桩基模型试验研究现状_曾友金

第24卷增刊 岩 土 力 学 Vol.24 Supp.

2003年10月

Rock and Soil Mechanics Oct. 2003

收稿日期：2003-05-24

作者简介：曾友金，男，1976年生，硕士，主要从事土工数值分析及离心模型试验研究。

文章编号：1000－7598－(2003)增2―0674―08

桩基模型试验研究现状

曾友金 ，章为民，王年香，郑澄锋

(南京水利科学研究院 土工研究所， 江苏 南京 210024)

摘 要： 简要地介绍了桩基现场模型试验、桩基渗水力模型试验、桩基室内普通模型试验的研究成果及其模拟桩基特性的局限性，并着重分析了桩基离心模型试验的研究成果及其模拟桩基特性时的优点和局限性。 关 键 词： 模型试验； 桩基； 研究进展； 离心模型； 群桩 中图分类号： TU 473 文献标识码： A

Reviews of state-of-art of modeling simulation on pile foundations

ZENG You-jin ， ZHANG Wei-min ， WANG Nian-xiang ， ZHENG Cheng-feng

(Nanjing Hydraulic Research Institute, Nanjing 210024, China)

Abstract: The fruits of the field model test, hydraulic g radient similarity model test, conventional lab model test, and centrifugal model test of pile foundations are briefly reviewed. Both advantage and disadvantage of model tests for simulation of pile foundation characters are analyzed.

Key words: model test; pile foundation; the state-of-the-art; centrifuge model; group piles

1 前 言

桩的理论研究与工程应用历史较长，但影响桩基受力变形特性的成桩工艺、土体等因素，非常复杂。因此，对单桩和群桩受力变形特性，认识还不充分，其设计往往依赖于工程类比和工程经验。目前，桩基研究的手段主要有原型观测、静载试验、模型试验、数值分析。原型观测和静载试验是设计和确定桩基承载力、研究桩基承载变形特性的最直接、最可靠的方法，并且，是验证模型试验和数值分析合理性的手段，但由于试验周期长、耗资巨大，因此，仅应用于较少的重要工程中。弹性理论法、荷载传递法、剪切位移法、有限单元法、边界单元法、混合法等桩基数值分析方法，是研究分析桩基特性的一种便利而花费较少的方法，但其精度主要依赖于模拟桩-土相互作用、成桩工艺、土体特性等因素对桩基承载变形特性影响的准确性和合理性。模型试验可以根据需要较精确的设定和控制边界条

件、桩土材料特性，在研究桩-土相互作用时具有较强的针对性和目的性，获得的信息远比原型观测和静载试验多，还可用来验证数值模拟分析，但模型不能完全表征原型的一切特征。由于桩土特性本身及其影响因素的复杂性，需将不同的研究手段有机结合起来，才可能真正揭示桩-土相互作用的机理，准确定量分析桩基的应力与应变及对其变形全过程的模拟。

迄今为止，桩基的理论研究与应用，内容极为广泛，有关桩基的综述较多[1] 。本文简要介绍桩基现场模型试验、桩基渗水力模型试验、桩基室内普通模型试验的研究成果及其模拟桩基特性的局限性，并着重分析桩基离心模型试验的研究成果及其模拟桩基特性的优点和局限性。

2 桩基现场模型试验

群桩基础承载和沉降特性，涉及到众多的因素，包括群桩几何参数(如桩间距、桩长、桩数、桩基础

增刊曾友金等：桩基模型试验研究现状675

宽度与桩长的比值等)、成桩工艺、桩基施工与流程、土层的分布、类别与性质、荷载的大小、荷载的持续时间以及承台设置方式(高、低承台)等。而目前的有限元等理论分析方法还很难较好模拟分析群桩承载沉降特性。因此，国内外不少学者进行了现场群桩模型试验。

Голубков等[2]系统地进行了21组低承台群桩试验，并与单桩试验作比较。试验结果表明，单桩与群桩的作用性状是有差别的，影响其承载力与沉降的主要因素不相同，单桩的沉降主要受桩侧摩阻力影响，而群桩的沉降在很大程度上与桩端以下土层的压缩性有关。

Koizumi等[2]在深厚软粘土中进行了一组桩距为3d(d为桩径)和桩数n=3×3的打入钢管桩低承台试验。研究表明，在竖向荷载作用下，纯摩擦群桩的桩间土和桩端以下土都会产生侧向位移，且土的侧向位移随桩间土和桩端以下土的竖向压缩变形的增加而增大；在工作荷载作用下，纯摩擦群桩的土侧向位移主要在桩端以下土层和桩身下部土层中发生，随着荷载水平的增大，土侧向位移逐渐从以桩端以下土的侧向位移为主转变为以桩间土的侧向位移为主，并且荷载愈大，桩上部桩间土的侧向位移也愈大。

在超固结硬粘土中，Nell等[3]进行了一组桩距为3d，桩数n=3×3的打入钢管桩高承台群桩试验。试验分析表明，单桩的最大桩侧摩阻力在较小的桩-土相对位移时，就充分发挥，而群桩需要较大的桩-土相对位移，且两者的最大桩侧摩阻力值差别不大；高承台群桩的位移比(群桩竖直平面内同一标高的桩间土位移与桩位移之比)在不同荷载水平下，沿深度都趋于增大，即其桩侧摩阻力从桩顶开始逐步向下发挥，与单桩相似；随着荷载水平增大，群桩沉降由地基整体压缩变形为主，逐渐向桩间土压缩变形为主转变；在工作荷载作用下，群桩沉降仍以地基整体压缩变形为主(约占80 %)。

在国内，群桩现场模型试验研究比较系统。刘金砺等[2, 4]在粉土地基中进行了桩径分别为0.125 m，0.17 m，0.25 m，0.33 m；桩数分别为2×2，2×4，3×3，3×4，4×4；桩距分别为2d，3d，4d，6d；桩长分别为8d，13d，18d，23d的高、低承台的钻孔灌注群桩，以及不同桩径、不同桩长的单桩和双桩的现场模型试验，并且于1989年在软土地基中进行了桩材为钢管、桩径为φ100 mm×4 mm、桩长为4.5 m、桩数分别为3×3，4×4；桩距分别为3d，4d，6d的高、低承台的部分挤土群桩的现场模型试验，研究群桩的几何参数、承台设置方式、荷载水平、土性、时间等因素对桩间土压缩变形和地基整体压缩变形的影响、桩沉降的相互影响、桩群外侧土的变形范围、压缩层深度，单、双、群桩沉降的相互关系等。

通过现场模型试验，研究了桩距、承台、桩长径比、成桩工艺及土的特性等因素，对群桩的侧阻力、群桩端阻力、承台土反力、桩顶荷载分布、群桩沉降及其随荷载的变化等影响；桩端下土层沿深度压缩分布、群桩周围土层变形分布、群桩桩端下土层影响深度、群桩周围土体变形影响水平范围；群桩破坏模式和破坏机理、群桩承载变形特性等方面，都获得了显著成果，为各种相关规范的制定提供了科学依据。但由于这些群桩试验所用的桩桩径较小、桩长大多数较短且桩长径比主要在18～30范围(个别达到50)，且土质相对较为均匀的土层剖面，因而，其实测资料及其分析只能在一定程度上反映短小群桩承载变形特性。而进行大桩径、桩长较长的大比例模型群桩现场试验，因受试验设备、经费等众多因素很难实施。同时，桩基的边界条件、土层的力学特性等因素，不易控制。

3 桩基渗水力模型试验

渗水力土工模型试验是一种能模拟ng重力场的试验手段，是通过水在土体中的渗流力来提供体积力，使土体自重应力增加而反映现场应力水平。此种另辟蹊径的构思，早在60年代初即由法国A. Zelikson等人提出，并进行了早期探索性试验，以后，Y.Tcheng等人也相继利用渗水力模型试验方法，进行饱和土地基上浅基础及桩基础的初步试验，并发表了他们的试验成果。在黄文熙教授建议下，丁金栗等[5]开始探索渗水力土工模型试验方法的科学性。文献[6]利用渗水力土工模型试验，对垂直受载桩在桩顶受压(即普通受压桩情况)、桩顶受拔(即普通负侧阻情况)及桩底托桩(即模拟Osterberg试验情况)的受载方式和不同模型比尺下，桩侧摩阻力随位移的发展规律以及沿桩身的分布规律等进行了研究。有些研究者用此模型试验研究不同长细比下单桩荷载传递规律[7]和垂直受荷桩工作机制[8]。文献[9]研究了打桩工艺成桩后的桩身残余应力分布，并在此基础上研究桩长径比、砂土相对密度及桩周表面的粗糙度对压桩和拔桩的桩侧摩阻力的影响。试验结果表明，桩周表面粗糙度不同，其桩身残余应力