楔形管樁沉樁擠土效應試驗研究

鄒長春，何 杰，劉孟鑫，熊 猛，郭端偉，吳 政

（1.湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007；2.廣東和立土木工程有限公司，廣東 廣州 511430）

0 引言

預應力混凝土管樁是目前較為常見的一種樁型，具有樁體強度高、生產規模化、施工周期短、適應性強等諸多優點，現已被廣泛應用于我國沿海、濱海等軟土地基區域。相關學者采用試驗研究、數值模擬等方法，分析了預應力管樁在荷載作用下樁身軸力、側摩阻力等的演化規律，探討了其樁土荷載傳遞機理[1-5]。隨著人們認知的加深，越來越多的研究致力于開發新技術新方法以提高樁體承載性能和減少工程造價。目前，異形管樁通過改變樁側表面積從而提高樁體豎向承載力的方法得到了關注：董全楊等[6]、劉東輝[7]、楊成斌等[8]均發現，相比于普通管樁，異形管樁單樁豎向極限承載力有較大提升。

靜力沉樁過程中，樁周土體因受到徑向擠壓和豎向剪切作用，土體運動產生擠土位移，土體原始結構遭受破壞，同時產生較高的超孔隙水壓力，對沉樁周邊工程環境造成很大影響。

國內外研究者對沉樁擠土效應做了大量研究。典型如：W.S.Housel 等[9]在黏土中沉樁，研究黏土的不排水抗剪強度隨打樁時間變化規律；Hwang J.H.等[10]結合現場實測資料，研究打樁阻力與地質條件之間的關系；張忠苗等[11]對開口管樁的土塞效應進行研究，發現土塞高度受土層條件影響較大；王育興等[12]基于圓孔擴張理論和水力壓裂理論，分析了沉樁引起土體應力的變化，獲得沉樁瞬時超孔隙水壓力分布規律；周火垚等[13]通過飽和軟黏土足尺試驗，探討了沉樁過程中土體位移變化情況。但對于異形樁的沉樁擠土效應，國內外并無太多可借鑒的應用成果。目前僅有少數學者做了一些探究[14-17]。葉俊能等[18]研究了竹節樁復合地基沉樁過程中的超孔隙水壓力分布規律；周航等[19]基于透明土技術，研究了矩形樁沉樁過程中土體位移情況，結果表明，擠土位移場可分為靠近樁身的過渡區域和遠離樁身的圓孔擴張區域。

本文基于室內大比例模型試驗，對楔形管樁的沉樁擠土效應展開研究，以揭示靜力沉樁過程中，樁貫入阻力、樁周土位移和樁身應變等隨深度變化規律，著重探討不同楔角對楔形管樁沉樁效應特點的影響，以期進一步推動楔形管樁技術的后續發展。

1 模型試驗

1.1 試驗概況

為探討預應力混凝土楔形管樁的沉樁效應，對比楔形管樁和等截面管樁在沉樁擠土規律方面的差異，共設置3 組試驗，樁型選用半模開口管樁，具體尺寸參數見表1。

表1 試樁尺寸參數Table 1 Size parameters of test piles

模型試驗在1.0 m×1.0 m×1.2 m（長×寬×高）的模型箱內進行，模型箱由支架、鐵制底板和四面鋼化玻璃組成，試驗場地布置如圖1所示。填土方式采用分層填筑，每做完一根試樁，將模型箱內土料倒出，翻搗均勻重新分層回填，試驗中在每層土體頂面上覆鋼板以控制壓實度，并通過控制裝填高度和壓實后高度來控制土料的均勻性。參照《建筑地基基礎設計規范》（GB50007—2011）中關于土類的劃分方法，試驗用土的塑性指標大于10、小于17，故為粉質黏土。土的主要物理力學參數見表2。

表2 土的主要物理力學參數Table 2 Main physical and mechanical parameters of the soil

圖1 試驗場地布置圖Fig.1 Layout of the test site

1.2 測量元件布置

1.2.1 應變片

樁身應變的測量選用BX120-0.5AA 型電阻應變片，采用半橋接線方式接線，并用DH3815 靜態應變測試分析系統進行應變采集。應變片粘貼位置如圖2所示。

圖2 應變片粘貼示意圖Fig.2 Stick position of the strain gauge

1.2.2 位移測量

為了保證位移測量的精度，在模型箱鋼化玻璃外側刻畫邊長為1 cm 的正方形網格，分別在距樁中心4.5, 5.5, 6.5, 7.5, 8.5, 9.5, 10.5 cm 處的土層表面布置長度為1 cm 的大頭針，以網格參照人工讀取大頭針的位置信息，從而能夠較好地獲得樁周表土徑向和豎向位移。

1.3 加載及數據記錄

在靜力沉樁過程中，嚴格按照國家標準《建筑樁基技術規范（JGJ 94—2008）》執行。試驗采用壓力傳感器和壓力顯示儀來量測沉樁貫入阻力，每壓完1節樁（10 cm）分別讀取各儀器儀表的數值。

2 試驗結果分析

2.1 沉樁貫入阻力變化規律

圖3所示為各試樁沉樁貫入阻力隨沉樁深度的變化曲線。據圖3中的曲線可知，預應力混凝土楔形管樁沉樁初始階段（約0.15 倍樁長）貫入阻力小于直型管樁的，且楔角越大，初始貫入阻力越小。沉樁前期，楔形管樁貫入阻力增長速率遠大于直型管樁的，此階段沉樁施工難度較大，且隨著楔角的增加而急劇增加。當沉樁進行到后階段時，直型管樁貫入阻力開始減小，減幅相較于上一級沉樁為48.5%，隨后又逐漸增大，這一趨勢與張可能[15]描述的有所不同，可能是樁型和土質的差異導致。從整個沉樁過程來看，楔形管樁貫入阻力變化曲線呈斜“Z”形，前期和后期增長速率較快，中期趨于穩定，而直型管樁貫入阻力最大增幅出現在沉樁深度為0.5倍樁長時。

圖3 貫入阻力隨沉樁深度變化曲線Fig.3 Curves of penetration resistance with depth

分析上述現象的原因，楔形管樁由于楔角的存在，沉樁時對側壁的土體擠壓效應相較于直型管樁更加明顯，且隨楔角和深度的增加越來越大，擠壓產生的相互作用大大提高了樁體的貫入阻力，同時也可以預知，這種擠壓效應在樁體承擔豎向荷載時，也能進一步提高楔形管樁的豎向承載能力。

2.2 徑向位移分析

圖4、圖5分別為不同樁型和不同間距試樁的徑向位移變化曲線。

由圖4中不同樁型的距樁中心-徑向位移變化曲線可知，T2 樁與U1 樁徑向位移表現出較大差異。預應力混凝土楔形管樁隨著樁身下沉，各測點徑向位移逐漸增大，且距樁中心距離越遠，位移越小。直型管樁樁周表層土隨沉樁的進行，在測點范圍內，表土先向背離樁中心方向運動，后又向樁中心靠攏，最大徑向位移出現在約距樁中心6.5 cm 處，位移大小為3 mm，約0.045D（D為樁體平均直徑）。直型管樁徑向擠土范圍約為10.5 cm，即1.6D，較一般樁體要小。產生這種現象主要是因為試樁為開口管樁，且壁厚較薄，沉樁過程中鏟土效應顯著，對樁周土層的擠土作用較小。

圖4 不同樁型的距樁中心-徑向位移變化曲線Fig.4 Relation curves of distance pile center distance radial displacement of different pile types

圖5為不同間距下徑向位移-沉樁深度曲線。據圖5的徑向位移-沉樁深度曲線可以看出，不同間距的徑向位移整體變化趨勢一致，沉樁初期，直型管樁的徑向位移迅速增加，而楔形管樁的位移增長緩慢，位移增加主要在沉樁中后階段，沉樁結束時，楔形管樁的徑向位移要遠大于直型管樁的，且楔角越大，位移量值越大。

圖5 不同間距下徑向位移-沉樁深度變化曲線Fig.5 Radial displacement pile sinking depth curves under different spacing

由于缺乏較遠徑向距離處的位移測量值，無法看出楔形管樁水平擠土范圍，但在最遠測點處仍有5 mm 的位移值，可以預知楔形管樁的水平擠土范圍要明顯大得多。因此，有理由認為預應力混凝土楔形管樁在水平向的擠土效應較直型管樁明顯。

2.3 豎向位移分析

圖6為試樁T2 和U1 在不同沉樁深度下樁周表土豎向位移曲線。

圖6 不同樁型的試樁豎向位移-沉樁深度變化曲線Fig.6 Vertical displacement sinking depth curves of test piles with different pile types

由圖6可以看出，在加載過程中，無論是直型管樁還是楔形管樁，距樁中心越近，豎向位移越大。特別的是，在第一級沉樁（10 cm）時，直型管樁豎向位移增長速率迅速增加，而楔形管樁位移基本為0。沉樁結束時，楔形管樁表土豎向位移達到最大值，而直型管樁則表現出與徑向位移相同的趨勢，隨著沉樁的進行，豎向位移先增大后又減小，最大位移發生在第二/三級沉樁。在量值上，楔形管樁豎向位移要大于直型管樁，沉樁結束時，楔形管樁距樁中心4.5 cm處的豎向位移值為5 mm，而直型管樁僅為1.5 mm。分析其原因，可能是直型管樁沉樁初期土被樁體置換產生隆起，隨后土體開始回彈，位移逐漸減小，而楔形管樁因其上大下小的截面，沉樁過程中對樁上部土體回彈產生阻力，故而豎向位移和對樁周土的擾動范圍較直型管樁要大。

2.4 樁身應變分析

圖7為各試樁沉樁過程中樁身應變變化曲線。由圖7可知，楔形管樁樁身應變變化趨勢整體一致，伴隨沉樁深度的增加，樁側摩阻力逐漸發揮出來，應變隨之增大，由沉樁貫入力曲線也可以印證這點，且隨楔角的增加而增大，應變峰值出現在樁體上半部，距樁頂35 cm 處。直型管樁樁身應變沿樁長表現為先快速增加后又逐漸減小，最大應變值出現在距樁頂55 cm 處，其量值遠小于楔形管樁。由此可見，針對不同樁型靜力壓樁過程中“應力集中”現象出現的不同位置，防止沉樁導致樁體破壞，保證沉樁質量，楔形管樁應加強樁身上半部強度，而直型管樁應提高中下部樁體強度。同時也說明沉樁過程中，楔形管樁與直型管樁樁側摩阻力發揮程度存在顯著差異，這也是現場施工值得注意的問題。

圖7 不同樁型的試樁樁身應變-距樁頂距離變化曲線Fig.7 Strain distance curves between pile body and pile top of test piles with different pile types

3 結論

1）楔形管樁貫入阻力變化曲線呈斜“Z”型，初始貫入阻力較直型管樁要小，且與楔角呈負相關關系。隨著沉樁深度的增大，楔形管樁的貫入阻力增長速率遠大于直型管樁的貫入阻力增長速率，施工難度急劇增加；直型管樁貫入阻力最大增幅在沉樁深度為0.5 倍樁長時，沉樁后階段貫入阻力減小，減小幅度較上一級沉樁為48.5%，楔形側壁對土體的擠壓效應是楔形管樁相比于直型管樁較大貫入阻力和較高豎向承載力的主要來源。

2）楔形管樁與直型管樁徑向位移差異較為明顯。沉樁初期，楔形管樁徑向位移增長速率較為緩慢，隨著樁身下沉，楔形管樁各測點徑向位移逐漸增大，量值上與距樁中心距離成反比，擠土效應較直型管樁顯著；直型管樁則表現為先遠離樁中心，后又向樁中心靠攏，最大徑向位移出現在距樁中心6.5 cm 處，位移值大小約為0.045D，徑向擠土范圍為1.6D，較一般樁體要小。

3）無論是直型管樁還是楔形管樁，距樁中心越近，豎向位移越大。沉樁前期楔形管樁位移較小，位移增長主要發生在沉樁中后期；直型管樁豎向位移表現出與徑向位移相同的變化趨勢，先增大后減小，最大位移出現在第二/三級沉樁。

4）楔形管樁樁身應變變化趨勢整體一致，應變隨深度增加而增大，直型管樁應變沿樁長呈現先增加后減小趨勢，最大值出現在距樁頂55 cm 處。針對兩種樁型靜力壓樁過程中“應力集中”現象出現的不同位置，楔形管樁應加強樁身上半部強度，直型管樁則需要提高中下部樁體強度。

本研究的試驗結果，可為現場沉樁施工提供參考和借鑒。