砂土中静压桩承载性能的全过程宏细观研究

静压桩在贯入过程中排挤桩周土体以及其后的时间效应，改变了桩周边土体的原始状态，这必然对桩的最终承载性能产生影响，因此静压桩承载机理的研究是一个非常复杂的研究课题。本课题将细观和宏观手段有机的结合，开展静压桩承载机理的研究，首先提出一种能够有效精确的量测桩土界面处的剪应力和径向压力的测试方法，以此为基础，结合细观图像分析的模型试验及采用离散元的数值模拟方法，从模型试验和细观数值模拟相结合的角度对砂土中静压桩承载性能的全过程进行机理分析，深入了解桩周土体及桩土界面处应力状态，构建能够反映砂土剪胀特性的本构关系和摩擦单元，建立能够分析桩土相互作用的有限元模型，分析各种因素对静压桩受荷机理和承载力的影响，建立反映全过程的传递函数，采用荷载传递法分析静压桩的承载性能。本课题的研究将有助于提高对于静压桩承载特性机理的认识和理解。

随着对环境问题的日益关注及压桩机具能力的提升，静压桩以其对桩身无冲击力，桩顶不易损坏，不易偏位，克服了打桩噪声、振动、油烟污染，而得到广泛应用。本项目主要通过模型试验和数值分析的方法对砂土地基中静压桩在压桩全过程中的承载特性进行了研究，主要研究工作包括以下几方面：. 1. 提出基于材料力学的样条函数插值法和基于板壳理论的半解析半数值分析法，两种分析桩侧摩阻力的新方法。分别通过三次样条插值法，基于结构力学的力法和插值函数，通过试验分析测得应变，进而反算桩周应力。通过有限元数值方法对提出的两种桩体应力分析新方法进行了验证。. 2. 根据模型试验的要求，设计制作了静压桩模型试验系统。静力压桩仪由控制部分、机械部分和数据接受处理部分组成。通过PLC编程控制的伺服电机控制，利用静动态应变仪进行数据采集。试验系统能方便的移动加载位置，有可靠的垂直导向装置，可实现力和位移的精确控制。. 3. 通过室内模型试验，研究了砂土地基中桩压入全过程的承载特性。试验测得的围压偏大于经验值，贯入中同一深度处围压增大，且增大趋势随贯入深度的增加而减弱。随贯入深度的增加，摩阻力与围压之比近似为砂土内摩擦角的正切值。沉桩阻力主要由桩端提供，摩阻力随贯入深度的增加而减小。. 4. 进行了基于ABAQUS的本构模型开发。分析了静压桩分析中的大变形理论、Drucker-Prager模型和状态相关剪胀模型。通过二次开发，将状态相关剪胀模型嵌入ABAQUS有限元软件中，通过三轴试验结果验证了有限元模型的有效性。. 5. 通过有限元法对压桩全过程中静压桩承载特性进行了研究。桩侧土压力处于静止与被动土压力之间。压入过程中桩靴附近Mises应力出现集中，集中区距桩底深度和水平宽度与桩径分别成线性和幂函数增大关系。随着桩径的增大，水平土层压缩范围增大，水平塑性区范围随着桩径增大呈线性增大，而塑性区域最大深度影响范围随着桩径增大呈指数增长。通过模型试验和数值计算结果均表明砂土地基静压桩承载性能主要表现为端承桩，静压桩单桩承载力随桩径的增大而增大，桩侧土压力随着膨胀角的增大而显著增大。压入初始阶段，桩侧土体压密、地表下陷，随着压入深度的增加，桩侧土体隆起，桩周土体最终隆起范围在3.1R- 3.5R之间。压入后桩体上部为负摩阻力、下部为正摩阻力，卸载和再加载过程中侧摩阻力方向分别发生两次改变。