粉質土中PHC管樁打入性狀研究

王晨， 光洪峰， 呂偉

（青島理工大學，山東 青島 266033）

0 引言

預應力高強度混凝土管樁（PHC管樁）由流水線生產，因具有強度高、施工便捷、造價低等優點，近年來被廣泛應用于各類工程。

預制管樁以開口形式居多，這就導致在管樁打入土層時，樁端土體穩態被破壞部分土體進入管樁內部，這部分土體就是土塞。研究證明土塞效應對PHC管樁的承載性能有著重要影響。Brucy等［1］通過試驗研究了土塞的形成過程，發現隨著貫入深度的增加，土塞高度逐漸小于管樁入土深度。Paik等［2］通過模型試驗研究了在打入過程中土塞高度增長與管樁貫入深度增量的比值對管樁承載能力的影響。朱合華等［3］通過現場試驗研究了土塞的發展規律。張忠苗等［4］通過現場試驗和室內試驗研究了不同土層條件下的土塞特性，發現土體強度與土塞高度成正比，地基土的軟硬結構對土塞的發展有顯著的影響。

文中依托淄博某公路樁基工程，將FBG傳感技術應用于PHC管樁現場打入試驗中，并根據現場錘擊沉樁記錄的試驗數據，研究了打樁過程錘擊數與地基土的相互作用以及土塞的發展規律。

1 試驗方案

1.1 試驗場地概況

試驗位于山東省淄博市某公路樁基工程施工現場，屬沖洪積平原地貌，場區地基土在勘察范圍內分為7個地質層，地表土為素填土，前20m地層為粉土及粉質黏土，20m深度以下為砂土層，地下水埋深為0.4～2.0m，樁基持力層選擇細砂層，其土層分布及參數如表1所示。

表1 土層參數

1.2 試驗樁制備及傳感器安裝

試驗樁總長43m，樁徑800mm，壁厚130mm，C80混凝土，樁端形式為開口管樁，分三節制備，長度分別為15、13、15m，編號依次設置為PS1、PS2、PS3，各節采用電焊連接。各節管樁參數如表2所示。

表2 試驗樁參數

PHC管樁不同于鋼管樁的制備，其生產工藝包括鋼筋籠張拉、混凝土灌注、高速離心成型以及高溫養護，如圖1所示，高速離心成型和高溫養護對預埋監測元件的存活都是極大的挑戰。因此，如何提高管樁生產時傳感器的存活率是試驗的關鍵。

圖1 PHC管樁生產工藝

最終選用光纖光柵埋入式傳感器進行試驗，該傳感器具有耐高溫、性能穩定、實時監測等優點。試驗是將FBG傳感器埋設入管樁內部，分兩組對稱綁扎在鋼筋籠上，對稱綁扎是為了防止在打入過程中的可能存在的偏心受壓對數據的影響，取兩側傳感器數據的平均值作為最終應變值。為了進一步提高FBG傳感器的存活率，采用pvc管對FBG傳感器進行保護，綁扎過程如圖2所示。三節試樁傳感器的布置示意如圖3所示。

圖2 FBG傳感器的安裝

圖3 FBG傳感器布置圖（單位：m）

2 數據分析

2.1 每米錘擊數隨打入深度的變化規律

試驗記錄了3根管樁的打入錘擊數，錘擊數隨打入深度的變化曲線如圖4所示。

圖4 錘擊數隨打入深度的變化曲線

圖4中可知，3根樁的錘擊數變化趨勢基本相同。前20m地基土主要為粉土及粉質黏土，土體強度較低，錘擊數小。當樁端進入砂土層時，其每米錘擊數大幅增加，試驗樁在34m深度處錘擊數達到最大，最大錘擊數為272錘/m，而對照樁2在36m深度處達到最大，最大錘擊數為467錘/m。其中對照樁1在貫入32m深度時樁身被打裂，沉樁終止。可知PHC管樁沉樁的每米錘擊數可以反映出地基土的強度。

試驗樁在深度28m處，錘擊數先增大后減小，說明該處土體強度先升高后降低，而鄰近的兩根對照樁卻沒有出現這種現象，原因是試驗樁在貫入該深度時由于天氣原因，停錘了幾小時，而兩根對照樁樁均為連續打樁直至完成沉樁，故沒有出現上述現象。可以用土力學的有效應力原理［5］來解釋，外荷載作用下，土中應力被土骨架和土中水氣共同承擔，但只有通過土顆粒接觸傳遞的有效應力才會使土產生變形，具有抗剪強度，而通過孔隙中的水氣傳遞的孔隙壓力對土的強度和變形沒有貢獻。

對于飽和土體，在打樁等振動作用下，土顆粒被擠密，使得孔隙水壓力增大，土顆粒間有效應力減小，致使土體強度降低；反之，施工完成后，土體強度會得到恢復，進而影響側摩阻力和樁端阻力，樁體承載力隨時間的推移不斷增長［6］，眾多的實測數據及理論分析也可以證明這一點。這個過程的原理如下：

式中，βK為超孔隙水壓力轉化為有效應力的比值。

在連續打樁過程中超孔隙水壓力的累積使得土體強度降低；停錘后，打樁積累的孔隙水壓力釋放，土體強度得到恢復甚至提升，故而錘擊數變大；之后隨著打樁的進行，超孔隙水壓力再次積累，錘擊數變小，這與劉潤等［7］的研究相符。由此可知連續的打樁會使孔隙水壓力一直處于較高的水平，利于沉樁。

2.2 土塞性狀

土塞特性可由土塞高度L、土塞率P和土塞增長率I來評測，公式如下所示：

式中，H為試樁入土深度；dL和dH為土塞高度和試樁入土深度的單位變化量。

從式中可以看出，P=0代表未形成土塞，試樁等同于閉口管樁；P=1代表試樁內土塞高度等于試樁入土深度；I=0代表隨入土深度的增加試樁內土塞高度未增長，樁體處于完全閉塞狀態；I=1代表樁體處于完全非閉塞狀態。

2.2.1 土塞高度的變化規律

土塞高度的發展曲線如圖5所示。從圖中可以看出，土塞高度隨著樁體打入深度的增加而增大。3根試樁的土塞發展規律也基本相同，在打入深度在10～25m時，對照樁1的土塞高度發展曲線較另外兩根試樁來說變化幅度較大，這應與該處土層的軟硬程度有關；在深度32m處，對照樁1樁身被打裂，土塞高度為13m，在沉貫結束入土深度43m時，試驗樁土塞高度為19.8m，對照樁2土塞高度為18.7m。

圖5 土塞高度隨打入深度的變化曲線

2.2.2 土塞率的變化規律

土塞率隨打入深度的變化曲線如圖6所示。隨著打入深度的增加，土塞率呈現先減小后略微增大的趨勢。在20m深度處各試樁土塞率達到最小，試驗樁、對照樁1與對照樁2的最小值分別為42%、34.5%與40%。結合土質分析，隨著打樁的進行，土塞高度不斷增加，土塞與管樁內側摩阻力與土塞自重不斷增大，這就導致土塞增長需要克服的阻力增大，土塞率不斷減小，同時，在15～20m深度內，上部粉土層較硬，下部粉質黏土層較軟，這種土層結構更易造成閉塞現象，會進一步阻礙土塞的增長；在20m深度后土塞率又逐漸增大，原因是樁端貫入砂土層后，上層粉質土下層砂土的土層結構促進了土塞的發展，這與張忠苗等人的結論相符。在沉貫完成后，試驗樁的土塞率為46%，對照樁1與對照樁2的土塞率分別為40.6%與43.6%。

圖6 土塞率隨打入深度的變化曲線

2.2.3 土塞增長率的變化規律

土塞增長率隨打入深度的變化曲線如圖7所示。從該圖能更直觀的看出土塞增長速率的變化情況，在20m深度內，土塞增長率不斷降低，這與土塞受力、上硬下軟的土層結構有關，試驗樁、對照樁1與對照樁2的最小土塞增長率分別為22%、8%與22%。在20～30m深度范圍內，土塞增長率不斷增大，這與上軟下硬的土層結構有關，3根試樁的土塞率分別提高到了52.5%、52%與48.3%。之后隨著打入深度的增加，土塞增長率又呈現減小趨勢，這與打入初期土塞增長率減小的原因相同，可以從土塞的受力來解釋，土塞受土塞-內壁剪切力、土塞自重與樁端的支撐承載力，前兩者制約著土塞的發展，當打入深度不斷增加時，前兩者之和不斷增加，阻力不斷增大，阻礙土塞的增長，所以土塞增長率不斷降低，當打入深度足夠大阻力大于樁端土的承載力時只會破壞樁端土體的穩定，而土塞高度不會增加，也就是閉塞。沉樁完成后，試驗樁的土塞增長率為50%，對照樁1與對照樁2的土塞增長率分別為52%與48.7%。

圖7 土塞增長率隨打入深度的變化曲線

從對照樁1的土塞增長率變化曲線也可以看出，對照樁1的土塞增長率變化幅度較其他樁更大，先是從100%減少到了15m深度處的8%，然后從15m深度處的8%到32m斷樁處的52%，增幅達到了550%，遠大于剩余兩根樁的136%與118%，說明對照樁1樁端所處的粉質土與砂土層地基強度軟硬差異大于剩余兩根樁的地基土強度，這也可以解釋對照樁1樁身被打裂斷樁應該是因為該砂土層土體強度過高。

2.3 靜載荷試驗

采用慢速維持荷載法對試驗樁進行了靜載荷試驗，最大加載量為4080kN，分九級加載，每級維持2h左右，加載完成后樁身完好。結果如圖8所示，從圖中可以看出，試樁的Q-s曲線呈緩變型，曲線沒有出現明顯的向下彎曲，說明樁身還有較大承載潛力。樁頂最大沉降12.34mm，卸荷后殘余沉降8.39mm，回彈率32.01%。

圖8 試樁單樁靜載荷試驗曲線

3 結語

（1） PHC管樁沉樁的每米錘擊數可以反映出地基土的強度。土體強度越低，錘擊數越小，反之錘擊數越高。連續的打樁會使孔隙水壓力一直處于較高的水平，降低土體強度，利于沉樁。停錘一晚后出現錘擊數升高的現象，說明停錘會使土體強度恢復。

（2） 隨著打入深度的增加，土塞高度不斷增加，但土塞高度的增長速度逐漸小于管樁入土速度。上層粉質土下層砂土的土層結構會促進土塞的發展，上層粉土下層粉質黏土的結構會阻礙土塞的發展，易造成閉塞現象。土塞增長率的變化也能反映出土體強度，土體強度越高，土塞增長率越大。

（3） 該PHC管樁為端承樁，Q-s曲線為緩變型，且樁的承載潛力較大。