雙層高嶺黏土中沉樁特性模型試驗

李雨濃， Lehane B M

1.燕山大學建筑工程與力學學院，河北 秦皇島 066004 2.西澳大學土木工程與資源學院，澳大利亞 珀斯 6009

0 引言

目前，巖土工程界諸多國內外學者通過室內模型試驗、不同重力場下離心機模型試驗以及現場試驗，對靜壓樁在砂土中沉樁機理的認識和研究取得了重大的進展和突破。Lehane等[1]在干砂中進行了開口管樁沉樁大型模型試驗，研究了樁周土體應力、樁徑和管樁壁厚度對管樁力學性狀的影響。丁佩民等[2]在砂土中進行了大型沉樁模型試驗，研究了砂土相對密度變化對其內摩擦角及鄧肯雙曲線彈性模型參數的影響。周健等[3]從樁端周圍土體位移場、應力場、孔隙率變化場等角度，對砂土中樁端阻力隨位移發揮的內在機理進行了模型試驗研究。Nicola等[4]通過離心模型試驗研究了貫入砂土中管樁的力學性狀以及土塞性狀。Lehane等[5]在正常固結砂土中進行了閉口鋼方樁的離心模型貫入試驗，通過實施貫入樁體的破壞性靜載試驗，研究了沉樁方法、應力水平以及樁截面縱橫比對試驗中樁側水平有效應力增大的影響。劉清秉等[6]在砂土中進行了離心機試驗，研究了砂土顆粒形狀對土體抗剪強度及樁端阻力的影響。

然而，近些年來對黏土中同等程度靜壓樁沉樁理論的研究則相對較少。Eide等[7]在深層沉積的正常固結黏土中進行了現場貫樁試驗，發現樁基承載力會隨時間增加而增大，分析原因主要是樁周超孔隙水壓力消散引起的。Cooke等[8]通過在硬質黏土中進行了一系列模型壓樁試驗，研究了樁土荷載的傳力機制。Bond等[9]在高固結比的黏土中進行了貫樁試驗，分析了樁在貫入過程、土體和孔隙水壓力穩定過程以及加載過程中樁土接觸面處有效應力的變化情況。張明義等[10]在不同的現場進行了兩組靜力壓樁試驗，探討了樁的沉樁特性，并認為當樁端進入堅硬土層時，在樁端和樁身中存在著殘余應力。Pestana等[11]通過大量的實際現場和室內沉樁試驗研究，分析了樁在貫入過程中及之后土體總應力以及超孔隙水壓力的變化情況。Doherty等[12]通過現場靜壓沉樁試驗，對不同樁型在貫入過程、靜置穩定過程以及加載過程中樁的徑向總應力、孔隙水壓力和荷載分布情況進行了詳細研究。Kou等[13]通過在黏土場地進行了開口管樁的靜壓沉樁試驗，對樁在貫入過程及貫樁后樁周土體剪切破壞區域的物理特征進行了分析研究。Gavin等[14]在黏土中做了一系列的現場壓樁試驗，分析了不同沉樁方法對樁側摩阻力發展變化的影響。

通過以上研究分析可以看出，近些年巖土學術界鮮有針對分層黏土在地基中樁連續貫入過程中的特性進行的研究。一方面由于在砂土中進行模型試驗周期短、易操作，而黏土固結時間長，孔隙水消散存在固結時效性等原因加大了黏土中試驗的難度；另一方面在實際工程現場中由于地基的成層性，又不存在均質的樁側土體、樁端土體的情況。因此考慮到樁基實際工作特點，本文通過在層狀高嶺黏土地基中采用室內1g重力場情況下的模型試驗，對比分析了成層黏土中徑向總應力(σr)在沉樁過程中的變化規律，并揭示了層狀黏土中靜壓樁的沉樁特性以及不同樁型沉樁終壓力與樁承載力之間的關系。借此成果希望能夠對靜壓樁在黏土中的沉樁機理研究方面做出一定的補充。

1 試驗方案

1.1 壓樁系統

試驗采用UWA(西澳大學)的梁式離心機壓樁系統，在1g黏土中進行了靜力壓樁試驗，壓裝系統見圖1。

圖1 1g重力場下梁式離心機壓樁系統Fig.1 Pile-jacking system of beam centrifuge at 1g-level foundation in UWA

1.2 土樣制備

試驗土樣采用UWA高嶺黏土，根據研究要求分別預制了均質軟質黏土和上硬下軟雙層黏土兩種地基。試驗前，軟質黏土及硬質黏土分別用150 kPa和600 kPa壓力進行預壓固結。試驗時將制備好的土樣放置到特定的土樣盒中，土盒尺寸長258 mm、寬163 mm、高160 mm，兩種類型地基土埋置深度均為150 mm，雙層黏土中上部硬質黏土高90 mm，下部軟質黏土高60 mm。

1.3 模型樁

本文試驗采用的模型樁為邊長(B)9.0 mm、長(L)185.0 mm的不銹鋼閉口樁。模型樁兩側距離樁端不同高度處共安裝6個直徑為6 mm的土壓力傳感器(B1,B2,B3,B4,F1,F2)，它們被鑲嵌在樁體表面與樁體平面水平，用于量測樁身不同位置(h/B=1，3，6，12；h為土壓力傳感器距樁端的距離)處的徑向總壓力 (σr)。這些土壓力傳感器最大量程可達到750 kPa。圖2為方底模型樁的詳細結構圖。

此外，試驗還采用了直徑(D)為9.5 mm，L為215.0 mm的圓底閉口鋼樁，見圖3。該模型樁底安置了端阻力的測試元件，可觀察樁端阻力的變化情況。

1.4 試驗設計

本次試驗在1g重力場情況下分別進行了T-bar觸探試驗、靜壓沉樁試驗和樁靜載荷試驗。T-bar尺寸D為50.0 mm、L為30.0 cm，結構可見圖4。

試驗時T-bar和模型樁分別以1.0 mm/s和0.5 mm/s的速率勻速貫入黏土樣130 mm深度處。此外，以0.01 mm/s速率對方形樁和圓底樁分別進行拉伸試驗和壓縮試驗，最大位移均為2 mm。

圖5為T-bar分別在均質軟質黏土和雙層黏土中貫入測試得到的不排水剪切強度(su)。本次試驗T-bar在穩定階段所受到的土體抵抗力與該點土體的強度比值取Nkt= 10.5[15-16]。

由圖5a可見，T-bar在貫入均質軟質黏土時，土體不排水強度先隨深度增加，到達一定深度后幾乎保持恒定值15 kPa左右。而對于雙層黏土，由圖5b可見，T-bar貫入在硬層黏土時，土體su值明顯大于均質的軟層黏土，且在距離土層分界面15 mm處土體su值迅速減??；在貫入下部軟質黏土層一定深度時土體su值幾乎無變化，并且數值上與均質軟質黏土同等深度處的不排水剪切強度接近。

圖2 模型樁身應變片布置圖Fig.2 Instrumented model pile

圖4 T-bar 觸探儀Fig.4 T-bar penetrometer

a.均質軟質黏土；b.上硬下軟雙層黏土。圖5 T-bar試驗測得的土體不排水強度Fig.5 Undrained shear strength by T-bar tests

2 試驗結果

2.1 貫入過程徑向總應力分析

本次模型試驗由于在1g情況下進行，隨著時間的推移黏土將發生軟化效應，故對于1g試驗貫樁后的應力變化數據不做討論。圖6為方形樁分別在1g情況下均質黏土及雙層黏土貫入過程中徑向總應力的變化曲線。

由圖6b可以看出：在硬質黏土層中沉樁時，徑向總應力明顯大于下覆軟質黏土，但是，結合圖5b可知，在硬質黏土層中σr/su值要小于在軟質黏土的情況；隨著h/B的增加，同一深度處徑向總應力逐漸減小，與一般試驗位移樁的觀測結果一致。此外，盡管雙層黏土中存在上覆硬質黏土，但當樁貫入下覆軟質黏土時，樁身不同位置處徑向總應力變化幾乎與同等深度均質軟質黏土時的應力值相同；可見對于雙層黏土，樁貫入到下層軟質黏土時，上層硬質黏土并沒有影響樁在下部軟質黏土中徑向總應力的變化。

a.均質軟質黏土；b.上硬下軟雙層黏土。圖6 1 g試驗壓樁過程中徑向總應力Fig.6 Lateral total stresses during pile installation at 1g

2.2 貫入過程力學特性分析

由試驗直徑為9.5 mm的圓底模型樁貫入黏土中測得的沉樁阻力及端阻力曲線見圖7。

由圖7a可見，在均質黏土中沉樁時：1)沉樁阻力隨貫入深度的增加而線性增加，樁端阻力則先增大后減小，當樁貫入一定深度時端阻力變化較小且逐漸趨向恒定值。2)在沉樁過程中，樁入土深度較淺時，樁端阻力占沉樁阻力的比例較大，但隨著樁貫入深度的增加，樁端阻力占沉樁阻力的比例明顯減??；這主要是因為在沉樁過程中樁側摩阻力逐漸被發揮，且隨著深度的增加而增大，樁側摩阻力所占沉樁阻力的比例也明顯大于樁端阻力所占比例，在整個沉樁過程中起著顯著的作用。

而在雙層黏土(圖7b)中沉樁時可發現：1)沉樁阻力并不一定隨樁入土深度的增加而累計增大，而是會隨著樁端處土體的軟硬程度不同而變化。當樁從較硬土層穿越到較軟土層時，距離分界面以上2D左右深度處，沉樁阻力隨深度增加的幅度明顯減小；這主要也是因為下覆較軟土層的存在使得來自樁端向下穿越沖剪土體產生的阻力急劇降低所致。2)對比均質軟質黏土樁端阻力，當樁貫入到下覆較軟土層時，端阻力逐漸減小，并在距離分界面以下2D左右范圍以外趨向接近均質黏土層同等深度處的樁端阻力；可見對于同一土層而言，當樁超過土層分界面以下一定影響范圍后，樁端阻力并不受相鄰土層性質的影響。3)隨著樁貫入深度的增加，樁側摩阻力占沉樁阻力的比例逐漸增大，在整個沉樁阻力中發揮主要的作用。

2.3 靜力壓樁承載力分析

由上述研究可知，一般在黏土中沉樁，當超過一定貫入深度時，樁側摩阻力所占沉樁阻力的比例明顯大于樁端阻力比值。就本試驗兩組地基類型來說，壓樁結束后樁側摩阻力分別占各自終壓力的80%和90%，可見樁側摩阻力在承載力方面也必承擔主要的作用。

此外，黏土中樁端阻力變化與一般常用的貫入測試儀器(例如T-bar、單橋CPT)貫入特征有一定的相似性，可通過這些測試結果進行經驗預估，而問題的關鍵是極限樁側摩阻力的確定，它不僅占承載力的主要部分，而且會隨土層類型的不同而呈現不同程度的增長。

因此，考慮到上述問題，本文主要從樁側摩阻力方面入手研究靜壓樁在黏土中的沉樁特性，并以探究其終壓力與樁側摩阻力之間的關系。

圖8為不同樁型在均質黏土及雙層黏土沉樁時樁側摩阻力(Qs)及樁端承載力(Qp)與樁端位移的關系曲線。在1g條件下進行了4組試驗，終壓力(Pu)與極限摩阻力(Qsu)的關系見表1。

a.均質軟質黏土；b.上硬下軟雙層黏土。圖7 壓樁過程中沉樁阻力及端阻力曲線Fig.7 Curves of penetration resistance and end resistance during pile installation

a.均質軟質黏土；b.上硬下軟雙層黏土。圖8 樁側摩阻力與樁端位移曲線Fig.8 Curves of shaft resistance and pile end displacement

表1 試驗終壓力與極限摩阻力

注：1.單層地基；2.雙層地基；s.方底樁；c.圓底樁。

由試驗結果可知，壓樁后隨著時間的推移，單樁承載力顯著提高，且增長主要來源于樁側摩阻力的增加，樁端阻力對承載力時效的影響較小。本次試驗極限側摩承載力均大于壓樁終壓力，最小幅度為1.09倍。分析其主要原因在于：1)黏性土的觸變時效。沉樁期間，黏土受擾動而使得強度降低，但隨時間推移土體建立了新的結構，使損失的強度逐漸恢復。2)固結時效。沉樁結束后，隨著樁周土體水分的排出，沉樁過程中引起的超孔隙水壓力逐漸消散，土的有效應力隨之增大，同時樁側土體在自重應力和擠壓應力的共同作用下固結，土體密實度也逐漸增大，這使得土體強度逐漸恢復甚至超過其原始強度。3)樁周部分土體受豎向剪切和徑向擠壓而發生重塑。樁在貫入過程中，樁周土體形成了如圖9所示的3個區域。

Ⅰ.重塑區 ； Ⅱ.過渡區 ； Ⅲ.非擾動區。圖9 靜壓樁塑性區剖面示意圖Fig.9 Plastic zone profile of jacked pile

重塑區內土體的總應力最大，隨著時間的推移，超孔隙水壓力逐步消散，土中有效應力逐漸增大，剪切強度逐漸恢復并提高，最終大于外圍土體剪切強度，在樁表面形成了一層“硬殼”，即相當增加了樁體產生側摩承載力的表面積，與樁共同作用，提高了樁側摩阻力。

3 結論與建議

1)對于雙層1g黏土試驗，當樁貫入到下層軟質黏土時，樁側徑向總應力變化幾乎與同等深度處均質軟質黏土中徑總向應力變化相同，可見上覆硬質黏土對下部軟質黏土力學性質影響較小。

2)在黏土中沉樁時，隨著樁貫入深度的增加，樁側摩阻力占沉樁阻力的比例逐漸增大，在整個沉樁阻力中發揮主要的作用。此外，對于同一土層而言，當樁超過土層分界面以下一定影響范圍后樁端阻力并不受相鄰土層性質的影響。

3)黏土中沉樁終壓力與樁側阻力的對比研究表明，壓樁后隨著時間的推移，單樁承載力均不同程度地提高，且增長主要來源于樁側摩阻力的增長，樁端阻力對承載力時效的影響較小。