基本信息
- 项目名称：
- 层状地基中静压单桩挤土水平位移的试验观测
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 通过在层状地基土中静力压入单桩的模型试验，研究沉桩挤土效应，总结了沉桩过程中土体在水平位移的变化规律。结果发现沉桩过程中软硬土层交界处土体水平位移变化剧烈，呈波浪形分布，距桩越近水平位移变化越大，较硬土层对上部软土有约束作用而对下部软土有挤压拖带作用。
- 详细介绍：
- 1 前言 静压桩无振动、无噪音、无污染等优点及大吨位静压桩机的出现[1]，势必使静压桩在有硬土层存在的地基中得到更加广泛的使用。而当有硬壳层或夹硬层存在时，静压桩易在土层交界处开裂、弯折[2]。因此针对以上问题，研究其作用机理，深化对静压桩挤土效应的认识，有着重要的理论和工程意义。 徐建平等[3]通过在软粘土中静力压入单桩和双桩的模型试验，获得了沉桩过程中土体位移随水平和深度方向变化的规律。张建新等[4]利用模型槽进行了均质粘土中的静压桩试验，取得了压桩产生土体位移的一些成果。何杰等[5]利用在粘土中静力压入楔形桩的室内模型试验获得了沉桩过程中地表隆起随沉桩深度变化的规律及最大隆起的位置和大小。但上述研究都是针对均质软土。张述涛等[6]采用数码相机拍摄均质和双层地基中连续贯入模型桩的图片，对土体的变形规律进行分析。该试验分别以橡胶粉和粉砂模拟软硬土，未加入水，因此难以较真实地模拟实际土层情况。 2 试验准备 2.1 模型试验箱 模型试验在尺寸为1 m (长)×1 m (高) ×0.8 m (宽)的铁箱内进行，铁箱由厚3 mm的钢板焊接而成。为模拟土体固结条件，在箱体两侧各开设四个排水孔。为了量测土体由沉桩产生的位移，箱体正面钢板用厚度为20 mm的有机玻璃板代替，如图1所示。 2.2 模型桩 根据模型槽的尺寸及相关的相似理论，本文选用的模型桩几何比例n=20，选取长为500 mm、直径为30 mm的小木棒来模拟实际工程中10 m桩长、0.6 m桩径的平底桩，桩距设为4d (d为桩径)，由于对称性，做成半桩。沉桩前将木棒表面打磨粗糙，增加桩与土之间的摩擦，来模拟混凝土表面与土体间的实际接触。 图1 模型箱示意图 2.3 土样制备 试验土样取自天津滨海新区某工地，其重度γ = 17.5 kN/m3，含水量ω = 42.5 %。以细砂做夹硬层，其含水量ω = 46.33 %，密度ρ= 2.08 g/cm3，孔隙比e= 0.88。 先将取回的土体捏成小块进行大面积的平铺晾晒，然后将晒后的土块敲碎、研磨成粒径<2 mm的土粉。在模型箱底铺设厚约60 mm的细砂做隔层，然后在细砂层上和排水孔处铺设好透水土工织布。将土粉加水搅拌倒入模型箱中，捣实均匀，不让土中留有明显的空洞。土体加到距箱底650 mm时在土体上覆盖厚度为100 mm的细砂，在细砂上均匀的洒适量的水使砂子达到饱和状态。将砂子轻轻捣实整平，在上面继续加搅拌好的土体，直至加满箱体，再铺设一层土工织布，并在织布上放一薄板，在板上施加额定荷载。让土体在双面排水路径大约120 kPa压力下进行固结，直至土面平整，孔隙水压力保持稳定，60天后认为土体固结良好。试验固结完成时土体会有一定的压缩量，这时可适当再续加一些土体，以保证土体加满模型箱。透过玻璃看不见界面处有明显孔洞，表明固结效果较为理想。 土体固结结束后，堵住所有排水孔，在模型箱中倒入一定量的水，使土体达到饱和，并静置15天，使已被压缩为超固结状态的土体回到一种稳定状态，此后即可进行压桩试验。 2.4 位移量测标记的设定 在玻璃板不同高度处打六排小孔，以量测不同深度处土体水平位移。孔径：距桩较近处为10 mm，稍远处为8 mm，较远处为5 mm。其布置方式为离开桩体两侧20 mm处开始，左右各按间距为20 mm布置，距桩较远处间隔放大到30 mm。小孔内插入大头针，为观测方便大头针头部涂为鲜绿色，以大头针头部移动为准，具体见图2。 试验由于观测点较多，为增加读数的精确性，采用经纬仪进行观测，水平位移误差小于0.02 mm。 3 试验结果和分析 模型箱土深1000 mm，桩入土深度为500 mm，贯入速度为2.5 mm/s，模拟工程中0.5 m/s的实际贯入速度。 桩分三次压入，用经纬仪测读沉桩前后位移标志点的偏移量，将两次读数相减，得到每个位移标志点的侧向位移。 3.1 水平位移分析 图3为分三阶段压入桩后，部分孔列土体沿深度的水平位移图（向右为正，下同）。 第一次贯入： 图3（a）为桩贯入到上部粘土与砂土交接处时的水平位移变化曲线，可以看到：（1）土体水平位移在上部粘土与砂土交界处（土体深度位于300 mm）、砂土与下部粘土交界处（土体深度位于400 mm）水平位移显著增大，最大位移量为3.2 mm，大致呈波浪形发展，这与文献[7]现场观测结果一致。（2）距桩较近处土体水平位移变化较大，随着离桩距离越远位移逐渐减小。（3）桩轴线两侧大致相等距离的两列位置上的土体，其水平位移曲线也大致以桩轴线为对称轴对称，这说明观测结果是合理的。为显示清楚，图3（b）和（c）仅画出桩轴线右侧的3列土体位移曲线。（4）个别曲线点在距桩较远处的位移反而增加，分析认为模型箱内壁均粘有土工织布，可能是由于土工织布受到一定的挤压作用而变形压缩，致使所得到的土体水平位移变大。 第二次贯入： （1）当桩贯入砂土层时，土体水平位移较第一次压桩总体有所减小，最大位移不到3 mm。这是因为砂土层被穿透后，其约束作用明显减弱，土体向下运动分量增加，因此水平位移变小。（2）曲线较桩近处位移变化较大，由近及远逐渐减弱。 第三次贯入： （1）桩完全贯入土体时，土体水平位移较第二次压桩显著增大。（2）由于砂土层的约束作用，上部土体位移变化不明显。（3）土体水平位移在软硬土层交界处时变化剧烈，最大位移值达到3.8mm。（4）桩端位移变化较大，这是由于要产生相同的水平变形，需在较硬土体上作用更大的力，这种更大的力在交界面附近将使较软土体产生更大的变形，而且硬土层向下的挤进作用也加大了土体的位移。值得注意的是此时距桩端100 mm处的土体位移变化也较明显，可见随着桩贯入深度的增加，由此产生的挤土效应影响会逐渐向下传递。 4 结论 （1）在沉桩过程中，软硬土层交接处土体水平位移变化剧烈。 （2）离桩边较近处水平位移变化较大，随着离桩距离的增大位移逐渐减小。 （3）较硬土层对上部土体的约束作用使上部土体水平位移变化减小，而对下部土体有整体拖带作用，这种作用会加剧下部土体的挤土效应，致使下部土体水平位移增大。 参 考 文 献 [1] 黄雄辉, 蔡长庚. 某库房静压桩基的设计与施工[J]. 工程设计与研究,2004,4:53-55. [2] 宋小军, 姚慧敏. 天津地区淤泥类土对桩基质量的影响规律及防治方法[J]. 探矿工程, 2004, (12): 1-4. [3] 徐建平, 周健, 许朝阳, 等. 沉桩挤土效应的模型试验研究[J]. 岩土力学, 2000, 21(3): 235-238. [4] 张建新, 鹿群, 吴东云, 等. 基于模型试验的静压群桩引起的土体变形分析[J]. 岩土力学, 2010, 31(4): 1243-1246. [5] 何杰, 刘杰, 陈科良, 等. 静压楔形桩挤土效应的室内模型试验[J]. 工业建筑, 2008, 38(1): 74-109. [6] 张述涛, 李镜培, 李雨浓. 成层地基中静压桩挤土效应模型试验研究[J]. 地下空间与工程学报, 2009, 12（增刊2）: 1557-1561. [7] 鹿群, 龚晓南, 马明, 等. 一例静压桩挤土效应的观测和分析[J]. 科技通报, 2007, 23(2): 232-242.
作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 以模型槽试验观测成层地基中静压单桩的挤土水平位移，分析观测数据，研究土体位移的变化规律，从而为进一步研究成层地基中静压群桩挤土机理奠定基础。
科学性、先进性及独特之处
- 目前对成层地基中静压桩挤土效应的作用机理尚不是很清楚， 针对这一科学问题开展模型试验研究很少见，因此本课题具有较强的科学性、先进性和独到之处。
应用价值和现实意义
- 有硬壳层或夹硬层存在时，静压桩易在土层交界处开裂、弯折，研究其作用机理，有利于解决这一严重影响工程质量的问题，因此本课题有较大的工程意义。
学术论文摘要
- 通过在层状地基土中静力压入单桩的模型试验，研究沉桩挤土效应，总结了沉桩过程中土体在水平位移的变化规律。结果发现沉桩过程中软硬土层交界处土体水平位移变化剧烈，呈波浪形分布，距桩越近水平位移变化越大，较硬土层对上部软土有约束作用而对下部软土有挤压拖带作用。
获奖情况
- 尚未发表，但准备投稿
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 黄雄辉, 蔡长庚. 某库房静压桩基的设计与施工[J]. 工程设计与研究,2004,4:53-55. [2] 宋小军, 姚慧敏. 天津地区淤泥类土对桩基质量的影响规律及防治方法[J]. 探矿工程, 2004, (12): 1-4. [3] 徐建平, 周健, 许朝阳, 等. 沉桩挤土效应的模型试验研究[J]. 岩土力学, 2000, 21(3): 235-238. [4] 张建新, 鹿群, 吴东云, 等. 基于模型试验的静压群桩引起的土体变形分析[J]. 岩土力学, 2010, 31(4): 1243-1246. [5] 何杰, 刘杰, 陈科良, 等. 静压楔形桩挤土效应的室内模型试验[J]. 工业建筑, 2008, 38(1): 74-109. [6] 张述涛, 李镜培, 李雨浓. 成层地基中静压桩挤土效应模型试验研究[J]. 地下空间与工程学报, 2009, 12（增刊2）: 1557-1561. [7] 鹿群, 龚晓南, 马明, 等. 一例静压桩挤土效应的观测和 分析[J]. 科技通报, 2007, 23(2): 232-242.
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