考慮樁長影響的靜壓樁貫入過程模型試驗*

馬加驍 雷向麗 王永洪 桑松魁 苗德滋

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院1) 青島 266033) (青島理工大學(xué)工程質(zhì)量檢測鑒定中心2) 青島 266033)(山東省高等學(xué)校藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心3) 青島 266033)

0 引 言

近些年來，人們將兩種或兩種以上不同樁型、不同長度的樁組合起來用于實際工程中，已經(jīng)產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效應(yīng)和社會效應(yīng).針對長短樁之間的相互作用、承載性能差異性、荷載傳遞機制等方面的研究方興未艾，同時也加強了對黏性土地基中樁側(cè)摩阻力與樁長之間的關(guān)系等問題的研究.

目前，學(xué)者們從現(xiàn)場試驗、室內(nèi)試驗并結(jié)合數(shù)值模擬等方面的研究取得了很多成果.現(xiàn)場方面，郭院成等[1]結(jié)合鄭州某高速公路試驗段進行了多組長短樁復(fù)合地基承載能力試驗并利用有限元軟件進行了數(shù)值模擬.李波等[2]在高速公路段現(xiàn)場開展了路堤填筑過程及堆載預(yù)壓期內(nèi)長短組合樁的樁土應(yīng)力比，并利用三維有限元法對其加固機理進行拓展研究.室內(nèi)模型試驗方面，馬天忠等[3]針對黃土地區(qū)長短組合樁、邊樁與角樁的承載性能差異性及變形特性進行了對比.朱小軍等[4]通過室內(nèi)模型試驗對長短樁承載性狀發(fā)揮狀況、樁身側(cè)摩阻力分布狀況進行了研究.現(xiàn)場方面，寇海磊等[5]對五根開口PHC管樁貫入成層土地基的力學(xué)機制和貫入機理進行了研究.李林等[6]通過現(xiàn)場PHC管樁和預(yù)制方樁中埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計對沉樁過程樁身受力狀態(tài)進行了研究.蔣躍楠等[7]通過公式推導(dǎo)并結(jié)合離心模型試驗對靜壓過程沉樁阻力進行分析研究.繼之皓等[8]采用有機玻璃管質(zhì)樁身模擬了砂土和分層土中的靜力壓樁.

對于長短組合樁、靜壓樁試驗在測試元件選擇上，大多采用樁身黏貼應(yīng)變片的傳統(tǒng)方式實現(xiàn)[9]，也有部分學(xué)者使用光纖光柵進行試驗[10-11].本文采用青島某住宅工程現(xiàn)場粉質(zhì)黏土層，通過自行設(shè)計的增敏微型光纖光柵傳感裝置對靜力沉樁過程不同長度的閉口管樁承載特性進行了探討，并采用自行研發(fā)的輪輻式壓力傳感裝置將樁側(cè)摩阻力和樁端阻力成功分離，試驗結(jié)果可為類似的室內(nèi)模型試驗提供借鑒，并對實際工程提供理論指導(dǎo).

1 試驗準備

1.1 試驗系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模型箱.其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的FS2200RM光纖光柵解調(diào)儀精度為2 pm，可通過接收和解調(diào)壓力傳感器反射回來的光譜信號，可采集沉樁過程中的壓樁力、樁身軸力；DH3816N靜態(tài)應(yīng)變采集儀主要采集樁端阻力.試驗所用模型箱是由鋼板焊成，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.

1.2 地基土的制作

室內(nèi)模型試驗所用的土樣取自青島某住宅工程現(xiàn)場粉質(zhì)黏土層，現(xiàn)場地基土見圖1.該層土樣呈灰褐色～灰色，介于流塑～軟塑狀態(tài)，無搖振反應(yīng)，且局部混雜約10%粉砂或夾薄層粉砂，含多量有機質(zhì)、貝殼碎屑及腐殖質(zhì)，有腥臭味.

土樣運至實驗室后，根據(jù)文獻[12]進行一系列土工試驗制備重塑土樣，并在土樣表面灑水、覆蓋多層薄膜，靜置3 d后，正式進行壓樁試驗.其具體相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)見表1.

1.3 模型樁

本次室內(nèi)試驗共進行了兩根鋁制材料模型樁的靜力壓樁試驗，模型尺寸是根據(jù)相似原理、模型槽深度，以及制作工藝進而確定的.其中因E1管樁需在樁端安裝輪輻傳感器，故安裝完畢后的總長度為1 200 mm；兩種管樁均通過內(nèi)六角螺栓與管樁樁端相連，保證了兩者連接的緊密性，模型管樁具體參數(shù)見表2.

表2 模型管樁參數(shù)表

2 室內(nèi)靜力沉樁試驗

2.1 光纖光柵傳感器的布設(shè)

本次試驗中的模型樁E1，E2均刻槽粘貼了六個FBG傳感器.具體安裝流程為：①在外管表面開了一條2 mm×2 mm(寬度×深度)的淺槽;②FBG傳感器安裝前使酒精和棉球?qū)惭b槽擦洗干凈;③FBG傳感器沿沿樁頂下密上疏式依次編號1#～6#.其中試樁E1因在樁端安裝有輪輻式壓力傳感器，故1#傳感器到樁端的距離為25 cm，其余間距均與試樁E2相同;④FBG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(jié)的另一端進行預(yù)拉伸，當波長增長2 nm左右時，停止預(yù)拉伸，用膠水粘結(jié)固定自由端感器間距，見圖2;⑤FBG傳感器全部安裝結(jié)束后，F(xiàn)BG傳感器的F接頭使用酒精和棉球?qū)⑵洳料锤蓛簦B接FS2200RM光纖光柵解調(diào)儀檢測其成活率，待其成活率滿足要求后使用環(huán)氧樹脂膠進行封裝，使其表面與樁身表面齊平.其中，F(xiàn)BG傳感器的部分具體參數(shù)見表3.

圖2 FBG傳感器布設(shè)圖(單位：cm)

表3 增敏微型FBG傳感器參數(shù)表

2.2 樁位的選擇

依據(jù)文獻[13]的基樁的最小中心距為4倍樁徑的規(guī)定，本次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(yīng).

2.3 試驗過程

具體步驟如下：①通過電控系統(tǒng)將加載橫梁上的液壓千斤頂移動到指定樁位;②打開系統(tǒng)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檢查樁身垂直度;③待確定管樁直立后，再次通過系統(tǒng)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、輪輻式壓力傳感器的傳輸線依次與其對應(yīng)的采集儀器連接;⑤待確認連接無誤且參數(shù)調(diào)整完畢后，正式進行壓樁試驗前進行數(shù)據(jù)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?shù)南侣涓叨?其中試樁E1,E2的沉樁深度分別為1 100,900 mm，沉樁速度約為300 mm/min.過程圖見圖3～4.

圖3 安裝完成后的 輪輻壓力傳感器

圖4 靜力沉 樁過程

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 沉樁過程壓樁力分析

靜力沉樁過程，壓樁力主要由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力組成，通過樁頂壓力傳感器監(jiān)測得到沉樁過程的壓樁力為

(1)

式中：F為壓樁力，kN；ΔλB為波長差，nm；Kε為靈敏度系數(shù)，pm/×10-6；A為樁身橫截面面積，mm2.

繪制出的各試樁整個沉樁過程的壓樁力隨沉樁深度的變化曲線，見圖5.

圖5 靜力沉樁過程壓樁力變化

由圖5可知，試驗的兩根試樁的壓樁力均隨著沉樁深度的增加近似呈線性增大趨勢，當沉樁深度小于22 cm時，試樁E2的壓樁力大于試樁E1；當沉樁深度達到22 cm時，試樁E1的壓樁力逐漸接近試樁E2，此時兩根試樁的壓樁力分別為1.386和1.325 kN；當沉樁深度超過22 cm時，試樁E1的壓樁力反而大于試樁E2的壓樁力；當沉樁深度超過50 cm時，兩根試樁的壓樁力增長速率均降低；隨著貫入深度的增加，當沉樁深度超過60 cm時，兩根試樁的壓樁力出現(xiàn)等值增長直至試樁E2沉樁結(jié)束.試樁E1總體樁長為1 200 mm，沉樁深度為1 100 mm，其最終壓樁力為3.298 kN，比試樁E2的壓樁力2.938 kN高出12%；分析原因是試樁E1樁長大，與土接觸的表面積較大，受到樁周圍土體施加的側(cè)向壓力大，從而總側(cè)摩阻增大，導(dǎo)致壓樁力也就大.

3.2 沉樁過程樁端阻力分析

靜力沉樁過程中樁端阻力的監(jiān)測方法：試樁E1由樁端安裝的可旋轉(zhuǎn)式輪輻壓力傳感器直接測的，而試樁E2主要通過靠近樁端的1#傳感器測量得到.繪制出的各試樁樁端阻力隨沉樁深度的曲線見圖6.

圖6 靜力沉樁過程樁端阻力變化

由圖6可知，在整個靜力沉樁過程中，兩根試樁的樁端阻力均隨著沉樁深度的增加呈逐漸增長的趨勢.且當沉樁深度小于10 cm時，試樁E2的樁端阻力略大于試樁E1；分析認為：試樁E1樁端裝有20 cm的輪輻壓力傳感器，沉樁初期，傳感器未能全部進入土層，因而樁端阻力較小，試樁E2末端FBG傳感器距樁端5 mm，最先測得樁端阻力.當沉樁深度大于10 cm時，隨著沉樁的進行試樁E1的樁端阻力始終大于試樁E2的樁端阻力.分析認為：相同外徑的試樁E1，E2，試樁E1的樁長較大，入土深度大，對樁周土的擠密作用強烈，受到土的自重應(yīng)力大，因而樁端阻力大.在沉樁深度90 cm范圍內(nèi)，試樁E1、試樁E2的樁端阻力變化趨勢相近，當兩根試樁均沉樁結(jié)束時，試樁E1的樁端阻力為2.054 kN，占壓樁力的62.3%，試樁E2的樁端阻力為1.747 kN，占壓樁力的59.5%，且試樁E1的樁端阻力比試樁E2的大18%，說明2根試樁的端承力較好.

3.3 沉樁過程樁側(cè)摩阻力分析

試樁E1，E2靜力沉樁樁側(cè)摩阻力通過式(2)～(4)換算，求得各試樁的總樁側(cè)摩阻力隨沉樁深度的變化曲線見圖7.

ΔλB=(1-Pe)λBΔε=KεΔε

(2)

式中：ΔλB為波長差，nm；Pe為光柵有效彈光系數(shù)；λB為光線光柵中心波長，nm；Δε為應(yīng)變變化值；Kε為靈敏度系數(shù)， pm/×10-6.

沉樁過程中的樁身軸力N的表達式為

Ni=EcΔεAp

(3)

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；Ap為樁身橫截面面積，mm2.

靜力沉樁過程中的樁側(cè)單位摩阻力的表達式為

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

(4)

式中：Qi為第i截面的側(cè)摩阻力，kN.

圖7 試樁總側(cè)摩阻力分布

由圖7可知，試樁E1，E2的總樁側(cè)摩阻力均隨沉樁深度的增加逐漸增大.分析認為：隨著沉樁深度的增加，樁周土的側(cè)壓力逐漸增大，從而表現(xiàn)為樁側(cè)摩阻力的增大.在相同的沉樁深度處，試樁E2的總樁側(cè)摩阻力大于試樁E1.分析原因可能是試樁E1下端安裝20 cm的輪輻壓力傳感器，沉樁初期對樁周土體擾動大且樁端20 cm范圍未裝FBG傳感器，使得試樁E1總樁側(cè)摩阻力讀數(shù)小，隨著沉樁過程的進行，試樁E1由于樁長較大，對樁周土擾動比E2大，因而總側(cè)摩阻較小.2根試樁的樁側(cè)摩阻力在沉樁深度10 cm范圍內(nèi)數(shù)值很小，均小于0.1 kN.這主要是因為淺層土體在沉樁過程中因樁身晃動比較強烈，使得樁-土之間產(chǎn)生一定的空隙，接觸不緊密，致使淺部土體總樁側(cè)摩阻力較小的現(xiàn)象.當沉樁深度超過50 cm時，兩試樁的總側(cè)摩阻力增速變緩但樁側(cè)摩阻力仍然呈增長趨勢.停止壓樁時，試樁E1的最大側(cè)摩阻力值比試樁E2高出27.7%左右，分析原因：試樁E1和E2的直徑相同，且同為閉口管樁，但試樁E1的貫入深度大于試樁E2的貫入深度，所以試樁E1總的側(cè)壓力大，最終總側(cè)摩阻也大.

3.4 試樁樁身軸力結(jié)果分析

通過式(1)、式(2)可以得到兩根試樁在整個靜力壓樁過程中的樁身軸力分布曲線，見圖8.

圖8 各試樁樁身軸力對比分析圖

由圖8可知，試樁E1，E2的樁身軸力分布規(guī)律相似，均隨著樁貫入深度的增加，樁身軸力逐漸減小，與傳統(tǒng)結(jié)論相一致.這主要是隨著沉樁的進行，樁側(cè)摩阻力自上而下逐漸發(fā)揮所致.具體來講，在同一貫入深度處，隨著沉樁深度的逐漸增加，樁周土的側(cè)壓力逐漸增大，從而使樁-土間的摩阻力增大，且越靠近管樁下部，樁側(cè)摩阻力越大，軸力的減小幅度越大，曲線斜率越小.另外，還可見試樁E2在埋設(shè)深度范圍內(nèi)樁身軸力減小程度較試樁E1均勻，這與樁側(cè)摩阻力有關(guān).初始貫入時，樁身軸力差別較小，此時樁端土體剛出現(xiàn)塑性變形；當貫入60 cm時的外管軸力突然增大，說明此時擠土作用強烈，樁端土體對其反作用較大；當貫入80 cm時，軸力增加較小，可能是已經(jīng)發(fā)生塑性變形的部分土體發(fā)生彈性恢復(fù)；貫入110 cm時的外管軸力增大特別顯著，說明土體重新排布擠密，使地基發(fā)生硬化現(xiàn)象，承載力極速提升.

在最大貫入深度處，試樁E1樁身軸力為2.174 kN，試樁E2軸力為1.747 kN，試樁E1比試樁E2大24%；即樁長每增加10 cm，軸力增加0.12 kN，說明樁長對軸力的增加效果很明顯.

3.5 試樁樁側(cè)單位摩阻力結(jié)果分析

假定樁側(cè)摩阻力沿管樁樁身均勻分布，根據(jù)式(5)可以得到各試樁在同一貫入深度處的樁側(cè)單位摩阻力隨沉樁深度的分布曲線，見圖9.

靜力沉樁過程中的樁側(cè)單位摩阻力的表達式為

(5)

式中：qi為第i截面單位側(cè)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.

圖9 各試樁樁身單位側(cè)摩阻力分布圖

通過比較圖9各試樁樁身單位側(cè)摩阻力分布圖中同一沉樁深度處的單位側(cè)摩阻力分布可以發(fā)現(xiàn)，隨著貫入深度的增加，同一沉樁深度處的單位側(cè)摩阻力逐漸減小，即側(cè)摩阻力存在“退化效應(yīng)”.分析認為：貫入深度越大，上部土層的擾動程度遠大于下層土層，使得樁與土的接觸空隙增大，導(dǎo)致樁側(cè)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,由于細顆粒填充樁身的凸凹表面使相對粗糙減少，致使摩擦角的減小，從而樁側(cè)摩阻退化.此外，試樁E1，E2貫入深度從10 到90 cm的過程中，管樁下端兩傳感器之間的單位側(cè)摩阻力總體上逐漸變大，現(xiàn)象較為明顯.其原因是管樁下端兩傳感器之間的距離位于樁端，在沉樁過程中一直處于樁周土的擠壓之中，貫入深度越大，擠壓越強烈，水平側(cè)壓力越大，樁-土接觸越牢固，從而單位側(cè)摩阻力的增大.通過對比最大貫入深度處各試樁樁身單位側(cè)摩阻力的分布，發(fā)現(xiàn)試樁E1的數(shù)值為5.328 kN，試樁E2的數(shù)值為5.687 kN，試樁E2的外管單位側(cè)摩阻力比試樁E1的大7%，但總體差值較少，說明樁長對樁側(cè)單位側(cè)摩阻力影響不大.

3.6 沉樁過程受力性狀分析

為全面研究分析兩根模型管樁在靜力沉樁過程中總的受力狀態(tài)，繪制出的各試樁沉樁過程荷載曲線(見圖10)，由此得到沉樁結(jié)束時各試樁端阻比、側(cè)阻比見表4.

圖10 各試樁沉樁全過程荷載曲線

表4 沉樁結(jié)束時樁端阻力、樁側(cè)阻力占壓樁力的百分比

由圖10可知，靜力沉樁過程中試樁E1，E2的整體荷載曲線變化相近，但在數(shù)值上兩試樁有一定差異，說明樁長的不同并未改變沉樁過程荷載傳遞規(guī)律，但因試樁E1的端阻力由輪輻壓力傳感器監(jiān)測，而試樁E2端阻力是近似取值于1#FBG傳感器，故兩者在數(shù)值尤其是端阻力取值有一定差異.

由表4可知，靜力沉樁過程中，試樁E1的壓樁力、樁端阻力、樁側(cè)摩阻力均大于試樁E2，說明樁長越大，承載能力越好.結(jié)果表明：黏性土中的靜力壓樁，試樁E1端阻力比側(cè)摩阻為1.65∶1，試樁E2為1.47∶1.

4 結(jié) 論

1) 兩根不同樁長的試樁壓樁力、樁端阻力、樁側(cè)摩阻力均隨著沉樁深度的增加近似呈線性增大趨勢；沉樁結(jié)束時，試樁E1的終壓力比試樁E2高出12%.試樁E1的樁端阻力為2.054 kN，試樁E2的樁端阻力為1.747 kN，試樁長的比試樁短的樁端阻力大18%，即樁長每增加10 cm，樁端阻力增加0.15 kN；總側(cè)摩阻力方面，試樁E1比試樁E2高出27.7%，說明樁長的增加可顯著提高側(cè)摩阻的發(fā)揮.

2) 試樁E1，E2的樁身軸力分布規(guī)律相似，不同貫入深度下，樁側(cè)摩阻力自上而下逐漸發(fā)揮，樁身軸力隨沉樁深度不斷遞減且軸力的分布曲線的斜率逐漸減小；在最大貫入深度：試樁E1外管軸力為2.174 kN，試樁E2軸力為1.747 kN，試樁E1比試樁E2大24%，即樁長每增加10 cm，軸力增加0.12 kN.

3) 隨著貫入深度的增加，同一沉樁深度處的單位側(cè)摩阻力逐漸減小，即側(cè)摩阻力存在“退化效應(yīng)”.

4) 2根模型試樁在黏性土中的靜力壓樁過程，樁端阻力占比均超過50%，即樁端阻力承擔(dān)了大部分的壓樁力.