考虑黄土吸力效应的CPT扩孔机理与桩基承载性能评价

The results of cone penetration test (CPT) are usually used to determine the pile bearing capacity in loess area. Because the influence of soil suction on the pile capacity is difficult to be taken into account, the existing empirical formulas which just obtained from correlation analysis between the CPT results and pile loading tests are not applicable in loess area. In this project, the solution of cavity expansion in unsaturated loess is derived by introducing the matric suction and void volume into existing saturated cavity expansion theory, then a novel cone penetration model with considering loess suction is proposed. The typical loess site is chosen and an exploration shaft is dug to measure the soil-water and unsaturated mechanical parameters needed in CPT model, by that the cone penetration resistance can be predicted. Meanwhile, the CPT in-situ tests under different loess suction are conducted to study the suction effect on cone penetration resistance and validate the reliability of the CPT model. Afterwards, the validated CPT model is extended to calculate the bearing capacity of precast pile in the loess area. Also, the calculated results are validated by model pile loading test. At last, the method for pile capacity trait evaluation based on CPT results, with the suction effect considered, will be proposed. The research of this project will provide theoretical basis for engineering application of CPT in the unsaturated loess area.

静力触探(CPT)测试结果常用于确定黄土场地的桩基承载力。目前所采用的经验公式是基于CPT测试与桩载荷试验结果相关性分析获得，将其用于黄土场地时，无法考虑非饱和吸力效应对桩基承载力的影响。本项目在饱和土圆孔扩张理论基础上，引入基质吸力和比体积状态变量，推导非饱和黄土圆孔扩张的理论解，提出考虑黄土吸力效应的CPT贯入理论模型。选取典型黄土场地，开挖探井并测定模型所需的土-水特征参数和非饱和力学参数，求得CPT贯入阻力的理论解；开展不同吸力条件下的CPT原位试验，分析吸力变化对CPT贯入阻力的影响机理，对理论模型进行验证。在此基础上，将该CPT贯入模型拓展至桩基承载力计算中，利用相同场地的模型桩载荷试验对其进行检验，提出考虑黄土吸力效应影响的桩基承载性能评价方法。本项目的研究成果将为非饱和黄土地区CPT测试技术的工程应用提供理论基础。

圆孔扩张理论在静力触探(CPT)试验结果分析以及桩基承载力评价等方面有着广泛的应用，然而已有研究多是在饱和软土或干土中开展，非饱和黄土中的相关研究还鲜有报道。黄土作为一种风积产物，具有结构性、各向异性、非饱和性和湿陷性等特殊性质，这使得已有饱和土中的研究成果在黄土中不再适用；因而针对黄土中开展扩孔理论研究并将其在CPT和桩基问题中进行应用具有实际意义。本项目通过开展黄土中扩孔理论分析和相关试验研究，得出了若干有意义的研究成果。首先将锥尖或桩端贯入挤土看作是球形孔的扩张过程，基于结构性土剑桥模型，推导了结构性土中的球孔/圆柱孔扩张解答，分析了土体初始结构性和加载过程中的结构损伤对应力路径、扩孔压力以及超孔隙水压力的影响；并将该解答用到了结构性土中的CPT测试结果预测以及沉桩挤土的应力-应变分析中。与试验结果的对比表明，提出的理论模型能更好地预测结构性土中CPT的贯入阻力和孔隙水压力，能够分析土体结构性对桩周土体应力分布和挤土位移的影响。其次，黄土作为一种典型的非饱和土，具有增湿软化等的特点。通过引入非饱和土有效应力公式，并在弹塑性矩阵中写入能够反映吸力与比体积之间关系的液相本构方程(根据SWCC确定)，最终将非饱和土中的圆柱孔扩张问题归结为求解一阶偏微方程组的问题，从而得到了非饱和土中考虑吸力效应的圆孔排水/不排水问题解析，分析了土体吸力变化引起的圆孔周围土体应力分布及扩孔压力等的变化；最后将该解答其用于分析黄土中吸力效应对桩周应力场分布的影响当中。此外，建立了揭示厚层黄土中水分运移规律的水动力模型，深化了对厚层黄土中水分变化的认识。在此基础上，利用非饱和直剪仪，在控制土体吸力的情况下开展了桩-土摩擦试验，探究了厚层黄土含水率变化对桩基承载力的影响。本项目的研究发展完善了圆孔扩张理论，为黄土地区CPT的测试和桩基承载力预测提供了理论方法和科学依据。