砂层中静压预制沉桩模型试验

贺 慧

1 概述

静压预制桩是依靠机械设备对预制混凝土桩施加的垂直压力,把桩身压入地基土中形成复合地基,达到提高地基整体承载力的目的。与打入桩相比较,静压桩具有节省材料、无振动、低噪声等优点,所以静压施工法得到较快发展。同时静压桩没有人工挖孔桩的施工抽水引起的危害和钻孔桩施工泥浆满地的烦恼,很适合城市地区使用。所以一些发展前沿城市的工业与民用建筑的基础工程中,静压桩在三大桩基(钻孔灌注桩、人工挖孔桩和预制桩)中已经占到65%。

2 静压桩的成桩机理

事实上,静压桩的施工终压力与极限承载力是两个不同概念,不仅性质不同,而且数值大小也会不同。静压桩在静压力的作用下沉入地基土中时,桩侧表面与桩周土体摩擦力是滑动摩擦力,这种滑动摩擦力特别小,而且在同一土层中基本保持不变,不随桩身入土深度的增大而累计增大,这从压桩贯入阻力曲线即可看出,压桩阻力是随桩端处土体的软硬程度即桩端处土体的抗冲剪阻力的大小而波动,静压桩沉桩穿越土层一般是软弱松散的,含水量较高,孔隙比较大,当静压桩垂直受力下沉时,桩尖直接使土体产生冲剪破坏,同时桩周土体也产生剪切挤压破坏,孔隙水受冲剪挤压作用形成不均匀水头,产生了超孔隙水压力。这样扰动了土体结构,使桩周的一倍桩径范围内的土体抗剪强度降低,黏性土发生稠化,粉土、砂土发生软化。压桩一旦终止,随着时间的推移,超孔隙水压力会慢慢消散,桩周土体固结,土的抗剪强度逐渐恢复,甚至超过原始强度。土体基本恢复后,原来施工下沉时桩侧的滑动摩擦力变成承载时的静摩擦力,静压桩才获得工程上所需要的所谓特征承载力。根据统计数据分析,静压桩的极限承载力中,不管桩尖持力层是黏性土层、粉土层、砂土层还是风化岩层,桩端所能提供的端承力约为终压力的45%～55%,其余部分要靠桩周土体抗剪强度的恢复来补充,根据许多静压桩的试验资料分析,静压桩属于端承摩擦桩或摩擦端承桩时,当长细比大概为50时,桩极限承载力约等于桩的终压力值;长细比大于60时,桩的极限承载力一般大于终压力值;长细比小于40时,极限承载力就会小于终压力值。

3 试验

3.1 模型试验介绍

3.1.1 总体装置

本模型试验总体装置主要由加压装置、反力装置、模型箱及测读系统组成。加压装置由千斤顶、量力环和压力表组成;测读系统主要由应变测量仪、各种型号的土压力盒、沉降标等组成。

1)加载机采用的是瑞士生产的Amsler脉冲试验机(见图1),主要用来对结构构件进行波动应力疲劳试验或静载荷试验,静载荷试验时可多点同步加载,同时还具有荷载保持功能。

主要技术指标如下:a.脉冲量:400 cm3/次;b.频率:200次/min～800次/min,无级调速;c.脉冲千斤顶:50 kN/100 kN,100 kN/200 kN,250 kN/500 kN,500 kN/1 000 kN四种(见图2)。摆式测力计量程有1/10,1/4,1/2,1四种。所加荷载通过脉冲试验机的表盘就可以直接读出,每级荷载加载精度可以满足试验的要求。

2)百分表与数据采集仪。百分表:量程为5 cm,最小分辨率均为0.01 mm(如图3所示)。

数据采集仪:该应变采集仪的通道多达100个,能够满足试验测点的数量要求,并实现了与电脑的连接,试验中可对应变值进行实时观测,同时还具有数据的自动采集和自动分析功能,为试验提供了极大的方便(如图4所示)。

3.1.2 模型箱

试验所用模型箱是一个长80 cm,宽80 cm,高120 cm由钢板和有机玻璃连接而成的方箱,模型箱内填的砂为天然砂。

3.1.3 模型桩

每根模型桩沿长度方向每隔10 cm对称粘贴应变片,见图5。

3.2 试验过程

我们将沉降点布置在地面处,每组荷载加载后10 min读百分表和数据采集仪,读数开始后15 min加第二级荷载(即每级荷载间隔时间为15 min,读数为5 min),卸载完后10 min时读卸载读数。

3.3 试验结果

试验结果见表1,表2。

表1 单桩竖向荷载作用下沉降和轴力的关系(一)

表2 单桩竖向荷载作用下沉降和轴力的关系(二)

4 结语

1)由模型单桩垂直荷载试验数据的拟合分析,所得各级荷载作用下竖向土阻力f1沿深度z的变化符合函数方程:

2)由本次砂箱中模型静压预制成桩垂直荷载试验,所取得的桩、土荷载的资料来看,试验所得数据基本合乎规律,试验比较正确。

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