静压沉桩过程中桩身受力复杂，尤其是静压开口管桩，桩端破土受到桩端阻力、桩身外侧与土发生滑动摩擦而产生的桩外侧阻力、桩身内侧由于土塞效应而产生桩内侧阻力，即土塞阻力。土塞阻力不仅直接关系到沉桩阻力的发挥，对桩侧阻力也产生显著影响^[1]。因此，对静压沉桩的力学机制展开全面试验研究，将桩侧阻力沿深度分离成桩外侧阻力和桩内侧阻力，对静压桩施工和承载力的确定都具有重要参考价值。

目前，国内外学者对静压桩贯入机制，尤其在圆孔扩张理论方面进行了系列研究，并取得了一定的成果。Sagaseta等^[2]基于圆孔扩张理论建立了静压沉桩的理论模型，对桩侧摩阻力进行了深入研究。周航等^[3]基于圆孔扩张理论建立了理论计算方法，较好地模拟了扩底楔形桩沉桩挤土效应特性。Randolph^[4]、李镜培^[5]等认为静压桩沉桩过程中，桩周土体挤压扩张理论上可理解为柱形孔扩张，桩端土体受压剪切破坏的同时向外扩张理论上可理解为球孔扩张，可采用柱孔扩张和球孔扩张分别计算桩侧阻力和桩端阻力。在数值分析方面，张明义等^[6]利用ANSYS软件提出位移贯入法的数值计算模拟方法，比较接近静力压桩沉桩特点。叶建忠等^[7]利用2维颗粒流理论模拟了静压沉桩过程，研究了沉桩过程桩体力学行为表现及受沉桩影响的桩周土体细观结构。寇海磊等^[8]通过分段采用不同本构模型，利用ABAQUS模拟了层状地基土中静压桩连续贯入过程，得到了静压沉桩阻力在软硬交互层状土中的变化规律。周健等^[9-10]采用颗粒流数值模拟，研究了砂土中静压桩的贯入过程，从细观尺度的角度探讨了桩端土体的位移模式和变形机制，揭示了桩刺入过程中桩端砂土的宏、细观演化机理。詹永祥等^[11]利用颗粒流软件模拟了沉桩过程桩周土体的位移变化规律，以及桩周土应力场分布情况，但试验介质均选择砂土。马哲等^[12]基于离心机原理和颗粒流数值模拟理论，模拟了砂土地基中静压桩的沉桩过程，分析了桩端阻力与桩侧摩阻力随贯入深度的变化规律。可以看出，以上研究的试验介质多选为砂土，在模拟黏性土时，由于颗粒粒径要求较小导致颗粒数目巨大和参数标定复杂等原因，致使目前颗粒流数值模拟用于黏性土中处理难度大，应用较少。因此，考虑到静压桩实际贯入过程中桩身受力复杂，模型试验可以较好地重现静压桩的实际工作状态，有必要开展静压沉桩受力特性模型试验。

室内沉桩模型试验是研究静压沉桩贯入力学机制最直接的方法，国内外众多学者通过室内模型试验对静压沉桩问题进行了研究。Lehane等^[13]在干砂中进行了开口管桩沉桩大型模型试验，研究了桩周土体应力、桩径和管桩壁厚度对管桩力学性状的影响。Gavin等^[1]在砂土管桩贯入模型试验中，发现在某一固定深度处，随着h/D(h为沉桩深度，D为桩径)的增加，桩侧动摩阻力不断减小。White等^[14]进行了一系列平面应变标定槽试验，研究砂土中桩尖贯入机理和桩土界面贯入特征。Gavin等^[15]对密砂中桩侧摩擦疲劳效应进行了研究。周健等^[9-10]分别进行了均质和分层砂土中静压桩沉桩过程力学特性的模型试验，发现均质和分层砂土中桩端阻力均存在临界深度现象，均质砂土中桩侧摩阻力存在摩擦疲劳现象，分层砂土中的极限端阻所需刺入深度小于均质砂土。肖昭然等^[16]通过研制的室内模型装置，研究了砂土中静压沉桩机理，得到了静压沉桩过程围压和摩阻力的联系。周航等^[17]通过研发异形截面桩透明土沉桩模型试验技术，开展了圆形桩和XCC桩沉桩挤土试验，并将模型试样得到的沉桩挤土的位移场分布规律与理论计算位移进行对比验证。李雨浓等^[18]进行了均质和双层高岭黏土中静压沉桩特性模型试验，探究了沉桩过程桩侧摩阻力发挥程度及不同桩型沉桩终压力与桩承载力的关系。综上，目前的室内模型试验多数在砂土中对静压沉桩贯入机制展开研究。

然而，预应力管桩沉桩过程中工作机理复杂：开口桩由贯入初始阶段的浅层部分闭塞转为土塞，会产生土塞效应；随着桩体贯入的进行，土塞与管桩内壁产生越来越大的摩擦力，直到接近完全闭塞程度，呈现闭口桩的沉贯特性等^[19]。为探讨开口管桩贯入机制，Liu等^[20]通过数值模拟研究不同直径开口管桩引起的剪切带发展规律，并发现土塞阻力占桩端阻力的大部分。李雨浓等^[21]在多层软黏土地基中对比分析发现开口管桩的压桩力、桩动端阻力和桩动侧摩阻力小于闭口管桩；同时，还发现沉桩过程压桩阻力主要来源于桩端阻力，动摩阻力在同一沉桩深度出现摩擦疲劳现象。曹兆虎等^[22]利用玻璃砂透明土模型试验技术，开发了桩基贯入模型试验系统，用于开口及闭口管桩模型贯入过程中桩周土体整体位移场研究，发现开口管桩桩侧和桩底竖向位移小于闭口管桩。以上研究具有重要的理论意义，同时可以看出，针对静压开口管桩沉桩的力学机制进行的详细研究较少。

综上所述，目前静压沉桩贯入机制的模型试验研究仍主要集中在砂土中，模型试验中针对不同桩端形式下静压沉桩的力学机制的研究较少，且目前还没有专门针对沉桩过程中开口管桩产生的土塞效应，开展分离沉桩阻力中“土塞阻力”较详细的试验研究。此外，采用传统的电测类传感器进行测试的居多，尚未将光纤光栅传感技术应用到静压沉桩贯入机制的模型试验测试中。桩的贯入使桩尖和桩周土体不断受到挤压，造成桩周土体应力状态不断变化，静压沉桩时，桩端阻力和桩侧阻力亦是动态变化的，进行模型试验时，传统的测试传感器会造成较大误差，使测量值与实际值相差较大。因此，如何在测试过程中克服土颗粒运动对桩端和桩身产生的严重扰动至关重要。本文选择在黏性土中，通过研发双壁开口模型管桩，联合使用增敏微型光纤光栅应变传感器和双膜片温度自补偿型光纤光栅土压力传感器，研究不同桩端形式静压沉桩贯入力学特性，以期为黏性土中静压桩施工设计提供一定的参考。

模型试验设开口1根、闭口两根模型桩，模型桩为两个同心不同直径的铝质材料圆管组成的双壁模型管桩，内、外管顶部通过桩帽连接形成水平加载平台。为有效监测管桩内壁土塞阻力，管桩底部设有环形底座，保证内、外管分开，双壁模型管桩结构见图1。

图1(Fig. 1)

图1 双壁模型管桩结构示意图 Fig. 1 Schematic diagram of double-wall model pipe pile structure

模型桩桩长1 000 mm，外径140 mm，内径80 mm。模型桩尺寸基于相似理论原理，根据模型箱尺寸、工程桩实际长径比、模型桩制作等因素确定。

本文模型桩考虑相似比是为了保证双壁开口，管桩内、外管分离，以及桩身安装传感器准确测试其变形；同时，为了可以忽略沉桩过程中模型箱和模型桩的边界效应，故考虑几何相似比的模型桩尺寸与工程原型并不是完全相符，本文模型试验结果作为定性分析。

开口模型桩内管、外管分别对称布置7对、6对增敏微型光纤光栅应变传感器。为确保传感器的成活率，且便于安装，外管布设方式为桩身表面开槽后封装；内管布设方式为桩身表面直接粘贴，闭口模型桩仅在外管对称布设6对光纤光栅应变传感器。为方便传感器导线引出，桩顶6 cm以下外管对称开设两个直径为30 mm的圆形孔洞。传感器具体分布位置如图2所示，桩身传感器布设如图3所示。同时，在模型桩上安装滑轮，滑轮两端分别与MPS拉线位移计和重锤连接，实时测试土塞生成高度。

图2(Fig. 2)

图2 光纤光栅应变传感器布置 Fig. 2 Arrangement of FBG strain sensors

图3(Fig. 3)

图3 桩身传感器布设 Fig. 3 Sensor installation of pile

模型试验在青岛理工大学实验室开展，其中，模型箱由钢板焊接而成，其内部净尺寸为2 800 mm×2 800 mm×2 000 mm（长×宽×高），模型箱壁厚6 mm，底板厚度14 mm，模型箱正面设有钢化玻璃窗，如图4所示。为充分利用试验条件，模型桩（TP1～TP3）在模型箱中间压桩，如图5所示。3个压桩位置相对较小距离为 ${d_1} = 1\;000$ mm，模型桩距箱壁最近处为 ${d_2} = 900$ mm， ${{{d_1}} / D} = 7.2$ ， ${{{d_2}} / D} = 6.4$ ，符合大于桩基模型试验中边界效应所要求的6～8倍的桩径^[23-24]，即模型试验可忽略边界效应。

图4(Fig. 4)

图4 模型箱 Fig. 4 Model table

图5(Fig. 5)

图5 桩位布置示意图 Fig. 5 Layout of pile position

试验所用的黏性土取自青岛某工程粉质黏土层，该土层介于流塑～软塑状态。地基制备采用分层填筑压实的方法^[25]，选用人工压实和机器压实，如图6所示。地基土制备完成后，进行缓慢加水饱和，为加速地基土的固结，在模型箱底部5 cm高度填砂夯实，预配好后静置20 d，以保证地基充分固结。模型箱最上面50 cm高度不填土，用以试验准备。地基土基本物理指标见表1。

表1(Tab. 1)

表1 地基土物理力学参数 Tab. 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil

表1 地基土物理力学参数 Tab. 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil 相对 密度 ds 重度γ/ (kN·cm–3) 含水率 w/% 液限 wL/% 塑限 wp/% 塑性 指数 Ip/% 黏聚力 c/kPa 内摩 擦角 φ/(°) 压缩模量 Es1–2/MPa 2.73 18.0 34.8 34.8 21.2 13.5 14.4 8.6 3.3

图6(Fig. 6)

图6 地基土制备 Fig. 6 Soil preparation

加载系统由反力架和动力装置组成。模型箱放置在尺寸为4 000 mm×4 000 mm（长×宽）的工字钢焊接而成的底座上。反力架由4个反力柱、2个反力主梁、1个反力次梁和齿轮齿条传动装置组成。动力装置包括高压油泵、大行程液压油缸、plc控制系统和人机界面操作平台等组成。加载系统如图7所示。

图7(Fig. 7)

图7 加载系统 Fig. 7 Loading system

液压油缸选用大行程1 000 mm，可实现不间断静压贯入的加载方式。试验通过在桩顶加载平台设置温度自补偿光纤光栅土压力传感器测量沉桩过程中沉桩阻力的变化情况，如图8所示。试验中，采用FS2200RM自动采集压桩过程中光纤光栅传感器数据，并实时保存。

图8(Fig. 8)

图8 管桩就位、传感器布置、静力压桩 Fig. 8 Emplacement of pipe pile，sensor layout, static pile-sinking process

试验主要考虑模型桩桩端形式，试验方案见表2。考虑到静压桩实际应用特点，黏性土可较好地重现静压桩的实际工作状态，试验针对黏性土层开展了静压沉桩室内模型试验研究。通过研发双壁开口模型管桩，针对开口管桩进行静压沉桩模型试验，可分离贯入过程中沉桩阻力中的土塞阻力。静压沉桩贯入模型试验采用光纤光栅传感技术，实现了开口和闭口桩桩身安装增敏微型光纤光栅应变传感器，并成功测试了外管和内管桩身轴力，测试过程中可克服土颗粒运动对桩端和桩身产生的严重扰动，因此光纤光栅传感技术更加适用于静压桩沉桩贯入模型试验。

表2(Tab. 2)

表2 模型试验方案 Tab. 2 Model tests plan

表2 模型试验方案 Tab. 2 Model tests plan 试桩编号 桩长/ mm 桩端形式 压桩速度/ (mm·min–1) 压桩 深度/mm 加卸载次数 TP1 1000 开口 300 900 1 TP2 1000 闭口 300 900 1 TP3 1000 闭口 300 900 1

图9为两种不同桩端形式的3根模型桩贯入过程压桩力曲线。由图9可知，3根模型桩的压桩力均随沉桩深度增加不断增大。试验中，浅层土中沉桩，3根模型桩的压桩力近似相等，但随着沉桩深度的增加，开口试桩TP1压桩力小于闭口试桩TP2和TP3。

图9(Fig. 9)

图9 压桩力 Fig. 9 Pile driving pressure

图10～12为3根模型桩贯入过程中压桩力、桩端阻力和桩侧摩阻力曲线。对比分析3根模型桩可知，3根模型桩试验曲线规律大致相同，由于闭口桩桩端土体挤压扩张更显著，因此，闭口试桩TP2和TP3的压桩力、桩端阻力及桩侧摩阻力都大于开口试桩TP1。其中：开口试桩TP1桩外侧摩阻力大于桩内侧摩阻力。当贯入深度较小时，内管侧阻力的变化比较明显；随着贯入深度的增加，内管侧阻力增加缓慢，基本保持不变，在沉桩过程中外管侧阻力均保持增长趋势。在黏性土沉桩试验时，贯入阻力主要来源于桩端穿越土体时冲剪产生的桩端阻力，大于沉桩过程中产生的桩侧摩阻力。同时，沉桩深度相同的条件下，开口试桩TP1桩侧摩阻力的发挥程度小于闭口试桩TP2和TP3，由此可知，桩侧摩阻力受到桩端形式的影响显著。

图10(Fig. 10)

图10 试桩TP1贯入阻力 Fig. 10 Penetration resistance of TP1 pile

图11(Fig. 11)

图11 试桩TP2贯入阻力 Fig. 11 Penetration resistance of TP2 pile

图12(Fig. 12)

图12 试桩TP3贯入阻力 Fig. 12 Penetration resistance of TP3 pile

根据图10～12，可整理得出3根试桩的桩端阻力、桩侧阻力大小及占压桩力的百分比，如表3所示。

表3(Tab. 3)

表3 沉桩结束时桩端阻力、桩侧阻力分布情况 Tab. 3 Distribution of the end resistance and shaft resistance at the end of pile driving

表3 沉桩结束时桩端阻力、桩侧阻力分布情况 Tab. 3 Distribution of the end resistance and shaft resistance at the end of pile driving 试桩 编号 沉桩 阻力/kN 桩端阻力 桩侧摩阻力 阻力值/ kN 占沉桩阻力 的百分比/% 阻力值/ kN 占沉桩阻力 的百分比/% TP1 2.538 1.692 66.7 0.846 33.3 TP2 3.298 2.054 62.3 1.244 37.7 TP3 2.938 1.747 59.5 1.191 40.5

由表3可知，均质黏性土地层静压沉桩阻力主要为桩端阻力，沉桩过程中桩侧阻力较小，与李镜培等^[5]软土地层静压沉桩阻力主要为桩端阻力，桩侧阻力较小的研究结论一致。综上可知，不同的桩端形式（开口和闭口）对桩端阻力和桩侧摩阻力均有影响。

图13为不同贯入深度下，闭口试桩TP2的桩身轴力分布。由图13可知，在不同贯入深度下，桩身轴力分布趋势基本一致：接近桩顶处轴力最大，基本与压桩力大小一致；随深度的增加，桩身轴力不断减小，但轴力减小的速率变化不明显，接近桩底处桩身轴力即为桩端阻力。因为桩端为闭口，可认为模型桩的桩身轴力变化主要与桩身外侧阻力发挥有关。当贯入90 cm时，桩端阻力为1.747 kN。

图13(Fig. 13)

图13 不同贯入深度下试桩TP2桩身轴力 Fig. 13 Axial force of TP2 pile under different penetration depth

图14为不同贯入深度下，闭口试桩TP3的桩身轴力分布。由图14可知，闭口试桩TP3的桩身轴力变化趋势与试桩TP2的结果基本一致，随着深度的增加，由于桩外侧阻力的发挥，桩身轴力由上而下不断递减，其轴力减小的速率随深度变化也不明显。当贯入90 cm时，桩端阻力为2.174 kN。

图14(Fig. 14)

图14 不同贯入深度下试桩TP3桩身轴力 Fig. 14 Axial force of TP3 pile under different penetration depth

由图13、14可知，随着贯入深度的增加，由于桩周土体不断受到挤压而越来越密实，桩身与土体挤压力越来越大，因此各截面桩身轴力随着贯入深度的增加也逐渐增大，且贯入深度越大，桩身轴力增幅越明显，与寇海磊等^[26]静压PHC管桩贯入现场试验桩身应力测试的结果一致。

图15为开口试桩TP1内管和外管在不同贯入深度下的桩身轴力分布。

图15(Fig. 15)

图15 不同贯入深度下试桩TP1桩身轴力 Fig. 15 Axial force of TP1 pile under different penetration depth

由图15（a）可知，TP1内管的桩身轴力变化趋势与闭口试桩TP2、TP3的结果基本一致。TP1内管接近桩底处轴力最大，随着远离桩底，桩身轴力不断递减，距离桩底近的轴力递减的速率较小；不同的是，距离桩底远的桩身轴力递减的速率在逐渐增大，接近桩顶处轴力基本为0。因为内管与外管底座之间有空隙，底部环形端阻全部由外管承担，可认为内管的桩身轴力完全由土塞提供。

由图15（b）可知，在不同贯入深度下，TP1外管桩身轴力分布趋势与闭口试桩TP2、TP3的结果基本一致。由于外管桩外侧阻力和内管土塞形成的桩内侧阻力的发挥，桩身轴力由上而下不断递减，其轴力减小的速率随深度变化更不明显。当贯入90 cm时，桩端阻力为1.692 kN，均小于闭口试桩TP2和TP3。这表明开口并不会改变外管桩身轴力的分布形式，而对桩端阻力的发挥有影响。

由图15（a）还可以看出，桩身轴力在贯入深度为60、90 cm时，桩深40、70 cm（0.67～0.78倍贯入深度）处的变化趋势有一定的转折。桩端形式为开口时，内管下部轴力下降较慢，土塞阻力主要由内管下部分担；内管上部轴力下降较快，即随着贯入深度的增加，土塞高度逐渐增加，转移到内管上部的土塞阻力较小。分析原因是，静压沉桩过程中，桩端土体挤入内管形成土塞，不同高度处土塞的密实度不同，当土塞高度较小时，接近桩端土塞密实度提高幅度明显，内壁–土塞摩擦力一直较大，使得下部轴力变化较小。当土塞高度较大时，土塞的挤密程度随高度的增加而降低，所以内管上部土塞阻力较小，导致上部轴力变化较大。以上结论与刘俊伟等^[27]室内试验对土塞效应的分析一致。

根据桩身轴力可以计算出桩身单位侧摩阻力，图16～18分别为不同贯入深度下，试桩TP1、TP2、TP3桩身单位侧摩阻力分布情况。

图16(Fig. 16)

图16 试桩TP1桩身单位侧摩阻力分布 Fig. 16 Distribution diagram of unit skin friction of TP1 pile

图17(Fig. 17)

图17 试桩TP2桩身单位侧摩阻力分布 Fig. 17 Unit skin friction of TP2 pile

图18(Fig. 18)

图18 试桩TP3桩身单位侧摩阻力分布 Fig. 18 Unit skin friction of TP3 pile

由图16～18可知，因开口试桩TP1的土塞作用，其外管桩身单位侧摩阻力发挥程度小于试桩TP2和TP3。试桩TP2和TP3桩身单位侧摩阻力的分布情况基本一致，在深度5～20 cm处，桩身单位侧摩阻力均有明显的变化：桩身单位侧摩阻力随深度持续增加，且随深度增长的速率变小，与寇海磊等^[26]在黏性土层进行的现场足尺静压沉桩试验中，随着贯入深度的增加，桩侧单位摩阻力逐渐增加的结论一致。在沉桩过程中，0～5 cm处试桩TP1、TP2、TP3桩身单位侧摩阻力均较小，原因是受压桩过程无法避免的偏心、静压桩浅部土体隆起及贯入初期桩身晃动等因素的影响，与李雨浓等^[21]在多层软黏土地基中进行的静压桩贯入室内试验和寇海磊等^[26]在黏性土层进行的现场足尺静压沉桩试验现象类似。

此外，在同一深度处，随着贯入深度的增加，桩身单位侧摩阻力不断减小，即侧阻退化现象，且随着贯入深度增加，该位置处桩身单位侧摩阻力减小的越大，该现象已被Gavin^[1]、周健^[9]等在多次试验中证实。由图16（a）可知，试桩TP1内管桩身单位侧摩阻力退化的现象更加明显，与土塞形成过程中其挤密程度密切相关，不同位置处土塞的密实度有所不同，静压沉桩过程中开口管桩土塞与管桩内壁产生越来越大的摩擦力，直到接近完全闭塞程度，呈现闭口桩的沉贯特性，与闫澍旺等^[19]实际海洋工程打桩过程中的土塞效应研究结论一致。由此可得，管桩内壁与土塞形成的摩阻力也存在桩土界面接触的问题，有待进一步研究。这表明开口管桩沉桩过程中形成的土塞，不仅关系到桩端阻力的发挥，且对桩侧摩阻力亦产生显著影响。

1）浅层黏性土中沉桩时，模型桩的压桩力随着沉桩深度的增加不断增大，贯入初期开口桩和闭口桩的压桩力近似相等，但随着沉桩深度的增加，开口桩压桩力小于闭口桩。

2）在均质黏性土地层中，闭口桩桩端阻力及桩侧摩阻力都大于开口桩。静压沉桩阻力主要为桩端阻力，沉桩过程中桩侧阻力较小，不同的桩端形式（开口和闭口）对桩端阻力和桩侧摩阻力均有影响。

3）随深度的增加，闭口桩桩身轴力不断减小，轴力减小的速率随深度变化不明显。开口桩距离桩底远的桩身轴力递减的速率逐渐增大，接近桩顶处轴力基本为0。

4）桩身单位侧摩阻力随深度持续增加，但随深度增长的速率变小，开口桩外管桩身单位侧摩阻力发挥程度小于闭口桩。

5）在同一深度处，随着贯入深度的增加，桩身单位侧摩阻力不断减小，即侧阻退化现象，且随着贯入深度的增加，该位置处桩身单位侧摩阻力减小的越大。

6）开口管桩沉桩过程中形成的土塞，不仅关系到桩端阻力的发挥，而且对桩侧摩阻力亦产生显著影响。管桩内壁与土塞形成的摩阻力存在桩土界面接触的问题，有待进一步研究。