端承型桩承载力离心模型试验中的粒径效应研究.pdf

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1、第41卷第9期2011年9月中国海洋大学学报PERl0DICAL()F()CEANUNIVERSITY0FCHINA41(9)：059～066Sep．，2011端承型桩承载力离心模型试验中的粒径效应研究+柳飞1’2，杨俊杰2”，侯瑜京4，吴炼石5(1．北京市市政工程研究院，北京100037；2．中国海洋大学环境科学与工程学院，山东青岛266100；3．中国海洋大学海洋环境与生态教育部重点实验室，山东青岛266100；4．中国水利水电科学研究院。北京lo0044；5．山东省水利勘测设计院．山东济南2500

2、13)摘要：利用rnodelingofnlodels的方法研究端承型桩承载力离心模型试验中的粒径效应。在模拟同一原型时，不同桩径的模型桩，桩身压缩性及桩长均不同，导致侧摩阻力发挥机理及程度不同，本文分别探讨了桩端阻力，侧摩阻力及承载力(桩顶荷载)的粒径效应对承载机理和承载特性的影响。结果表明，桩端阻力的粒径效应作用规律与浅基础一致，可以借用浅基础的粒径效应定量评价方法评价端承桩承载力离心模型试验中的粒径效应。侧摩阻力的粒径效应比桩端阻力的粒径效应显著。由于侧摩阻力的影响，相同条件下承载力的粒径效应比桩端

3、阻力有所增强。对于极限桩端阻力和极限承载力，粒径效应均随长径比的增加而减弱。关键词：离心模型试验；承载力；桩基；粒径效应；长径比中图法分类号：TU411．93文献标志码：A文章编号：1672—5174(2011)09—059—08由于很难找到与原型地基材料力学性质接近的模型地基材料，因此，在利用土工离心模型试验研究地基承载力问题时，地基材料往往采用原型，这样就产生了因模型基础缩尺与地基材料缩尺不一致而导致对试验结果影响的粒径效应问题。对于浅基础离心模型试验中的粒径效应问题，国内外学者进行了大量的研究[1

4、]。杨俊杰等[1]利用modelingofmodels(模型的模拟)的方法，导入粒径效应评价指标，定量地评价了粒径效应对密实砂土地基上条形基础承载力离心模型试验结果的影响程度。柳飞等[2]利用这一指标定量地讨论了有埋深的圆形浅基础承载力离心模型中的粒径效应对试验结果的影响，给出的粒径效应判别图为设计合理的基础模型提供了依据。桩基础是在高层建筑、道路、桥梁、海洋，水利水电等工程中应用极为广泛的一种深基础。自1960年代土工离心模型技术大力发展以来，桩基一直是离心模型试验的重要研究内容。虽然在模型基础直径与

5、地基材料平均粒径的比值相同的情况下，随着基础埋深的增加，粒径效应逐渐减弱[2]。但是，由于离心机吊蓝的尺寸、边界效应、桩长径比等条件的限制，桩基础模型试验往往需要采用比浅基础更大的模型缩尺。尤其是随着结构物向高、重、大、深方向的发展，对桩基承载力和变形的要求越来越高，桩基础有向大直径超长方向发展的趋势。因此，在设计离心模型试验时，需要更大的模型桩缩尺，即模型桩直径与地基材料尺寸的比值更小，因此更有可能引起粒径效应问题。粒径效应是桩基承载力离心模型试验中不可回避的问题。目前有2种处理粒径效应的方法。1种方

6、法是沿用模型的模拟的方法，即在正式试验之前，通过对比2种不同尺寸模型基础的试验结果，证明试验具有可重复性，不存在粒径效应，如I．L．Nunez等[3]。这种方法只是验证该试验条件下可忽略粒径效应，对于不同条件的模型试验没有太大的参考价值。另1种方法是参考浅基础粒径效应的研究成果，选择适当的地基材料和模型桩尺寸，如D．Remaud等[4

7、，J．Latotzke等[引，P．Caporaletti等[6

8、，U．Klotz&RN．Taylor[7

9、，A．D．Deeks&D．J．white[8

10、，V．Fiorav

11、ante等[9

12、。显然，桩基础与浅基础的承载机理不同，其中最大的差别在于桩基础需要考虑侧摩阻力，而且有些情况下，侧摩阻力是桩基承载力的主要组成部分。由于侧摩阻力的影响，桩基承载力离心模型中的粒径效应可能会呈现与浅基础不同的规律，因此，浅基础粒径效应的研究成果不能完全适用于桩基模型试验。对于桩基承载力离心模型试验中的粒径效应问题需要单独系统研究。Craig于1983年针对桩基承载力离心模型试验中的粒径效应问题做了简略研究[10

13、。J．Garnier等研究了模型桩径和桩侧表面粗糙度、地基材料粒径及离心加速度

14、对剪应力(侧摩阻力)粒径效应的影响，根据试验结果，得到当模型桩径大于100倍的地基材料平均粒径时，粒径效应对最大剪应力及其对应的沉降量的影响可忽略L11]。P．Foray等通过单桩抗拉离心模型试*基金项目：国家自然科学基金项目(50779062)资助收稿R期：2010一10一25；修订日期：2011一01—15作者简介：柳飞(198l一)，女，博士。E_mil：liufeidada2007@yahcn锄c11中国海洋大学学报验和桩土界面的直