CN115481478A - 一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，包括确定模型实验相关关系及方案、建立模型桩、制备模型桩周土材料、制备模型箱、实验设备安装及加载、模型实验结果分析和结果对比分析。本发明的有益效果是：通过对桩身沉降，承载力和压缩量三个方面进行描述，并以数值模拟实验的结果规律做参考指导，多角度论证，综合考量，最终判定环型桩、承载性能和力学性能均可以达到与传统实心桩的相同的程度，并应用在实际工程中，为验证环型桩的力学性能随厚径比K的变化，在本次课题设定的厚径比范围中，混凝土的节省量范围为0％～68％，充分证明环型桩能够在保证承载力满足要的情况下，做到节省大量建筑材料，降低施工成本的要求。

Description

一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法

技术领域

本发明涉及一种基桩力学性能模拟方法，具体为一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，属于建筑施工技术领域。

背景技术

桩基础作为一种非常古老的建筑基础形式，人们对桩基础的应用距今至少已有上万年，对应材料的发展，桩基础施工技术同样也收到巨大的影响。

目前，根据施工方式的不同主要分为机械施工桩和人工挖孔桩。其中，人工挖孔桩主要是通过借鉴古代掘井技术发展而来，可实现大桩径、施工速度快、方便快捷，且不需要大型施工机械，具有较强的抗震性能，并且造价低，节约成本。大直径人工挖孔实心桩即在大直径实心桩施工的基础上，通过设置模具，在桩身内部形成中空部分，与实心桩相比，环型基桩理论上具有多种优势：1)人工挖孔桩在设计时，根据规范规定，一般是要保留一定的安全储备，即桩身承载力特征值与桩身承载力极限值有很大差距，这也就使桩身强度存在相当富裕的强度，因而材料不能做到物尽其用，尤其是靠近桩身中心部分的混凝土，这一部分的混凝土不与土层接触，仅起到力的传递的作用，如果在桩身混凝土强度允许的情况下，将这一部分的混凝土去除，那么同样尺寸的桩身直径，环型桩可以在满足承载力要求的基础上，节省巨大的混凝土用量，节省工程经费；2)桩基础虽然作为上部建筑的支撑部件，但随着上部荷载的加大，自然导致下部桩基需要对应增加长度和直径来满足要求，这就使得桩基的自重会随之增加，加重地基承载力的负担，尤其是在软弱土层的地区。而环型桩正好能够解决此问题，既节省材料使用，又能降低结构自重。

一般而言，环型桩的成桩工序是先开挖桩孔并施做护壁，然后在桩孔内支模，最后浇筑混凝土。在成桩过程中，中空部分需要下入工人，通过观察内壁，可以更加直观准确的把握成桩质量，对提高工程整体的安全性有很大的提高。此外，如有需要，环型桩还可以作为蓄水井使用。

目前，国内外针对大直径环型桩和传统大直径实心桩的研究中，还存在一些问题，具体如下：

(1)桩基础作为一种使用非常广泛的基础类型，真正应用在城市内高层建筑的案例还较少，主要是因为对环型桩的整体认识还有所欠缺。就目前的情况而言，研究的关注点更多的停留在传统实心桩上，针对传统实心桩的各方面研究如沉降量算法，变形规律，承载力预测等已有大量的研究，而以环型桩作为对象的研究少之又少，现有研究中多数为以某一实际工程为依托，验证环型桩的承载是否能够达到要求或是对更加新型的变截面环型桩的承载力做研究；

(2)环型桩作为一种特殊的桩型，其特点就是中部空心，仅依靠桩身环型侧壁来承担上部荷载。环型桩在实际工作中，桩身各个部位的受力情况，应变大小或是桩身荷载传递规律仍是未知数，现有文献也鲜有完整资料证实；

(3)虽然现在已经有成功使用环型桩作为建筑基础的工程实例，但是环型桩的实际设计仍没有可参考的标准，环型桩中部空心范围大小与哪些因素有关。

此外，环型桩的修建也是需要着重注意的问题，现阶段主要采用一次的薄钢板模板体系，工时长，成本高。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决问题而提供一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，

所述大直径环型基桩包括：

桩体，其由混凝土浇筑而成，并呈圆柱状，所述桩体中心处为中空的桩芯；

预埋钢筋笼，其埋设在所述桩体的混凝土中。

其力学性能模拟方法包括：

步骤一、确定模型实验相关关系及方案。

确定模型的相似系数，使实验模型尺寸的大小根据相似系数对工程原型结构进行等比例缩小，根据实验原型和相似系数，模型实验以厚径比作为第一标准，混凝土节省量作为第二标准，模型桩外径作为固定量，通过改变环型桩的空心内径进行模拟实验；

步骤二、建立模型桩，根据所确定的相似系数以及实验方案，用C30混凝土和钢筋笼浇筑相应尺寸的模型桩；

步骤三、制备模型桩周土材料，根据原型工程的场地地勘报告，制备与原型工程场地相似的模型桩周土材料；

步骤四、制备模型箱，制备的模型箱采用筒壁受力均匀，不易发生变形的圆柱体形状，并添加防止应力松弛的加劲肋；

步骤五、实验设备安装及加载，将用于进行实验的设备以及进行检测的装置安装在所制备的模拟桩上，施加始终维持在相应的大小荷载，完成全部的模型桩静载实验，并收集检测数据；

步骤六、模型实验结果分析，根据所获得的模型实验数据，对模型桩分别进行模型桩沉降规律分析、模型桩桩身压缩规律分析、模型桩桩身应变规律分析、模型桩桩身轴应力规律分析；

步骤七、结果对比分析，将模型实验中模型桩的受力数据按照相似系数进行扩大，即可得到还原后的实际工程的相关数据，进而进行桩身沉降及承载力对比分析以及桩身压缩性对比分析。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤二中，建立模型桩的钢筋笼部分按照《JGJ94-2008建筑桩基技术规范》中的规定，以HPB300作为配筋，配筋率为0.65％，单根模型桩的钢筋配筋截面积为1276mm²，据此选用直径为8mm的带肋圆形钢筋作为钢筋笼的纵筋，箍筋部分选用5mm的带肋圆形钢筋，采用螺旋式捆绑，每圈箍筋的间距为150mm。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤三中，模型桩周土材料的土层从上到下分为七种不同粒径的碎石土层，且选用粗砂+小碎石混合的土模拟碎石层，并添加少量的水，使其轻微潮湿，有助于在夯实过程中增加土的密实度。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤四中，模型箱包括箱体和基准梁两部分，其中：

箱体的筒身由5mm厚的钢板卷焊而成，圆筒直径1000mm，高2000mm，筒底是一块直径990mm厚20mm的钢板，与筒身焊接，将筒底封死；

基准梁由厚度为2mm的方形钢管弯折焊接而成，圆环周围焊接有四个连杆通过螺栓固定在筒身，保证基准梁固定不动。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤五中，实验设备包括由反力架和油压千斤顶组成的加载装置以及由激光式位移计和拉线式位移计组成的测量传感器；测量数据的采集通过北京工业大学自行研制开发的“岩土工程结构测位远程实时监测系统”及配套采集箱进行两种位移计和土压力计的数据采集；DH3816N静态应变测试采集系统进行应变片和顶部压力传感器的数据采集；

所述加载包括：

①将模型箱放置在反力架正下方，先倒入50cm高的土，这一部分土作为桩端的承压土，需要混入较多的小石块和少量的水，并用木槌夯实，提高固结程度。在土层的表面正中间水平摆放好4个土压力计；

②吊入第一根实心模型桩，均匀的压在土压力计上，填入桩周土至距离桩顶230mm的位置，并夯实；

③安装基准梁，连接钢丝和拉线式位移传感器，并用磁力支座固定，保证钢丝的可移动部分与桩身平行；

④放置橡胶垫，承压板，传力柱和油压千斤顶。在承压板上放置4片硬铁片，并伸长至激光式位移传感器的正上方；

⑤导线连接采集仪，平衡传感器；

⑥按照荷载施加表施加荷载，保证荷载始终维持在相应的大小，按照上述流程完成全部的模型桩静载实验。

作为本发明再进一步的方案：所述步骤六中，具体包括：

模型桩沉降规律分析，将每级加载的一小时内的全部变化数据记录下来，平均每级荷载持续一小时，每分钟记录一次，最后将荷载变化前5分钟内的数据作为实验结果提取出来，并将其沉降量与荷载一一对应起来，即可得到相应的Q-s(荷载-沉降)曲线，根据单桩极限承载力的判定方法和模型实验的沉降曲线图，出现明显陡降段的起始点视为桩身的极限承载力；

模型桩桩身压缩规律分析，将荷载变化前30分钟内的数据去除奇点并取平均数，即可得到桩身压缩-荷载曲线，将得到的桩身压缩量对应当时阶段处于的荷载绘制表格，并根据压缩量的大小排序，壁厚越薄，压缩量越大；

模型桩桩身应变规律分析，根据测得的混凝土应变通过转换关系，将应变转换成应力，若低于混凝土自身材料的强度，即可判定该情况下，桩身强度满足，不会破坏。

模型桩桩身轴应力规律分析，根据均匀布置在桩底正中心的4个土压力计测量上部传来的压力，用来判断环型桩与实心桩轴向对于上部荷载的传递情况。

本发明的有益效果是：

1)通过对桩身沉降、承载力和压缩量三个方面进行描述，并以数值模拟实验的结果规律做参考指导，比照模型实验的实际测量结果，多角度论证和综合考量，最终判定环型桩作为一种特殊的桩型，其承载性能和力学性能均可以达到与传统实心桩的相同的程度，并应用在实际工程中；

2)为验证环型桩的力学性能随厚径比K的变化，在本技术方案中设定的厚径比范围中，混凝土的节省量范围为0％～68％，充分证明环型桩能够在保证承载力满足要的情况下，做到节省大量建筑材料，降低施工成本的要求；

3)与此同时，由于环型桩的桩体特殊性，其成桩过程需要施做模版，形成中部空心的部分，然后浇筑混凝土，待凝固以后保留或拆除模版。在此施工步骤中，工程人员可以下入桩孔内部，在支模和浇筑过程中，随时关注桩体结构，这可以很好的保证工程质量，避免出现废桩和残次桩等特殊情况。

附图说明

图1为本发明环型基桩结构示意图；

图2为本发明系统流程示意图；

图3为本发明实施例二桩顶荷载-沉降曲线示意图；

图4为本发明实施例二桩底荷载-沉降曲线示意图；

图5为本发明实施例二桩身压缩曲线示意图；

图6为本发明实施例二1号实心桩桩身应变示意图；

图7为本发明实施例二2号环型桩桩身应变示意图；

图8为本发明实施例二3号环型桩桩身应变示意图；

图9为本发明实施例二4号环型桩桩身应变示意图；

图10为本发明实施例二5号环型桩桩身应变示意图；

图11为本发明实施例二桩底压力曲线示意图；

图12为本发明实施例二数值模拟结果与模型实验结果的桩顶沉降对比图；

图13为本发明实施例二桩数值模拟结果与模型实验结果的桩身压缩量对比图；

图中：1、桩体，2、桩芯，3、预埋钢筋笼。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

如图1至图2所示：一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，其中，所述大直径环型基桩包括：

桩体1，其由混凝土浇筑而成，并呈圆柱状，所述桩体1中心处置为中空的桩芯2；

预埋钢筋笼3，其埋设在所述桩体1的混凝土中。

其力学性能模拟方法包括：

步骤一、确定模型实验相关关系及方案。

确定模型实验的相似系数，使实验模型尺寸的大小根据相似系数对工程原型结构进行等比例缩小。基于实验原型(工程原型结构)和相似系数，模型实验以厚径比作为第一标准，混凝土节省量作为第二标准，模型桩外径作为固定量，通过改变环型桩的空心内径进行模拟实验。

步骤二、建立模型桩，根据所确定的相似系数以及实验方案，用C30混凝土和钢筋笼浇筑相应尺寸的模型桩。

所建立模型桩的钢筋笼部分按照《JGJ94-2008建筑桩基技术规范》中的规定，以HPB300作为配筋，配筋率为0.65％，单根模型桩的钢筋配筋截面积为1276mm²，据此选用直径为8mm的带肋圆形钢筋作为钢筋笼的纵筋，箍筋部分选用5mm的带肋圆形钢筋，采用螺旋式捆绑，每圈箍筋的间距为150mm。

步骤三、制备模型桩周土材料，根据原型工程的场地地勘报告，制备与原型工程场地相似的周土材料。

所制备的模型桩周土材料土层从上到下分为七种不同粒径的碎石土层，且选用粗砂+小碎石混合的土模拟碎石层，并添加少量的水，使其轻微潮湿，有助于在夯实过程中增加土的密实度。

步骤四、制备模型箱，所制备的模型箱采用筒壁受力均匀，不易发生变形的圆柱体形状，并添加防止应力松弛的加劲肋。

模型箱主要包括箱体和基准梁两部分，其中：

箱体筒身由5mm厚的钢板卷焊而成，圆筒直径1000mm，高2000mm，筒底是一块直径990mm厚20mm的钢板，与筒身焊接，将筒底封死；

基准梁由厚度为2mm的方形钢管弯折焊接而成，圆环周围焊接有四个连杆通过螺栓固定在筒身，保证基准梁固定不动。

步骤五、实验设备安装及加载，将用于进行实验的设备以及进行检测的装置安装在所制备的模拟桩上，施加始终维持在相应的大小荷载，完成全部的模型桩静载实验，并收集检测数据；

实验设备包括由反力架和油压千斤顶组成的加载装置以及由激光式位移计和拉线式位移计组成的测量传感器；测量数据的采集通过北京工业大学自行研制开发的“岩土工程结构测位远程实时监测系统”及配套采集箱进行两种位移计和土压力计的数据采集；DH3816N静态应变测试采集系统进行应变片和顶部压力传感器的数据采集。

所述加载包括：

①将模型箱放置在反力架正下方，先倒入50cm高的土，这一部分土作为桩端的承压土，需要混入较多的小石块和少量的水，并用木槌夯实，提高固结程度。在土层的表面正中间水平摆放好4个土压力计；

②吊入第一根实心模型桩，均匀的压在土压力计上，填入桩周土至距离桩顶230mm的位置，并夯实；

③安装基准梁，连接钢丝和拉线式位移传感器，并用磁力支座固定，保证钢丝的可移动部分与桩身平行；

④放置橡胶垫，承压板，传力柱和油压千斤顶。在承压板上放置4片硬铁片，并伸长至激光式位移传感器的正上方；

⑤导线连接采集仪，平衡传感器；

⑥按照荷载施加表施加荷载，保证荷载始终维持在相应的大小，按照上述流程完成全部的模型桩静载实验。

步骤六、模型实验结果分析，根据所获得的模型实验数据，对模型桩分别进行模型桩沉降规律分析、模型桩桩身压缩规律分析、模型桩桩身应变规律分析、模型桩桩身轴应力规律分析。

在本发明实施例中，所述步骤六中，具体包括：

模型桩沉降规律分析，将每级加载的一小时内的全部变化数据记录下来，平均每级荷载持续一小时，每分钟记录一次，最后将荷载变化前5分钟内的数据作为实验结果提取出来，并将其沉降量与荷载一一对应起来，即可得到相应的Q-s(荷载-沉降)曲线，根据单桩极限承载力的判定方法和模型实验的沉降曲线图，出现明显陡降段的起始点视为桩身的极限承载力；

模型桩桩身压缩规律分析，将荷载变化前30分钟内的数据去除奇点并取平均数，即可得到桩身压缩-荷载曲线，将得到的桩身压缩量对应当时阶段处于的荷载绘制表格，并根据压缩量的大小排序，壁厚越薄，压缩量越大；

模型桩桩身应变规律分析，根据测得的混凝土应变通过转换关系，将应变转换成应力，若低于混凝土自身材料的强度，即可判定该情况下，桩身强度满足，不会破坏。

模型桩桩身轴应力规律分析，根据均匀布置在桩底正中心的4个土压力计测量上部传来的压力，用来判断环型桩与实心桩轴向对于上部荷载的传递情况。

步骤七、结果对比分析，将模型实验中模型桩的受力数据按照相似系数进行扩大，即可得到还原后的实际工程的相关数据，进而进行桩身沉降及承载力对比分析以及桩身压缩性对比分析。

实施例二

如图3至图13所示：一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，具体包括如下步骤：

A)模型实验的相似系数

模型实验中的实验模型尺寸的大小需要根据相似系数对工程原型结构进行等比例缩小，相似系数可以用来表示相关关系，即实验原型(p)与模型(m)之间相同物理量之间的比值，用字母C表示。相似系数的确定需要综合考量多方面因素，如：实验场地的限制，实验仪器的精度，实验的可行性以及尺寸效应等。

而本次实验的依托工程为直径10m，长度33m的大直径桩，属于一般工程上使用频率比较低的特殊桩型，存在大直径产生的尺寸效应，如果模型尺寸设计的比较小，可能会增加尺寸效应的影响。越接近原型的尺寸，越能还原模型的实际力学规律，且在现有研究中，也少有出现大尺寸的关于环型桩的室内模型实验。

因此，为尽量还原实际工程的工作情况，本次模型实验的尺寸相似系数定为20：1，重度相似系数定为1：1。根据平衡方程，几何方程和物理方程可推导出其他相似指标之间的关系，具体如表一所示。

表一：模型各物理量之间的相似系数

B)实验方案

根据实验原型和相似系数，本次模型实验以厚径比作为第一标准，混凝土节省量作为第二标准，模型桩外径作为固定量，通过改变环型桩的空心内径，按照20：1的尺寸相似系数，设计如表所示的5组实验。其中1号实心桩实验组为对照组，如表二所示。

表二：模型实验方案

按照相似系数可得出原型桩对应的模型桩桩长为1670mm，为方便加载装置以及测量仪器的防止，特在桩的上部加长230mm。模型桩总长为1900mm，其中实际埋入土中，参与静载实验的部分为1670mm。

C)模型桩设计

根据上述相似系数，同时为得到准确的实验结果，并在实验结束后能够符合实际的还原到现实工程中，桩身材料选择与现存各大工程普遍使用的相同材料，即C30混凝土和HPB300钢筋编制而成的钢筋笼。

根据前述实验方案，用C30混凝土和钢筋笼浇筑相应尺寸的模型桩。其中钢筋笼的部分按照《JGJ94-2008建筑桩基技术规范》中的规定，以HPB300作为配筋，配筋率为0.65％，单根模型桩的钢筋配筋截面积为1276mm²，据此选用直径为8mm的带肋圆形钢筋作为钢筋笼的纵筋，单个钢筋笼长度1900mm，使用钢筋26根。箍筋部分选用5mm的带肋圆形钢筋，采用螺旋式捆绑，每圈箍筋的间距为150mm，共计13圈。

5种不同型号的模型桩均配置相同的钢筋笼，保证控制变量，排除可能影响实验结果的其他因素。

D)模型桩周土材料

根据原型工程的场地地勘报告，土层从上到下可以分为七种不同粒径的碎石土层，考虑到大直径环型桩与土层接触面之间存在着尺寸效应，同时模型实验在模拟土层时，无法完全达到原样土的固结程度。

本此实验的桩周土选用粗砂+小碎石混合的土，模拟碎石层。并添加少量的水，使其轻微潮湿，有助于在夯实过程中增加土的密实度。

E)模型箱设计

模型箱的设计是本实施例的另一重要环节，模型箱设计是否合理将会影响实验结果的准确与否，因此需要特别注重。

首先是模型想的形状，根据现有研究成果显示，多数关于桩基静载模型实验的模型箱均设计成较大长方体，实验模型桩的相似系数较大，模型实物比较小，上部施加的荷载较小，模型桩在实验过程中的挤土现象可忽略，

为了减小尺寸效应的影响，模型桩的尺寸较大，在实验过程中桩身对土的挤压可能会造成长方体的模型箱挤压变形，产生应力松懈，并且本次实验要进行多组实验进行对比，所以模模型箱将采用圆柱体形状，并添加加劲肋。实验时，圆形的筒壁受力均匀，不易发生变形，且在加劲肋的保护下，可以保证应力不会轻易松弛，影响实验结果。

综合考虑实验的各影响因素，模型箱整体采用圆柱形钢筒，模拟传统原位静载实验的真实状况。模型箱包括两部分：箱体和基准梁。

箱体部分的筒身由5mm厚的钢板卷焊而成，圆筒直径1000mm，高2000mm。筒底是一块直径990mm厚20mm的钢板，与筒身焊接，将筒底封死。

在实验过程中，需要将桩周土夯实且模型桩的沉降也会对桩周土产生挤压，为防止箱体变形，破坏应力场。

基准梁是模型是整个模型箱最重要的部分，实验过程中的全部测量仪器需要通过基准梁来固定，其次还能够定位模型桩的放入位置，保证桩身处在箱体内正中间。基准梁主要由厚度为2m的方形钢管弯折焊接而成，圆环周围的四个“爪子”可以通过螺栓固定在筒身，保证基准梁固定不动。

F)加载装置

加载装置由反力架和油压千斤顶组成，最大行程为100mm，千斤顶能提供的最大压力为100吨(1000kN)，适用于此次实验。

G)测量传感器

使用激光式位移计和拉线式位移计，分别测量模型桩的桩顶沉降和桩底沉降，激光式位移计的精度为0.1mm，拉线式位移计的精度为0.01mm。

压力传感器使用的是顶部压力传感器和底部土压力计，分别用来测量顶部荷载的施加情况和底部压力的传导。顶部压力传感器为半导体压电阻型，通过改变内部半导体压片的电阻改变通过的电信号，实现数据的输出，最大量程为100吨(1000kN)精度为0.1kN。底部土压力传感器为振弦式传感器，通过改变振弦频率改变电信号，实现数据输出。

桩身应变使用混凝土应变片测量，应变片长度80mm，宽3mm，电阻119.9±0.1Ω，灵敏度系数2.08±1％。采用1/4桥的接线方式。

H)数据采集系统

本次实验需要用到的数采系统共有两套

(1)北京工业大学自行研制开发的“岩土工程结构测位远程实时监测系统”及配套采集箱。该套系统主要负责两种位移计和土压力计的数据采集。

采集箱装有蓄电池，信号天线和移动电话卡，可连接网络。通过在电脑端登录相应网址，对采集箱远程下达命令，实现传感器数据的采集。每个采集箱共设有8个通道接口，可同时连接8个传感共同工作。

数据采集频率为最低为1Hz，采集的实验数据激动保存在云端服务器，可根据时间、数据点、传感器进行分类保存及提取。

(2)DH3816N静态应变测试采集系统。该套采集系统主要负责应变片和顶部压力传感器的采集。共设有60个通道，采集频率可至1Hz。

I)荷载预估

在前述数值模拟实验部分，已经计算出原型直径10m的大直径实心桩的单桩极限承载力为389169kN。按照相似系数做比例缩小，可以得出模型桩的预估极限荷载为48kN。

原型桩在计算承载力时，各个系数的取值是偏保守的，并且仅通过相似系数并不能完全准确的将现实情况考虑周全，因此本次模型实验的荷载施加过程将施加最大至100kN的垂直轴向荷载在模型桩的顶部，如表三所示。

表三：荷载施加情况

准备工作

(1)按照规范流程在桩身贴上应变片，方向与桩身平行，在桩身的东南西北四个方向各选一条路线，从上到下每条路线贴7个，单个桩共贴28片。

(2)为保证数据的准确性，桩顶桩底的位移和桩底土压力的测量均布置4个相应的传感器，并固定在基准梁和桩底，最后将测得的数据取平均值。在桩身底部固定4个突出的螺栓，系上细钢丝绳并引长到桩顶。

J)实验设备安装及加载

将模型箱放置在反力架正下方，先倒入50cm高的土，这一部分土作为桩端的承压土，需要混入较多的小石块和少量的水，并用木槌夯实，提高固结程度。在土层的表面正中间水平摆放好4个土压力计，且避免土压力计下部存在小石快，否则可能会发生应力集中现象，影响实验结果。

吊入第一根实心模型桩，均匀的压在土压力计上。填入桩周土至距离桩顶230mm的位置，并夯实。

安装基准梁，连接钢丝和拉线式位移传感器，并用磁力支座固定，保证钢丝的可移动部分与桩身平行。

放置橡胶垫，承压板，传力柱和油压千斤顶。在承压板上放置4片硬铁片，并伸长至激光式位移传感器的正上方。

导线连接采集仪，平衡传感器。

按照荷载施加表施加荷载，保证荷载始终维持在相应的大小。

按照上述流程完成全部的模型桩静载实验。

模型实验桩顶、桩底沉降规律分析

实验数据的记录过程是将每级加载的一小时内的全部变化记录下来，平均每级荷载持续一小时，每分钟记录一次，最后将荷载变化前5分钟内的数据作为实验结果提取出来，并将其沉降量与荷载一一对应起来，即可得到相应的Q-s(荷载-沉降)曲线。

室内模型实验中的土的固结程度会直接影响到实验结果的准确定，在本次实验中，尽量使每一组实验方案的土达到相同的固结程度。

根据前述单桩极限承载力的判定方法和模型实验的沉降曲线图，出现了明显的陡降段，因此将曲线陡降阶段的起始点视为桩身的极限承载力。

本次实验中，5根模型桩的桩顶Q-s曲线均出现了较明显的拐点，拐点发生的位置基本上集中在40kN～55kN的荷载区间内，在此范围内，桩身沉降量由拐点之前的平缓增加，突然变成拐点之后的陡坡型增加。可以判断该拐点即为模型桩的极限承载力。

通过与模型桩底部连接的拉线式位移传感器可以得到模型桩桩底的荷载沉降曲线(Q_底-s曲线)，与Q_顶-s曲线对应，曲线的拐点也集中在40kN～55kN的荷载区间内，拐点前后桩身沉降趋势变化明显。可以判定拐点处为桩身的极限承载力，如表四所示。

表四：5种桩型沉降量对比

数据显示，从加载开始到20kN时，桩身沉降量很小，无明显变化，5种桩型的沉降量均在0.5mm左右，荷载从20kN加载到40kN时，沉降量开始逐步增加，在40kN到55kN出现拐点，认为判定此时桩基的正常工作状态已经破坏。继续增加上部荷载施施加量，拐点之后的沉降量开始大幅增加，当达到最大加载量100kN时，桩身沉降量最大可达10mm。

无论是桩顶还是桩底，测得的Q-s曲线，拐点均出现在同一区间，即40kN～55kN范围内，综合考虑到在实验过程中非可控的非人为因素，可以判定，在底部封死，桩身直径相同，不超过桩身材料自身强度的情况下，且仅从极限承载力的角度评判，改变桩身的壁厚(改变中部空心的大小)，对其无明显影响，即厚径比K的变化，对桩身极限承载力的无明显的影响。

对应极限承载力下的桩顶桩底沉降，排除实心桩桩顶沉降作为奇点的影响，模型桩的沉降均在1mm±0.2mm的范围内。对比5中桩型在拐点处的荷载沉降量，3号和5号的综合表现较好相较于其他桩型沉降量要少0.1mm。

按照相似模型实验的相似原理，根据尺寸相似比C_L＝20。将实验结果返还到原型工程桩上，工程原型的桩身极限承载力大约在320000kN～440000kN的范围区间，沉降量在20mm±2mm的范围区间内，将表现最优良的3号和5号桩的对比优势同样返还到原型桩上，差距将在2mm左右。即存在8％的误差，相较于实际建筑工程，可以忽略。

通过模型实验和对沉降和分析，不同类型的环型桩和实心桩，在桩身沉降的角度，实心桩与不同厚径比(不同壁厚)的桩，并无很大差异，由模型桩返回到原型桩上时，其产生的差异可以忽略，即认为环型桩与实心桩在合理情况范围内，正常工作时的沉降量是相同的。

K)模型实验桩身压缩量规律分析

一般情况下，单桩的总沉降量由桩底土的压缩量和桩身压缩量共同组成，传统实心桩因为自身构造和材料的强度，一般很难发生大的桩身自压缩，但是环型桩内壁处于临空面，若应用到实际工程中，桩身外侧还要收到来自桩周土的侧向挤压，因此在评价环型桩力学性能时，桩身的压缩量也是需要考虑的因素之一。

将荷载变化前30分钟内的数据去除奇点并取平均数，即可得到桩身压缩-荷载曲线，从图中可以明显的看出，桩身壁厚对桩身压缩量的影响是较明显的，总体上壁厚越薄，压缩量越大。

在刚开始加载达到10kN时，只有4号环型桩的压缩量稍偏大，另外4种桩的压缩量均较小，仅在0.1mm的范围内，随着额荷载的增加到30kN，不同桩型的压缩量均有小幅变化，但2号桩的变化明显，达到0.4mm。

当荷载增加到40kN，也就是判定为拐点的范围内时，5种桩型的压缩量均有明显的增加。

根据前述的数据采集方式，将得到的桩身压缩量对应当时阶段处于的荷载绘制表格，并根据压缩量的大小排序，绘制表格，如表五所示。

表五：5种桩型压缩量对比

若排除2号环型桩存在奇点的可能，可以判定在拐点范围内，随着厚径比的减小，桩身压缩量会逐渐变大，但都小于0.8mm。荷载持续增加，在拐点荷载的下一级60kN处，除4号环型桩，其他桩型均达到桩身压缩量的峰值，继续增加，由于桩底的承压土和桩周土对桩身的共同支撑达到极限，越过桩的极限承载力后，桩端出会发生刺入破坏，桩端土发生急速压缩，并向周围挤压，然后释放一定的应力。因此桩身轴力在此阶段得到一定的释放。

在实验过程中，该级荷载的加载过程同样能得到直接的反馈，拐点之前的荷载在增加时，可以迅速增加到规定荷载，但拐点之后的荷载在增加时，压力传感器显示压力一直在减小，并在一段时间内，顶部荷载始终无法到规定值，需要持续不停的输送压力。因此桩身压缩量会在此处发生减小的现象，随后桩身压缩量又会稍有回升。

L)模型实验桩身应变规律分析

桩身应变也是本次实验最关注的实验因素，不同体量的受力结构在相同荷载下，必然会有不同程度的应变产生，关注该应变的大小及规律，对利用厚径比K评判桩身质量有重要影响。

本次实验中，所有测量到的应变均为微应变——με。

相较于环型桩，实心桩整体的应变水平要小于环型桩，在受到上部荷载传来的压力后，桩头部分的应变稍有增大，然后在从桩头到桩身中间位置这一段中，随着深度的增加，应变总体的变化规律是在减小的，虽然在过程中会有小幅度的增大，但是到了桩身中部的位置，应变会达到最小值，之后应变开始变大，越靠近桩身底部，应变越大，但在桩底，应变又有小幅回缩。

本次实验的应变片粘贴位置是桩身表面，桩底的应变片接近边缘。桩底的承压土又是相对强度较低砂土，可以看作是存在一个软弱垫层，此外桩底是封死的平面，压力多承载在桩底中部，这就造成边缘的应力集中现象偏弱，因此应变会发生减小的现象。

4种不同壁厚的环型桩的应变发展规律与实心桩的应变规律有一定的相似性，桩顶的应变会稍大一些，且存在明显的规律，即厚径比K越小，桩端的应变越大。1号，2号，3号和4号桩的桩顶应变U虽有差异，但在数值上差距较小，而5号环型桩的桩顶应变较其他相比差异明显，比同荷载下的其他4根桩的应变大5倍。

在桩顶下部一些，距离桩顶0.75m的位置，也就是桩顶到桩身中间部分这一段的中间位置，随着厚径比K的不同，应变的增长在数值上较大的差异：2号环型桩(K＝0.6)的变化基本上与实心桩无太大差异，有小幅的减小或者增加；3号环型桩(K＝0.4)和5号环型桩(K＝0.2)在这一点位置的应变会产生明显的激增，但5号桩的应变激增的数值约是其他桩型的10倍。

到桩身中部位置时，4种环型桩的应变均有不同程度的减小。

当跨过中间位置以后，4种环型桩同实心桩一样，应变随深度的增加而增加，当到达距离桩底0.4m的位置时，应变开始减小，直到桩底的位置都不会再发生应变增大。

在制作环型桩时，桩身底部有30cm厚的封底，使得桩身底部可以看作一小部分的实心桩，桩身内壁变厚，应变自然要比上部空心部分的应变小。

另外通过观察桩身应变曲线，应变峰值的位置点，可以发现，随着厚径比K的减小，应变峰值也就是桩身应变最大的位置在逐步上移。将峰值应变数值对应的桩身深度绘制成表，如表六所示。

表六：桩身应变峰值位置及大小

当桩身沉降和承载力满足要求时，仍需要对桩自身的材料强度做评估，这也是该实验进行应变测量的重要目的。C30混凝土的相关参数如表七所示。

表七：C30混凝土相关参数

根据测得的混凝土应变通过转换关系，将应变转换成应力，若低于混凝土自身材料的强度，即可判定该情况下，桩身强度满足，不会破坏。根据公式计算出环型桩桩身应变峰值处的应力并列表，如表八所示。

表八：桩身峰值应变对应的应力

通过计算，5种桩型的最不利位置处的峰值应力均远小于桩自身材料的强度，桩身不会发生受压破坏的情况，根据相似理论和应力应变相似系数，还原到实际工程中，桩身同样不会发生因桩身材料强度不够而发生的极压破坏。因此可以判定同桩身直径，同桩身长度，空心体量不同，厚径比不同的环型桩和实心桩，在同样的地层环境和桩身极限承载力范围内，是同样安全的。

若排除2号环型桩实验组在实验过程中的误差影响，对比其他4根桩，随着厚径比K的减小，桩身峰值应力在明显的增加，且当厚径比K由0.4减小到0.28时，应力增幅巨大，增加量可达300％，而厚径比在0.4以内时，桩身应力波动较小。

模型实验桩底压力规律分析

均匀布置在桩底正中心的4个土压力计测量上部传来的压力，可以用来判断环型桩与实心桩轴向对于上部荷载的传递情况。

桩底土压力计在加载开始前均做了平衡调零的操作，因此测得的结果即桩身实际传导下来的力。

5种桩型的底部压力随顶部荷载的施加呈线性增加，且数值与上部荷载的实际施加值基本持平，说明在实验过程中，桩侧摩阻力提供的向上的支撑力并不明显。5根桩在同一荷载下测得的桩底土压力差异并不大，同时考虑到每个实验组唯一的差别只有中部空心的不同，外侧直径以及与桩周土实际接触的面积是相同的，因此可以认为，环型桩与实心桩在实际工作中，桩身对于力的传导是相同的，并且对于大直径环型桩和大直径实心桩，其主要发挥作用的是桩端承载力。

桩身沉降及承载力对比分析

将模型实验中桩顶沉降的数据按照相似系数20扩大，即可得到还原后的实际工程的相关数据。将此结果与数值模拟得出的结果做图。

如前所述，桩基在实际工作状态中，桩顶与上部荷载直接接触，所以一般在描述桩基沉降规律时，重点关注桩顶沉降。在数值模拟实验中的结果，荷载沉降曲线成缓降趋势，实心桩与环型桩的桩身极限荷载，集中在280MN～367MN的范围内。根据室内模型实验获得的曲线，存在明显的“拐点”，5种桩型的桩身极限荷载大致集中在320MN～440MN的区间内。

数值模拟实验由电脑软件完成，完全能够保证控制变量的稳定性，输出的的数据结果稳定，而模型实验不确定性因素角度，实验时每组实验完成后都需要重新填装，只能在能力允许范围内尽量保证每组实验环境相同，这导致实验结果可能会出现与预期结果的偏差。

综合对比两个实验数据的数据结果曲线图，左侧为数值模拟的结果曲线，右侧为模型实验的结果曲线。虽然模型实验的数据结果整体要比数值模拟结果偏大40MN～80MN，但是数据的数量级是相同的，误差在14％～20％，属于可接受范围。如前所述，在工程设计中，为保证桩身有足够的桩身安全储备，需要将桩身极限承载力除以安全系数2作为桩身的承载力特征值，并以此为设计依据，在规定下，环型桩与是传统实心桩的差异会进一步缩小，由此可以判定环型桩具有足够的安全性。

根据数值模拟结果绘制的曲线图，不难看出，大直径传统实心桩的极限承载力最大，环型桩的极限承载力会随着壁厚的变薄而下降，即壁厚T减小，厚径比K减小，桩身极限承载力会有所下降。在室内模型实验的桩顶沉降—荷载曲线图中，排除因实验因素造成误差的实心桩曲线，其余环型桩的曲线也呈现出相似的规律——随着K减小，承载力降低。但是在本次课题设定的厚径比K＝1～0.2范围内，无论是哪种实验，得到的桩身承载力结果均集中在一个较小的区间内，由此可以说明在厚径比K＝1～0.2范围内，环型桩的承载能力完全能够达到与实心桩相同程度的水平。

此外，在进行全部实验之前，通过现行的《桩基规范》得到的本次课题依托的原型实验桩，预估桩身极限荷载为389MN。规范中规定的计算方法针对的是传统实心桩，且计算公式中存在多个依据工程经验确定的范围参数，为得到更加确切保守的实验结论，参数的取值均为给定范围中中等偏大的值。对比得到模型实验结果，模型实验在不确定因素的影响下，必然不能还原真实地层的固结程度，使得还原后的承载能力一定会偏小，在此情况下，实验结果依然比规范得到的数值大，这也进一步说明，在本次课题规定的厚径比K＝1～0.2范围内，环型桩的承载能力完全能够与实心桩达到相同的程度。

桩身压缩性对比分析

桩身沉降一般由桩底承压土的压缩和桩体自身的压缩构成，但是对于工程中使用较广泛的传统实心桩，桩身压缩很小，一般不会考虑到沉降计算中。而是环型桩由于其特殊的桩体结构，桩身压缩可能会有所加大，因此需要添加到安全性评判中。

根据数值模拟实验和模型实验结果绘制桩身压缩对比图。

数值模拟结果曲线图对应的数据结果为直接提取并经过处理。模型实验的结果是在真实实验结果的基础上按照相似比20放大得到的结果。

两个实验呈现的最直观的结果是在同一荷载下，桩身压缩量会随着壁厚T和厚径比K的减小而增大，实心桩的桩身压缩最小，环型桩的桩身压缩量大，并且随着荷载的增大，压缩量的差异性也逐渐明显。在模型结果中，虽然有个别数据作为奇点出现，但整体发展趋势仍符合数值模拟实验结果。

对应数值模拟结果，桩身极限承载力下对应的桩身压缩量在3mm～5mm之间。对应模型实验结果，桩身极限承载力下对应的桩身压缩量在2mm～14mm之间。将每种桩型在极限荷载下的桩身压缩量绘制成表，如表九所示。

表九：两种实验桩身压缩量对比

如表所示，在相同的工作环境下，环型桩的桩身压缩量对比传统实心桩明显增大，这也充分解释了为何环型桩的承载力会稍有降低。

环型桩压缩量的增加会带来应力应变的增长，但通过对比，在桩身极限承载力作用下，最不利厚径比的5号环型桩(K＝0.2)的最不利位置处的桩身应力仍小于自身材料强度(C30标号混凝土)。

由此可以判定在本次研究中设定的厚径比＝1～0.2的范围内，所有桩型的安全性和承载性能均满足要求。且在实际工程中，为保证安全储备，以桩身承载力特征值作为实际设计标准的情况下，桩身上部的荷载强度一般不会达到极限承载力，因此可以进一步判定，环型桩与传统实心桩的安全性和强度几乎是相同的，能够达到替换传统实心桩，应用在实际工程中的目的。

工作原理：通过对等比例缩小的模型进行实验。在通过适当比例和相似材料制作出的模型上施加等比例的荷载，使得模型能够最大程度的再现工程结构的实际工作状态。以求获得相关的数据和现象。并通过相似理论将取得的模型结果还原到实际工程结构中。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (6)

1.一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，其特征在于：

所述大直径环型基桩包括：

桩体(1)，其由混凝土浇筑而成，并呈圆柱状，所述桩体(1)中心处为中空的桩芯(2)；

预埋钢筋笼(3)，其埋设在所述桩体(1)的混凝土中；

其力学性能模拟方法包括：

步骤一、确定模型实验相关关系及方案

确定模型实验的相似系数，使实验模型尺寸的大小根据相似系数对工程原型结构进行等比例缩小，其中，模型实验以厚径比作为第一标准，混凝土节省量作为第二标准，模型桩外径作为固定量，通过改变模型桩的空心内径进行模拟实验；

步骤二、建立模型桩，根据所确定的相似系数以及实验方案，用C30混凝土和钢筋笼浇筑相应尺寸的模型桩；

步骤三、制备模型桩周土材料，根据原型工程的场地地勘报告，制备与原型工程场地相似的模型桩周土材料；

步骤四、制备模型箱，制备的模型箱采用筒壁受力均匀，不易发生变形的圆柱体形状，并添加防止应力松弛的加劲肋；

步骤五、实验设备安装及加载，将用于进行实验的设备以及进行检测的装置安装在所制备的模拟桩上，施加始终维持在相应的大小荷载，完成全部的模型桩静载实验，并收集检测数据；

步骤六、模型实验结果分析，根据所获得的模型实验数据，对模型桩分别进行模型桩沉降规律分析、模型桩桩身压缩规律分析、模型桩桩身应变规律分析、模型桩桩身轴应力规律分析；

步骤七、结果对比分析，将模型实验中模型桩的受力数据按照相似系数进行扩大，即可得到还原后的实际工程的相关数据，进而进行桩身沉降及承载力对比分析以及桩身压缩性对比分析。

2.根据权利要求1所述的一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，其特征在于：所述步骤二中，建立模型桩的钢筋笼部分按照《JGJ94-2008建筑桩基技术规范》中的规定，以HPB300作为配筋，配筋率为0.65％，单根模型桩的钢筋配筋截面积为1276mm²，据此选用直径为8mm的带肋圆形钢筋作为钢筋笼的纵筋，箍筋部分选用5mm的带肋圆形钢筋，采用螺旋式捆绑，每圈箍筋的间距为150mm。

3.根据权利要求1所述的一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，其特征在于：所述步骤三中，所述模型桩周土材料的土层从上到下分为七种不同粒径的碎石土层，且选用粗砂+小碎石混合的土模拟碎石层，并添加水，使其潮湿。

4.根据权利要求1所述的一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，其特征在于：所述步骤四中，模型箱包括箱体和基准梁，其中：

箱体的筒身由5mm厚的钢板卷焊而成，圆筒直径1000mm，高2000mm，筒底是一块直径990mm厚20mm的钢板，与筒身焊接，将筒底封死；

基准梁由厚度为2mm的方形钢管弯折焊接而成，圆环周围焊接有四个连杆通过螺栓固定在筒身，保证基准梁固定不动。

5.根据权利要求1所述的一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，其特征在于：所述步骤五中，

实验设备包括由反力架和油压千斤顶组成的加载装置以及由激光式位移计和拉线式位移计组成的测量传感器；

测量数据的采集通过“岩土工程结构测位远程实时监测系统”及配套采集箱进行两种位移计和土压力计的数据采集；

DH3816N静态应变测试采集系统进行应变片和顶部压力传感器的数据采集；

所述加载包括：

①将模型箱放置在反力架正下方，先倒入50cm高的土，这一部分土作为桩端的承压土，需要混入小石块和水，并用木槌夯实，提高固结程度，在土层的表面正中间水平摆放好4个土压力计；

②吊入第一根实心模型桩，均匀地压在土压力计上，填入桩周土至距离桩顶230mm的位置，并夯实；

③安装基准梁，连接钢丝和拉线式位移传感器，并用磁力支座固定，保证钢丝的可移动部分与桩身平行；

④放置橡胶垫，承压板，传力柱和油压千斤顶，在承压板上放置4片硬铁片，并伸长至激光式位移传感器的正上方；

⑤导线连接采集仪，平衡传感器；

⑥按照荷载施加表施加荷载，保证荷载始终维持在相应的大小，按照上述流程完成全部的模型桩静载实验。

6.根据权利要求1所述的一种大直径环型基桩的力学性能模拟方法，其特征在于：所述步骤六中，具体包括：

模型桩沉降规律分析，将每级加载的一小时内的全部变化数据记录下来，平均每级荷载持续一小时，每分钟记录一次，最后将荷载变化前5分钟内的数据作为实验结果提取出来，并将其沉降量与荷载一一对应起来，即可得到相应的荷载-沉降曲线，根据单桩极限承载力的判定方法和模型实验的沉降曲线图，出现明显陡降段的起始点视为桩身的极限承载力；

模型桩桩身压缩规律分析，将荷载变化前的数据去除奇点并取平均数，即可得到桩身压缩-荷载曲线，将得到的桩身压缩量对应当时阶段处于的荷载绘制表格，并根据压缩量的大小排序，壁厚越薄，压缩量越大；

模型桩桩身应变规律分析，根据测得的混凝土应变通过转换关系，将应变转换成应力，若低于混凝土自身材料的强度，即可判定该情况下，桩身强度满足，不会破坏；

模型桩桩身轴应力规律分析，根据均匀布置在桩底正中心的4个土压力计测量上部传来的压力，用来判断环型桩与实心桩轴向对于上部荷载的传递情况。

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