小型預制樁擠土效應模型實驗研究

陳祥彬 李利平

(1.麗水學院 工學院， 浙江 麗水 323000；2.麗水學院 工學院， 浙江 麗水 323000)

0 引言

小型預制樁基礎因為其施工機具輕便、造價合理、穩定可靠等優點在我國的輸電桿塔基礎，擋土結構和邊坡支護等領域應用得非常廣泛[1,2]。而小型預制樁的施工一般是使用氣錘、落錘或者柴油錘等施工機具將樁體錘擊或靜壓到持力層[3]。在這個過程中，樁體會對周圍的土體進行擠壓，使土體中的壓力增加引起土體產生水平位移和豎向隆起，這種現象就是工程上常見的擠土效應。對于預制樁的擠土效應。一些學者[4]使用ABAQUS等軟件對其進行研究，但是預制樁打樁過程中，周圍的土體力學機理較為復雜，軟件模擬的結果與實際情況存在較大的差異。而現場實驗雖然能夠最大限度的反映工程實際， 但由于受場地空間有限、工期緊張、儀器設備埋設困難、費用較為昂貴等因素的限制, 不易得到可靠的試驗數據而無法被廣泛應用[5]。因此越來越多學者都傾向于使用室內模型實驗來研究預制樁的擠土效應[6,7]。為此通過采集麗水典型場地的粉土，完成了預制鋼樁的和預制群樁在錘擊過程中的擠土效應研究。

1 實驗設計

1.1 實驗土體的制備極其參數

本次實驗用土取自麗水某典型場地的粉土，土樣取回后攤晾干燥后破碎過篩。去除土體中的石子和其他塊狀雜質。然后加水拌合后使用塑料薄膜覆蓋悶樣，使水分充分潤濕土體后分層填筑到模型箱中。然后使用紅磚作為堆載，對模型箱中的土樣進行堆載固結。其物理力學指標如表1所示。

表1 實驗土體物理力學指標

1.2 模型箱和模型樁設計

此次模型實驗為室內實驗，設計模型箱的尺寸長×寬×高=1000mm×1000mm×900mm。四周采用不銹鋼槽做骨架，面板為 12mm厚的高強度防爆玻璃。實驗用土設計裝填60cm厚，模型樁的東西兩側裝有支架用于支撐錘樁裝置和位移計，制作好模型箱如圖1所示。預制模型樁采用不銹鋼制作，樁長為60cm，幾何外形為方樁，共有15mm×15mm、20mm×20mm、25mm×25mm三種不同尺寸，樁端為平頭。錘擊前使用砂紙張打磨其表面，使預制樁與實驗土體的接觸條件與實際相吻合。單樁樁位位于模型箱的中心，群樁采用 2×2布樁，樁距為 8cm（4d）。制作好模型樁如圖2所示。

圖1 模型箱示意圖

圖2 模型樁示意圖

1.3 壓樁裝置設計

使用不銹鋼在模型箱兩側設置支架然后支撐中間的支撐板，支撐板中間開孔，孔位與模型箱的中心對其。孔下粘接PVC管作為錘樁過程中的模型樁護筒，防止模型樁入土過程保持垂直姿態。具體設計如圖3所示。

圖3 支撐架剖面圖

1.4 測量裝置設計

本次實驗需要測量模型樁入土過程中土中的壓力變化和土表的隆起以及水平位移。其中土體中壓力采用土壓力盒子進行測量。分兩層進行埋設，第一層測點設計埋深為距離土體底面20cm,第二層設計埋設為距離土體底面 40cm。每層的測點均勻分布，具體為距離模型樁中心線的東西兩側每隔10cm設置一個測點，每個方向放置4個。土體的豎向隆起量和水平位移 使用位移計進行測量，位移計型號如圖 4所示，由于位移計的測針容易刺入土體中的空隙中，因此在每個位移測量點下埋設硬質泡沫塊，壓樁前將探針與泡沫塊接觸良好如圖5所示。

圖4 土體位移計

圖5 土體位移測量裝置圖

1.5 實驗過程

本次實驗先后完成了不同樁徑的模型樁擠土實驗，測量了單樁入土時樁側土體內部的壓力變化，并通過位移傳感器測量了表層土體的位移量。每錘入土體5cm記錄一次土體內部的壓力數據，直到錘入50cm為止。由于土體表面的位移量比較微小，因此只記錄入土深度為50cm時的水平位移和豎向隆起量。單樁擠土實驗完成后進行了群樁擠土實驗的研究，群樁擠土效應實驗的過程的與單樁擠土效應實驗過程基本一致，實驗得到了模型樁入土過程中土側壓力隨模型樁入土深度變化曲線圖和土表位移盒徑向距離的關系曲線圖。

2 實驗數據及分析

2.1 土體表面隆起及水平位移分析

圖6和圖7分別給出了沉入不同樁徑單樁和沉入2×2群樁的土體表面的水平位移以及豎向隆起量與徑向距離（測點距離單樁中心線或距離群樁的幾何中心的距離）。從圖6中可以清楚的看到土體的表面位移隨徑向距離的增加而不斷減小而且樁徑越大水平位移越大。這是因為模型樁擠壓土體產生的應力在土中傳播時引起土體的塑性變形和彈性變形，其應力能不斷的被土土吸收衰減，距離擠壓中心越遠得到的能量越小，同時圖中還顯示 20mm樁徑的群樁擠土產生的最大水平位移約為沉入同等直徑單樁的2.2～2.7倍。圖7的規律與圖6的規律基本一致，隆起量隨著徑向距離的增加而減小，隨樁徑的增加而增加，最大豎向隆起位移約為沉入同等直徑單樁的 2～3倍。值得注意的是無論是單樁還是群樁擠土效應產生的豎向隆起量均高于土體表面的水平位移。原因是因為模型箱的箱體材料的彈性模量相比土體而言要大很多，基本可以認為模型箱是一個剛體，其側壁約束了土體水平變形，而土體的豎向變形則沒有這種約束。

圖6 土體水平隆起與徑向距離變化曲線圖

圖7 土體豎向位移與徑向距離變化曲線圖

2.2 土體中土壓力變化分析

圖8 ～11給出了模型樁入土時，土壓力隨模型樁入土深度的變化曲線圖。由于土壓力盒分兩層兩個方向進行埋設，故圖例中V20代表土壓力盒距離土體地面的距離為20cm，N20表示土壓力盒在南向埋設，距離樁體中心線的距離為20cm，故V20-N20的編號含義就是指土壓力盒埋設在模型樁的南向，距離土體底部的距離為 20cm,V20-W20則是指土壓力盒埋設在模型樁的北向，距離土體底部的距離為20cm。圖顯示每個測點的土壓力大小都隨著模型樁的入土深度的增加而增加。而且南北兩側的土壓力大小基本一致，且測點離模型樁中心線越近土壓力越大。這說明模型樁擠壓土體產生的應力能是向四周均勻擴散并逐漸衰減的。同時我們還注意到測點測到的土壓力隨著樁徑的增加而增加，說明樁徑越大擠土效應越明顯。

圖8 15mm樁徑單樁入土過程中土壓力變化曲線圖

圖9 20mm樁徑單樁入土過程中土壓力變化曲線圖

圖10 25mm樁徑單樁入土過程中土壓力變化曲線圖

圖11 20mm樁徑群樁入土過程中土壓力變化曲線圖

圖 12～13給出了模型樁入土時土中壓力隨徑向距離的變化曲線，圖例中V20-R20表示土壓力計埋設在距離土體底面20cm處，模型樁的入土深度為20cm,由上文可知，模型樁擠壓土體產生的應力能是向四周均勻擴散并逐漸衰減的。因此圖 12～13中的土壓力值取東西兩側同等埋深，同等徑向距離的土壓力盒測量值的平均值。圖中可以更加清楚的看到土壓力隨著徑向距離和樁徑的增加而增加。圖12中模型樁只入土20cm時，不同樁徑的土壓力曲線距離靠的比較近，在模型樁入土40cm的時候，不同樁徑的土壓力曲線相離得比較明顯，這說明模型樁的擠土效應隨樁徑的增加而增加的同時樁徑對擠土效應的影響只有在模型樁入土到一定程度時才明顯的顯示出來。圖13是20mm樁徑群樁入土過程中土壓力變化曲線圖，圖中還將 20mm樁徑單樁入土過程中土壓力變化曲線繪制出來以便與群樁的曲線進行對吧。群樁入土時的土壓力隨樁徑和徑向距離的變化規律與單樁基本一致，且群樁的最大土壓力值約為單樁最大土壓力值的1.5倍，這說明群樁比單樁的擠圖效應更加明顯。

圖12 15、20、25mm樁徑單樁入土過程中土壓力變化曲線圖

圖13 20mm樁徑群樁入土過程中土壓力變化曲線圖

3 結語

本次實驗通過采集麗水典型場地的粉土，完成了預制鋼樁的和預制群樁在錘擊過程中的擠土效應研究。實驗表明模型樁在沉樁過程中，擠土效應隨著徑向距離的增加而衰減，離模型樁5cm處的擠土效應達到最大值。東西兩側埋設的土壓力盒的測量數據基本一致即模型樁的擠土效應向四周均勻擴散并隨著距離的增加逐漸衰減。模型樁樁徑對擠土效應的影響只有當模型樁入土到一定深度的時候才能明顯的顯示出來。群樁的產生的土壓力約為同等樁徑單樁的1.5被，水平位移約為同等直徑單樁的2.2～2.7倍，土體表面的豎向隆起量約為同等直徑單樁2～3倍。即群樁的擠土效應較為明顯，應該著重考慮群樁的擠土效應對工程的影響。