开口管桩贯入特性的大尺度模型试验.pdf_大学文库

工程科学学报，第41卷，第2期：269-277,2019年2月 Chinese Joural of Engineering,Vol.41,No.2:269-277,February 2019 DOI:10.13374/j.issn2095-9389.2019.02.015;http://journals.ustb.edu.cn 开口管桩贯入特性的大尺度模型试验刘俊伟123)，王立忠)，朱娜)，张春巍)四，赵国晓) 1)青岛理工大学土木工程学院，青岛2660332)青岛理工大学蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，青岛266033 3)浙江大学建筑工程学院，杭州310058 ☒通信作者，E-mail:zhangchunwei(@qut.cd山.cn 摘要开口管桩由于其承载力高、质量可靠、施工方便等优点得到越来越广泛的应用.土塞的生成使得开口管桩沉桩阻力不同于闭口管桩，不仅包括桩外侧摩阻力、桩端阻力，桩内侧摩阻力亦是其重要组成部分.针对开口管桩沉桩受力特性，采用自主研发的大尺度模型试验装置，进行不同桩靴形式下开口管桩的贯入试验，并与闭口管桩进行对比分析.研究表明，开口管桩随沉桩深度的增加趋于闭塞，沉桩阻力随沉桩过程基本呈线性增加，桩内、外侧单位摩阻力均存在“侧阻退化”效应：桩体贯入时桩周地表隆起量随径向距离增加逐渐减小，隆起速率随沉桩深度增加逐渐变缓，桩周土影响范围约为5~7倍桩径：桩靴对开口管桩土塞生成、沉桩阻力和挤土效应均有重要影响，内30°桩靴土塞生成高度、桩内侧摩阻力及其所占总沉桩阻力比例最大，桩周土地表隆起量最小，外30°桩靴与内30°桩靴情况相反，直角桩靴居中：闭口管桩沉桩阻力、外侧摩阻力与挤土程度均大于开口管桩关键词开口管桩：室内试验；贯入特性；不同桩靴：土塞分类号TU473.1 Large-scale model test on installation characteristics of open-ended pipe pile LIU Jun-wei),WANG Li-zhong?),ZHU Na,ZHANG Chun-wei),ZHAO Guo-xiao) 1)School of Civil Engineering,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,China 2)Cooperative Innovation Center of Engineering Construction and Safety in Shandong Blue Economic Zone,Qingdao University of Technology,Qingdao 266033,China 3)College of Civil Engineering and Architecture,Zhejiang University.Hangzhou 310058,China Corresponding author,E-mail:zhangchunwei@qut.edu.cn ABSTRACT The open pipe pile is widely used because of its high bearing capacity,reliable quality,and convenient construction. The formation of the soil plug makes the total resistance of the open pipe pile different from that of the closed pipe pile.The bearing ca- pacity of the open pipe pile includes three parts:the exteral friction of the pile,the pile end resistance,and the pile inside the fric- tion.According to the stress characteristics of open pipe piles during installation,a self-developed large-scale laboratory test apparatus was used to test the penetration of open pipe piles under different forms of pile boots,and based on the results,the open pipe pile was compared with closed pipe pile.The results show that the open pipe pile tends to be occluded with the increase of pile depth.The re- sistance of pile increases linearly with the pile sinking process,while the frictional resistance inside and outside the pile has"lateral degeneration effect."The influence range of surface displacement decreases with the increase of radial distance.The uplift rate gradu- ally reduced with the increasing depth of pile sinking.The influence range of soil around pile is about 5 to 7 times of pile diameter.The pile shoe affects the height of the soil plug,pile resistance distribution,internal and external frictional resistance,and the effect of 收稿日期：2018-04-02 基金项目：国家自然科学基金资助项目(41772318，)：中国博士后科学基金资助项目(2015M581940):山东省重点研发计划资助项目 (2017GSF20107):青岛市应用基础研究资助项目(16-5-1-34-jh):住房和城乡建设部科学技术计划资助项目(2014-K3-026):泰山学者工程专项经费资助项目（鲁政办字〔2015]212号）

工程科学学报,第 41 卷,第 2 期:269鄄鄄277,2019 年 2 月 Chinese Journal of Engineering, Vol. 41, No. 2: 269鄄鄄277, February 2019 DOI: 10. 13374 / j. issn2095鄄鄄9389. 2019. 02. 015; http: / / journals. ustb. edu. cn 开口管桩贯入特性的大尺度模型试验刘俊伟1,2,3) , 王立忠3) , 朱娜1) , 张春巍1) 苣 , 赵国晓1) 1) 青岛理工大学土木工程学院, 青岛 266033 2) 青岛理工大学蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心, 青岛 266033 3) 浙江大学建筑工程学院, 杭州 310058 苣通信作者, E鄄mail: zhangchunwei@ qut. edu. cn 摘要开口管桩由于其承载力高、质量可靠、施工方便等优点得到越来越广泛的应用. 土塞的生成使得开口管桩沉桩阻力不同于闭口管桩,不仅包括桩外侧摩阻力、桩端阻力,桩内侧摩阻力亦是其重要组成部分. 针对开口管桩沉桩受力特性,采用自主研发的大尺度模型试验装置,进行不同桩靴形式下开口管桩的贯入试验,并与闭口管桩进行对比分析. 研究表明,开口管桩随沉桩深度的增加趋于闭塞,沉桩阻力随沉桩过程基本呈线性增加,桩内、外侧单位摩阻力均存在“侧阻退化冶效应;桩体贯入时桩周地表隆起量随径向距离增加逐渐减小,隆起速率随沉桩深度增加逐渐变缓,桩周土影响范围约为 5 ~ 7 倍桩径;桩靴对开口管桩土塞生成、沉桩阻力和挤土效应均有重要影响,内 30毅桩靴土塞生成高度、桩内侧摩阻力及其所占总沉桩阻力比例最大,桩周土地表隆起量最小,外 30毅桩靴与内 30毅桩靴情况相反,直角桩靴居中;闭口管桩沉桩阻力、外侧摩阻力与挤土程度均大于开口管桩. 关键词开口管桩; 室内试验; 贯入特性; 不同桩靴; 土塞分类号 TU473郾 1 收稿日期: 2018鄄鄄04鄄鄄02 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 41772318,);中国博士后科学基金资助项目( 2015M581940 );山东省重点研发计划资助项目 (2017GSF20107);青岛市应用基础研究资助项目(16鄄鄄5鄄鄄1鄄鄄34鄄鄄jch);住房和城乡建设部科学技术计划资助项目(2014鄄鄄K3鄄鄄026);泰山学者工程专项经费资助项目(鲁政办字也2015页212 号) Large鄄scale model test on installation characteristics of open鄄ended pipe pile LIU Jun鄄wei 1,2,3) , WANG Li鄄zhong 3) , ZHU Na 1) , ZHANG Chun鄄wei 1) 苣 , ZHAO Guo鄄xiao 1) 1) School of Civil Engineering, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China 2) Cooperative Innovation Center of Engineering Construction and Safety in Shandong Blue Economic Zone, Qingdao University of Technology, Qingdao 266033, China 3) College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China 苣Corresponding author, E鄄mail: zhangchunwei@ qut. edu. cn ABSTRACT The open pipe pile is widely used because of its high bearing capacity, reliable quality, and convenient construction. The formation of the soil plug makes the total resistance of the open pipe pile different from that of the closed pipe pile. The bearing ca鄄 pacity of the open pipe pile includes three parts: the external friction of the pile, the pile end resistance, and the pile inside the fric鄄 tion. According to the stress characteristics of open pipe piles during installation, a self鄄developed large鄄scale laboratory test apparatus was used to test the penetration of open pipe piles under different forms of pile boots, and based on the results, the open pipe pile was compared with closed pipe pile. The results show that the open pipe pile tends to be occluded with the increase of pile depth. The re鄄 sistance of pile increases linearly with the pile sinking process, while the frictional resistance inside and outside the pile has “ lateral degeneration effect. 冶 The influence range of surface displacement decreases with the increase of radial distance. The uplift rate gradu鄄 ally reduced with the increasing depth of pile sinking. The influence range of soil around pile is about 5 to 7 times of pile diameter. The pile shoe affects the height of the soil plug, pile resistance distribution, internal and external frictional resistance, and the effect of

·270· 工程科学学报，第41卷，第2期 pushing against soil.The pile of 30 inside pile boots has the largest height of soil plug formation,as well as the maximum friction re- sistance and the maximum proportion of total pile resistance.The amount of surface soil uplift around the pile is the smallest.The outer 30 pile boot is opposite to the inner 30 pile boot,while the right-angle pile boot is centered.The resistance,lateral friction,and soil compaction of closed-end pipe pile are greater than those of the open pipe pile. KEY WORDS open pipe pile;laboratory model experiments;penetration characteristics;different pile shoes;soil plug 国外对于开口管桩土塞的研究始于20世纪60 载系统、土样制备系统和数据采集系统，如示意图1 年代.Kishida和Ismoto进行足尺模型试验，揭示所示.模型箱内部尺寸为3000mm×3000mm×2000 了土塞侧阻土压力系数和土塞发挥高度的分布规mm.加载系统由液压油缸、高压油泵、压力控载箱、律.Paikowsky和Whitman2]研究了土塞对开口管桩可编程逻辑控制器(programmable logic controller, 极限承载力、承载力时间效应以及动力特性的影响. PLC)控制系统组成.试验采用青岛海砂（干砂），筛 Bucy等[)研究土塞的形成对桩体贯入的影响以及分法测定土样的颗粒级配如图2所示，土样的其他桩体贯人过程中土塞的变化.Lehane和Gavin进物理参数指标如表1所示. 行室内模型试验，研究发现土塞高度与桩内径和桩装砂的总高度为1800mm,采用人工装砂，每次壁厚度的比值密切相关，比值越大的桩生成的土塞装砂100mm,分18次完成.砂样的相对密实度为高度越大 73%,处于密实状态.微型光纤光栅应变传感器全近年来，土塞效应逐渐引起国内学者的关注. 程监测沉桩过程中的桩体应变：YWD-100型位移传谢永健等s]研究表明贯入深度与桩径之比大于120 感器动态监测桩周地表竖向位移（地表隆起量）：时，土塞高度增长较快.周健等6通过P℉C数值模 MPS拉线位移传感器实时记录桩体沉降和土塞生拟软件，研究开口管桩沉桩过程中土塞的形成和桩成高度：桩顶安装压力盒记录沉桩总阻力周土的变形机制.张忠苗等]对不同土层条件下混国京白公科学金项凝土管桩的土塞效应进行试验研究.詹永祥等[】对开口管桩沉桩过程中土塞高度的变化规律进行研究.曹兆虎等[]基于透明土技术，进行开口管桩和闭口管桩桩基贯入试验，研究结果表明，闭口管桩挤土效应与应变路径法更为相似，开口管桩由于土塞作用的影响与理论计算结果相差较大.王家全等〔0进行开口管桩静压沉桩室内模型试验，研究沉数据采桩过程中红黏土地层土塞效应机理和桩体土塞高度变化规律.杨靖晖]研究不同桩尖对单桩挤土应力、应变的影响图1大尺度室内模型试验仪土塞是开口管桩最主要的特征，明确土塞的 Fig.1 Large-scale laboratory test apparatus 形成和荷载传递机理则成为准确预估开口管桩沉桩性状的关键.桩靴的安装势必改变土塞的形成， 100 进而改变开口管桩的沉桩特征和承载性能.现有研究多针对单一桩靴模式，桩靴形状对开口管桩形沉桩特征的影响规律仍未被揭示.基于此，本课题多研制双壁开口模型管桩并开展室内大型模型试验，探讨不同桩靴形式下开口管桩沉桩过程的力 % 学机制，为开口管桩施工效应的准确预估提供可靠的理论依据. 1试验设备与材料选取 90 10 1 0.1 0.01 土粒粒径mm 1.1大尺度模型试验仪图2土样颗粒级配曲线室内模型试验仪由四部分组成：模型箱系统、加 Fig.2 Grading curve of sand

工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 pushing against soil. The pile of 30毅 inside pile boots has the largest height of soil plug formation, as well as the maximum friction re鄄 sistance and the maximum proportion of total pile resistance. The amount of surface soil uplift around the pile is the smallest. The outer 30毅 pile boot is opposite to the inner 30毅 pile boot, while the right鄄angle pile boot is centered. The resistance, lateral friction, and soil compaction of closed鄄end pipe pile are greater than those of the open pipe pile. KEY WORDS open pipe pile; laboratory model experiments; penetration characteristics; different pile shoes; soil plug 国外对于开口管桩土塞的研究始于 20 世纪 60 年代. Kishida 和 Ismoto [1] 进行足尺模型试验,揭示了土塞侧阻土压力系数和土塞发挥高度的分布规律. Paikowsky 和 Whitman [2]研究了土塞对开口管桩极限承载力、承载力时间效应以及动力特性的影响. Brucy 等[3]研究土塞的形成对桩体贯入的影响以及桩体贯入过程中土塞的变化. Lehane 和 Gavin [4] 进行室内模型试验,研究发现土塞高度与桩内径和桩壁厚度的比值密切相关,比值越大的桩生成的土塞高度越大. 近年来,土塞效应逐渐引起国内学者的关注. 谢永健等[5]研究表明贯入深度与桩径之比大于 120 时,土塞高度增长较快. 周健等[6] 通过 PFC 数值模拟软件,研究开口管桩沉桩过程中土塞的形成和桩周土的变形机制. 张忠苗等[7]对不同土层条件下混凝土管桩的土塞效应进行试验研究. 詹永祥等[8]对开口管桩沉桩过程中土塞高度的变化规律进行研究. 曹兆虎等[9]基于透明土技术,进行开口管桩和闭口管桩桩基贯入试验,研究结果表明,闭口管桩挤土效应与应变路径法更为相似,开口管桩由于土塞作用的影响与理论计算结果相差较大. 王家全等[10]进行开口管桩静压沉桩室内模型试验,研究沉桩过程中红黏土地层土塞效应机理和桩体土塞高度变化规律. 杨靖晖[11] 研究不同桩尖对单桩挤土应力、应变的影响. 土塞是开口管桩最主要的特征,明确土塞的形成和荷载传递机理则成为准确预估开口管桩沉桩性状的关键. 桩靴的安装势必改变土塞的形成, 进而改变开口管桩的沉桩特征和承载性能. 现有研究多针对单一桩靴模式,桩靴形状对开口管桩沉桩特征的影响规律仍未被揭示. 基于此,本课题研制双壁开口模型管桩并开展室内大型模型试验,探讨不同桩靴形式下开口管桩沉桩过程的力学机制,为开口管桩施工效应的准确预估提供可靠的理论依据. 1 试验设备与材料选取 1郾 1 大尺度模型试验仪室内模型试验仪由四部分组成:模型箱系统、加载系统、土样制备系统和数据采集系统,如示意图 1 所示. 模型箱内部尺寸为 3000 mm 伊 3000 mm 伊 2000 mm. 加载系统由液压油缸、高压油泵、压力控载箱、可编程逻辑控制器( programmable logic controller, PLC)控制系统组成. 试验采用青岛海砂(干砂),筛分法测定土样的颗粒级配如图 2 所示,土样的其他物理参数指标如表 1 所示. 装砂的总高度为 1800 mm,采用人工装砂,每次装砂 100 mm,分 18 次完成. 砂样的相对密实度为 73% ,处于密实状态. 微型光纤光栅应变传感器全程监测沉桩过程中的桩体应变;YWD鄄鄄100 型位移传感器动态监测桩周地表竖向位移(地表隆起量); MPS 拉线位移传感器实时记录桩体沉降和土塞生成高度;桩顶安装压力盒记录沉桩总阻力. 图 1 大尺度室内模型试验仪 Fig. 1 Large鄄scale laboratory test apparatus 图 2 土样颗粒级配曲线 Fig. 2 Grading curve of sand ·270·

刘俊伟等：开口管桩贯入特性的大尺度模型试验 ·271· 表1砂样物理参数指标 Table 1 Physical indices of testing sand 相对密度，G。最大孔隙比，es 最小孔隙比，ea 平均粒径，do/mm 粒径范围/mm 内摩擦角，p/(°) 2.65 0.52 0.30 0.72 0-15 42.8 1.2双壁模型管桩拉线位移计双壁管桩试验技术是同时捕捉开口管桩内、外侧摩阻力的有效途径.Paik和Lee首先采用双壁摞栓模型管桩进行桩体的载荷试验.此后，国外一些学滑轮滑轮者采用开口双壁管桩对桩体的沉桩性状进行研究4,13-15)，取得了一些成果，但桩靴形式对开口管桩沉桩特性影响的研究未有报道，本文采用双壁管桩对此展开研究. 光纤光栅应研制的双壁管桩总长1065mm,直径140mm,壁 ,变传感器厚13mm.Yegian和Wright6通过有限元分析，Rao 等[通过模型试验研究证明模型箱边界在桩体 6~8倍桩径范围外即可忽略边界效应.基于此，本试验选用的模型箱和模型桩在沉桩过程中可忽略边 81 界效应.内、外管顶部采用螺栓连接，分别在外管外螺栓螺栓部粘贴槽和内管外部安装增敏微型光纤光栅传感重锤单位：mm 器.内、外管结构如图3示意，双壁管桩传感器安装图4传感器安装示意图示意图如图4所示，实物图如图5所示 Fig.4 Sensor installation diagram 桩帽表2试验方案 ·外管 Table 2 Testing program 内管砂样相对试验编号加载方式桩靴类型密实度/% PO-1 开口30°内倾角桩靴 B-B剖面 P0-2 六开口直角桩靴不间断静压贯入 P0-3 开口30°外倾角桩靴 PC 闭口直角桩靴度随沉桩深度的变化曲线.可知，土塞高度随沉桩深度的增加逐渐增加，但土塞生成速率逐渐减小. 桩靴俯视图采用内30°桩靴时土塞生成的速率最大，采用外30° 剪切靴 A-A剖面桩靴时最小，直角桩靴时居中.沉桩714mm结束时图3内、外管结构示意图 P0-1、P0-2、P0-3桩的土塞高度分别为555、535 Fig.3 Inner tube and outer tube structure diagram 和514mm,土塞率(PLR)(土塞高度与沉桩深度之比)分别为0.77、0.75和0.72.图7为FR(土塞高 2试验方案度增量与桩体贯入深度增量的比值)随沉桩深度的变化曲线.可见，随沉桩深度的增加，FR值波动较采用4种不同的桩端（桩靴）形式，共进行4组大，但总体呈现降低的趋势，土塞随沉桩过程趋于试验，具体试验方案如表2所示闭塞. 3试验结果及分析 3.2沉桩阻力沉桩阻力是沉桩过程中各种效应耦合的宏观表 3.1土塞高度的发展规律现.图8为4组试验贯入总阻力随沉桩深度的变化图6为P0-1、P0-2、P0-3试验桩土塞生成高情况.随沉桩深度的增加贯入总阻力基本呈线性增

刘俊伟等: 开口管桩贯入特性的大尺度模型试验表 1 砂样物理参数指标 Table 1 Physical indices of testing sand 相对密度,Gs 最大孔隙比,emax 最小孔隙比,emin 平均粒径,d50 / mm 粒径范围/ mm 内摩擦角,渍/ (毅) 2郾 65 0郾 52 0郾 30 0郾 72 0 ~ 15 42郾 8 1郾 2 双壁模型管桩双壁管桩试验技术是同时捕捉开口管桩内、外侧摩阻力的有效途径. Paik 和 Lee [12]首先采用双壁模型管桩进行桩体的载荷试验. 此后,国外一些学者采用开口双壁管桩对桩体的沉桩性状进行研究[4,13鄄鄄15] ,取得了一些成果,但桩靴形式对开口管桩沉桩特性影响的研究未有报道,本文采用双壁管桩对此展开研究. 研制的双壁管桩总长 1065 mm,直径 140 mm,壁厚 13 mm. Yegian 和 Wright [16]通过有限元分析,Rao 等[17]通过模型试验研究证明模型箱边界在桩体 6 ~ 8 倍桩径范围外即可忽略边界效应. 基于此,本试验选用的模型箱和模型桩在沉桩过程中可忽略边界效应. 内、外管顶部采用螺栓连接,分别在外管外部粘贴槽和内管外部安装增敏微型光纤光栅传感器. 内、外管结构如图 3 示意,双壁管桩传感器安装示意图如图 4 所示,实物图如图 5 所示. 图 3 内、外管结构示意图 Fig. 3 Inner tube and outer tube structure diagram 2 试验方案采用 4 种不同的桩端(桩靴)形式,共进行 4 组试验,具体试验方案如表 2 所示. 3 试验结果及分析 3郾 1 土塞高度的发展规律图 6 为 PO鄄鄄1、PO鄄鄄2、PO鄄鄄3 试验桩土塞生成高图 4 传感器安装示意图 Fig. 4 Sensor installation diagram 表 2 试验方案 Table 2 Testing program 试验编号砂样相对密实度/ % 加载方式桩靴类型 PO鄄鄄1 PO鄄鄄2 PO鄄鄄3 PC 73 不间断静压贯入开口 30毅内倾角桩靴开口直角桩靴开口 30毅外倾角桩靴闭口直角桩靴度随沉桩深度的变化曲线. 可知,土塞高度随沉桩深度的增加逐渐增加,但土塞生成速率逐渐减小. 采用内 30毅桩靴时土塞生成的速率最大,采用外 30毅桩靴时最小,直角桩靴时居中. 沉桩 714 mm 结束时 PO鄄鄄1、PO鄄鄄2、PO鄄鄄 3 桩的土塞高度分别为 555、535 和 514 mm,土塞率(PLR) (土塞高度与沉桩深度之比)分别为 0郾 77、0郾 75 和 0郾 72. 图 7 为 IFR(土塞高度增量与桩体贯入深度增量的比值)随沉桩深度的变化曲线. 可见,随沉桩深度的增加,IFR 值波动较大,但总体呈现降低的趋势,土塞随沉桩过程趋于闭塞. 3郾 2 沉桩阻力沉桩阻力是沉桩过程中各种效应耦合的宏观表现. 图 8 为 4 组试验贯入总阻力随沉桩深度的变化情况. 随沉桩深度的增加贯入总阻力基本呈线性增 ·271·

·274· 工程科学学报，第41卷，第2期 3.3内、外侧摩阻力变化规律越大，这与Iskander]研究结果相似.分析认为，随开口管桩沉桩过程中桩内侧单位摩阻力沿深度着沉桩深度的增加，桩体对桩周土体的挤压作用越分布曲线如图10所示.可知在相同贯入深度下，桩大，桩外壁-桩周土的剪切力越大，桩外侧单位摩阻内侧单位摩阻力沿深度非均匀分布，深度越大桩内力越大.一定沉桩深度下，桩外侧单位摩阻力发生侧单位摩阻力越大.随着沉桩深度的增加，桩内侧明显退化现象.这主要因为当桩端达到某一深度摩阻力逐渐发挥作用.产生这种现象的主要原因时，挤土效应较为明显，桩外侧单位摩阻力达到最大是桩体贯入过程，土塞高度不断增加，土塞被挤密值，随着桩端的贯入土颗粒重新排列，桩侧形成“土压实，土塞对桩体的挤压作用增加，土塞-桩内壁侧拱效应”，挤土效应减弱.闭口管桩产生最大桩外侧单位摩阻力逐渐增加.沉桩深度较大时，随贯入深单位摩阻力为63.65kPa,显著大于开口管桩外侧单度的增加，相同土层桩内侧单位摩阻力出现弱化现位摩阻力. 象.土塞初始形成时对桩体内壁的挤压较大，桩内对比分析图10、图11可知，沉桩伊始，桩内侧侧单位摩阻力达到最大值，随着桩端的继续贯入，土单位摩阻力小于桩外侧单位摩阻力，随着沉桩深度颗粒重新排列，相同深度处的桩内侧单位摩阻力逐的增加，桩内侧单位摩阻力逐渐增加，与桩外侧单位渐减小，由此可得，大直径开口管桩内壁摩阻力同样摩阻力之间的差距逐渐减小，沉桩过程中土塞的承存在“侧阻退化效应”. 载作用逐渐发挥图11为管桩沉桩过程中桩外侧单位摩阻力随 3.4地表竖向位移深度的变化曲线.可知，相同沉桩深度，桩外侧摩阻为动态测量桩周土体变形随桩体贯入深度的变力沿深度非均匀分布，深度越大桩外侧单位摩阻力化，在距桩身0~500mm范围内安装YWD-100型 PO-1柱内侧单位摩阻力kPa PO-2桩内侧单位摩阻力kPa 20 30 40 50 60 70 10 20 30 40 5060 70 (a) (b) 量一贯人I10mm 100 100 一·-贯人200mm ◆-贯人290mm 200 200 一零一贯人380mm 300 300 ◆←-贯人560mm ◆一贯人740mm 400 400 500 鲁一贯入110mm 500 -◆一贯人200mm 600 ▲-贯人290mm 600 -贯入380mm 700 4一贯入560mm 700 ◆一贯人740mm 800 800 PO-3桩内侧单位摩阻力/kPa 10 203040506070 一贯人110mm 100 。-贯人200mm 200 ▲一贯人290mm 零-贯人380mm 300 4一贯人560mm 一贯人740mm 400 500 600F 700 800L 图10桩内侧单位摩阻力沿深度分布曲线.(a)P0-1:(b)P0-2:(c)P0-3 Fig.10 Variation of internal unit friction with depth:(a)PO-1;(b)PO-2;(c)PO-3

工程科学学报,第 41 卷,第 2 期 3郾 3 内、外侧摩阻力变化规律开口管桩沉桩过程中桩内侧单位摩阻力沿深度分布曲线如图 10 所示. 可知在相同贯入深度下,桩内侧单位摩阻力沿深度非均匀分布,深度越大桩内侧单位摩阻力越大. 随着沉桩深度的增加,桩内侧摩阻力逐渐发挥作用. 产生这种现象的主要原因是:桩体贯入过程,土塞高度不断增加,土塞被挤密压实,土塞对桩体的挤压作用增加,土塞鄄鄄桩内壁侧单位摩阻力逐渐增加. 沉桩深度较大时,随贯入深度的增加,相同土层桩内侧单位摩阻力出现弱化现象. 土塞初始形成时对桩体内壁的挤压较大,桩内侧单位摩阻力达到最大值,随着桩端的继续贯入,土颗粒重新排列,相同深度处的桩内侧单位摩阻力逐渐减小,由此可得,大直径开口管桩内壁摩阻力同样存在“侧阻退化效应冶. 图 10 桩内侧单位摩阻力沿深度分布曲线郾 (a) PO鄄鄄1; (b) PO鄄鄄2; (c) PO鄄鄄3 Fig. 10 Variation of internal unit friction with depth: (a) PO鄄鄄1; (b) PO鄄鄄2; (c) PO鄄鄄3 图 11 为管桩沉桩过程中桩外侧单位摩阻力随深度的变化曲线. 可知,相同沉桩深度,桩外侧摩阻力沿深度非均匀分布,深度越大桩外侧单位摩阻力越大,这与 Iskander [18]研究结果相似. 分析认为,随着沉桩深度的增加,桩体对桩周土体的挤压作用越大,桩外壁鄄鄄桩周土的剪切力越大,桩外侧单位摩阻力越大. 一定沉桩深度下,桩外侧单位摩阻力发生明显退化现象. 这主要因为当桩端达到某一深度时,挤土效应较为明显,桩外侧单位摩阻力达到最大值,随着桩端的贯入土颗粒重新排列,桩侧形成“土拱效应冶,挤土效应减弱. 闭口管桩产生最大桩外侧单位摩阻力为 63郾 65 kPa,显著大于开口管桩外侧单位摩阻力. 对比分析图 10、图 11 可知,沉桩伊始,桩内侧单位摩阻力小于桩外侧单位摩阻力,随着沉桩深度的增加,桩内侧单位摩阻力逐渐增加,与桩外侧单位摩阻力之间的差距逐渐减小,沉桩过程中土塞的承载作用逐渐发挥. 3郾 4 地表竖向位移为动态测量桩周土体变形随桩体贯入深度的变化,在距桩身 0 ~ 500 mm 范围内安装 YWD鄄鄄 100 型 ·274·

刘俊伟等：开口管桩贯入特性的大尺度模型试验 ·275· PO-1桩外侧单位摩阻力kPa PO-2桩外侧单位摩阻力kPa 10 20 3040506070 10 203040506070 a 100 100 200 200 300 300 400 400 500 一贯入110mm 500 一一贯人110mm -◆-贯入200mm 。-贯人200mm 600 ▲一贯入290mm 600 ▲-贯人290mm 号-贯入380mm 一贯人380mm 700 ←一贯入560mm 700 ◆一贯入560mm ◆-贯入740mm ◆一贯人740mm 800 800L PO-3桩外侧单位摩阻力kPa PC柱外侧单位摩阻力Pa 0 10 203040506070 10 0 203040506070 (c) d 100 100 200 200 300 300 盛400 400 暴 500 一贯入110mm 500 一贯人110mm 。-贯入200mm ◆-贯人200mm 600 ▲贯入290mm 600 ▲-贯人290mm 一贯入380mm 一贯人380mm 700 4一贯入560mm 700 ←一贯人560mm 一贯入740mm 一贯人740mm 800L 800L 图11桩外侧单位摩阻力沿深度分布曲线.(a)PO-1:(b)PO-2:(c)P0-3:(d)P℃ Fig.11 Variation of external unit friction with depth:(a)PO-1;(b)PO-2:(c)PO-3;(d)PC 普通位移计，沉降标点采用8的带肋钢筋插入砂塞高度最小，桩周地表位移量在开口管桩中最大土60mm做成.图12为桩周地表位移随桩体贯入闭口管桩桩周土地表位移量最大，挤土效应最明显. 深度的变化曲线，由于桩体携带作用，紧邻桩体的土闭口管桩沉桩深度为740mm时，100~500mm范围体随桩体出现一定程度的下沉，测得宽度大约为30 内桩周土地表土体的位移均最大.说明沉桩过程中 mm,与贯入深度为740mm时桩周地表位移曲线延闭口管桩对桩周环境的影响大于开口管桩. 长线结合绘出图中红色虚线地表位移曲线.可见，试验结束时，紧邻桩身的土体有明显的沉陷现沉桩过程中桩周地表竖向位移随径向距离的变化趋象，这源于桩壁所产生的摩擦拖带作用.沉陷的范势大致相同，最大隆起位移在距桩体约30mm处. 围大约为距离桩体3cm范围内，幅度约为10mm,据桩体贯入对桩周地面位移的影响幅度随径向距离的此在图12绘出位移延伸线.同时可见，P0-1、P0- 增加逐渐减小：桩周土表面隆起与沉桩深度密切相 2、P0-3、P℃试验桩周土的影响范围大约为700、关，随着沉桩深度的增加桩周土隆起速率逐渐减小. 710、810和900mm.本试验模型桩桩径为140mm, 表4为沉桩深度为740mm时各组试验桩周土对桩周土的影响范围大约为5~7倍桩径之间，这与地表隆起量.可见开口管桩中，P0-3组外倾角桩靴 Yegian和Wright6研究结论相似. 试验距桩体相同径向位置桩周土竖向位移量最大， 4结语其次为P0-2和P0-1.桩体对桩周土的影响与土塞的生成高度相对应，内30°桩靴时土塞生成高度本文通过对双壁管桩模型试验研究结果进行分最大，桩周土地表位移量最小：外30°桩靴生成的土析，得到沉桩过程中沉桩阻力、桩身轴力、桩内外侧

刘俊伟等: 开口管桩贯入特性的大尺度模型试验图 11 桩外侧单位摩阻力沿深度分布曲线郾 (a) PO鄄鄄1; (b) PO鄄鄄2; (c) PO鄄鄄3; (d) PC Fig. 11 Variation of external unit friction with depth: (a) PO鄄鄄1; (b) PO鄄鄄2; (c) PO鄄鄄3; (d) PC 普通位移计,沉降标点采用准8 的带肋钢筋插入砂土 60 mm 做成. 图 12 为桩周地表位移随桩体贯入深度的变化曲线,由于桩体携带作用,紧邻桩体的土体随桩体出现一定程度的下沉,测得宽度大约为 30 mm,与贯入深度为 740 mm 时桩周地表位移曲线延长线结合绘出图中红色虚线地表位移曲线. 可见, 沉桩过程中桩周地表竖向位移随径向距离的变化趋势大致相同,最大隆起位移在距桩体约 30 mm 处. 桩体贯入对桩周地面位移的影响幅度随径向距离的增加逐渐减小;桩周土表面隆起与沉桩深度密切相关,随着沉桩深度的增加桩周土隆起速率逐渐减小. 表 4 为沉桩深度为 740 mm 时各组试验桩周土地表隆起量. 可见开口管桩中,PO鄄鄄3 组外倾角桩靴试验距桩体相同径向位置桩周土竖向位移量最大, 其次为 PO鄄鄄2 和 PO鄄鄄1. 桩体对桩周土的影响与土塞的生成高度相对应,内 30毅桩靴时土塞生成高度最大,桩周土地表位移量最小;外 30毅桩靴生成的土塞高度最小,桩周地表位移量在开口管桩中最大. 闭口管桩桩周土地表位移量最大,挤土效应最明显. 闭口管桩沉桩深度为 740 mm 时,100 ~ 500 mm 范围内桩周土地表土体的位移均最大. 说明沉桩过程中闭口管桩对桩周环境的影响大于开口管桩. 试验结束时,紧邻桩身的土体有明显的沉陷现象,这源于桩壁所产生的摩擦拖带作用. 沉陷的范围大约为距离桩体 3 cm 范围内,幅度约为 10 mm,据此在图 12 绘出位移延伸线. 同时可见,PO鄄鄄 1、PO鄄鄄 2、PO鄄鄄3、PC 试验桩周土的影响范围大约为 700、 710、810 和 900 mm. 本试验模型桩桩径为 140 mm, 对桩周土的影响范围大约为 5 ~ 7 倍桩径之间,这与 Yegian 和 Wright [16]研究结论相似. 4 结语本文通过对双壁管桩模型试验研究结果进行分析,得到沉桩过程中沉桩阻力、桩身轴力、桩内外侧 ·275·

·276· 工程科学学报.第41卷，第2期 9 9 8 。一贯人10mm 8 ·一贯人10mm ◆一贯人30mm 。一贯入30mm 。-贯人50mm 7h +一贯人50mm ◆一贯人70mm 零一贯人70mm 6 一4一贯人90mm ◆一贯人90mm ◆一贯人110mm ◆一贯人110mm ◆一贯人200mm 5 ◆一贯人200mm ◆-贯入290mm ◆-贯入290mm ·-贯人380mm 。一贯人380mm ★一贯人560mm 34 ★一贯人560mm ◆一贯人740mm -贯人740mm 1 0100200300400500600700800900 0100200300400500600700800900 臣桩体的距离mm 距桩体的距离mm 9 11 。一贯人10mm ◆一贯人30mm 102 。一贯人10mm ◆一贯人30mm 7 。一贯人50mm 9 ▲一贯人50mm 学一贯人70mm 8H ￥一贯人70mm 6 ←一贯人90mm 一←一贯人90mm ◆一贯人110mm 一◆一贯人110mm 一◆一贯人200mm 一◆一贯人200mm 一◆一贯人290mm ◆一贯人290mm 4 ◆一贯人380mm ◆一贯人380mm ★一贯人560mm 4+ R ★一贯人560mm 一贯人740mm ◆一贯人740mm 3 0100200300400500600700800900 01002003004005006007008009001000 距桩体的距离mm 距桩体的距离mm 图12地表隆起量随桩体贯入深度的变化曲线.(a)P0-1:(b)PO-2:(c)P0-3:(d)P℃ Fig.12 Development of surface displacement with penetration:(a)PO-1;(b)PO-2;(c)PO-3;(d)PC 表4沉桩深度为740mm时距桩体不同径向距离桩周地表隆起量 Table 4 Surface rise of piles at different radial distances from pile when the penetration depth of the pile is 740 mm 地表隆起量/mm 试验编号径向距离100mm 径向距离200mm 径向距离300mm 径向距离400mm 径向距离500mm P0-1 5.05 2.79 1.86 1.04 0.63 P0-2 6.43 3.64 2.89 1.52 0.84 P0-3 6.71 3.93 3.11 1.97 1.15 PC 8.60 6.18 3.87 2.45 1.47 单位摩阻力、土塞高度发展规律、桩周地面位移的变阻力占总贯入阻力的比例最高，外30°桩靴桩内侧化规律，结论如下：摩阻力占贯人总阻力的比例最小 (1)管桩沉桩过程中内30°桩靴试验管桩生成 (3)相同贯入深度下，桩内、外侧单位摩阻力沿的土塞高度最大，外30°桩靴生成的土塞高度最小，深度非均匀分布，深度越大单位摩阻力越大：沉桩深桩靴对土塞的生成产生显著的影响.FR值随桩体度较大时，桩内、外侧单位摩阻力存在“侧阻退化” 贯入深度呈现降低趋势，表明沉桩过程中管桩趋于效应.桩靴对桩内、外侧摩阻力产生明显影响，内闭塞 30°桩靴较其他桩靴内侧单位摩阻力较大，外30°桩 (2)管桩的贯入阻力随沉桩深度的增加基本呈靴较其他桩靴外侧摩阻力较大，线性增加，但桩靴形式影响管桩沉桩阻力各部分组 (4)桩体贯入过程中，桩体贯入对桩周地面位成比例.相比其他桩靴情况，内30°桩靴时桩内侧摩移的影响幅度随径向距离的增加逐渐减小：径向位

刘俊伟等：开口管桩贯入特性的大尺度模型试验 ·277· 置相同时，桩周土地表位移随沉桩深度的增加逐渐 (詹永祥，姚海林，董启朋，等.砂土中开口管桩沉桩过程的增加且增加的幅度逐渐降低.桩体对桩周土的影响颗粒流模拟研究.岩土力学，2013,34(1)：283) 与土塞的生成高度相互对应，内30°桩靴桩周土地 [9]Cao Z H,Kong G Q.Liu H L,et al.Model tests on pipe pile penetration by using transparent soils.Chin J Geotech Eng,2014, 表位移量最小：外30°桩靴桩周土地表位移量在开 36(8):1564 口管桩中最大.闭口管桩桩周土地表位移量最大， (曹兆虎，孔纲强，刘汉龙，等.基于透明土的管桩贯入特性挤土效应最明显.管桩对桩周土的影响范围大约为模型试验研究.岩土工程学报，2014.36(8)：1564) 5~7倍桩径. [10]Wang J Q,Peng T,Huang L Y,et al.Model test research on soil plug effect of open-ended pipe pile in red clay ground.Ind Construction,2016,46(12):73 参考文献 (王家全，彭泰，黄柳云，等.红黏土地层开口管桩土塞效应 [1]Kishida H,Isemoto N.Behaviour of sand plugs in open-end steel 模型试验研究.工业建筑，2016,46(12)：73) pipe piles//Proceedings of the 9th International Conference on [11]Yang J H.The Analysis of PHC Piple Pile's Soil Compaction Soil Mechanics and Foundation Engineering.Tokyo,1977:601 Effect Dissertation ]Hefei:Hefei University of Technology, [2]Paikowsky S G,Whitman R V.The effects of plugging on pile 2016 performance and design.Can Geotech J,1990,27(4),429 (杨靖晖.预应力混凝土管桩挤土效应研究[学位论文].合 [3]Brucy F,Meunier J,Nauroy J F.Behavior of pile plug in sandy 肥：合肥工业大学，2016) soils during and after driving /Offshore Technology Conference. [12]Paik K H,Lee S R.Behavior of soil plugs in open-ended model Houston,1991:145 piles driven into sands.Mar Georesour Geotechnol,1993,11 [4]Lehane B M,Gavin K G.Base resistance of jacked pipe piles in (4):353 sand.J Geotech Geoenviron Eng.2001,127(6):473 [13]Iskander MG,Olson R E.An axperimental facility to model the [5]Xie Y J.Wang HZ,Zhu HH.Soil plugging effect of PHC pipe behavior of steel pipe piles in sand[R/OL].Offshore Technology pile during driving into soft clay.Rock Soil Mech,2009,30(6): Research Center (1996-03 [2018-04 ]https://otre.tamu. 1671 edu/research/publications/seafloor-engineering-and-characteriza- (谢永健，王怀忠，朱合华.软黏土中PHC管桩打入过程中土 tion/an-experimental-facility-to-model-the-behavior-of-steel-pipe- 塞效应研究.岩土力学，2009,30(6)：1671) piles-in-sand/ [6]Zhou J,Chen X L,Zhou K M,et al.Model test and numerical [14]Choi Y,O'Neill M W.Soil plugging and relaxation in pipe pile simulation of driving process of open-ended jacked pipe piles. during earthquake motion.J Geotech Geoenriron Eng,1997,123 Chin J Rock Mech Eng,2010,29(Suppl 2):3839 (10):975 (周健，陈小亮，周凯敏，等.静压开口管桩沉桩过程模型试 [15]Gavin K G.Lehane B M.The shaft capacity of pipe piles in 验及数值模拟.岩石力学与工程学报，2010,29（增刊2）： sand.Can Geotech J,2003,40(1):36 3839) [16]Yegian M,Wright S G.Lateral soil resistance displacement rela- [7]Zhang Z M,Liu J W,Yu F,et al.Research on plugging effect of tionships for pile fundation in soft clays//Offshore Technology jacked prestressed conerete pipe pile.Rock Soil Mech,2011,32 Conference.Houston,1973:893 (8):2274 [17]Rao S N,Ramakrishna V G S T,Raju G B.Behavior of pile- (张忠苗，刘俊伟，俞峰，等.静压预应力混凝土管桩土塞效 supported dolphins in marine clay under lateral loading. 应试验研究.岩土力学，2011,32(8)：2274) Geotech Eng,1996,122(8):607 [8]Zhan Y X.Yao H L.Dong Q P,et al.Study of process of open- [18]Iskander M.Beharior of Pipe Piles in Sand:Plugging Pore- ended pipe pile driven into sand soil by particle flow simulation. Water Pressure Generation during Installation and Loading.Ber- Rock Soil Mech,2013,34(1):283 lin:Springer-Verlag Berlin Heidelberg,2011

刘俊伟等: 开口管桩贯入特性的大尺度模型试验置相同时,桩周土地表位移随沉桩深度的增加逐渐增加且增加的幅度逐渐降低. 桩体对桩周土的影响与土塞的生成高度相互对应,内 30毅桩靴桩周土地表位移量最小;外 30毅桩靴桩周土地表位移量在开口管桩中最大. 闭口管桩桩周土地表位移量最大, 挤土效应最明显. 管桩对桩周土的影响范围大约为 5 ~ 7 倍桩径. 参考文献 [1] Kishida H, Isemoto N. Behaviour of sand plugs in open鄄end steel pipe piles / / Proceedings of the 9th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering. Tokyo, 1977: 601 [2] Paikowsky S G, Whitman R V. The effects of plugging on pile performance and design. Can Geotech J, 1990, 27(4), 429 [3] Brucy F, Meunier J, Nauroy J F. Behavior of pile plug in sandy soils during and after driving / / Offshore Technology Conference. Houston, 1991: 145 [4] Lehane B M, Gavin K G. Base resistance of jacked pipe piles in sand. J Geotech Geoenviron Eng, 2001, 127(6): 473 [5] Xie Y J, Wang H Z, Zhu H H. Soil plugging effect of PHC pipe pile during driving into soft clay. Rock Soil Mech, 2009, 30(6): 1671 (谢永健, 王怀忠, 朱合华. 软黏土中 PHC 管桩打入过程中土塞效应研究. 岩土力学, 2009, 30(6): 1671) [6] Zhou J, Chen X L, Zhou K M, et al. Model test and numerical simulation of driving process of open鄄ended jacked pipe piles. Chin J Rock Mech Eng, 2010, 29(Suppl 2): 3839 (周健, 陈小亮, 周凯敏, 等. 静压开口管桩沉桩过程模型试验及数值模拟. 岩石力学与工程学报, 2010, 29 ( 增刊 2 ): 3839) [7] Zhang Z M, Liu J W, Yu F, et al. Research on plugging effect of jacked prestressed concrete pipe pile. Rock Soil Mech, 2011, 32 (8): 2274 (张忠苗, 刘俊伟, 俞峰, 等. 静压预应力混凝土管桩土塞效应试验研究. 岩土力学, 2011, 32(8): 2274) [8] Zhan Y X, Yao H L, Dong Q P, et al. Study of process of open鄄 ended pipe pile driven into sand soil by particle flow simulation. Rock Soil Mech, 2013, 34(1): 283 (詹永祥, 姚海林, 董启朋, 等. 砂土中开口管桩沉桩过程的颗粒流模拟研究. 岩土力学, 2013, 34(1): 283) [9] Cao Z H, Kong G Q, Liu H L, et al. Model tests on pipe pile penetration by using transparent soils. Chin J Geotech Eng, 2014, 36(8): 1564 (曹兆虎, 孔纲强, 刘汉龙, 等. 基于透明土的管桩贯入特性模型试验研究. 岩土工程学报, 2014, 36(8): 1564) [10] Wang J Q, Peng T, Huang L Y, et al. Model test research on soil plug effect of open鄄ended pipe pile in red clay ground. Ind Construction, 2016, 46(12): 73 (王家全, 彭泰, 黄柳云, 等. 红黏土地层开口管桩土塞效应模型试验研究. 工业建筑, 2016, 46(12): 73) [11] Yang J H. The Analysis of PHC Piple Pile蒺s Soil Compaction Effect [ Dissertation]. Hefei: Hefei University of Technology, 2016 (杨靖晖. 预应力混凝土管桩挤土效应研究[学位论文]. 合肥: 合肥工业大学, 2016) [12] Paik K H, Lee S R. Behavior of soil plugs in open鄄ended model piles driven into sands. Mar Georesour Geotechnol, 1993, 11 (4): 353 [13] Iskander M G, Olson R E. An axperimental facility to model the behavior of steel pipe piles in sand[R/ OL]. Offshore Technology Research Center ( 1996鄄03 ) [ 2018鄄04 ]. https: / / otrc. tamu. edu / research / publications/ seafloor鄄engineering鄄and鄄characteriza鄄 tion / an鄄experimental鄄facility鄄to鄄model鄄the鄄behavior鄄of鄄steel鄄pipe鄄 piles鄄in鄄sand / [14] Choi Y, O蒺Neill M W. Soil plugging and relaxation in pipe pile during earthquake motion. J Geotech Geoenviron Eng, 1997, 123 (10): 975 [15] Gavin K G, Lehane B M. The shaft capacity of pipe piles in sand. Can Geotech J, 2003, 40(1): 36 [16] Yegian M, Wright S G. Lateral soil resistance displacement rela鄄 tionships for pile fundation in soft clays / / Offshore Technology Conference. Houston, 1973: 893 [17] Rao S N, Ramakrishna V G S T, Raju G B. Behavior of pile鄄 supported dolphins in marine clay under lateral loading. J Geotech Eng, 1996, 122(8): 607 [18] Iskander M. Behavior of Pipe Piles in Sand: Plugging & Pore鄄 Water Pressure Generation during Installation and Loading. Ber鄄 lin: Springer鄄Verlag Berlin Heidelberg, 2011 ·277·