围绕钢管桩挤土效应与贯入速率的砂土界面剪切退化机理

钢管桩广泛用于海洋结构物与超高层建筑物基础工程中，它与砂土的界面剪切疲劳退化问题近年来深受关注。由于对疲劳退化的本质机理及影响因素的研究还不够充分，现存设计方法在考虑疲劳退化效应时只能采用以深度与桩径为指标的纯经验拟合，合理性有待增强。本课题以开口钢管桩与砂土间的界面剪切特性为研究对象，以物理模型试验和径向恒刚度剪切盒试验为研究手段，来揭示疲劳退化的机理与主要影响因素。研究内容包括：因桩端开口引起的土塞涌入及挤土量减少，而形成的桩壁内、外界面剪切退化的特征；以桩顶贯入速率为统一指标，来描述界面剪切强度在沉桩与工后加载全过程的变化规律；以及荷载循环次数、桩径、砂土刚度等参数对剪切退化率的影响。相比既有研究，本课题的创新点在于：从钢管桩的实际应用形式和沉桩历史出发，围绕桩的施工效应来研究界面剪切退化行为。预期研究成果将更为贴近钢管桩的实际应用，以期在承载力评价中纳入沉桩施工引起的个体差异。

实施的主要工作包括：.(1) 利用改装完成的大型剪切盒，进行了桩-土界面的恒刚度剪切试验。通过一组弹簧施加法向力，来模拟桩周土对桩身的法向约束。弹簧刚度依据现场实际桩-土约束条件设置，位移模式为往复双程剪切循环。.(2) 试制和购置了模型桩及相应试验槽装置及量测单元。进行了模型桩在贯入和载荷试验过程中的管壁和土塞侧阻力的测试，观测了在持荷法静载荷试验过程中的土塞率指标及管壁内外的荷载传递性状。.(3) 在现场进行了管桩的原位压入试验，观测压入过程中土塞的聚集情况和管壁侧阻力变化情况。还原位观测了复压循环荷载对桩侧摩阻力的影响。.(4) 通过理论建模和数值模拟，考察了桩基浅部土体卸荷过程中桩-土相对位移的反转，分析了桩-土界面剪切强度的退化及桩身总侧阻力的损失。.(5) 建立了砂土中钢管桩径向有效应力与沉桩施工历史的相关关系，分析了钢管桩沉桩时的土塞形成及与此相关的挤土效应，提出了以土塞率为基本指标的挤土效应评价和径向有效应力修正计算方法。.取得成果主要包括：.(1) 以荷载循环次数为变量，界面正应力和剪应力的退化规律可以用幂函数型回归曲线表征，其退化率与横向刚度密切相关。该退化规律与原位管桩试验时的剪切带观测和侧阻力测定结果一致。灌注桩原位试验还显示，复压后桩端土刚度对桩侧摩阻力的增强效应并未体现，它与侧阻退化效应相互抵消。.(2) 浅部土体卸荷条件下的桩侧摩阻力退化问题可以基于Mindlin解和Plaxis软件作分析和模拟，且两者结果较吻合。土体卸荷引起的侧摩阻力折减，机理上源自桩-土界面的剪切刚度降低，开挖面宽度越大，侧阻折减也越大。卸荷引起剪切位移反转，再次加载后的承载刚度曲线和初始曲线不重合，反映为再加载过程的侧阻退化。对于群桩基础的所有基桩，中心桩位置的回弹量最大，残余桩-土相对位移最小，导致再加载过程中的桩-土界面剪切力最大。.(3) 近海钢管桩经历的沉桩荷载循环次数很多，侧阻疲劳退化效应得以充分发挥。围绕钢管桩在砂土中贯入和竖向承载时的侧阻退化现象，发展了HKU桩承载力设计理论。通过和另两种已有设计方法的比较计算，用静力触探阻力指标估算砂土中钢管桩承载力是简便可行的，且HKU方法的预测效果最好。其优点在于：将管壁和土塞端阻分开评价；引入桩长径比参数，兼顾了端阻的尺寸效应和应力相关性；以土塞率为基本指标，将土塞效应和挤土效应统一纳入到侧摩阻力评价中。