不同直徑單樁靜壓貫入力學特性模型試驗研究

王永洪，張明義，孫紹霞，白曉宇，苗德滋

(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)

靜壓沉樁過程中樁身受力復雜，樁端破土受到樁端阻力，樁身與土產生滑動摩擦并受到樁外側阻力[1]。通過試驗研究靜壓沉樁的受力機制，對深入認識靜壓沉樁過程的貫入機制及靜壓樁施工中承載力的確定具有重要價值。

學者們對靜壓樁貫入機制，尤其在圓孔擴張理論方面進行了系列研究，并取得了一定成果[2-5]。在現場試驗方面，張明義等[6]在現場足尺靜壓樁樁底安裝自制傳感器、樁頂同步讀取壓樁力進行試驗，并分離樁側總摩阻力和樁端阻力。寇海磊等[7]通過PHC管樁樁身刻槽埋入FBG傳感器，分離了沉樁過程的樁端阻力和樁側摩阻力。胡永強等[8]對模型樁進行了現場靜力壓入及載荷試驗，研究了穿過不同土層時樁端阻力和樁側阻力的變化機理，提出了根據終壓樁側摩擦情況判斷承載力時效性的方法。在數值分析方面，張明義等[9]提出了利用ANSYS軟件的位移貫入法數值計算模擬方法，比較接近靜力壓樁沉樁結果。葉建忠等[10]利用二維顆粒流理論模擬了靜壓沉樁過程，研究了沉樁過程中樁體力學行為表現及受沉樁影響的樁周土體細觀結構。寇海磊等[11]通過分段采用不同本構模型，利用ABAQUS模擬了層狀地基土中靜壓樁連續貫入過程，得到了靜壓沉樁阻力在軟硬交互層狀土中的變化規律。離心模型試驗可以更好地模擬實際工程中的自重應力，得到了眾多學者的青睞。Nicola等[12]在砂土中進行了開口管樁沉樁離心模型試驗，研究了管樁貫入砂土中的力學性狀。Lehane等[13-14]分別進行了干砂中開口管樁和固結砂土中閉口鋼方樁的離心模型貫入試驗，研究了干砂中不同樁周土體應力、樁徑和壁厚的沉樁力學特性，得到了固結砂土中樁側水平有效應力增大的影響因素。劉清秉等[15]進行了不同密實度砂樣的離心模型試驗，得到了不同顆粒形狀對閉口靜壓樁端阻力的影響。李雨濃等[16]進行了高嶺黏土中靜壓沉樁離心模型試驗，利用模型樁頭荷重傳感器和樁底端阻力測試元件測試了貫入過程中的沉樁阻力和樁端阻力。

室內沉樁模型試驗是研究靜壓沉樁貫入力學機制最直接的方法，眾多學者通過室內模型試驗對靜壓沉樁問題進行了研究。Kenneth等[17-18]在砂土管樁貫入模型試驗中發現，在某一固定深度處，隨著h/D的增加，樁側動摩阻力不斷減小，并對密砂中樁側摩擦疲勞效應進行了研究。White等[19]進行了一系列平面應變標定槽試驗，研究了砂土中樁尖貫入機理和樁土界面貫入特征。周健等[20-21]分別進行了研究均質和分層砂土中靜壓樁沉樁過程力學特性的模型試驗，發現均質和分層砂土中樁端阻力均存在臨界深度現象，均質砂土中樁側摩阻力存在摩擦疲勞現象，極限端阻所需刺入深度分層砂土小于均質砂土。肖昭然等[22]通過室內模型裝置研究了砂土中靜壓沉樁機理，得到了靜壓沉樁過程圍壓和摩阻力的關系。周航等[23]通過異形截面樁透明土沉樁模型試驗，開展了圓形樁和XCC樁沉樁擠土試驗，并將模型試驗得到的沉樁擠土位移場分布規律與理論計算位移對比驗證。李雨濃等[24]進行了均質和雙層高嶺黏土中靜壓沉樁特性模型試驗，研究了沉樁過程樁側摩阻力發揮程度及不同樁型沉樁終壓力與樁承載力的關系。

從以上研究可以看出，目前，靜壓沉樁貫入機制的模型試驗研究仍主要集中在砂土中，黏性土層中的靜壓沉樁貫入模型試驗研究還較少，且考慮樁徑影響的靜壓沉樁貫入特性尚缺乏深入的研究。同時，采用傳統的電測類傳感器進行測試的居多，尚未將光纖光柵傳感技術應用到靜壓沉樁貫入機制的模型試驗測試中。樁的貫入使樁尖和樁周土體不斷受到擠壓，造成樁周土體應力狀態不斷變化，靜壓沉樁時，樁端阻力和樁側阻力動態變化，進行模型試驗時，傳統的測試傳感器會造成較大誤差，使測量值與實際值相差較大。光纖光柵傳感器體積小、質量輕、抗電磁干擾能力強，在一根光纖中可以寫入多個光柵，光纖光柵傳感技術已應用在很多工程結構中[25-27]。靜壓樁模型試驗中采用光纖光柵傳感技術，在測試過程中可以克服土顆粒運動對樁端和樁身產生的嚴重擾動。筆者基于黏性土，聯合使用增敏微型光纖光柵應變傳感器和雙膜片溫度自補償型光纖光柵土壓力傳感器，考慮樁徑的影響，開展了不同樁徑條件下靜壓沉樁貫入力學特性的室內模型試驗研究。

1 靜壓沉樁模型試驗

1.1 試驗裝置

室內模型試驗采用青島理工大學大比例模型試驗系統。大比例模型試驗系統主要由模型箱、加載系統和數據采集系統3部分組成，其中，模型箱由鋼板焊接而成，其長×寬×高為2 800 mm×2 800 mm×2 000 mm，模型箱壁厚為6 mm，底板厚度為14 mm，模型箱正面設有可視化窗口和可拆卸式卸土開口，模型箱放置在尺寸為4 000 mm×4 000 mm(長×寬)工字鋼焊接而成的底座上，如圖1所示。加載系統由反力架和動力裝置組成，反力架由4個反力柱、2個反力主梁、1個反力次梁和齒輪齒條傳動裝置組成。動力裝置由高壓油泵、大行程液壓油缸、PLC控制系統和人機界面操作平臺等組成。加載系統橫梁上面放置加載液壓千斤頂，液壓千斤頂前后移動由電控系統控制橫梁實現，液壓千斤頂左右移動由電控系統直接控制，加載系統如圖2所示。

圖1 模型箱圖

圖2 加載系統圖

1.2 模型樁及傳感器安裝

選用鋁質圓管材料制作閉口模型樁，彈性模量69 GPa，模型樁長度為1 000 mm，直徑分別為140、100 mm，厚度為3 mm。模型樁尺寸基于相似理論原理，根據模型箱尺寸、工程樁實際長徑比、模型樁制作等因素確定。模型樁頂部通過樁帽連接形成水平加載平臺。模型樁對稱布置6對增敏微型光纖光柵應變傳感器，從樁端以上20 mm處每隔180 mm設置一對傳感器。為確保傳感器的成活率且便于安裝，布設方式為樁身表面兩側對稱開槽后封裝，開槽寬度為2 mm，深度為2 mm。先將傳感器一端夾持套管粘到槽體底部，另一端向外側預拉伸0.2～0.8 nm后用膠固定，最后用環氧樹脂封裝。樁身中部和底部均開有直徑為5 mm的進線孔，為了方便傳感器導線引出，樁頂6 cm以下管樁對稱開設兩個直徑為30 mm的圓形孔洞。樁身傳感器布設如圖3所示。試驗光纖光柵應變測試采用8通道FS 2200RM-Rack-Mountable Bragg Meter解調儀，該儀器采集頻率為1 Hz，波長分辨率為1 pm，精度為2 pm，工作波長范圍為1 500～1 600 nm，動態范圍為±3 nm。

圖3 傳感器布設圖

1.3 地基土制備

試驗所用黏性土取自青島某工程粉質黏土層，該土層介于流塑～軟塑狀態。地基制備采用分層填筑壓實的方法[28]，選用人工壓實和機器壓實，如圖4所示，地基土制備完成后，進行緩慢加水飽和，為了加速地基土的固結，在模型箱底部5 cm高度填砂夯實，預配好后靜置20 d，以保證地基充分固結。模型箱最上面50 cm高度不填土，用作試驗準備。地基土基本物理指標見表1。

圖4 地基土制備

表1 地基土物理力學參數Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil

為了充分利用試驗條件，模型樁在模型箱中間對稱壓樁，模型樁間距d1=1 000 mm，模型樁距箱壁較近距離為d2=900 mm，d2/D1=6.4，d2/D2=9。Yegian[29]通過有限元分析，Rao等[30]通過模型試驗研究證明模型箱邊界在樁體6～8倍樁徑范圍外即可忽略邊界效應。基于此，試驗選用的模型箱和模型樁在沉樁過程中可忽略邊界效應。

1.4 沉樁過程

沉樁前首先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，使千斤頂上升到一定高度，將試樁直立放到待壓樁位，用吸附在管樁樁身表面上的磁性盒式水平尺檢測管樁是否垂直，防止發生偏心受壓。待管樁直立后，再次加壓，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。液壓油缸選用大行程1 000 mm，試驗通過油泵加壓使千斤頂逐漸降落，從而實現不間斷靜壓貫入的加載方式，沉樁速度約為300 mm/min。通過在樁頂加載平臺設置溫度自補償光纖光柵土壓力傳感器測量沉樁過程中沉樁阻力的變化情況。

2 試驗結果分析

2.1 壓樁力分析

圖5為兩種不同樁徑模型樁貫入過程壓樁力曲線。由圖5可以看出，兩根模型樁的壓樁力均隨沉樁深度增加而不斷增大，TP1(樁徑D=140 mm)、TP2(樁徑D=100 mm)試樁壓樁力變化趨勢基本一致，隨沉樁深度的增加，壓樁力基本呈線性增加。壓樁力在開始階段上升較快，但當沉樁深度約20 cm時，TP1壓樁力出現拐點，隨后壓樁力增加緩慢，當沉樁深度約40 cm時，TP1壓樁力開始與TP2增加速率基本相等，當貫入量為90 cm時，TP1壓樁力比TP2增大了31.3%。試驗在淺層均質黏性土中進行，壓樁力曲線變化不顯著，但樁徑對模型樁壓樁力產生明顯影響，貫入過程試樁TP1壓樁力大于試樁TP2。試樁TP1直徑大，致使在其樁身與黏土接觸面積大，側摩阻力大；樁端面積大從而使樁端阻力大，故試樁TP1壓樁力比TP2大。

2.2 樁身軸力分析

黏性土中模型樁樁身軸力-深度關系曲線如圖6所示。由圖6可見，不同的貫入深度下，樁身軸力

圖5 壓樁力-深度關系曲線

圖6 樁身軸力-深度關系曲線

分布趨勢基本一致：接近樁頂處軸力最大，基本與壓樁力大小一致；隨深度的增加，樁身軸力不斷減小，衰減速度反映了樁側摩阻力的分布情況。樁身軸力曲線大致呈線性分布，曲線的陡緩程度反映了樁側摩阻力大小，曲線越陡，樁側摩阻力越小，反之,樁側摩阻力則越大。貫入初期，曲線較陡，隨著貫入深度的增加，樁身軸力隨著深度增加減小速率逐漸增加，即曲線逐漸變緩，說明樁側摩阻力隨著貫入深度的增加在逐漸發揮。樁徑不同會影響樁身軸力傳遞性能，由圖6可見，樁徑D=140 mm的樁身軸力大于樁徑D=100 mm的各截面樁身軸力，樁徑越小,沿深度的樁身軸力傳遞性能越差，貫入初期，直徑越大,樁身軸力衰減越快，這是因為樁徑越大,擠土效應使得樁側摩阻力越大，樁徑越小,樁側摩阻力越小，使樁身軸力相對樁徑小的更容易向深度方向傳遞。

各截面樁身軸力隨著貫入深度的增加而逐漸增大，且在同一深度處，樁身軸力隨著貫入深度的增加增幅越明顯。在深度35 mm處，隨著貫入深度的增加，樁徑D=140 mm的樁身軸力增幅依次為Δ1=0.75 kPa、Δ2=0.89 kPa，樁徑D=100 mm的樁身軸力增幅依次為Δ3=0.57 kPa、Δ4=0.68 kPa。同時，樁徑越大，樁身軸力增幅越顯著，當貫入深度從60 cm增加到90 cm時，在同一深度35 cm處，樁徑140 mm的樁身軸力增幅Δ2=0.89 kPa，大于樁徑100 mm的樁身軸力減幅Δ4=0.68 kPa。

2.3 樁身單位側摩阻力分析

根據樁身軸力可以計算出樁身單位側摩阻力，圖7(a)、(b)分別是試樁TP1、TP2樁身單位側摩阻力分布情況。從圖7可以看出：

圖7 樁側摩阻力-深度關系曲線

1)同一貫入深度，樁側摩阻力沿深度非均勻分布，深度越大,樁身單位側摩阻力越大，樁身單位側摩阻力逐漸發揮作用，這與Iskander[31]研究結果相似。分析認為，隨著深度的增加，樁體對樁周土體的擠壓作用越大，樁壁-樁周土的剪切力越大，樁身單位側摩阻力越大。樁側摩阻力隨深度增長的速率變小，與寇海磊等[7]在現場足尺靜壓沉樁試驗中得到的“隨著貫入深度的增加，樁側單位摩阻力逐漸增加”的結論一致。在沉樁過程中，0～5 cm處試樁TP1、TP2樁身單位側摩阻力均較小，原因是壓樁過程無法避免的偏心、靜壓樁淺部土體隆起及貫入初期樁身晃動等因素的影響，與李雨濃等[32]進行的靜壓樁貫入室內試驗和寇海磊等[7]進行的現場足尺靜壓沉樁試驗現象類似。

2)同一深度下，樁徑D=140 mm的樁身單位側摩阻力比樁徑D=100 mm的略大：樁徑越大，樁體貫入過程對樁側和樁端土擠密作用越大，提高了土體的側向擠壓力，使土體強度越高，最終導致樁身單位側摩阻力越大。貫入深度90 cm時，對比直徑為140、100 mm的兩根試樁，樁身單位側摩阻力分別為5.68、4.94 kPa，說明由于尺寸效應影響，直徑140 mm的樁體較100 mm的樁體擠土效應更明顯。

3)同一深度下，隨著貫入深度的增加，樁身單位側摩阻力發生明顯弱化現象。這主要是因為當樁端達到某一深度時，擠土效應較為明顯，樁身單位側摩阻力達到最大值，隨著樁端的貫入土顆粒重新排列，樁側形成“土拱效應”，擠土效應減弱，相同深度處的樁身單位側摩阻力逐漸減小，由此可得，黏性土中樁身單位側摩阻力存在“側阻退化效應”。以樁徑100 mm為例，在同一深度12.5 cm處，隨著貫入深度的增加，樁身單位側摩阻力減幅依次為Δ1=0.71 kPa、Δ2=1.23 kPa、Δ3=1.54 kPa。可見，隨著貫入深度的增加,“側阻退化”越明顯，該現象已被Kenneth等[17]、周健等[21]多次在試驗中證實。同時，樁徑越大，樁身單位側摩阻力退化越顯著，當貫入深度從60 cm增加到90 cm時，在同一深度30 cm處，樁徑140 mm樁身單位側摩阻力減幅Δ4=2.52 kPa，大于樁徑100 mm樁身單位側摩阻力減幅Δ5=1.59 kPa。

2.4 樁端阻力分析

圖8為兩種不同樁徑模型樁貫入過程樁端阻力隨沉樁深度的變化情況。由圖8可以看出，兩種模型樁樁端阻力隨沉樁深度的增加呈現出近似線性增大的趨勢，這是沉樁過程中對樁側樁端土的壓密效應所致。沉樁過程中,試樁TP2的樁端阻力小于試樁TP1，且當沉樁深度大于0.6 m時，試樁TP2樁端阻力曲線的斜率有所降低，即樁端阻力增速變緩，這主要是試樁TP2樁徑小于試樁TP1，樁土接觸面積小所致。對比不同直徑的兩根模型樁，沉樁結束時，樁端阻力分別為1.48、1.78kN。可以看出，在均質黏性土中，對于不同樁徑的兩根模型樁，其樁端阻力體現出了隨樁徑增大而增大的趨勢，說明直徑140 mm較直徑100 mm模型樁擠土效應更為明顯，沉樁時對樁側樁端土體擾動更大。

2.5 樁側摩阻力分析

圖9為兩種不同樁徑模型樁貫入過程中樁側摩阻力隨沉樁深度的變化情況。由圖9可以看出，樁側摩阻力均隨沉樁深度的增加呈近似線性增長趨勢。由于地表附近土體超固結比較高，因此，試驗中10～20 cm樁側摩阻力較大，樁徑D=140 mm模型樁表現更明顯。樁徑對樁側摩阻力的影響較大，與樁端阻力相比，樁側摩阻力變化較大。試樁TP2的樁側阻力在沉樁過程中始終小于試樁TP1，樁側摩阻力隨樁徑的增大而增加，該現象與周健等[15]研究的不同直徑單樁側摩阻工作性狀一致，這是因為試樁TP2直徑小，樁身與土體接觸面積小，即黏著和犁溝作用面積小，所以，試樁TP2側阻力較試樁TP1小。試樁TP2直徑小，沉樁過程中對樁周土的擾動作用相對小，樁土接觸相對緊密，且孔隙水壓力上升慢，黏著犁溝作用較強，所以，側阻力呈線性增長趨勢。

圖9 樁側摩阻力-深度關系曲線

2.6 沉樁過程中貫入阻力

圖10為兩種不同樁徑模型樁沉樁過程中貫入阻力隨沉樁深度的變化情況。由圖10可以看出，TP1、TP2試樁貫入總阻力為樁側摩阻力和樁端阻力之和。貫入阻力與樁徑密切相關，樁徑越大，貫入阻力越大，特別是樁端阻力隨樁徑增大的趨勢更明顯。樁側摩阻力與樁端阻力相比，其隨深度增大的趨勢及數值均小于樁端阻力，說明沉樁過程中的貫入阻力主要為樁端阻力。樁端阻力和樁側阻力隨樁徑的增大而增加，該現象與周健等[33]研究的不同直徑單樁側摩阻和端阻力工作性狀一致。在黏性土沉樁試驗時，貫入阻力主要來源于樁端穿越土體時沖剪產生的樁端阻力，大于沉樁過程中產生的樁側摩阻力。沉樁深度相同的條件下，試樁TP2的樁側摩阻力發揮程度小于試樁TP1，由此可得，樁側摩阻力受到樁徑的影響顯著。

表2為沉樁結束時樁端阻力、樁側摩阻力占貫入阻力的百分比。由表2可見，樁端阻力占沉樁阻力的比例隨貫入深度的變化而變化，當沉樁結束時，試樁TP1、TP2的樁端阻力占沉樁阻力的比例分別為59.5%和66.2%，可見，均質黏性土地層靜壓沉樁阻力主要為樁端阻力，沉樁過程中，樁側阻力較小，與李鏡培等[5]軟土地層靜壓沉樁阻力主要為樁端阻力、樁側阻力較小的研究結論一致。對樁端阻力而言，樁徑不同時，試樁TP2的樁端阻力小于試樁TP1。同時，沉樁深度相同的條件下，試樁TP2的樁側阻力發揮程度小于試樁TP1，樁側阻力主要受到樁身直徑影響。從以上分析可以看出，不同的樁身直徑既影響樁端阻力又影響樁側阻力。

圖10 貫入阻力-深度關系曲線

表2 沉樁結束時樁端阻力、樁側阻力及占壓樁力的百分比Table 2 Percentage of pile end resistance and pile side resistance at the end of pile sinking

3 結論

1)在均質黏性土中開展了兩根不同樁徑模型樁的靜壓貫入特性模型試驗研究，對比分析了樁身軸力傳遞特性、樁側摩阻力發揮程度及沉樁阻力，與樁徑為100 mm模型樁相比，樁徑為140 mm的模型樁的壓樁力、樁端阻力、樁側摩阻力較大。樁徑為140 mm的模型樁樁身軸力傳遞特性和樁側摩阻力發揮程度優于樁徑為100 mm的模型樁。

2)在均質黏性土地層中，靜壓沉樁阻力主要為樁端阻力，沉樁過程中，樁側摩阻力較小，不同樁徑對樁端阻力和樁側摩阻力均有影響。與樁端阻力相比，樁徑對樁側摩阻力的影響較大。

3)隨深度的增加，兩種不同樁徑樁身軸力不斷減小，軸力減小的速率隨深度增加而逐漸增加。在同一深度處，樁身軸力隨著貫入深度的增加增幅越明顯，且樁徑越大，樁身軸力增幅越顯著。

4)黏性土中，樁身單位側摩阻力沿深度非均勻分布，深度越大樁身單位側摩阻力越大。同一深度下，樁徑越大，樁身單位側摩阻力越大。隨著貫入深度的增加，相同深度處的樁身單位側摩阻力逐漸減小，樁身單位側摩阻力存在“側阻退化效應”，且樁徑越大，退化越顯著。

本文模型試驗結果作為定性分析，定性地反映實際樁體的樁身軸力傳遞、樁側阻力、樁端阻力等貫入特性。