上海勘测设计研究院有限公司 上海市 200434
摘要：PHC 管桩作为一种具有经济效益好、施工工期短、施工质量可靠、环境污染小等特点的桩，在工民建桩基工程中得到了广泛的应用。本文通过三轴试验研究了合肥地区广泛分布的老黏土中管桩桩尖土体破坏机理，分析了土体的剪切效应对单桩承载力的影响。
关键词：混凝土管桩；破坏机理；三轴试验；单桩承载力
1、引言
随着管桩制备工艺和沉桩技术的发展，在工业与民用建筑中使用愈发广泛。相对于沿海软粘土地区，合肥的老黏土具有超固结、膨胀性等力学特点，使用规范计算的单桩承载力常与实际平板载荷试验结果有所出入。为了更好地研究管桩在老黏土中的沉桩机理，进一步提高单桩承载力计算精度，需通过试验方法研究桩尖土破坏机理。
土作为多孔多相介质具有剪胀、剪缩、硬化、软化等不同后破坏行为变形性质。所谓剪胀即为剪切作用过程中土的体积发生膨胀或缩小的现象，通常体积膨胀称为剪胀，而体积缩小称为负剪胀（剪缩）[1][2]。自从18 世纪Reynolds 指出土具有剪胀性[3]以及1962 年Rowe 提出应力–剪胀理论以来，国内外众多的专家学者对土的后破坏行为进行了研究，也取得了较多科研成果。本文通过三轴不固结不排水试验研究了桩尖土破坏机理，近一步揭示了桩尖土的承载特性。
2、试验概况
试验选取了合肥某工程3个钻孔的土样，编号38#-1、38#-2、38#-3、38#-4、55#-1、55#-2、55#-3、55#-4、60#-1、60#-2、60#-3、60#-5，土样深度按照编号从小到大分别为3m、8m、13m、18m；除去55#-4之外，土质均为老黏土，含水率在20%左右，密度1.9~2.0g/cm3，均为饱和土；试验静止侧压力系数K取1。
试验切取原状样共9个，38#-3由于长度不足8cm未能制作成标准三轴试样，60#-3由于内含多处直径5~10mm的铁锰结核而不能制标准三轴试样，38#-4中含有结构面，制样失败。未能成功制样的土体通过测量其含水率和密度，最终制作了重塑样进行试验。
2、试验原理与步骤
本试验通过应变控制式三轴试验仪进行不固结不排水（UU）试验模拟预应力混凝土管桩贯入饱和老黏土时桩尖及桩侧对土体的作用。同时试验中，打开体变阀，读取轴向变形和体积变化，通过分析轴向应变和压缩过程中的体积应变来判断剪胀效应的正负性和明显程度。
试验步骤和一般三轴不固结不排水试验步骤相似，按照《SL237-1999土工试验规程》[4]进行。具体如下：
（1）制样。按照规程中将通过分样器、切土盘等将原状土样削至高度为80mm，直径39.1mm的圆柱体。未能直接制样的土体经过烘干、碾碎、掺水、击实制作重塑土样。
（2）抽气饱和。将土样装入饱和器内，放入无水抽气缸内，进行抽气。当真空度接近1个大气压后保持2h注入清水。待到水完全淹没饱和器后停止抽气，静置10h。
（3）安装试样。安装试样，向压力室注水，调整手轮和量力环，使得接触良好。
（4）施加围压。按照计算好的围压大小，打开围压阀，调整围压手轮施加围压。
（5）开动电机，合上离合器，进行剪切。按照规程选取应变速率，开动电机，打开体变阀，读取体变管读书和量力环百分表读数。
3、试验结果分析
3.1破坏形式
试验土样总计12个，如图1和图2，试验中呈现出剪切破坏和鼓状破坏两种破坏模式。
图1、剪切破坏 图2、鼓状破坏
其中，38#-1、55#-1、60#-1、55#-2、60#-2五个试样发生剪切破坏，产生明显的1~2个破坏面，38#-2、38#-3、55#-3、60#-3、38#-4、55#-4、60#-4七个试样发生鼓状破坏，产生如图2所示的中间部分向外鼓起。由上统计不难发现，在土样埋藏深度较小，即围压较小，应力较小时，容易发生剪切破坏；而土样深度较大，围压较大时，常发生鼓状破坏。相应的在老黏土地区沉桩中，深度较浅的土体容易发生剪切破坏，沉桩相对容易，随着深度的增大，土体不易发生剪切破坏，需要更大的压桩力。
3.2剪胀分析
为了研究相同地点不同深度的老黏土的剪胀性，将试验结果处理为以轴向应变值作为横轴，体积应变值作为纵轴的图线。下图3、图4、图5分别对应钻孔38#、55#、60#三处3m、8m、13m、18m深度土样的剪胀情况。
图3、38#处土样体应变——轴应变曲线
由图3可以看出38#钻孔处原状的老黏土普遍发生剪胀现象，剪胀的最终稳定体应变值在0.5%~3%的范围内；重塑的老黏土（38#-3）先发生剪缩再转为剪胀，发生最大剪缩时体应变为-0.273%。研究剪胀曲线的形状和趋势，可以发现剪胀效应主要发生在开始产生轴向应变的阶段，当轴向应变超过5%之后，体积趋于稳定，不再发生剪胀或者剪缩；对比不同深度的剪胀曲线，可以看出随着埋藏深度的增大，剪胀效果越明显，具体表现为最终的体变值随着深度的增大而增大，剪胀率（）随着深度的增大而增大。
论文作者:杨靖晖
论文发表刊物:《防护工程》2018年第17期
论文发表时间:2018/10/22
标签：黏土论文; 应变论文; 深度论文; 试样论文; 发生论文; 体积论文; 承载力论文; 《防护工程》2018年第17期论文;