双层高岭黏土中沉桩特性模型试验

1、第卷第 期吉林大学学报(地球科学版)Vol No 年月Jour nalof Jili nUni ver sit y ( Eart hS cienceE diti on )Nov 李雨浓 ,双层高岭黏土中沉桩特性模型试验吉林大学学报( 地球科学版),doi : LehaneB M ,() :/cnkijjuese jLiY unong ,LehaneBM Lat er alSt r essf orModel Jac kedP il es i n T woLayer ed Kaoli nC l ay Jour nalo fJ ili n Uni versit y(Eart hS ci enceE

2、diti on) ,() :doi:/jcnkiuese jj双层高岭黏土中沉桩特性模型试验李雨浓,LehaneBM燕山大学建筑工程与力学学院,河北秦皇岛,西澳大学土木工程与资源学院澳大利亚珀斯摘要 : 为了揭示黏土中静压沉桩的宏观力学特性,采用西澳大学的梁式离心机压桩系统, 通过在双层高岭黏土中进行一系列重力场情况下的触探测试试验、静压沉桩试验 、桩拉伸试验和压缩试验,对比分析了gTbar研分别在均质软质黏土和双层黏土中随贯入深度变化测得的不排水剪切强度的特性;Tbar、桩端阻力以及桩侧摩阻力的发展规律; 并对桩身径向总应力在沉桩过程究了桩体在贯入过程中沉桩阻力中的变化规律进行了探讨;此外,

3、还揭示了 不同桩型沉桩终压力与桩承载力之间的关系. 结果表明: 在黏土中沉桩时, 桩侧摩阻力在整个沉桩阻力中发挥主要的作用; 对于同一土层而言, 当桩超过土层分界面以下(D为桩径 ) 范围后 ,桩端阻力并不受相邻土层性质的影响; 随着压桩后时间的推移, 桩侧摩阻力对承D.载力的时效影响较桩端阻力大关键词 : 双层 ; 高岭黏土 ; 沉桩特性 ;径向总应力 ;模型试验doi :/文献标志码 :中图分类号 :Aj cnki jjuese T ULat er alSt r ess f orModelJackedP i l es i nTwoL a er edKaol i nC l ayyLiYuno

4、ngM, L ehaneBCi vi lE ngi neeri n g& Mechani cs, YanshanU ni ver si t y, Qi nh uang dao , Hebei ,Chi naCol l ege ofUni versi t y ofWest ernAust r al i aPer t h Austr al i aSchoolofCi vi landR esourceE ngi neeri n g ,Abst r act : Thebea mcent r if ugei l eacki ngsyst e moftheU ni versi tyofWest er nA

5、 ust r ali awaspje mpl oy ed t o car r y outt he penet r ati o nmechani s mo f j ack ed pi l e i n cl ay Aser i es ofTbart est s , si n ki ngil e t est s ,i l etensi l etest sa ndi l eco mr essi ontest swer emadeintwolayer ed k aoli ncl ayTheppppco mpari s ona nda nal ysi swer ec o nduct edtothea p

6、pl i cati onso fTbari nho mogeneouss of tcl ayand i nt wolayer edcl aybymeasuri ngt heun drai nedshears tr engt hwi t hdi f f er entenet r at i ondept h Theppr ofi l esof penet r at i on resi st ance , end r esi st ance and shaf tr esi st anceduri ng t he pi l e i nst al l ati onaswellas t hechani n

7、gofi l eradi alst r essesduri ngt hei l einst al l ati onwer einvestigat ed T hed if f erentgppr el ati ons hi ps bet weenpi l e f i nalpress ur e andpi l eb ear i ng capaci t ywer e r eveal ed T he r es ul t s sho wthatshaf t r esi st ancepl aysama orrol e i nthewhol epil epenet r ati onresi st anc

8、e i nc l a; f orthesa mesoiljy收稿日期 :作者简介 : 李雨浓 () , 女 , 副教授 , 博士 , 主要从事岩土工程方面的研究, Email :l i yunong nong hot mailco m基金项目 : 国家自然科学基金项目(E) ; 河北省自然科学基金项目Support edb yNat ur alSci enceFoundat i onofChi na () and Nat uralSci enceFoundati ono fHebeiPr ovi nce(E)第 期李雨浓 , 等 : 双层高岭黏土中沉桩特性模型试验l ay er , t he

9、pi l e end resi st ance i sn ot aff ect edb yt he pr opert i eso fadj acentsoi l l ayer swhenthepi l ee ndexceeds a cer t ai nraneo f i nfl uenceb el o wthesoili nt erf ace ; i na ddi ti on ,t het i mee f f ectof il es haf tgpf ri cti ono nb eari ngcaaci tyi sgr eat er t han t hatof end r esi st anc

10、e Key wor dsper ed ;kaol i n cl a;enet r ati on charact eri sti cs ; r adi al st r esses ; modelt est: t wolaypyg 引言压力和荷载分布情况进行了详细研究.等 Kou通过在黏土场地进行了开口管桩的静压沉桩试验,目前 ,岩土工程界诸多国内外学者通过室内模对桩在贯入过程及贯桩后桩周土体剪切破坏区域的型试验 、不同重力场下离心机模型试验以及现场试物理特征进行了分析研究.Gavi n等 在黏土中做验 , 对静压桩在砂土中沉桩机理的认识和研究取得了一系列的现场压桩试验,分析了不同沉桩方法对了重大

11、的进展和突破.L ehane等 在干砂中进行桩侧摩阻力发展变化的影响.,了开口管桩沉桩大型模型试验, 研究了桩周土体应通过以上研究分析可以看出近些年岩土学术力、桩径和管桩壁厚度对管桩力学性状的影响.丁界鲜有针对分层黏土在地基中桩连续贯入过程中的佩民等 在砂土中进行了大型沉桩模型试验, 研究特性进行的研究 .一方面由于在砂土中进行模型试了砂土相对密度变化对其内摩擦角及邓肯双曲线弹验周期短 、易操作 ,而黏土固结时间长,孔隙水消散性模型参数的影响. 周健等 从桩端周围土体位移存在固结时效性等原因加大了黏土中试验的难度;场、应力场 、孔隙率变化场等角度, 对砂土中桩端阻另一方面在实际工程现场中由于地

12、基的成层性, 又力随位移发挥的内在机理进行了模型试验研究.不存在均质的桩侧土体、桩端土体的情况 .因此考等 通过离心模型试验研究了贯入砂土中管虑到桩基实际工作特点, 本文通过在层状高岭黏土Ni col a状以及土塞性状.等 在正 常地基中采用室内重力场情况下的模型试验, 对桩的力学性固结砂土中Lehaneg(进行了闭口钢方桩的离心模型贯入试比分析了成层黏土中径向总应力验 , 通过实施贯入桩体的破坏性静载试验, 研究了沉r ) 在沉桩过程中的变化规律, 并揭示了层状黏土中静压桩的沉桩特、性以及不同桩型沉桩终压力与桩承载力之间的关桩方法 应力水平以及桩截面纵横比对试验中桩侧水平有效应力增大的影响.

13、 刘清秉等 在砂土中进系 . 借此成果希望能够对静压桩在黏土中的沉桩机行了离心机试验 , 研究了砂土颗粒形状对土体抗剪理研究方面做出一定的补充.强度及桩端阻力的影响. 试验方案然而 , 近些年来对黏土中同等程度静压桩沉桩理论的研究则相对较少.Ei de等 在深层沉积的压桩系统, 发现桩基承试验采用正常固结黏土中进行了现场贯桩试验UWA ( 西澳大学 ) 的梁式离心机压桩载力会随时间增加而增大, 分析原因主要是桩周超系统 ,在黏土中进行了静力压桩试验, 压装系统孔隙水压力消散引起的.等 通过在硬质黏见图gCooke, 研究了桩土荷载.土中进行了一系列模型压桩试验土样制备的传力机制 .Bond等

14、在高固结比的黏土中进行试验土样采用UWA高岭黏土 , 根据研究要求了贯桩试验 ,、土体和孔隙水压分析了桩在贯入过程分别预制了均质软质黏土和上硬下软双层黏土两种力稳定过程以及加载过程中桩土接触面处有效应力地基 .试验前 , 软质黏土及硬质黏土分别用kPa的变化情况 .张明义等 在不同的现场进行了两和压力进行预压固结 .试验时将制备好的组静力压桩试验 ,探讨了桩的沉桩特性, 并认为当桩kPa, 土盒尺寸长土样放置到特定的土样盒中端进入坚硬土层时,在桩端和桩身中存在着残余应宽 mm 、高 mm,两种类型地基土埋置深度力 .等 通过大量的实际现场和室内沉桩均为,双层黏土中上部硬质黏土高,.试验研究 ,

15、 分析了桩在贯入过程中及之后土体总应下部软质黏土高力以及超孔隙水压力的变化情况.等 通模型桩mm过现场静压沉桩试验Dohert y、静置本文试验采用的模型桩为边长( B, 对不同桩型在贯入过程) mm 、长稳定过程以及加载过程中桩的径向总应力、孔隙水的不锈钢闭口桩(L ) mm. 模型桩两侧距离吉林大学学报(地球科学版)第卷图g重力场下梁式离心机压桩系统FigPileacki nsst em ofb ea m cent ri f u ea t leveljgyggf oundati on i nUWA桩端不同高度处共安装个直径为的土压力传感器 (mmB, B,B, B, F, F) , 它们被

16、镶嵌在桩体表面与桩体平面水平,用于量测桩身不同位置hB h 为 土 压 力 传 感 器距 桩 端 的 距( /, ,;(离 ) 处的径向总压力这些土压力传感器最大r ) .量程可达到为方底模型桩的详细结构图 .kPa . 图此外 ,试验还采用了直径 (D ) 为 mm ,L为的圆底闭口钢桩 mm, 见图,. 该模型桩底安置了端阻力的测试元件可观察桩端阻力的变化情况 .试验设计本次试验 在重力场情况下分别进行了Tbar触探试验 、静压沉桩试验和桩静载荷试验.T尺寸 D为L为bar mm 、c m , 结构可见图.试验 时和模型桩分别以和 mm / sTbar的速率匀速贯入黏土样深度处 . mm

17、/ s mm此外,以/速率对方形桩和圆底桩分别进,最大位移均为行拉伸试验和压缩试验mm.图为分别在均质软质黏土和双层黏土Tbar中贯入测试得到的不排水剪切强度(s u ) . 本次试验在稳定阶段所受到的土体抵抗力与该点土体Tbar的强度比值取.由图N kt 可见 ,在贯入均质软质黏土时,aTbar, 到达一定深度后几土体不排水强度先随深度增加乎保持恒定值左右 . 而对于双层黏土, 由图kPab可 见 ,贯 入 在 硬 层 黏 土 时 , 土 体s u值 明 显T bar图模型桩身应变片布置图Fi g I nst r ument edm odel pil e图 D mm 模型闭口管桩FigD m

18、 me ndclosed i ei l ep pp图 Tbar触探仪Fi g Tbar penet r o met er第期李雨浓, 等 : 双层高岭黏土中沉桩特性模型试验均质软质黏土 ; 上硬下软双层黏土.a b 图Tbar试验测得的土体不排水强度Fi g Undr ai ned shear st r engt hb y Tbar t est s大于均质的软层黏土, 且在距离土层分界面 mm间的推移黏土将发生软化效应, 故对于试 验 贯处土体 s u 值迅速减小; 在贯入下部软质黏土层一定桩后的应力变化数据不做讨论. 图 为方形桩分别深度时土体 s, 并且数值上与均质软值几乎无变化在情况下均

19、质黏土及双层黏土贯入过程中径向u质黏土同等深度处的不排水剪切强度接近.总应力的变化曲线 .试验结果由图可以看出 : 在硬质黏土层中沉桩时, 径b,但是,结合图向总应力明显大于下覆软质黏土贯入过程径向总应力分析可知 , 在硬质黏土层中 sb值要小于在软质黏土的r /u本次模型试验由于在情况下进行,随着时情 况 ; 随 着h /B 的增加, 同一深度处径向总应力逐g均质软质黏土;上硬下软双层黏土.a b 图g试验压桩过程中径向总应力Fi g Lat er alt ot al str esses duri ngp il e i nst all ati ona t g吉林大学学报(地球科学版)第卷渐减

20、小 , 与一般试验位移桩的观测结果一致. 此外,自桩端向下穿越冲剪土体产生的阻力急剧降低所尽管双层黏土中存在上覆硬质黏土, 但当桩贯入下致 .对比均质软质黏土桩端阻力, 当桩贯入到下覆软质黏土时, 桩身不同位置处径向总应力变化几)覆较软土层时, 端阻力逐渐减小, 并在距离分界面以乎与同等深度均质软质黏土时的应力值相同; 可见下左右范围以外趋向接近均质黏土层同等深度对于双层黏土, 桩贯入到下层软质黏土时, 上层硬质D; 可见对于同一土层而言, 当桩超过土处的桩端阻力黏土并没有影响桩在下部软质黏土中径向总应力的层分界面以下一定影响范围后, 桩端阻力并不受相变化 .邻土层性质的影响 .) 随着桩贯入

21、深度的增加, 桩 贯入过程力学特性分析侧摩阻力占沉桩阻力的比例逐渐增大, 在整个沉桩由试验直径为的圆底模型桩贯入黏土阻力中发挥主要的作用. mm 静力压桩承载力分析中测得的沉桩阻力及端阻力曲线见图.由图:由上述研究可知, 一般在黏土中沉桩, 当超过一可见 , 在均质黏土中沉桩时a)沉桩阻, 桩侧摩阻力所占沉桩阻力的比例明力随贯入深度的增加而线性增加, 桩端阻力则先增定贯入深度时大后减小 , 当桩贯入一定深度时端阻力变化较小且显大于桩 端阻力比值. 就本试验两组地基类型来逐渐趋向恒定值., 桩入土深度较说,压桩结束后桩侧摩阻力分别占各自终压力的) 在沉桩过程中和浅时 , 桩端阻力占沉桩阻力的比例

22、较大, 但随着桩贯, 可见桩侧摩阻力在承载力方面也必承入深度的增加, 桩端阻力占沉桩阻力的比例明显减担主要的作用.小 ; 这主要是因为在沉桩过程中桩侧摩阻力逐渐被此外 , 黏土中桩端阻力变化与一般常用的贯入发挥 , 且随着深度的增加而增大, 桩侧摩阻力所占沉测试仪器 ( 例如, 在整Tbar 、单桥 CP T ) 贯入 特征 有一 定桩阻力的比例也明显大于桩端阻力所占比例的相似性 , 可通过这些测试结果进行经验预估, 而问个沉桩过程中起着显著的作用.题的关键是极限桩侧摩阻力的确定, 它不仅占承载而在双层黏土( 图:) 沉桩力的主要部分, 而且会随土层类型的不同而呈现不b ) 中沉桩时可发现同程

23、度的增长 .阻力并不一定随桩入土深度的增加而累计增大, 而是会随着桩端处土体的软硬程度不同而变化. 当桩因此 , 考虑到上述问题 , 本文主要从桩侧摩阻力从较硬土层穿越到较软土层时,距离分界面以上方面入手研究静压桩在黏土中的沉桩特性,并以探左右深度处, 沉桩阻力随深度增加的幅度明显究其终压力与桩侧摩阻力之间的关系.D图为不同桩型在均质黏土及双层黏土沉桩时减小 ; 这主要也是因为下覆较软土层的存在使得来均质软质黏土;上硬下软双层黏土.a b 图压桩过程中沉桩阻力及端阻力曲线Fi g Cur ves of penet r ati on r esist ance and end r esi st a

24、nce duri ngp il e i nst all ati on第期李雨浓 , 等 : 双层高岭黏土中沉桩特性模型试验均质软质黏土;上硬下软双层黏土.a b 图桩侧摩阻力与桩端位移曲线Fi g Cur ves of shaf t resist ance and pil e endd i spl acement桩侧摩阻力 (Qs )及桩端承载力(Q)与桩端位移的度 .关系曲线 . 在p) 桩周部分土体受竖向剪切和径向挤压而发生条件下进行了组试验,终压力重塑 .桩在贯入过程中, 桩周土体形成了如图所示的个区域 .(P u ) 与极限摩阻力(Q su ) 的关系见表.表试验终压力与极限摩阻力Ta

25、bl e Rel ati onshi pofpil ef i nalpressurea nd ulti mat ef r ict i on试验类型LD( 或L/B)P uQ s u / NQ s u /P u桩/ Ns桩c桩s桩c注 : 单层地基;双层地基; 方底桩;圆底桩 .s c 由试验结果可知, 压桩后随着时间的推移, 单桩承载力显著提高, 且增长主要来源于桩侧摩阻力的增加 , 桩端阻力对承载力时效的影响较小.本次试验极限侧摩承载力均大于压桩终压力, 最小幅度为重塑区;过渡区;非扰动区.图静压桩塑性区剖面示意图Fi g Pl asti c zone pr of ile of j ack

26、ed pi l e倍 . 分析其主要原因在于:) 黏性土的触变时效 . 沉桩期间 , 黏土受扰动而使得强度降低, 但随时重塑区内土体的总应力最大, 随着时间的推移,间推移土体建立了新的结构, 使损失的强度逐渐恢超孔隙水压力逐步消散, 土中有效应力逐渐增大, 剪复 .切强度逐渐恢复并提高, 最终大于外围土体剪切强) 固结时效 . 沉桩结束后 , 随着桩周土体水分,的排出 , 沉桩过程中引起的超孔隙水压力逐渐消散度 , 在桩表面形成了一层“硬壳 ”,即相当增加了桩体土的有效应力随之增大, 同时桩侧土体在自重应力产生侧摩承载力的表面积, 与桩共同作用 , 提高了桩和挤压应力的共同作用下固结, 土体密

27、实度也逐渐侧摩阻力 .增大 , 这使得土体强度逐渐恢复甚至超过其原始强吉林大学学报(地球科学版)第卷程学报 ,结论与建议, () : 黏土试验,当桩贯入到下层软) 对于双 层 g质黏土时, 桩侧径向总应力变化几乎与同等深度处均质软质黏土中径总向应力变化相同, 可见上覆硬质黏土对下部软质黏土力学性质影响较小.) 在黏土中沉桩时, 随着桩贯入深度的增加, 桩侧摩阻力占沉桩阻力的比例逐渐增大, 在整个沉桩阻力中发挥主要的作用.此外 , 对于同一土层而言,当桩超过土层分界面以下一定影响范围后桩端阻力并不受相邻土层性质的影响.) 黏土中沉桩终压力与桩侧阻力的对比研究表明 , 压桩后随着时间的推移, 单桩

28、承载力均不同程度地提高 , 且增长主要来源于桩侧摩阻力的增长, 桩端阻力对承载力时效的影响较小.参考文献(Ref erences ) :Li uQi n gbi ng , Xi angWei ,LehaneB M ,etal Exp eriment alSt udyofEf f ectofParti cl eShearStr engt hofSanda ndTi pResist anceo fD r ivenPi les J Chi nese Jour nalofRockMechani csandEni neer i ng, () : gEideO, H ut chi nson JN, Lan

29、davaAShortandLongT er m TestLoadi n g of aF ri cti onP il ei nC l ayC/thI nt er nati onalConf er enceonSoilMechani csandFoundati onEngi neeri ng Pari s: ,:s n CookeRW , Pr iceG,TarrKJackedPil es i nL ondonCl a:AS t udyof LoadTransf erandS et tl e mentUnderyWor ki ng Condit i on J Geot ech ni q ue ,(

30、) :BondA J , Jar di neRJEf f ect so fI nst alli ngDi splace mentPil esin Hi ghO CRCl ay J Geot ec hni que , () : 张明 义,邓安福 预制桩贯入层状地基的试验研究,岩土工程学报J, () : LehaneBM ,Gavi n KG BaseResi st anceo fJ ack edPi pePil esinSandJ Jour nalofGeot ech nicalandGeoenvir on ment al En gi neeri ng , ,() : 丁佩民,肖志斌,施健勇,等

31、松砂中大型静压沉桩模型试验桩基挤土加密效应工业建筑,J ,() : Di n Pei mi n ,Xi aoZ hi bi n , ShiJi anon , et alModelgygT est s ofL ar g eD ri venP ile Jac ked i nt oS ands andS oil Pi l eI nt er act i onFi ni t eEl e mentA nal ysi swi t hCo m acti onEff ectTak enint oAccount J Indust ri alpConst r uct i on ,() :周健 ,邓益兵 ,叶建忠 ,

32、等砂土中静压桩沉桩过程试验研究与颗粒流模拟岩土工程学报,J ,() : ZhouJi an ,DengYi bi n g ,YeJianzhong ,etal Experi ment aland Nu meri calAnal ysi so fJ ackedP il esDuri ng I nst all ati oninSand J Chi nese Jour nalofGeot echni cal Engi neeri n g , , () : Nicol aA D ,Randol phMF Cent r if ugeModelli n gofPi ePil esi nSandUnderAxi alLoadsJ pGeot ec hni que , , () : LehaneB M ,Whi t eDJL at eralS tr essC hangesandShaf tFri cti onforModelDi spl acementPi lesin SandJ Canadi anGeot echni calJour nal, ( ) :颗粒形状对砂土抗剪刘清秉, 项伟,LehaneBM, 等岩石力学与