb e e n f o u n d e dt h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t sa r ea p p r o a c h e dt ot h o s eo f t h eo b s e r v a t i o ni ns i t e i n p r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h ea n a l y t i c a ls o l u t i o n sc a nb eu s e dt oa s s e s st h er e s i s t a n c e w h i l ep i l i n ga n dt os e l e c te f f i c i e n t l yt h ep i l i n ge q u i p m e n t 。m o r e o v e r , t h ef o r m u l a so f c a l c u l a t i n gt h e “c r i t i c a ld e p t h ”a n dt h e “m i n i m a lt h i c k n e s s ”a r ep r o p o s e d s e v e r a l q u a l i t a t i v ec o n c l u s i o n sp r o p o s e db yo t h e rs c h o l a r sw i t hi n s i t em e a s u r e m e n tr e s u l t sa r e t h e o r e t i c a l l yc o n f i r m e d t h r e ep r o b l e m se n c o u n t e r e di ne n g i n e e r i n gh a v eb e e ns o l v e d ：f1 ) t h em i n i m a lt h i c k n e s sw h i c ht h ep i l et o eh a st ok e e df r o mt h ei n t e r f a c eb e t w e e nt h e b e a r i n gs t r a t u ma n dt h es o ns u b s t r a t u m ；f 2 1t h ec r i t i c a ld e p t hi nw h i c h t h ep i l et o et h r u s t s i nb e a r i n gs t r a t u m ：f 3 ) t h ev a r i a t i o no ft h ec r i t i c a ld e p t ha n dt h em i n i m a it h i c k n e s sf o r t w od i f f e r e n ts o l ls t r a t u m t h ec r i t i c a ld e p t ha n dt h em i n i m a lt h i c k n e s sd e t e r m i n e db y c u r r e n tp i l ec o d ea r ec o m p a r e dw i t ht h ep r e s e n t e dr e s u l t s ac a s eo fp i l ei n s t a l l a t i o na r e a n a l y z e d t h ee f f e c t o fg r o u pp i l i n go nl a t e r a l d i s p l a c e m e n th a sb e e nd i s c u s s e da n d c o m p a r e d w i t hi n - s i t em e a s u r e m e n tr e s u l t s s o m es u g g e s t i o n sh a v eb e e np r o p o s e di nt h i s p a p e r k e yw o r d s ：s p h e r i cc a v i t ye x p a n s i o n ，m e c h a n i s mo fp i l ei n s t a l l a t i o n ，t h ec r i t i c a ld e p t h ， t h em i n i m a lt h i c k n e s s i i 李月健土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究浙江大学博士学位论文2 0 0 第一章绪论 桩基是建设工程的重要基础形式，当工程不能采用天然地基或复合地基时，就 必须用桩基承担上部结构及其它荷载。桩基有多种类型，若按沉桩与周围土体关系 而论，桩基可分为挤土桩和非挤土桩。挤土桩指的是沉桩时将原有土体外排而形成 桩身，例如常见的沉管灌注桩、预制桩等。非挤土桩是指在沉桩过程中，先将桩位 处的土体以某种方式取出，再将该孔位用桩身材料填充，例如冲( 钻) 孔灌注桩、 挖孔桩等。而对于挤土桩，按沉桩时外加动力的方式来划分，可分为锤击沉桩、振 动沉桩、静力沉桩和静力加振动沉桩。挤土桩的压桩力、承载力和沉桩挤土形式及 其对桩周土体及环境影响等问题是桩基工程的主要研究课题。 1 1沉桩压力和桩基承载力 在岩土工程中，沉桩压力和桩基承载力研究是一个十分重要的课题。对某 一县体工程而言，首先要根据不同的建筑等级、荷载大小和地层情况确定桩型、桩 径、桩长、桩距以及桩基承载力设计l 直再由此来确定不同的沉桩或桩机设备。沉 桩压力即桩基沉入土层时所需施加的外部压力，而静力压桩则是指用外加静压力将 桩沉到预定的深度。桩基承载力是指桩基承受荷载大小的能力，它与桩身材料、桩 径、桩长、地基强度和沉桩方式有关。一般来说，沉桩时需要的压力越大，桩基承 载力也越大。对一定的工程场地和建筑等级、荷载，应尽可能提高桩基承载力，以 减少工程费用，提高经济效益。 1 2 沉桩挤土形式及其对桩周土体及环境的影响 当挤士桩在静力作用下被压人土体。( 如软中等硬度粘土、松散饱和粉土或粉砂 土层) 时，桩对周围往往会产生挤土效应，桩周土体中会产生较大的应力和位移， 同时产牛很高的超静孔隙水压力，特别是在饱和软粘土地基中打入大批密集的桩 群，挤土效应尤为明显。由于土体的渗透系数小，因而引起的超静孔隙压力消散 慢，对建设工程或周围环境带来较严重的不利影响，沉桩产生的土体垂直位移和水 平位移，对邻近建筑物或管线的影响也可能达到较严重的程度。随后，超静孔隙水 压力随时间逐渐消散使桩基的承载力和土体强度随之增加。这些现象无论在透水 性良好的土层还是在不透水性土层中都会出现，但由于排水条件的不同，其表现形 式有所不同。 1 2 1 沉桩对砂性土地层的影响 在砂性地层中沉桩引起的超孔隙水压力不高。沉桩的影响主要表现在对土体强 度的两种效应上：“强化”效应和“松弛”效应。d u d l e re ta l ( 1 9 6 8 ) 的试验表 明，在一砂层中沉桩8 个月后的强度较沉桩前增长了l - 4 倍。t a v e n a s a u d y 李月健土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究折江大学博士学位论文2 0 0 ( 1 9 7 2 ) 调查了4 5 根被打入在中细砂层( 中密、粉土含量小于1 0 ) 的钢筋砼 预制桩的静载试验结果( 如图1 1 ) 。从图中可以看出，从打桩完成后1 5 2 0 天时 的承载力比打桩后半天时的承载力高出7 0 。 ： g 笔 _ d 2 0 0 17 5 n 占1 5 0 叶 ；1 2 5 毋 j 0 0 0 7 5 t i m ：b c “w d r i v i n g a n d t ；n l n g ( 阢p ) 图卜1 桩基承载力随时间的变化( t a v e n a s a u d y1 9 7 2 ) 在肯尼迪国际机场工程中，打入桩的承载力由于“强化”效应而提高( 4 0 8 0 ) 。除了“强化”效应，还有一种“松弛”效应：当打入土层的桩达到一定数 量后，土体有了较高的相对密实度而后再打入的桩承载力会随时间而下降。这一 现象有p a r s o n s ( 1 9 6 6 ) 和y a n g ( 1 9 7 0 ) 在实际打桩过程中发现的。m o l l e r b e r g d a h l ( 1 9 8 1 ) 通过室内模拟试验观测到，当桩打入密实或高密实细砂层时，桩 周土中产生了负孔压。他们认为这种“松弛”效应正是由于负孔压的消散使土中有 效应力下降所致。在肯尼迪国际机场工程打桩过程中也发现：当打入较大密度的桩 群时地层中积累了相当大的横向应力使得后来打入的桩不得不“悬挂”着因为 此时的贯入阻力已达到或接近了贯入力。但是，令人惊奇的是停工周后，又可以 把这些“悬挂”的桩十分轻松地打入到设计标高，其贯入力比该组桩中先施工桩的 最终贯入力要小3 0 。 不少人对砂性土的“强化”效应和“松弛”效应的机理进行了分析。对“强 化”效应有人认为在桩打入天然砂层时，挤开并扰动了桩周围区域的土。如果砂 层被扰动的同时又被挤密，则会产生正的超静孔压，并使有效应力下降而相应降低 了贯入阻力。同时，在透水性较强的砂层中，这些超静孔压的消散是极快的最长 也不过几分钟，在超静孔压消散的同时，有效应力增大而使土体的强度得到提高。 另一方面，挤密作用也使砂性土的强度得到提高。但是，这一观点马上得到反对： 由实际观测可知，土体强度的提高不是发生在开头的几分钟，而是在以后的几天和 几十天内有效应力不变的情况下发生的。所以m i c h e l l ( 1 9 8 4 ) 、m e s r i ( 1 9 9 0 ) 、s c h m e r t m a n n ( 1 9 9 0 ) 认为这一效应与砂层中的石英、非结晶硅等化合 物的溶解和凝结以及粒问胶结的建立等因素有关。 对“松弛”效应，主要是由于群桩的施工而使土体挤密到较密实的状态，并在 土层中积累了相当大的横向有效应力，从而使后期桩施工时土层在剪切变形过程中 2 李月健土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究浙江大学博士学位论文 2 0 0 出现剪胀，并产生负的孔压。有人认为“松弛”效应正是由于这些负的孔压随时间 消散而使有效应力下降所致。 l 2 2 沉桩对粘性土地层的影响 对饱和软粘土，除了土体强度在桩基施工后随时间逐渐增强外，主要对周围环 境产生很大的影响。归纳起来，有以下几个方面： l 、由于打桩过程中挤压作用引起的土体垂直隆起，在沉桩范围内可能伴随着 桩的上浮，给工程技术人员带来麻烦。某一个4 万吨筒仓沉桩过程的观测资料说 明，6 0 3 根断面为4 5 4 5 c m 2 ，长3 0 m ，间距为1 9 m 的大桩群使得已打入的桩最大 垂直隆起达1 2 c m 。对长度不大的桩群，垂直隆起可能更大。h a g e r t y p e c k ( 1 9 7 1 ) 认为群桩范围内地表的垂直隆起的体积大约是被桩代替的体积的5 0 ，而 根据o r r j e b r o m s ( 1 9 6 7 ) 和a d a m s h a n n s ( 1 9 7 1 ) 的报道，该数值分别为 3 0 和1 0 0 ，这可能与土质条件和试验环境有关。 2 、引起土体的水平位移( 表层和深层) ，挤压己打入地基中的桩，使之产生 桩位偏移和桩身翘曲，严重时造成桩的折断。图卜2 为某二幢十七层居住建筑的桩 位量测点布置图。测得的土体水平位移曲线( 图卜3 ) 表明挤压对已打入地基中的 桩的影响是不可避免的。 图卜2 二幢十七层建筑施工场地( 陈仲颐，1 9 9 5 ) r 。、r 。一测斜仪；u l 、u ：一孔隙水压力仪 3 、无论是土体的垂直隆起还是水平位移，都要涉及到沉桩范围外一定距离， 损坏邻近的建筑物、构筑物、道路、挡土结构以及地下设施和管线，这是沉桩对周 围环境产生危害的主要原因。 4 、沉桩过程中对土体的扰动及随之产生的孔压在旌工后一段时间内的消散对 土体的强度有很大的影响，而土体强度的变化直接关系到桩的极限承载力。 5 、沉桩以后由于土体的再固结，当桩间土的压缩量大于桩尖的下沉量时，桩 侧就要受到负摩阻力的作用。g g m e y e r h o f 认为负摩阻力对于摩擦桩一般是无关 李月健土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究浙江大学博士学位论文2 0 0 1 紧要的，但对端承桩，可能有很大的影响，当桩间土的压缩量( 再固结量) 大于桩 尖的下沉量时承台底会脱空，这样就削弱了结构抵抗荷载的能力，桩土不能共同作 用。地基土的再固结也可能使周围房屋产生不均匀下沉而破坏。 在上海地区一个筒仓工程中，曾遇到承台与桩间土脱空达1 3 c m 之多的现象 ( 如图卜4 ) ，使附近的变电所产生了斜向主体建筑的裂缝。 值得注意的是在斜坡范围内或临近斜坡处，沉桩有可能造成斜坡降低甚至丧 失稳定性。如在沉桩过程中同时有附近开挖基坑( 特别是深基坑) 或进行其他工序 ( 如浇捣基础) 都有可能造成严重位移。 图卜3 土体位移 ( 陈仲颐，1 9 9 5 ) 1 3 研究沉桩机理的必要性 图1 - 4 桩承台与土体分开 ( 陈伸颐，1 9 9 5 ) 研究沉桩压力主要是为了选择沉桩或桩机设各，同时对设计的桩基承载力是 否正确进行初步的判断。如果预计的沉桩压力与工程实际相差过大，或即选择的沉 桩或桩机设备不能用于工程施工，不仅会产生浪费，也可能会出现施工安全问题。 对桩基承载力的研究则更为必要。桩基持力层选在哪一层，桩长、桩径应为多少， 这些都是桩基承载力研究的问题。桩基承载力选取正确或可靠与否直接关系工程 的质量安全i 工期和经济效益或者说工程的成败。研究沉桩对周围环境的影响，主 要是研究沉桩过程中土体的垂直隆起和水平位移及对土体的影响，而沉桩过程中土 体的垂直隆起和水平位移往往要波及到沉桩区域外的一定范围。如果建筑场地狭 小，沉桩区域位于建筑群之中，则周围房屋的破坏就难以避免了。所以对沉桩过 程中土体的运动、超静孔隙水压力以及土体在沉桩后因固结等因素引起的强度变化 进行研究就变得十分必要。只有搞清沉桩机理才目2 解决诸如沉桩对周围的影响、 桩的承载力等一系列问题。 o 一 李月健土体内球形空穴扩张及挤士桩沉桩机理研究 浙江大学博士学位论文 2 0 0 1 4 沉桩机理的研究现状 对沉桩压力和桩基承载力以及因沉桩而引起的一系列现象，国内外已有许多专 家进行了研究。从研究手段来看，可以分为室内外试验( 包括工程实测数据分析) 和 理论分析( 包括数值研究) 二大类。 1 4 1 工程实测数据分析和室内外试验研究 l 、打桩前后土体强度的变化以及对桩竖向承载力的影响 这项工作往往依据原状土( 即未沉桩时) 的不排水抗剪强度来完成。有时引入 一个因子n 来考虑因沉桩引起土体扰动而带来的土体强度变化。虽然， t o m l i n s o n ( 1 9 5 7 ) 和m c c l e l l s n d ( 1 9 7 2 ) 建议根据土体的强度对口取值，w r o t h ( 1 9 7 2 ) 甚至把应力历史也考虑进去，但对n 的取值主要凭技术人员的经验。 大约在七十年代前后，c h a n d l e r ( 1 9 6 8 ) 、b u r l a n d ( 1 9 7 3 ) 、m e y e r h o f ( 1 9 7 6 ) 、p a r r y s w a i n ( 1 9 7 7 a 1 9 7 7 b ) 等人认为要根据桩周土中的有效应力 来估算桩的竖向承载力。这项工作的最大障碍是缺乏对桩周士中有效应力的了解。 为此，w r o t y h u g h e s ( 1 9 7 3 ) 发明了一种仪器用来测量土中横向应力。但是，沉 桩过程对这些应力是如何影响的，仍难以掌握。 2 、桩的竖向承载力和沉桩阻力的研究 在对均质砂土的研究方面，六十年代，法国凯里泽( k e r i s l ，1 9 6 2 ) 等在直径 6 4 米、深1 0 4 米的大型砂坑中，用不同直径的平底探头( 巾4 5 一中3 2 0 毫米) ， 在不同密实的均匀石英砂中做了大量的试验，观测了端部阻力q 。和平均侧摩阻力 f ，随贯入深度的变化规律，分别测定端阻和总压入力随贯入深度的变化( 图卜5 ) 。 开始贯八时，端阻随贯入深度的增加而增加。当贯入深度超过某一深度后，端阻基 本上不再增加，该深度称之为“临界深度”。除法国凯里泽( k e r i s l ，1 9 6 2 ) 外 法国派勒特( p a n e t ，1 9 7 2 ) 在水力梯度模型中，和比阿雷兹( b i a r e z ，1 9 7 2 ) ， 福拉依( f o r a y ，1 9 7 6 ) 、郑( t c h e n g ，1 9 7 5 ) 等在模型槽中的实验，以及维西克 ( v e s i c ，1 9 6 7 ) 在美国，梅耶霍夫( m e y e r h o f 1 9 7 7 ，1 9 7 8 ) 在加拿大的实验都 证实了下述定性结论： ( a ) “临界深度”是砂土密实度和探头直径的函数。砂的密度愈大，探头的直 径愈大则“临界深度”也愈大。在饱和砂中的“临界深度”比干砂中的大。 ( b ) 砂的极限端阻只与砂的初始密度有关，从实用观点出发，可以认为它与探 头的直径( 在所试验的直径范围内) 大小无关。砂饱和与否基本不影响极限端阻大 小。 ( e ) 平均侧摩阻力开始也随贯入深度的增加而增加，但超过某一“临界深度” 后也保持为一常数。 维西克( v e s i c ，1 9 7 2 ) 在现场厚层砂中的触探和试桩结果如图1 - 6 所示。图卜 6 中阴影部分是触探端阻的范围。图中黑圆点是不同深度试桩的结果。当深度超过 2 0 英尺的直径后，端阻基本为一常数与室内试验结果相同。 李月健土体内球形空穴扩张及挤土桩沉拄机理研究浙江大学博士学位论文2 0 0 1 世 槲 v 倒 蜡 一口一 口- _ 图i - 5 凯里泽的试验( k e r i s l ，1 9 6 2 ) 5 吐_ # 肪 ，t 艏( i 羹鹏 脚 图卜6 维西克的试验( y e s i c ，1 9 7 2 ) 6 ! 塑堡兰苎立登兰至盔芝壅墨茎圭苎堡苎垫里堡壅 塑坚查堂堕主兰堡堡苎! 塑! 图卜7 是大桥工程局在九江做的一个静力触探曲线。该处直到4 0 余米深都是 粉细砂和中砂。从端阻和局部侧摩阻的曲线可知，在一较均质的砂层中，二者基本 上都为一常数，砂层变化了，该极限值也改变。 关于在均质砂中端阻极限值q 。- 与砂的其它力学性质之间的关系，派勒特认为 端阻极限值q o t 内摩擦角西二者之间有良好的关系，但不同的砂之间有明显的差 里l ! j l 芏l 生 r 蝴 够 - 喜 。 琴。 誊 写 ” li i f l 加孟。 阳h 删棚 ， j 埘雎 ， i 口棚m # ， i 糨m i 。 ? | ， ? | 。 ， ， t ， 龄 5r 一 t l ”二够： 图卜7 大桥工程局的试验图卜8 q 。与中的关系( p a n e t 。1 9 7 2 ) 嚣黜 叫 4 咧- _ l n ，n ， | | ， ， ， 多 ， 。 ， 厶 一一 圈l 一9 q 。i 与d 。的关系( f o r a y ，1 9 7 6 ) 图卜1 0 郑( t c h e n g ，1 9 7 5 ) 的试验 李月健土体内球形空穴扩张厦挤土桩沉桩机理研究浙江大学博士学位论文2 0 0 1 不同砂的端阻极限值q 。，与其相对密度d ，之间也有较好的关系，如图卜9 所 不。 郑( t c h e n g ，1 9 7 5 ) 用两种砂做的q 。和由的关系，如图卜1 0 所示。在松和中 密时，端阻基本相等，而在紧密状态时，m o n t a b e 砂的端阻显著高于l o i r e 砂。其 原因是l o i r e 砂的可压缩性较m o n t a b e 砂为大。维西克用一种砂和掺入1 0 云母片 的同一种砂进行了比较。掺云母后其摩擦角并未减小，但探头端阻却显著降低( 图 1 1 1 ) 。这些试验说明，影响砂端阻的因素不是单一的，这方面的实验研究工作还 有待深入。 鼬h “以卅 、 、 、 、 自i - “ 廿押一j 曲 幽- “- 洲- 由葛i 坤日m f w l i 自l l j - 井呐f “pj f w ， 兰b i l 之 - ii 翠i ) & j，吐岬 t t o e - i 母 彳 - k ll - i r _ 皇 空 岳 研 1 图l l l云母砂对端阻的影响( v e s i c )图l 1 2 开挖基坑对q 。的影响( d eb e e r ) 德别尔( d eb e e r ，1 9 7 4 ) 报导了基坑开挖对砂土端阻的影响。基坑土为超压 密的砂，开挖前做了触探，基坑开挖深5 5 米后，又做了触探。触探曲线如图1 一 1 2 所示。从图中可见，坑底b 5 米以内的端阻，由于卸载而有所降低，6 5 米以 下，卸载对土中触探端阻不再产生影响。 比奇曼( b e g e m a n n ) 在大面积开挖工程中也做过类似的实验，其结果表明对砂 土地基而言，自开挖面下一定深度范围内，开挖前后的贯入阻力会有所不同，其降 低的百分数在正常沉积的砂层中略低于有效应力降低的百分数，而在超压密砂层中 则前者可能大于后者。这种由于卸载对贯入阻力的影响，随着深度的增加而减少。 福拉依( f o r a y ，1 9 7 6 ) 、郑( t c h e n g ，1 9 7 5 ) 等在室内模型试验时还观测 了探头贯入过程中砂表面的变形特性，说明当探头压入土层时，开始土产生剪切破 坏，随着贯入深度的增大，土的侧向约束应力的加大，探头阻力主要决定于土的压 缩特性。从剪切破坏向压缩破坏是逐渐过渡的，这一定性的破坏机理已为大家所承 认。 3 李月健土体内肆形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究浙江大学博士学位论文2 0 0 1 在对多层砂土的研究方面，墨斯( m u h s ，1 9 5 7 ) 在柏林工业大学的大砂坑中做 浅基的砂土承载力实验时。曾用静力触探测定填筑砂土的密度变化- 其结果如图 1 1 3 所示。基坑底面以下为密实均匀细砂，事先测定了其端阻曲线。然后在基坑 内回填砂( 疏松或密实状态) 后，又测定了整个砂土的端阻曲线。从图中曲线可 知，基底以下砂的极限端阻值在三种情况下都基本相等不受其上回填砂的密实度 或超载大小的影响。 算i 繁 音宝 磁i 。 蕊 心忒 h 、耋薹够未 膏鸯 瓷 尹 均勾壮 口 蔓 孕 3 ； 二静 图卜1 3 超载对极限端阻影响的试验( m u h s ，1 9 5 7 ) 陵 一： 警一n 、吨 4 、 f 弋 _ b 甍、 d s t 。一、 “。， _ 磷五嚣“9 8 、 “”- 皇筹嚣一一 图卜1 4 福拉依的试验( f o r a y ，1 9 7 6 ) 9 李月健 土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究浙江大学博士学位论文 2 0 0 1 福拉依曾在中1 5 2 0 米的模型槽中用密度不同的一种砂组成的双层土中进 行了系统的实验。图卜1 4 是其中的一组实验结果。双层土的上层为松砂，端阻很 快达到极限值，在接近下卧密实砂层层面约三倍桩径距离肘，端阻呈线性增加。贯 入下卧层一定深度，即“i 临界深度”后，端阻又稳定在一极限值附近。 从对图l 1 4 中曲线1 和曲线3 的比较，发现超过“临界深度”后的极限端阻 基本相当，但双层土的“临界深度”却比单一均质土的为小。福拉依又利用气囊加 压于砂层项面以代替无强度的超载，观测了超载对极限端阻和“临界深度”的影 响。人工超载下探头贯入曲线的形状与双层土的情况基本相同。端阻开始逐渐增 长，贯入深度达到和超过“临界深度”后，端阻成为常数。“临界深度”随超载的 增大而减小，极限端阻则似与超载大小无关。但超载若再继续增加，极限端阻是否 仍保持不变昵? 比阿雷兹在总结g e n o b l e 大学十年的实验结果时，在报告中指出， 当超载很大至某一定值时，试验得到的极限端阻将大于无超载时的极限端阻。图 卜1 5 是g e n o b l e 的一组试验结果。图卜1 6 是梅耶霍夫的双层土模型试验结果。梅 耶霍夫指出，当粘土覆盖在砂层上，则探头离砂层顶面一个直径时，其端阻开始增 加。“临界深度”的改变不仅与覆盖层的厚度有关而且与两层土强度的比值有 关，极限端阻则基本不变。 z * 若 喀j 矗c 巴) 祟蚪 ，- 4 f 巴 过 垦 些盯b 。嘧 l 啦皿t l i y ，- 描i 屉啊| 、 t - , a 7 巴 i 毒 图卜1 5g e n o b l e 的试验( b i a r e z 1 9 7 2 ) 梅耶霍夫还系统地试验了软地层中有硬砂层时触探端阻的变化规律。图卜1 7 是砂覆盖在软土之上的双层土试验结果。从囤1 - 1 7 h 可知，探头离下卧软层相当远 时其端阻就开始减小，减小的趋势和上部增加的趋势相似。 1 0 李月健土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究浙江丈学博士学位论文2 0 0 1 图卜1 7 a 中曲线是单一均质砂层中的端阻曲线，覆盖砂层的厚度仅略大于 “临界深度”，当有下卧层时砂层中端阻仍受到影响。这影响还和下卧层的强度 有关( 比较曲线和) 。 图1 - 1 6 梅耶霍夫的试验( m e y e r h o f ，1 9 7 7 ) 矗( 啼其寸 扭曩_ 融 f _ 黄寸， 、：；兰善鐾兰磊；苎，薷， k 一一。嚣至鬟：；l 。薷 l 腻、量 ，二未夫、 厂7f ? 一= m 、 0i 一- 魔m - = j j 毫 f 酗一 o 者t ，枉t 。 k i # 樵p 轼舳土 田 薤 妒”_ = l ，“j 一l ：磨 o r - ，r t r 矗 p o 图卜1 7 双层地基上的试验( m e y e r h o f ，1 9 7 7 ) 李月健土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究浙江大学博士学位论文 2 0 0 1 蕾 袜 一 甚 鞋 ，( 磅其中， 聃丑 如f 并其中)，( 磅英寸如f 并英寸2 ) 塑漪 l 啪若 掇搿； ，7 严歹遗 f 第三晨, t o 。 捂移屡3 9 - $ q * 脯算一层 幕二羼i 第三最 梧廿中鹰移l 船砂 筹= 屡的卑鏖 国 ，一，- 掰 ：档 ，- 崩 圆tj 圆 柱砂 蟹秒l 栓廿 ： l j ， ，嗒妒- 了i ，_ 雨p ；肛暑 图卜1 8 三层地基上的试验( m e y e r h o f ，1 9 7 7 ) 图卜1 8 是三层土的试验结果。从图卜1 8 a 中可以看出在砂夹层中端阻达不到 其极限值，端阻最大值的降低和探头大小有关。探头直径愈大则最大端阻降低愈 多。图卜1 8 b 表明了砂夹层的相对厚度的变化对最大端阻的影响。随着层厚的减 小最大端阻也随之减小。梅耶霍夫认为，当夹层的相对厚度( 层厚与探头直径的 比值) 大于2 0 时，则端阻可以达到极限值。观测夹层中的最大端阻值，一般出现 在夹层中间附近。 图i 1 9 是粘土层中有砾石夹层时，不同埋深桩的荷载试验结果。桩尖承载力 的变化与室内试验结果相同。 梅耶霍夫( 1 9 7 8 ) 还观测了贯入杆侧壁上作用的径向应力0 ，。图卜2 0 是三层土 中不同贯入深度时径向应力的分布曲线。探头的局部侧摩阻力与径向应力之间有密 切的关系。在砂层中的径向应力分布反映了局部侧摩阻力的分布。图卜2 0 表明在 端部以上一定范围内，径向应力有一最大值，说明端部附近存在特殊的应力场。砂 夹层中侧摩阻力也和端阻的变化规律相似，即有所降低。但是摩阻比f ，吼与单一 均质砂层中相同。有关局部侧摩阻力的实验工作，还馓的很少。 在对多层土中的砂层进行实验研究的基础上，可以归纳出以下几点定性的结 论： ( a ) 多层土中的极限端阻与覆盖压力无关( 当覆盖压力小于1 巴时) ，与单一 均质砂层中的值基本相同。 ( b ) 达到极限值时的“临界深度”随覆盖压力的增大而减小，它还和双层土的 ! 塑苎圭箜堕蔓垄窑奎芏壅墨苎圭壁些墨曼堕塞 塑望查兰曼主堂垡堡苎! 塑! 强度比值的大小有关。 世 橼 v 越 鼍 妊l 抽_ i t 啊 ，_ 琵冀jt 厶- 帕，脯 竹 f + i 警 粘 - i t l 钟 一 ，- 矿一 秘 瞻 近饭 ：二= ： m 0 石 皓囊估 阻 已叫阳f 图1 一1 9 粘土沉积中夹砾石层时桩的试验( m e y e r h o f 1 9 7 8 ) ； 苎 墓 叠内应力羹p ) 陬 i l 触力 i a 叠暑似 、 t d u 一 i - 幕聃 愿。卜k 手鼍碍： ：n 增 l o 畸 对孓 、 孓过 击 -矿 铽。个 、 l _ i 戳y ， ， ) 嶂一 蝴、 i _ i 1。枷 幺7 夕 r 壮 粤 _ l j l f ：j ； il 誊 “ 。 t 霸 t ? 芦i 图1 - 2 0 径向应力分布曲线( m e y e r h o f ，1 9 7 8 ) 李月健土体内球彤空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究浙江大学博士学位论文 2 0 0 ( c ) 探头离硬砂层顶面卜3 倍直径时，端阻开始呈线性增加，若离开硬砂层进 入软层时超过硬砂层底面卜2 倍直径后，端阻降低到下卧软层的极限值。 ( d ) 软土层中夹有薄砂层时，砂层中端阻最大值一般小于极限值，夹层的相对 厚度越小，则端阻最大值降低得越多，薄层砂的端阻最大值一般出现在这个夹层的 中部附近。 ( e ) 薄砂夹层的侧摩阻力也有所减小但摩阻f ，q c 保持不变，与均质厚砂层 中相同。 农 辗 - 善 蔓 糍 赳 a l - 竟虞c 卅) 氆彳 ， 啮断脚枷秸士：! e i汤舞程缓缓 b i 么廖笔写珏s m 弛一 h l 彳鳐图m m 甲断深处 蹭 r i 霞 l 乒 l 7 l 图卜2 l 粘土中的试验结果( k e r i s e l 1 9 6 2 ，d eb e e r ，1 9 7 4 ) 近年来，对于在粘土中的系统试验工作的报导较少。凯里泽( 1 9 6 7 ) 在法国一 处饱和粘性土中用4 5 、7 5 和1 1 0 厘米直径的圆锥，并且将一m = 1 0 2 5 厘米的 沉井压到地下5 0 米深，在沉井上安装有应变片以将基底应力和侧摩阻分开。不同 尺寸的基底应力如图卜2 1 中曲线a 所示。随基底尺寸的加大，其端阻相应地减 小。德别尔( d eb e e r ，1 9 7 4 ) 在比利时用0 3 6 、巾5 0 和中2 5 厘米的探头在粘土中 做了比较试验，所得结果如图卜2 1 中的曲线b 和c 。其趋势和凯里泽的相似，但 尺寸效应在比利时的粘土中没有法国那样大。 s e e d r e e s e ( 1 9 5 5 ) 和e i d e 等( 1 9 6 1 ) 在工程中发现，当桩打入粘性土后 桩的承载力会随时间而增加，他们认为这主要是由于打桩时引起的超静孔隙水压力 随时间消散引起的。b u f f e r f i e l d ，r b a n n e r j e e ，p k ( 1 9 7 0 ) 分析了孔压对最终 承载力的影响。国内郑钢( 1 9 9 4 ) 曾对静力压桩阻力作了一些工程实例的统计，并 提出了预估压桩阻力的方法。 3 、土体的垂直隆起和水平位移以及桩上浮的研究 早在六十年代末、七十年代初，o r r j e b r o m s ( 1 9 6 7 ) 、h a g e r e y p e c k ( 1 9 7 1 ) 和a d a m s h a n n a ( 1 9 7 1 ) 就发现在粘性土中沉桩，沉桩范围内土体的垂 直隆起量大约分别为被沉桩取代土体体积的3 0 、5 0 、1 0 ( 隅。 1 4 李月健土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究新江大学博士学位论文 2 0 0 1 r a n d o l p h ，s t e e n f e l t w r o t h ( 1 9 7 8 ) 和c o o k e p r i c e ( 1 9 7 3 ) 对桩中段的桩周 土径向位移( 水平) 进行了测量( 如图卜2 2 ) 。h a m m o n de ta l ( 1 9 7 9 ) 对桩的上 浮( h e a v e ) 作了测量( 如图卜2 3 ) ，谢新宇等( 1 9 9 7 ) 在施工现场对静压桩的挤 土效应进行了监测。 摹 苫o b ；o4 r od i a ip c s ；i i o nb t i o r tp i i - o e l v i n “ p i tr o d u i i i l ，- 图卜2 2 土体实测径向位移( r a n d o l p he ta l ，1 9 7 9 ) 帅m l 州脚印咖s h 图卜2 3 桩上浮实测曲线( h a m m o n de ta l ，1 9 7 9 ) 1 5 李月健土体内球形空穴扩张及挤土桩沉桩机理研究浙江大学博士学位论文2 0 0 1 1 4 2 理论研究 用理论或数值方法来研究沉桩压力、桩基承载力及沉桩挤土形式及其引起的土 中孔压的产生以及消散过程、桩周土体强度变化、土体的垂直隆起及水平位移和桩 的极限承载力的变化等现象由来已久，近几年比较热门国家自然科学基金项目中 有天津大学汪克让副教授在1 9 9 3 年的题为“沉桩对周围介质和邻近结构的影响” 和国家地震局工程力学所赵振东副研究员在1 9 9 4 年的题为“桩基贯入过程力学机 理与仿真研究”。归纳起来，主要集中在以下几个方面： 1 、刚塑性理论 这是土力学中地基承载力计算采用的经典理论。根据这种理论对于砂土地基， 基底破坏( 或极限) 荷载可简化为： p b ( 或p ，) = yh n 。( 1 一1 ) 式中yh - - 有效覆盖压力；n - - 深基承载力系数。 由于深基的直径一般比深度要小得多，因此公式( 1 -