紅黏土地層靜壓管樁承載機理及復壓效果分析

王家全 葉斌 張亮亮 徐良杰 朱慶盛

摘 要：為了研究紅黏土地層靜壓管樁沉樁過程中樁身軸力、位移及樁周土體摩擦力的變化規律，揭示紅黏土地層管樁承載力機理和群樁上浮影響，采用自行設計的可視化模型箱，開展管樁在紅黏土地層中的靜壓和復壓模擬試驗.結果表明：以硬塑紅黏土或可塑紅黏土土層作為持力層時，單樁靜載Q-s曲線呈陡降型，樁側摩阻力占樁頂荷載的比值分別為94.9%、96.0%，為摩擦型樁；以基巖為持力層時，單樁靜載Q-s曲線呈平緩型，樁側摩阻力占樁頂荷載的51.1%，可歸為端承摩擦樁.在壓樁過程中，樁體會因壓縮而產生相對于土體的位移，樁側產生一個抵抗樁體向下運動的樁側摩阻力；因樁側摩阻力的存在，會將樁頂荷載傳遞到樁周土層中，使得樁身軸力和樁身壓縮隨深度增加而遞減；當樁頂荷載增大時，樁體進一步被壓縮，樁側下部土體的摩阻力得以充分發揮.同時，復壓能能有效消除群樁壓樁引起的管樁上浮影響，可有效改善因擠土上浮而導致的樁體承載力不足.

關鍵詞：紅黏土；靜壓管樁；承載機理；模型試驗

中圖分類號：TU 47 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.001

0 引言

管樁因其具有單樁承載力高、工廠化程度高、成樁質量好、施工方便快捷等優點而作為抗壓樁被工程所廣泛應用[1-3].因此，研究管樁的承載力機理及其影響因素具有重大意義.目前國內外學者對其承載機理及影響因素在理論分析、模型試驗及數值模擬上都進行了大量的研究，并取得豐碩的成果.郭宏磊等[4]運用逐次線性概似及殘差修正法進行迭代，以此提出了基于Q-s數據對樁極限承載力預測的方法，并在實際工程中得到驗證.趙儉斌等[5]基于灰色關聯度理論通過對遼沈地質下某工程的勘探及施工記錄資料分析，得出該工程樁承載力影響因素的次序關系.律文田等[6]通過在軟土地基上進行大型試驗及有限元分析（采用Drucker-Prager彈塑性本構模型），研究了PHC管樁的荷載傳遞機理及不同土層的軸力衰減速率.Mohammed等[7-8]結合開口樁與閉口樁的性質，通過開展試驗分析了填土密度、壓樁方式等多種因素對樁承載力的影響，并基于IFR提出了開口樁承載力新的估算經驗關系.張忠苗等[9-10]和符秋生[11]分別結合浙江某高層預應力管樁上浮、偏位事故和廣清高速公路擴建工程進行分析，提出加固和修復管樁的方法，且分析了實際運營過程中預應力管樁承載力的時效性和復壓值的影響因素.龐宗霞[12]通過對長鳳溝四樁橋墩的群樁進行有限元模擬，提出群樁極限承載力的群樁效應系數，證明了土塞效應對樁的承載力的影響較小.王浩等[13]通過模型試驗研究樁端位移、樁端土體孔隙率對樁端阻對的影響，并采用離散元顆粒流PFC2D對其試驗結果進行了驗證，結果表現出一致性.

近年來，預應力管樁在廣西地區的樁基工程應用廣泛，但針對廣西地區特殊的土層——紅黏土地層，特別是其上硬下軟的特點有別于其他一般地質，所以不能照搬別的地質或者樁型設計樁基工程[14-15].此外，目前學者對于紅黏土地質條件下的管樁承載力性質規律的研究稀少.據此研究背景，本文自行設計可視化模型箱100 cm（Length）×70 cm（Width）×130 cm（Height），模擬廣西紅黏土地層，進行管樁靜壓模型試驗，研究紅黏土地層靜壓管樁壓樁運動的樁身軸力、位移及樁周土體摩擦力等參數的變化規律，揭示紅黏土地層管樁承載力機理和群樁上浮影響，旨在為紅黏土地層管樁工程提供指導.

1 試驗裝置及試驗內容

試驗裝置分為4個部分：①模型箱；②反力架；③豎向加載系統；④數據采集系統.如圖1所示.

1.1 模型箱

為了更好地進行分層填筑工作和觀察管樁在土中的運動，試驗模型設計為可視化模型.圖1所示為模型箱的設計圖，整個模型箱骨架以鋼板和角鋼焊接而成.試驗填土為紅黏土地層，對水的控制要求很高，因此在整個試驗過程中需要對模型鋼板、鋼化玻璃與角鋼焊接處進行防水密封.

1.2 軸向加載系統

試驗軸向加載系統由反力架和千斤頂聯合而成.將千斤頂反向固定懸掛在反力架下方，千斤頂下方放置壓力傳感器，用來記錄每一級加載的樁頂荷載.試驗利用千斤頂將模型樁壓入土中，10 cm/次，速度為2 cm/min，共經過11次靜壓循環.

1.3 模型樁與數據采集

本次試驗的模型樁均為鋁管所制，分為半模樁和全模樁.具體參數見表1.

對半模樁內壁進行打磨以及除塵處理，然后貼置；打磨工具用砂紙，除塵用酒精，貼置應變片用502膠水及用環氧樹脂AB膠進行應變片的表面防水；應變片貼置位置在從樁端開始，后每隔10 cm貼一個應變片，共10處，并通過如下公式換算.

Qi = E·εi·A（1）

式中，Qi ——樁身軸力（N）；E——樁身彈模（kPa）；εi ——模型樁從樁端開始編號為1， 2， 3， …， i的應變片的應變數值；A——樁身橫截面面積.

qs = （Qi+1 - Qi） / As（2）

式中：qs——樁身側摩阻力（kPa）；As——樁側表面積；本模型使用半模樁，面積為全模樁的1/2.

qT = Q1/A（3）

式中：qT ——樁端阻力（kPa）.

1.4 試驗土樣及制備

試驗模擬工況為廣西紅黏土地層，填土的取樣為柳州正在施工的某工地. 根據勘探報告得知，紅黏土地層大致分為兩層：硬塑層和可塑軟層，各層厚度分別占比70%～75%和25%～30%.本文設計模型試驗模擬管樁在紅黏土地層的壓樁運動性質，故按照本地區紅黏土地層性質相應填筑硬塑紅黏土70 cm、可塑紅黏土30 cm、基巖層15 cm.試驗各土層物理特性參數指標見表2，整個試驗土樣的制備分為兩個部分，分別為硬塑、可塑紅黏土的制做填筑和基巖層的制備.

1） 硬塑、可塑紅黏土的制作：將試驗土樣烘干后，碾碎過篩，分別配制具有硬塑、可塑紅黏土含水量的紅黏土，然后進行分層填筑壓實，填筑厚度是30 cm/層.

2） 基巖層的制備：以水泥紅黏土作為持力層，其中水泥含量占比15%.根據同等條件制備立方體試塊（100 mm×100 mm×100 mm），養護2個月后測得其無側限抗壓強度為1.8 MPa，滿足本次試驗的抗壓要求.

1.5 試驗內容

試驗內容分為靜壓管樁試驗和靜壓群樁試驗，如圖2所示.

1）靜壓單樁試驗：對3種樁徑（2.5 cm、4.0 cm、5.5 cm）半模樁進行壓樁至相應持力層，然后進行靜載試驗.

2）靜壓群樁試驗：根據圖2（b）壓樁順序進行群樁壓樁運動，接著對目標樁1#樁進行復壓，最后對目標樁1#樁進行靜載試驗.

2 試驗結果分析

2.1 單樁靜載Q-s曲線分析

圖3（a）與圖3（b）分別是樁端進入土層深度為60 cm和80 cm處的不同樁徑的Q-s曲線，其呈現陡降型，管樁承載力相對較低，由此實際工程中紅黏土地層的管樁工程往往不以紅黏土層作為持力層，而選擇基巖作為持力層.曲線出現陡降的起始點為樁的極限承載力，在持力層為硬塑紅黏土地層時，樁徑為2.5 cm、4.0 cm，5.5 cm的試樁極限承載力分別為92.7 N、278.0 N、316.9 N.可以發現試樁的極限承載力隨樁徑增大而增大，且為非線性增加.分析原因：①樁徑的增大，使試樁的側面積增大，樁周的摩阻力也隨之增大；②試樣樁是閉口樁模型，樁徑的增加使得樁端面積增大，繼而會增大樁端阻力；③樁徑的增大會使樁的剛度顯著增大，樁不易被壓縮，因此其極限承載力明顯增大.當持力層為可塑性紅黏土地層時，其現象與之類似.對比以上兩種持力層，在試樁達到極限承載力時，其極限荷載不同，原因是一方面持力層的剛度不同，另一方面是試樁的壓樁深度不同導致其側摩阻力不同.

圖3（c）為樁端進入土層為100 cm處的不同樁徑的Q-s曲線，其呈現緩變性.樁位位于基巖處.根據《建筑基樁檢測技術規范》，對于緩變型Q-s曲線根據沉降來估算試樁極限承載力，由于試驗試樁樁徑小，本次試驗取s=20 mm處的樁頂荷載作為試樁的極限承載力.樁徑為2.5 cm、4.0 cm、5.5 cm的試樁極限承載力分別為1 334.4 N、2 446.4 N、3 914.2 N.可以發現試樁的極限承載力隨樁徑增大而顯著增大，樁徑每增長1.5 cm，極限承載力則增長1.4～1.6倍，這一原因與基巖的性質密切相關.

對比這3種不同持力層的單樁靜載Q-s曲線，同種樁徑的樁以圖3（a）和圖3（b）地層為持力層的 Q-s曲線是陡降型，在圖3（c）地層為持力層的Q-s曲線是緩變型.原因可能是：圖3（a）和圖3（b）地層的強度過低，樁端阻力過小，只能依靠樁側摩阻力，當壓樁荷載過大時，樁端所在的地層會出現刺破，樁體會出現陡降.相對比，圖3（c）地層為基巖層，其強度遠大于硬塑和軟塑紅黏土地層，樁端提供的端阻很大，不易刺穿，所以圖3（c）Q-s曲線為緩變型，可作為工程中的持力層被應用.

2.2 樁身軸力與樁側摩阻力分析

圖4是樁徑為4 cm的樁側摩阻力和軸力沿深度分布曲線.整個靜壓過程中，樁深軸力隨樁深遞減，在樁頂荷載較大時，軸力下降更明顯.分析圖4可得到以下現象：在樁深為0 cm處，樁的軸力與壓樁荷載幾乎相同；樁深在0～10 cm處的軸力均有所下降；在樁深10 cm到樁底部的軸力會隨樁頂荷載的增加明顯展現出軸力在單位深度的變化量由大變小.同時，可從圖4中對應的樁側摩阻力規律發現，其隨樁頂荷載的增大呈現更加尖銳的“倒V”型.根據圖4中同步的樁側摩阻力和軸力深度分布規律，可對靜壓管樁的荷載傳遞機理進行如下分析：①在壓樁過程中，樁體會被壓縮而產生相對于土體的位移，樁側產生一個抵抗樁體向下運動的樁側摩阻力；②樁側摩阻力的產生，會把樁頂荷載傳遞到樁周土層中，使得樁身軸力和樁身壓縮隨深度遞減；③當樁頂荷載增大時，樁體進一步被壓縮，樁側下部土體的摩阻力才可發揮.

圖4（a）—圖4（c）的樁側摩阻力隨樁深的分布圖在“倒V”的最外層的曲線代表在樁頂極限荷載下各位置最大樁側摩阻力.當以圖4（a）地層為持力層時，樁側摩阻力占樁頂荷載的94.9%，為摩擦型樁；當以圖4（b）地層為持力層時，樁側摩阻力占樁頂荷載的96.0%，為摩擦型樁；當以圖4（c）地層為持力層時，樁側摩阻力占樁頂荷載的51.1%，可歸為端承摩擦樁.

樁徑為2.5 cm和5.5 cm的樁側摩阻力、軸力沿深度分布圖的現象與樁徑為4.0 cm的樁側摩阻力、軸力沿深度分布圖的現象相似.

2.3 群樁上浮及復壓對管樁的承載力的影響

為了研究群樁上浮對樁的承載力的影響，本次試驗首先做了群樁壓入試驗后，發現目標樁（1#樁）出現一定的上浮量，之后對目標樁進行復壓試驗.圖5為復壓過程中樁頂荷載—樁頂位移圖，整個復壓過程的位移呈現出平緩→陡降→平緩的規律，分析可能原因：①曲線前期的平緩階段是由于群樁壓入，使目標樁周的土體嚴實，樁體界面接觸更為緊密，使得樁周摩阻力加強，復壓前期樁體壓入，需要克服更大的摩阻力；②曲線中期出現陡降現象，樁周最大摩阻力已發揮出，且樁端由于擠土上浮導致樁端土體的承載力降低，所以出現陡降現象；③曲線后期又變為平緩，這是由于樁體運動到“新的持力層”——未被擠土上浮破環的持力層，基巖層能提供較大的樁端摩阻力.

本次試驗將上浮后復壓的樁頂荷載—位移曲線與群樁壓入之前的單樁樁頂荷載—位移曲線進行對比來驗證復壓的效果.圖6為在基巖處4 cm樁徑樁體群樁壓入之前和復壓之后各靜載試驗的樁頂荷載—樁頂位移曲線.分析圖6可知，群樁壓入之前與上浮復壓之后靜載試驗的樁頂荷載—樁頂位移曲線幾乎相同，說明管樁復壓后，能有效消除群樁壓樁引起的管樁上浮影響，完全恢復因上浮引起的承載力損失，進而可有效避免由于擠土上浮而導致樁體承載力不足的工程隱患.

3 結論

1）以硬塑紅黏土土層和可塑紅黏土土層為持力層時，單樁靜載Q-s曲線呈現陡降型，以基巖為持力層時，單樁靜載Q-s曲線呈現平緩型，基巖作為持力層的管樁承載力遠大于紅黏土持力層；管樁的極限承載力伴隨著樁徑的增大而增大，且為非線性增加.

2）整個管樁靜壓過程，樁身軸力隨樁深遞減，在樁頂荷載較大時，軸力下降更明顯，樁側摩阻力曲線呈現更加尖銳的“倒V”型.

3）靜壓管樁承載機理：在壓樁過程中，樁體會被壓縮而產生相對于土體的位移，樁側產生一個抵抗樁體向下運動的樁側摩阻力；樁側摩阻力的產生，會把樁頂荷載傳遞到樁周土層中，使得樁身軸力和樁身壓縮隨深度遞減，當樁頂荷載增大時樁體進一步被壓縮，樁側下部土體的摩阻力才可發揮.

4）以硬塑紅黏土地層為持力層，樁側摩阻力占樁頂荷載的94.9%，為摩擦型樁；以軟塑紅黏土地層為持力層，樁側摩阻力占樁頂荷載的96.0%，為摩擦型樁；以基巖地層為持力層，樁側摩阻力占樁頂荷載的51.1%，可歸為端承摩擦樁.

5）整個復壓過程的位移呈現出平緩→陡降→平緩的規律；復壓能能有效消除群樁壓樁引起的管樁上浮影響，有效地避免由于擠土上浮而導致樁體承載力不足的工程隱患.

參考文獻

[1]朱合華， 謝永健， 王懷忠. 上海軟土地基超長打入PHC樁工程性狀研究[J]. 巖土工程學報， 2004， 26（6）： 745-749.

[2]王愛軍. 預應力管樁復合地基在高等級公路軟基處理中的試驗研究[J]. 中外公路， 2009， 29（4）： 35-39.

[3]張勁超. 預應力管樁在巖溶區橋梁樁基中的應用[J]. 中外公路， 2010， 30（4）： 202-204.

[4]郭宏磊， 賀雯， 胡亦兵， 等. PHC樁的豎向極限承載力的預測[J]. 工程力學， 2004， 21（3）： 78-83.

[5]趙儉斌， 史永強， 楊軍. 基于灰色理論的靜壓管樁承載力影響因素分析[J]. 巖土工程學報， 2011， 33（S1）： 401-405.

[6]律文田， 王永和， 冷伍明. PHC管樁荷載傳遞的試驗研究和數值分析[J]. 巖土力學， 2006， 27（3）：466-470.

[7]FATTAH M Y， AL-SOUDANI W H， OMAR M. Estimation of bearing capacity of open-ended model piles in sand[J]. Arabian Journal of Geosciences， 2016， 9（3）： 1-14.

[8]DOHERTY P， GAVIN K. Shaft capacity of open-ended piles in clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2011， 137（10）： 1090-1102.

[9]張忠苗， 張乾青， 賀靜漪， 等. 浙江某高層預應力管樁偏位和上浮處理實例分析[J]. 巖土力學， 2010， 31（9）： 2919-2924.

[10]張忠苗， 張乾青， 劉俊偉， 等. 軟土地區預應力管樁偏位處理實例分析[J]. 巖土工程學報， 2010， 32（6）： 975-980.

[11]符秋生. 靜壓預應力管樁單樁承載力試驗研究[J]. 公路， 2012（8）： 151-156.

[12]龐宗霞. PHC管樁群樁荷載傳遞機理及承載力分析[J]. 中國水運， 2012， 12（5）： 253-255.

[13]王浩， 周健， 鄧志輝. 砂土中樁端阻力隨位移發揮的內在機理研究[J]. 巖土工程學報， 2006， 28（5）： 587-593.

[14]羅為軍， 陳文婕. 水泥土攪拌法處理軟土地基技術的應用[J]. 廣西工學院學報， 2002， 13（2）： 65-68.

[15]文進紅. 筏樁基礎在喀斯特地質條件下的應用[J]. 廣西工學院學報， 2007， 18（3）：71-76.

Abstract： In order to study the variation law of the axial force and displacement of the pile body and the friction of the soil around the pile during jacked pipe pile driving in the red clay formation and reveal the bearing capacity mechanism of the pile pipe and the floating effect of the pile group， a self-designed visual model box was used to simulate the static and repressing of pipe pile in the red clay stratum in this paper. The results show that with the red clay of hard plastic or plastic as bearing stratum， the Q-s curve of single pile showed a steep drop-type under static loading. The ratio of pile-side frictional resistance to load on pile top of the two types of red clay was 94.9% and 96.0% respectively， which was a friction pile. With the bedrock as bearing stratum， the Q-s curve of single pile showed a gentle type under static loading. The ratio of pile-side frictional resistance to load on pile top of this situation was 51.1%， which was an end-bearing friction pile. In the process of pressing pile， there is the displacement of the pile relative to the soil due to the compression. Thereby， the pile side will produce a pile-side frictional resistance against downward movement of the pile body. Due to pile-side frictional resistance， the load on pile top of the pile will be transmitted to the soil around the pile， so that the axial force and compression of pile body decrease with an increase of the depth. The compression of pile body increases with the increase of the load on pile top， and then the frictional resistance of the soil under the pile-side can be fully exerted. Meanwhile， the repress effect can observably eliminate the floating effect of the pipe pile caused by group pile during the process of pressing pile， which can effectively reduce the adverse influence of the squeezing-floating effect of pile-soil on the bearing capacity of pile body.

Key words： red clay； static pressure pipe pile； bearing mechanism； model test

（學科編輯：黎 婭）