雙壁靜壓開口管樁貫入及承載特性試驗研究

管金萍,張明義,2,王永洪,2*,白曉宇,2,桑松魁,楊蘇春

(1.青島理工大學土木工程學院，青島 266033；2.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，青島 266033)

靜壓樁在工程中的應用越來越廣泛，靜壓樁的沉貫特性和承載特性越來越受到人們的關注也逐漸成為了眾多專家學者們研究的熱點。對承載特性試驗的研究通常有現場和室內兩種方法。施峰[1]通過在主要土層的分界面處的超長預應力高強度混凝土(PHC)管樁樁身上埋設鋼筋計進行的靜荷載試驗，研究了PHC的荷載傳遞機理。施尚偉等[2]通過大型現場靜載試驗，分析了預制管樁-攪拌樁復合地基荷載的傳遞規律。丁建文等[3]研究了長短管樁在含淺部持力層的地基中的承載性狀。姜振春[4]通過對軟黏土中PHC管樁進行豎向承載特性試驗，分析了超長PHC管樁承載力機制與傳遞規律。趙春風等[5]通過對軟土地區大直徑超長鉆孔灌注樁進行大噸位靜載試驗，分析了大直徑超長鉆孔灌注樁承載特性及荷載傳遞機制。Rezazadeh等[6]對雙套筒鉆孔灌注樁進行了靜載試驗，探究了該型灌注樁的承載特性。現場試驗雖能反映樁的真實承載特性，但現場工程地質條件復雜、各種不確定性因素較難控制，且耗費資金較多。因此，很多學者對現場復雜的土層條件進行簡化，在室內按比例縮尺進行模型試驗研究。

Yasufuku等[7]通過室內模型試驗對沉樁過程中樁身應力和樁周土體應力進行了研究。Nicola等[8]借助在離心機上進行的一系列模型樁試驗，研究了均質砂土中模型樁在動態和靜態荷載下的受力性能。Paik等[9]基于室內模型樁試驗，提出了開口樁樁身軸力、樁側摩阻力和樁端阻力之間新的經驗關系式。Lehane等[10]通過砂土的模型槽壓樁試驗，研究了管樁的樁徑和壁厚對開口管樁承載性狀的影響。雷金波等[11]通過對軟土地基中無孔管樁和有孔管樁及其相應的帶帽單樁復合地基進行靜載荷試驗，研究了開孔管樁的承載力。周健等[12-13]對不同密實度砂土中的群樁進行室內模型試驗，分析了樁土的宏觀特性以及通過自行設計的可視化模型箱；通過單樁靜載室內模型試驗，研究了不同樁徑、不同土體密實度對單樁的沉降模式、樁側摩阻力和樁端阻力的發揮性狀及隨沉降的發展模式的影響。孟慶山等[14]根據實際工程中單樁承載特點，考慮不同埋深、砂土顆粒級配等影響因素，開展室內小尺寸模型單樁豎向抗壓試驗，分析了軸力、側摩阻力、端阻力等與樁基埋深、樁周砂土特性等因素的關系。室內模型試驗研究以砂土作為地基的居多，而對黏性土中模型樁的承載性狀有待深入研究。鑒于此，在黏性土地基中的雙壁開口模型管樁進行了沉樁過程及沉樁完成后的靜載試驗，利用靈敏度及準確度高的增敏微型光纖光柵(FBG)傳感器[15]、溫度自補償壓力傳感器實現了對沉樁及靜載全過程雙壁開口管樁內、外管荷載變化規律的監測，并研究了開口靜壓管樁的沉樁終壓力與極限承載力的關系，研究結果對實際工程具有重要的參考價值。

1 試驗概況

室內模型試驗所用的土樣取自青島某住宅工程場地地基的粉質黏土層，該土樣干強度及韌性中等，局部混約10%粉砂或夾薄層粉砂，含大量有機質、貝殼碎屑及腐殖質，有腥臭味。經重塑后，采用人工和機器將土樣分層振實均勻，靜置大約30 d后進行壓樁試驗。模型箱中土樣參數如表1所示。表1中數據是根據《土工試驗方法標準》(GB/T 50123—2019)[16]通過直剪儀固結快剪(CU)試驗測得的有效應力指標。

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

2 試驗方案

模型試驗需要滿足相似關系，模型試驗對原型試驗才有意義，相似關系主要包括幾何相似、物理相似、運動相似等，在進行模型試驗時往往遇到十分復雜的問題，完全滿足相似定理十分復雜，由此出現近似相似方法。近似相似的方法只保留影響實驗結果的主要因素的相似條件，從而得到足夠準確的相似性[17]。室內試驗以近似相似理論的方法進行雙壁模型樁的靜力壓樁試驗。一般大直徑鋼管樁的樁徑為3～6 m，樁長為30～50 m[18]，按原型樁樁長為40 m，樁徑為5.6 m，彈性模量210 GPa，泊松比為0.3，根據相似比理論確定幾何相似比為40，彈性模量相似比為2.9，泊松比相似比為1，密度相似比為2.9，模型樁選用鋁制材料制作，彈性模量為72 GPa，泊松比為0.3，內、外徑分別為80、100 mm，樁長為1 000 mm。內、外管經螺栓連接成整體，在試驗過程中內、外管的受力同步進行。試驗模型的尺寸為3 000 mm×3 000 mm×2 000 mm(長×寬×高)，設計樁位及樁端距離模型箱內壁的最小值為700 mm(5D，D為樁徑)，因此可不考慮邊界效應。試驗中采用FBG傳感器對樁身應力進行監測，其尺寸微小、便于安裝，且受外界環境影響較小，主要由光纖光柵、夾持套筒、尾纖、FC接頭組成。為了擴大量程，在安裝FBG時先粘貼住其一端，再進行預拉伸。模型管樁的內外壁均從距離樁端50 mm開始布置第1個傳感器，其余5個傳感器兩兩之間距離依次為50、100、200、200、300 mm。從樁端到樁頂傳感器編號依次為1#～6#。內管安裝傳感器時直接將傳感器粘貼到設定位置；外管傳感器安裝時為避免試驗過程中對其造成損壞，需先在樁身刻一淺槽，將傳感器安裝在淺槽內，安裝完成后用環氧樹脂進行封裝，且表面與管身齊平。內、外管傳感器安裝過程如圖1所示。FBG傳感器安裝位置示意圖如圖2所示。壓樁力由溫度自補償壓力傳感器測出，此傳感器的安裝方法簡便，在壓樁之前放置在樁頂中心位置即可。

圖1 FBG傳感器的安裝過程Fig.1 Installation process of FBG sensor

圖2 FBG傳感器安裝示意圖Fig.2 Installation diagram of FBG sensor

沉樁開始前在樁頂中心位置放置溫度自補償壓力傳感器，采用液壓千斤頂進行沉樁，沉樁速度為300 mm/min，沉樁深度為900 mm，即沉樁結束后有100 mm的樁身未入土。靜載結束30 d后進行單樁抗壓靜載試驗，采用電動伺服加載系統進行加載，加載方式為逐級等量加載，根據前期靜力壓樁的情況，初步將每級加荷量定為0.7 kN，首級加載量為1.4 kN，每級荷載保持1 h，當樁頂沉降量相對穩定時施加下一級荷載，最大加載值為7.0 kN。沉樁和靜載過程分別如圖3、圖4所示。具體操作步驟嚴格按照《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106—2014)[19]的相關規定執行。

圖3 沉樁過程Fig.3 Process of pile sinking

圖4 靜載過程Fig.4 Process of static load

3 試驗結果分析

3.1 沉樁過程

3.1.1 沉樁阻力

壓樁力是由放置在樁頂中心位置的溫度自補償壓力傳感器測出，由于1#傳感器距離樁端 50 mm，將此傳感器測得的樁身軸力近似視為樁端阻力，而樁側總摩阻力為壓樁力與樁端阻力的差值。內外管樁側摩阻力之和為樁側總摩阻力，內管樁側摩阻力是由布置在內管的FBG傳感器測得的樁身應力計算得出。

由圖5可知，隨著樁端入土深度的增加，各荷載都呈增大的趨勢，在樁端入土深度小于150 mm時，隨著深度的增加壓樁力和樁端阻力增長較快，且荷載-深度曲線近似呈直線，而樁側摩阻力增長的較慢，其原因是在樁端剛破土時受到的阻力較大，從樁頂傳下來的壓樁力基本由樁端阻力承擔，樁側摩阻力發揮的作用較小。隨著樁身繼續貫入，壓樁力與樁端阻力的增長變緩，而樁側摩阻力的增長開始加快，但樁端阻力的占比始終比樁側摩阻力的占比大，沉樁結束時，樁端阻力和樁側摩阻力的占比分別為66.7%、33.3%。內管側摩阻力在土塞形成過程中產生，從圖5中可以看出外管側摩阻力占樁側總摩阻力的比例較大，外管是內管側摩阻力的1～4倍。

圖5 沉樁阻力隨深度變化規律Fig.5 Law of pile resistance with depth

3.1.2 樁身軸力

雙壁開口管樁內外管都安裝了FBG傳感器，由傳感器測得樁身應力，其軸力為測得的應力與樁身橫截面積的乘積。內外管樁身軸力隨入土深度的變化規律如圖6所示。

圖6 樁身軸力隨深度的變化規律Fig.6 Law of axial force of pile body with depth

由圖6可知，內外管樁身軸力隨著樁身逐漸貫入呈逐漸減小的趨勢，是由于隨著樁身的不斷貫入，樁側摩阻力逐漸增大，壓樁力在向下傳遞時逐漸損失，致使樁身軸力逐漸減小。從圖6(a)中可以看出，在沉樁結束時，0～500 mm范圍內的樁身軸力沒有發生變化，其原因是內管在沉樁過程中會產生土塞，僅在土塞高度范圍內產生側摩阻力。相比外管樁身軸力，內管的樁身軸力較小，外管樁身軸力比內管樁身軸力大8～12倍。

3.1.3 單位樁側摩阻力

由樁身軸力可計算得到單位樁側摩阻力，其隨貫入深度的變化規律如圖7所示。

圖7 單位樁側摩阻力隨深度變化規律Fig.7 Law of unit pile side friction with depth

由圖7可以看出，隨著樁身入土深度的增加內外管的單位樁側摩阻力逐漸增大，且在某一深度處，隨著樁身的不斷貫入，單位樁側摩阻力出現退化的現象。分析其原因，隨著樁身入土深度的不斷增加土體不斷涌入管內形成土塞，土塞對內管的擠壓作用不斷加強，而外管隨著深度擠土效應不斷加強，且在沉入400 mm時土塞閉塞，內管樁側摩阻力僅在土塞的范圍內變化，此時開口管樁的受力狀態和閉口管樁的受力狀態相似，擠土效應加強，外管單位側摩阻力增長的幅度也增大；某一深度處，隨著樁身的不斷貫入，此處剪切的次數增多，土體表面形成水膜，導致徑向應力釋放，從而致使樁側摩阻力發生退化。

比較試樁內外管的單位側摩阻力可得：外管單位側摩阻力較大，沉樁結束時的最大單位側摩阻力外管是內管的2.56倍。分析其原因，內管側摩阻力是由在產生土塞過程中土塞與樁壁發生摩擦而產生，外管側摩阻力是沉樁過程中與樁周土體發生摩擦而產生。內管與土體的接觸面積較小，且土塞對內管產生的徑向壓力也較小，因此內管單位側摩阻力較小。

3.2 靜載試驗

3.2.1 荷載-位移(Q-s)曲線

承載特性試驗的Q-s曲線能宏觀反應樁周土破壞機制和破壞模式[20-21]，對其分析有助于研究單樁豎向抗壓承載性能。根據試驗結果，繪制出試樁的Q-s曲線，如圖8所示。

圖8 Q-s曲線Fig.8 Curve of Q-s

從圖8中可以看出，Q-s曲線呈陡降型。當荷載從0增加到3.5 kN時，曲線近似呈直線，荷載與沉降近似為線性關系，此階段樁側摩阻力開始發揮作用；當荷載從3.5 kN增加到5.6 kN時，試樁的Q-s曲線出現彎曲段，沉降速率增大，表現為非線性，樁側摩阻力充分發揮，樁端阻力逐漸增加；在最后兩級荷載下，試樁的Q-s曲線出現陡降，樁周土進入屈服狀態。

承載特性試驗中，當樁頂荷載達到7.0 kN時，對應的樁頂沉降為47.72 mm，超過40 mm，并且高于前一級荷載對應沉降量的2倍且未能達到穩定，可終止試驗。按照《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106—2014)[19]規定，可確定試樁極限承載力為6.3 kN。沉樁過程中的終壓力為2.54 kN，經過孔隙水壓力的消散以及土體的再固結，試樁的極限承載力是終壓力的2.48倍，可見隨著時間的推移靜壓樁的承載力逐漸增大。

3.2.2 樁身軸力

根據試驗結果，整理得到試樁的內、外管在沉樁過程中樁身軸力沿樁身貫入深度的分布曲線如圖9所示。

圖9 樁身軸力分布Fig.9 Axial force distribution of pile

從圖9(a)中可以看出，0～500 mm樁身軸力沒有發生變化，其原因是試樁的內管軸力主要是受到土塞的作用而產生的，沉樁結束時土塞高度約為330 mm，此次承載特性試驗結束后經過量測，土塞高度基本沒有變化。在土塞高度范圍內有1#～3#FBG傳感器，4#～6#傳感器位于土塞上方，所以只有1#～3#在承載特性試驗過程中克服側摩阻力，從而引起樁身軸力的變化。由圖9(a)可知，試樁的內管軸力在每級荷載作用下均從500 mm以下呈不均勻遞減的趨勢，這是因為軸力在沿樁身傳遞過程中需要克服土塞引起的摩阻力。當加荷量較小時，樁端處的軸力值與樁頂軸力值相差不大，樁身軸力的減小幅度較小，表明側摩阻力還未充分發揮作用；隨著加荷量的增加，樁身軸力的減小幅度也逐漸增加，在最大荷載作用下，軸力的減小幅度最大，約為23%，這表明隨著荷載的增加，側摩阻力不斷發揮出來，且在最大加荷量作用下側摩阻力也達到最大。

從圖9(b)中可以看出，每級荷載作用下外管軸力從上到下呈依次遞減的趨勢。這主要是因為在各級荷載作用下，管樁會發生彈性變形，從而引起樁-土相對位移，樁周土會對管樁產生向上的樁側摩阻力，而樁身軸力在向下傳遞過程中需要不斷克服樁側摩阻力，所以樁身軸力隨著深度沿樁身逐漸遞減。在每級荷載作用下，樁身軸力減小的幅度從上至下逐漸減小，這表明樁側摩阻力沿樁身從上往下逐漸發揮。在同一深度處，隨著加荷量的增加，樁身軸力減小的幅度逐漸增大，表明樁側摩阻力隨著加荷量的增加逐漸發揮。

各級荷載下樁端阻力占樁頂荷載的百分比，如表2所示。

表2 樁端阻力占樁頂荷載百分比Table 2 Pile end resistance accounted for the top load percentage

由表2可知，隨著樁頂荷載的增大，樁端阻力逐漸增大，在各級荷載作用下，樁端阻力占樁頂荷載的比例均為50%以上，且在最大荷載作用下試樁的樁端阻力占樁頂荷載的比例為65.1%，表明樁端阻力承擔大部分的樁頂荷載，樁側摩阻力發揮的作用較小，呈現出較好的端承樁特性。

3.2.3 樁側摩阻力

樁身單位側摩阻力值隨深度的變化規律，如圖10所示。

試樁內管的側摩阻力在土塞高度范圍內發生變化，故內管上半部分沒有側摩阻力的存在。從圖10(a)中可以看出，在每級荷載作用下，沿內管樁身向下側摩阻力逐漸增大，樁端處的側摩阻力介于2.43～4.44 kPa。究其原因，在進行承載特性試驗過程中，土塞高度基本沒有變化，土塞與內管間的微小變形引起的摩擦狀態趨向于靜摩擦，但越靠近樁端土塞提供的側壓力越大，故內管越靠近樁端側摩阻力越大。

同一深度處的側摩阻力隨著加荷量的增加逐漸增大，且在約600 mm處的側摩阻力在較大荷載下已接近極限，基本不再增大。這主要是因為隨著加荷量的增加，土塞提供的側壓力逐漸增大，從而導致土與內管的塑性變形加劇，靜摩擦力逐漸增大；但是當加荷量加大時，淺部土塞的側摩阻力已發揮到極限，致使側摩阻力趨于穩定。

從圖10(b)中可以看出，當樁頂荷載小于 7.0 kN 時，樁側摩阻力沿樁身從上往下呈先增大后減小的趨勢，說明上部土層的側摩阻力先于下部土層發揮。這是因為當樁頂荷載較小時，管樁中上部

圖10 單位側摩阻力分布Fig.10 Distribution of side frictional resistance of pile

發生彈性變形，引起樁-土相對位移，所以上部土層的側摩阻力先于下部土層發揮。當樁頂荷載達到7.0 kN時，樁側摩阻力沿樁身一直呈增大趨勢。其原因是隨著樁頂荷載的增加，管樁的樁身壓縮量和樁-土位移逐漸增大，管樁與樁周土的接觸越來越緊密，下部土層的樁側摩阻力不斷發揮出來，致使側摩阻力沿樁身逐漸增大。

從圖10(b)中還可以看出，距離樁頂約150 mm處土層的側摩阻力隨著樁頂荷載的增加其增量逐漸降低，且當樁頂荷載達到5.6、6.3、7.0 kN時，該土層側摩阻力基本穩定。究其原因，樁側摩阻力自上而下逐漸發揮，樁頂荷載較小時管樁上部土層的側摩阻力先發揮；隨著樁頂荷載的增加，管樁沉降量不斷增大，樁-土相對位移也隨之增大，樁側摩阻力不斷發揮；在較大荷載作用下，上部土層的側摩阻力基本達到極限，致使樁側摩阻力的增加量較小。

由圖10中可知，當樁頂荷載小于2.1 kN時，樁端處內管側摩阻力大于外管樁側摩阻力，是外管側摩阻力的1.09～1.26倍；當樁頂荷載大于2.1 kN時，樁端處的內管側摩阻力小于外管側摩阻力，是外管側摩阻力的0.60～0.83倍。其原因是，內管的側摩阻力是由土塞效用產生的，而外管的側摩阻力是在樁頂荷載作用下，樁-土之間發生相對位移產生的，且是自上而下逐漸發揮的。當樁頂荷載較小時，外管樁端處的側摩阻力發揮程度較小；隨著荷載的增大，樁端處的側摩阻力的發揮程度逐漸增大。

4 結論

(1)沉樁過程中壓樁力、樁端阻力以及樁側摩阻力隨著樁身入土深度的增加逐漸增大，從沉樁開始到沉樁結束，樁端阻力始終承擔主要荷載，沉樁結束時樁端阻力占比為66.7%，樁側總摩阻力占比為33.3%。相對于內管樁側摩阻力，外管樁側摩阻力較大，外管側摩阻力是內管的1～4倍。

(2)靜載試驗中，樁周土體的屈服致使Q-s曲線為陡降型，最大沉降量為47.72 mm，最終確定的極限荷載為6.3 kN。隨著時間的推移孔隙水壓力逐漸消散，土體重新固結，靜壓樁的承載力逐漸增大，極限承載力比沉樁終壓力增長了1.48倍。內管單位側摩阻力在每級荷載作用下沿樁身向下逐漸增大；外管單位側摩阻力當樁頂荷載小于7.0 kN時，沿樁身呈先增大后減小的趨勢，當樁頂荷載達到7.0 kN時，沿樁身一直呈增大趨勢。

(3)沉樁過程和靜載試驗中，樁身軸力隨深度的變化規律相似，均為隨深度逐漸減小，不同之處在于沉樁過程測得的軸力是隨著沉樁深度變化的動態過程，而靜載試驗中測得的是每個傳感器位置在不同荷載作用下的樁身軸力。

通過對開口管樁內、外管所受應力進行監測，研究的開口管樁沉貫特性和承載特性能夠對實際工程提供一定的參考依據。