黏性土中開口與閉口模型管樁受力性狀試驗研究

張明義，孫紹霞，王永洪，桑松魁，苗德滋，楊炳康

(1.青島理工大學 a.土木工程學院；b.山東省高等學校藍色經濟區工程建設與安全協同創新中心,山東 青島 266033;2.青島科尼樂機械設備有限公司, 山東 青島 266107)

靜力壓樁一般是指壓樁機械利用自身所攜帶的配重，用夾具緊緊夾住鋼筋混凝土樁或鋼管樁將其緩慢壓入土層的一種沉樁工藝，憑借對環境污染小、施工操作簡便、施工速度快、施工時沒有振動和噪音、綜合經濟效益高等優點，在廣東、浙江、上海等軟土地區以及青島地區部分樁基工程中得到廣泛應用[1-2]。眾多學者通過現場試驗和室內試驗對靜壓樁的樁身受力狀態進行了研究。張明義等[3]在不同場地進行了預制方樁的靜力壓樁試驗，對樁的實際受力狀態與靜力觸探曲線進行了對比，并對不同土層的殘余應力進行了監測。馬海龍等[4]通過對開口和閉口形式的模型樁進行原位靜壓沉樁試驗，從時效性方面分析其對樁身承載力的影響。鑒于現場試驗的工程地質條件復雜、耗費資金大、土層復雜多變、各種不確定性因素較多等情況，很多學者通過簡化現場復雜的土層條件，在室內采用按比例縮尺的模型箱和模型樁進行室內模型槽試驗或離心模型試驗。Paik等[5]研究了土塞對開口管樁承載力的影響，并結合室內模型樁試驗，提出了樁端承載力和開口端樁承載力的新經驗關系式。劉錕等[6]通過室內模型試驗研究不同樁端土層對鉆孔灌注樁承載性的影響，建立了樁側摩阻力-樁土相對位移的歸一化關系。李鏡培等[7]采用離心模型試驗研究了飽和黏土貫入過程的土壓力，通過CPTU試驗研究側摩阻力、錐頭阻力貫入過程變化規律，最后與圓孔擴張理論值相對比。劉清秉等[8]通過離心模型靜力觸探試驗研究了砂土顆粒形狀對沉樁過程錐端阻力的影響并進行量化分析，得出的計算值與實測值相吻合。目前，大多數室內模型試驗從樁身材料、地基土層、管樁壁厚、樁徑、樁長等單一或多個方面研究沉樁過程中樁身荷載傳遞規律[9-11]，但對開口和閉口管樁在靜壓沉樁過程受力狀態研究較少。且室內靜力沉樁試驗的測試元件大多采用應變片，但傳統的測試元件易受環境影響，成活率、可靠性均較低[12-13]。

為研究開口和閉口靜壓樁的貫入機理[14]，借助青島理工大學研制的模型試驗系統進行了黏性土中大比例的室內沉樁試驗，采用管樁表面開淺槽、粘貼放入光纖光柵傳感器的方法，研究開口和閉口模型管樁在貫入過程中的壓樁力、樁端阻力、樁側摩阻力、樁身軸力隨沉樁深度的變化規律。

1 試驗準備

試驗場地位于青島理工大學動力實驗中心，試驗所用儀器為青島理工大學研制的大比例模型試驗系統。

1.1 試驗系統

該系統主要包括加載系統、數據采集系統、模型箱。其中，加載系統主要由電控系統、液壓千斤頂、橫梁和反力架等組成。數據采集系統采用FS2200RM光纖光柵解調儀、DH3816N靜態應變采集儀對試驗數據進行實時、同步、精確采集；試驗所用模型箱由鋼板焊成，其尺寸為3 m×3 m×2 m(長×寬×高)，為便于觀察沉樁過程，正面采用鋼化玻璃窗，如圖1所示。

圖1 試驗模型箱

1.2 地基土的制作

室內模型試驗所用的土樣取自青島某住宅工程現場粉質黏土層，試樣運至實驗室后，根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—1999)[15]，對土樣烘干、粉碎、過篩3道工序制成重塑土樣并覆蓋多層薄膜，靜置大約30 d后，正式進行壓樁試驗。相關的物理力學參數見表1。

表1 土樣物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of soil samples

1.3 模型樁

室內試驗進行兩根雙壁鋁制材料模型樁的靜力壓樁試驗，樁管壁厚度均為3 mm，管樁長度均為1 000 mm，模型樁根據樁端形式分為開口、閉口兩種形式，兩種管樁均通過內六角螺栓與管樁樁端相連；開口樁端處內管與底座之間有微小縫隙，為防止沉樁過程中進入黏土影響測試效果，使用密封膠進行填充密封。其中，模型具體參數見表2，雙壁模型管樁的結構示意圖見圖2。

表2 模型管樁參數表Table 2 Model Pipe Pile Parameter Table

圖2 雙壁模型管樁結構示意圖Fig.2 Schematic diagram of double-wall model pipe pile

2 室內靜力沉樁試驗

2.1 光纖光柵傳感器的布設

試驗采用深圳簡測科技公司生產的JMFSS-04增敏微型光纖光柵傳感器(以下簡稱FBG傳感器)測樁身應力。其中，模型樁TP1需要在模型樁內管和外管各粘貼安裝6個FBG傳感器，總共12個傳感器；模型樁TP2只在外管粘貼6個FBG傳感器。

具體安裝流程為：1)先在外管表面開一條2 mm×2 mm(寬度×深度)的淺槽。2)FBG傳感器安裝前使用酒精和棉球將安裝槽擦洗干凈。3)FBG傳感器從樁端至樁頂編號依次為1#～6#，傳感器沿管樁樁身方向總體呈下密上疏分布，傳感器間距如圖3所示。4)FBG傳感器在安裝時，用棉棒分別夾住光纖光柵兩端，先用704膠粘貼一端，為擴大量程，需移動未膠結的另一端進行預拉伸，當波長增長2 nm左右時，停止預拉伸，用膠水粘結固定自由端。5)FBG傳感器全部安裝結束后，FBG傳感器的FC接頭使用酒精和棉球擦洗干凈，連接FS2200RM光纖光柵解調儀，檢測其成活率，待成活率滿足要求后，使用環氧樹脂膠和植筋膠進行封裝，使其表面與樁身表面齊平。FBG傳感器的部分參數見表3，FBG傳感器的樁身布設見圖3。

圖3 FBG傳感器布設圖(單位：cm)Fig.3 Layout of the FBG sensor (unit: cm)

參數類型波長間隔/nm中心波長/nm量程/με分辨率/με使用溫度/℃參數大小±31 510～1 590±1 5001-30～120

2.2 樁位的選擇

依據《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)[16]中基樁的最小中心距為4倍樁徑的規定，試驗的兩組模型管樁均布置在模型箱的中心位置，可忽略邊界效應[17]。

2.3 試驗過程

在地基土制備完成后大約30 d，進行兩根試驗樁的靜力沉樁試驗。沉樁過程包括：1)通過電控系統將加載橫梁上的液壓千斤頂移動到指定樁位。2)打開系統主機，通過油泵控制千斤頂上升到一定高度，將試樁直立放到待壓樁位，使用磁性盒式水平尺吸附在管樁樁身表面上，確定管樁是否垂直，防止發生偏心受壓。3)待確定管樁直立后，再次通過系統主機控制油泵進行加壓，使液壓千斤頂緩慢勻速下降，直至將要接觸管樁樁頂時停止加壓。4)將每個FBG傳感器的傳輸線依次與其對應的采集儀器連接。5)待確認連接無誤且參數調整完畢后，正式進行壓樁試驗前進行數據采集。6)整個沉樁過程分兩次完成，中間一次停頓以增加千斤頂的下落高度，沉樁速率為300 mm/min，加載過程如圖4所示。

圖4 試驗加載過程

3 FBG傳感器數據處理

為研究不同樁端形式對樁側單位摩阻力的影響，試樁通過樁身表面粘貼FBG傳感器，并在沉樁過程中使用FS2200RM光纖光柵解調儀測得的光纖波長差ΔλB，依次通過式(1)～式(4)推算樁側單位摩阻力。

應變變化值ΔλB的表達式為

ΔλB=(1-Pe)λBΔε=KεΔε

(1)

式中：ΔλB為波長差，nm；Pe為光柵有效彈光系數；λB為光線光柵中心波長，nm；Δε為應變變化值；Kε為靈敏度系數，pm/με。

沉樁過程中樁身軸力N的表達式為

Ni=EcΔεAp

(2)

式中：Ni為第i個FBG傳感器位置的樁身軸力，kN；Ec為樁身混凝土彈性模量，MPa；Δε為樁身應變變化值；Ap為樁身橫截面面積，mm2。

靜力沉樁過程中的樁側單位摩阻力的表達式為

Qi=Ni-Ni+1Qi=Ni-Ni+1

(3)

(4)

式中：Qi為第i截面的側摩阻力，kN；qi為第i截面單位側摩阻力，kPa；u為樁的周長，m；li為第i與i+1截面之間的距離，m；D為樁徑，m。

4 試驗結果及分析

4.1 沉樁過程壓樁力分析

靜力沉樁過程中的壓樁力主要由樁側摩阻力和樁端阻力組成，針對此次試驗黏性土體環境，為了更好地觀察沉樁過程不同樁端形式對試樁TP1和TP2壓樁力的影響，繪制圖5，以示意靜力沉樁過程中壓樁力變化。

圖5 靜力沉樁過程壓樁力變化Fig.5 Variation of pile force during static pile

由圖5可以看出，兩根試驗管樁的壓樁力均隨著沉樁深度的增加近似呈線性增大趨勢，且在其他條件相同的情況下，在整個沉樁過程中,試樁TP2比試樁TP1壓樁力大，這是因為試樁TP1為開口管樁，樁底會逐漸形成土塞，土塞的形成需要一個過程，并且即使土塞高度逐漸趨于穩定，也達不到閉口管樁的封閉效果，所以，開口管樁的壓樁力小于閉口管樁[18]。由圖5還可以看出，沉樁深度到達30 cm時，兩根試樁的壓樁力出現相近現象，此現象持續至沉樁深度約50 cm左右，其相應壓樁力變化范圍為1.3～1.6 kN；當沉樁深度為90 cm時，試樁TP2的最終壓樁力為2.94 kN，比相同直徑、樁長的試樁TP1最終壓樁力2.54 kN高出16%，說明要達到同一貫入深度，閉口管樁需要更大的壓樁力。

4.2 沉樁過程樁端阻力分析

對試樁TP1、TP2分別進行室內靜力沉樁試驗，通過整理資料可以看出，最大樁端阻力由樁底1#FBG傳感器的數值表示，不同試樁在沉樁過程中的樁端阻力變化趨勢反映出不同樁端形式對其荷載傳遞方式的影響，靜力沉樁過程樁端阻力變化如圖6所示。

圖6 靜力沉樁過程樁端阻力變化Fig.6 Change of pile end resistance during

由圖6可以看出，當沉樁深度小于10 cm時，試樁TP1的樁端阻力小于試樁TP2，主要是因為試樁TP1為開口管樁，在剛開始沉樁時，土塞高度較低，未完全形成，樁端阻力均未充分發揮，故其端阻力較??；當沉樁深度為10～45 cm時，出現試樁TP1的樁端阻力大于試樁TP2的情況，分析其原因：隨著沉樁深度的增加，試樁TP1的土塞逐漸形成，高度變化較小，從而使樁端阻力逐漸增大；當沉樁深度大于45 cm時，試樁TP1的樁端阻力逐漸接近試樁TP2，且呈線性增大趨勢。閉口管樁試樁TP2從1.10 kN增至1.75 kN，樁端阻力增長幅度約37%，開口管樁試樁TP1從1.13 kN增至1.70 kN，此階段開口管樁樁端阻力增長幅度約29%，其原因是：此時土塞高度基本穩定，閉塞效果增加，使得開口管樁與閉口形式管樁端阻力差別甚小。由圖6還可以看出，兩根試樁達到最大沉樁深度時，試樁TP1樁端阻力達到1.70 kN，試樁TP2樁端阻力達到1.75 kN，開口管樁的樁端阻力略小于閉口管樁，說明開口管樁在黏性土中形成了穩定的土塞，其沉樁特性與閉口管樁非常相似，分析認為：此時土塞與樁管的內壁沒有相對滑移，樁的承載力由樁端全截面承受的阻力和樁側摩阻力構成[19]。對于實際工程中以承受樁端阻力為主的管樁建議做成開口形式，可節約成本。

4.3 沉樁過程樁側摩阻力分析

試樁TP1、TP2靜力沉樁過程中的總樁側摩阻力是通過樁身表面粘貼FBG傳感器，并由FS2200RM光纖光柵解調儀測得的光纖的波長差，由式(1)～式(3)換算得到。其中，試樁TP1為雙壁開口管樁，為研究其內、外管側摩阻力的分布，在內、外管按相同間距沿樁身均勻布置FBG傳感器，試樁TP1內、外管側摩阻力分布如圖7所示。

圖7 試樁TP1內、外管側摩阻力分布Fig.7 Distribution of side frictional resistance of inner and outer tubes of test pile

由圖7可以看出，試樁TP1的內、外管側摩阻力均隨著沉樁深度的增加而增大，且外管側摩阻力大于內管側摩阻力，與劉清秉等[8]研究的結論一致。當試樁TP1的沉樁深度在10 cm以內時，內、外管樁側摩阻力均較小，基本不超過0.1 kN。當沉樁深度超過20 cm時，外管側摩阻力遠大于內外管側摩阻力，且外管的側摩阻力從0.21 kN增至0.63 kN，增長幅度約66.7%，可以看出，此階段增長速度較快；內管側摩阻力從0.04 kN增至0.07 kN，增長幅度約45.7%，可以看出，內管側摩阻力增長速率遠小于外管。當沉樁深度到達90 cm時，內、外管側摩阻力達到最大值，分別為0.21 kN和0.63 kN，外管側摩阻力是內管側摩阻力的3倍；說明開口試樁在沉樁過程中內壁摩阻力也逐漸發揮著傳遞上部荷載的作用，當土塞高度趨于穩定時，內管摩阻力固定在0.2 kN左右，而外管在樁側摩阻力發揮方面則始終起主導作用。

圖8 靜力沉樁過程中總樁側摩阻力變化Fig.8 Variation of friction resistance of total pile side during static pile

由圖8可以看出，試樁TP1的總樁側摩阻力發展趨勢與TP2相同，即：樁側摩阻力隨著沉樁深度的增加逐漸增大，且在同一沉樁深度處，TP2的總樁側摩阻力大于TP1。原因是開口試樁TP1貫入過程切土能力強，所以，沉樁速度快且連續貫入，使得開口試樁在樁側摩阻力的發揮上不如閉口試樁，因而數值上較小。

由圖8還可以看出，樁端形式不管是開口還是閉口，在沉樁深度小于10 cm時，總側摩阻力均較小，不超過0.1 kN。這是因為，試樁入土深度較淺時，樁身與土之間未能緊密接觸，樁身晃動導致淺層土松動，使得淺部土體總樁側摩阻力較小。試樁TP1在10～45 cm沉樁深度范圍內，總樁側摩阻力的增長速率較快，分析認為：試樁TP1為開口管樁，在沉樁初期，土塞高度較小，樁側摩阻力發揮主導作用，所以，樁側摩阻力增長較快；當試樁TP1沉樁深度超過45 cm時，總樁側摩阻力增長速度變緩，究其原因，當沉樁達到一定深度時，土塞已穩定，高度變化很小，具備了一定的閉口管樁效果，樁端阻力持續上升，承擔了較大的壓樁力，此時的樁側摩阻力雖然持續增長，但增速降低。兩根試樁在沉樁深度為90 cm時，總樁側摩阻力均達到最大值，分別為0.85 kN和1.19 kN，閉口試樁TP2的總樁側摩阻力比開口試樁TP1高出40%。

4.4 試樁樁身軸力結果分析

試樁TP1是開口雙壁管樁，在靜力沉樁試驗過程，土塞的高度隨著貫入深度依次增加情況見表4。試樁TP1、TP2的樁身軸力通過式(1)和式(2)求出，繪制出的試樁TP1內、外管軸力、TP2樁身軸力分布曲線見圖9～圖11所示。

由表4可以看出，黏性土體靜力沉樁過程中，開口試樁TP1隨著貫入深度的增加，土塞逐漸形成并趨于穩定，且在最大沉樁深度處，土塞高度達到最大值33 cm。

圖9 試樁TP1內管軸力分布圖Fig.9 Axial force distribution diagram of inner tube

圖10 試樁TP1外管軸力分布圖Fig.10 Axial force distribution diagram of test tube TP1 outer

圖11 試樁TP2樁身軸力分布圖Fig.11 Axial force distribution diagram of test pile TP2

由圖9、圖10可以看出，試樁TP1內、外管軸力在不同貫入深度下均隨著沉樁深度的增加而減小，且軸力的分布曲線斜率逐漸減小，說明樁側摩阻力由上而下逐漸發揮作用，且隨著沉樁深度增加、內管土塞高度逐漸增大并趨于穩定，相應的樁側摩阻力就越大，對軸力的影響也越顯著。從圖中還可以看出，貫入深度從10 cm到90 cm的過程中，距樁端同一距離的內、外管截面軸力逐漸變大。這主要是因為，隨著貫入深度的增加，土塞高度也隨之增加并逐漸趨于穩定，此階段土塞對內管的擠密作用越明顯，導致黏聚力增加、側壓力不斷增大，從而引起軸力變大。

對比圖10、圖11可以看出，試樁TP1的外管軸力與TP2的樁身軸力分布規律相似，但閉口形式的模型管樁TP2在軸力分布上整體要比開口形式的試樁TP1大，說明不同的樁端形式會影響試樁沉樁過程中樁身軸力的傳遞。

4.5 試樁樁側單位摩阻力結果分析

假定樁側摩阻力沿管樁樁身均勻分布，根據各試樁沿樁身的軸力變化，按照式(3)、式(4)可以得到各試樁在不同貫入深度下的樁側單位摩阻力隨沉樁深度的分布曲線，如圖12～圖14所示。圖中取上、下兩相鄰FBG傳感器之間的中點作為該段深度對應的單位側摩阻力的縱坐標，進行試樁TP1內管分布曲線的繪制。

圖12 試樁TP1內管單位側摩阻力分布圖Fig.12 Distribution of the side frictional resistance of the inner tube of the test pile

由圖12可以看出，在不同貫入深度下，試樁TP1內管的單位側摩阻力隨沉樁深度的增加呈不均勻增大趨勢，總體呈上小下大分布。分析其原因：在同一貫入深度下，隨著沉樁的不斷進行，沉樁深度不斷增加，內管中的土塞不斷形成，并且土塞高度不斷上升，在這個過程中，下部土塞逐漸變得比上部密實，上層土體的擾動作用造成黏聚力一定程度降低，內摩擦角也相應地有所降低，而下部土塞對內管側壁的擠壓作用更明顯，使得沉樁過程內管下部樁側摩阻力逐步增大[20]。

此外，比較不同貫入深度下樁端1#和2#FBG傳感器之間的單位側摩阻力可以發現，貫入深度從10 cm到90 cm的過程中，1#和2#FBG傳感器之間的單位側摩阻力依次為0.19、1.17、1.34、1.52、1.67 kPa；這表明隨著貫入深度的增加，內管下部1#和2#FBG傳感器之間的土塞高度逐漸上升且上升速度逐漸降低，從而受到土塞擠壓更強烈，使得單位側摩阻力總體呈不均勻遞增趨勢。

圖13 試樁TP1外管單位側摩阻力分布圖Fig.13 Distribution of the side frictional resistance of the outer tube of the test pile

由圖13可以看出，不同貫入深度下，外管的單位側摩阻力隨沉樁深度增加的變化趨勢與內管相同。且當貫入深度達到最大90 cm時，樁側單位側摩阻力的分布呈下大上小的形式，與文獻[21-22]提到的樁側摩阻力三段式分布相似。即：當試樁貫入地面深度小于10 cm時，由于初始下沉過程樁身晃動、淺層土體位移，使得樁身與土體產生小縫隙，從而此段樁側摩阻力最??；在樁身中部區域，樁周土提供的水平側壓力較大，從而使單位側摩阻力逐漸增大；在最大沉樁深度處即外管樁端部分，因樁-土直接接觸的原因，此處的樁周土的水平側壓力達到最大值，對外管樁身的水平擠壓更強烈，因此，單位側摩阻力達到最大值。

另外，通過比較同一沉樁深度處的單位側摩阻力分布可以發現，隨著貫入深度的增加，同一沉樁深度處的單位側摩阻力逐漸減小，即：樁側摩阻力存在“退化效應”[23]。原因可能是：貫入深度越大，上部土層的擾動程度遠比下部土層嚴重，使得樁與土的接觸空隙增大，內摩擦角有一定幅度的降低，導致樁側摩阻力逐漸減少。另一個原因是，樁入土之前，樁身相對粗糙度較大；入土之后，由于細顆粒填充了樁身的凸凹表面使相對粗糙度減少，也會導致摩擦角減小，引起樁側摩阻力退化。

圖14 試樁TP2樁身單位側摩阻力分布圖Fig.14 Distribution of the side frictional resistance of the pile TP2 pile

圖15 試樁TP1沉樁全過程荷載曲線Fig.15 Load curve of the whole process of test pile TP1 sinking

觀察圖14中的試樁TP2樁身單位側摩阻力分布曲線發現，其單位側摩阻力隨沉樁深度的變化規律與試樁TP1外管單位側摩阻力分布相似。通過對比最大貫入深度下各試樁外管單位側摩阻力的分布發現，最大貫入深度范圍內，各單位側摩阻力雖然均呈增大趨勢，但在數值方面試樁TP2大于TP1。這是因為試樁TP1是開口管樁，沉樁過程中樁端對土的剪切作用強烈，沉樁速度較快，因而單位側摩阻力最小。

4.6 沉樁過程受力性狀分析

圖15、圖16所示為兩根模型管樁在靜力沉樁過程中總的受力狀態。

圖16 試樁TP2沉樁全過程荷載曲線Fig.16 Load curve of the whole process of test pile TP2 sinking

由圖15、圖16可以看出，兩根試樁沉樁過程的壓樁力、樁端阻力等荷載均隨著沉樁深度的增加逐漸變大，且沉樁深度均小于10 cm時，壓樁力等于樁端阻力。試樁TP2在壓樁力、樁端阻力、樁側摩阻力方面均比試樁TP1大，與蔣躍楠等[9]的研究結果一致。這可能是由樁端形式導致的，試樁TP1為開口管樁，在沉樁過程中會形成土塞，經過量測，土塞高度隨著管樁沉樁深度的增加逐漸趨于穩定，起到類似閉口管樁的效果，但因為土塞是逐漸形成的，所以，閉口效應較弱，導致試樁TP1的壓樁力等荷載較小。沉樁結束時，兩根試樁的樁端阻力、樁側阻力占壓樁力的百分比見表5。

表5 沉樁結束時樁端阻力、樁側阻力占壓樁力的百分比Table 5 Percentage of pile end resistance and pile side resistance at the end of pile sinking

由表5可知，黏性土中的靜力壓樁、開口管樁和閉口管樁的樁端阻力占比均超過50%，即樁端阻力承擔了大部分的壓樁力。

5 結論

為研究不同樁端形式對樁基承載性狀的影響，通過靜力沉樁試驗，對兩根模型試樁荷載傳遞規律和承載性能進行對比分析，并針對黏性土地基情況，得到如下結論：

1)兩根模型管樁的壓樁力均隨著沉樁深度的增加近似呈線性增大趨勢，在沉樁深度達到90 cm時，試樁TP1、TP2壓樁力均達到最大值，分別為2.54、2.94 kN，閉口管樁比開口管樁高出16%。

2)黏性土中的靜力壓樁，開口管樁和閉口管樁的樁端阻力占比均超過50%，說明樁端阻力承擔了大部分的荷載，表現出較好的端承特性，壓樁力中的樁側摩阻力占比小于45%。

3)在不同貫入深度下，試樁TP1內、外管軸力和試樁TP2樁身軸力均隨著沉樁深度的增加而不斷遞減，且軸力分布曲線的斜率逐漸減小。在貫入深度為90 cm時，土塞高度達到最大值33 cm。

4)在最大貫入深度下，樁側單位側摩阻力呈下大上小的三段式分布形式。并且，隨著貫入深度的增加，同一沉樁深度處的單位側摩阻力逐漸減小，表明樁側摩阻力存在“退化效應”。當雙壁開口管樁TP1沉樁深度達到最大時，外管側摩阻力是內管側摩阻力的3倍。