黏性土中靜力沉樁過程樁土界面土壓力模型試驗

摘要：為探討靜壓樁貫入過程中樁土界面土壓力的變化特性，開展了室內(nèi)飽和黏性土中靜壓樁沉樁模型試驗.采用雙壁模型管樁分離內(nèi)外摩阻力，在樁身安裝微型土壓力傳感器，監(jiān)測樁土界面土壓力，分析了沉樁過程中壓樁力與樁端阻力的變化規(guī)律，探討了靜壓樁沉樁過程中樁土界面土壓力的分布特征，明確了樁土界面土壓力在沉樁過程中存在明顯的退化效應(yīng)，揭示了飽和黏性土中靜壓樁沉樁過程樁土界面土壓力的變化機理.試驗結(jié)果表明：壓樁力隨貫入深度的增加近似呈線性增長，在貫入后期閉口樁的壓樁力明顯大于開口樁的壓樁力;樁端阻力基本呈現(xiàn)出線性增長，在沉樁過程中樁端阻力占壓樁力的比例較大，占比為６２．３％;在靜壓樁貫入初期，樁土界面土壓力的增長速度較低，隨著靜壓樁的逐漸貫入，樁土界面土壓力呈現(xiàn)出線性增長且增長速率較快;在同一深度處，隨著靜壓樁的逐漸貫入樁土界面土壓力出現(xiàn)明顯的土壓力退化現(xiàn)象，在深度２０、３０、４０、５０、６０、７０cm 處，土壓力依次平均退化１４．６％、１３．８％、１３．２％、９．２％、７．２％、６．１％.

關(guān)鍵詞：靜壓樁;室內(nèi)試驗;樁土界面;土壓力;退化效應(yīng)

doi：１０．１３２７８/j．cnki．jjuese．２０２１０２０２ 中圖分類號：TU４７３．１１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

０ 引言

靜壓樁因其對環(huán)境污染小、施工速度快等優(yōu)點，在樁基工程中得到了廣泛應(yīng)用[１３].目前，眾多學(xué)者采用理論計算、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗以及數(shù)值模擬的研究方法，對靜壓樁沉樁過程中沉樁阻力、樁端阻力以及樁側(cè)摩阻力的分布特性及沉樁機理進(jìn)行了一系列研究，取得了眾多成果[４５].例如：李林等[６]通過使用K０（靜止土壓力系數(shù)）各向異性修正劍橋（K０MCC）模型，得到了靜壓沉樁柱孔擴張的基本擴張模式解答，同時提出沉樁阻力的估算公式，探討了樁端阻力和樁側(cè)摩阻力變化規(guī)律;Manandhar等[７]基于球孔擴張理論，推導(dǎo)出了樁基表面摩擦的計算公式，分析了樁側(cè)摩阻力的分布特性，同時引入漸錐角的概念，探討了漸錐角對錐形樁樁端阻力的影響;蔣躍楠等[８]基于砂土中的靜力壓樁，研究了具有不同樁端的模型樁在均質(zhì)砂土中的沉樁阻力、樁端阻力以及樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律;劉俊偉等[９]通過開展室內(nèi)模型試驗，將模型樁內(nèi)外管的側(cè)摩阻力進(jìn)行對比，獲得了各部分阻力的占比，分析了開口管樁的沉樁貫入特性.一般來說，以砂土為地基土的室內(nèi)模型試驗操作簡便，可以定性分析靜壓沉樁貫入機理，但均質(zhì)砂土與天然地層相差較大，沉樁機理存在顯著差異性，而且沉樁過程中樁土界面土壓力是影響樁側(cè)摩阻力的重要因素.

目前已有學(xué)者對沉樁過程中引起的樁土界面土壓力開展了研究[１０１２].張忠苗等[１３]為研究靜壓預(yù)制開口管樁對樁側(cè)土壓力的影響，在試驗場地內(nèi)和防擠溝兩側(cè)埋設(shè)土壓力盒進(jìn)行監(jiān)測，試驗結(jié)果表明，在沉樁過程中樁周土體的樁側(cè)土壓力呈先增大后減小的趨勢，并隨著深度的增加，樁側(cè)土壓力的影響越來越大.Paul等[１４]通過室內(nèi)試驗?zāi)M了黏性土中沉樁過程，成功監(jiān)測了沉樁過程中引起的樁土界面土壓力，分析了樁土界面土壓力的分布特征，并將實測值與理論值比較，結(jié)果較為吻合.錢峰等[１５]在室內(nèi)進(jìn)行了飽和黏土地基的預(yù)制混凝土模型樁的靜力壓樁試驗，測量樁土界面土壓力并分析了沉樁過程中的土壓力的變化規(guī)律，試驗結(jié)果表明，樁土界面土壓力的增幅和其與地面的距離成反比.陸燁等[１６]采用室內(nèi)半樁模型試驗研究了砂土中靜壓樁沉樁貫入機理，并對樁土界面土壓力變化規(guī)律進(jìn)行了分析.張亞國等[１７]基于一系列離心模型試驗，研究了飽和粉質(zhì)黏土中沉樁過程的樁側(cè)土壓力的分布規(guī)律與發(fā)揮特性，結(jié)合試驗結(jié)果，提出了考慮地表邊界影響的沉樁擠土修正模型.李雨濃等[１８]采用離心機壓樁系統(tǒng)，開展了１g 重力場下的室內(nèi)沉樁試驗，在模型樁上嵌入式安裝土壓力傳感器，探討樁側(cè)土壓力在沉樁過程中的分布特征.綜上所述，目前現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗均采用在樁周土體不同深度處埋設(shè)土壓力傳感器，監(jiān)測沉樁過程中引起的土壓力變化特性，現(xiàn)有研究方法均未得到樁土界面處真實的土壓力變化值，無法深入探討樁土界面處真實的土壓力變化特性.本文通過室內(nèi)試驗，先采用雙壁模型管樁，開展飽和黏性土中靜力沉樁試驗，以避免土塞對土壓力傳感器的影響，分離內(nèi)外摩阻力;然后在樁身表面安裝了微型硅壓阻式土壓力傳感器，監(jiān)測樁土界面土壓力;進(jìn)而探討靜壓樁貫入過程中樁土界面處土壓力的變化規(guī)律，明確了沉樁過程中樁土界面處土壓力沿軸向上的變化特性，以揭示飽和黏性土中靜壓樁貫入過程中樁土界面處土壓力的變化機理.

１ 試驗方案

１．１ 模型樁

相似理論[１９]是模型試驗結(jié)果推向?qū)嶋H工程從而為施工設(shè)計提供借鑒的理論，包括幾何相似比、彈性模量相似比和荷載相似比.

１）幾何相似比

模型與原型幾何形狀存在關(guān)系，幾何相似比是保證模型試驗具有一定實際意義的重要指標(biāo)之一.幾何相似比如式（１）所示.

式中：mb 為模型試驗樁幾何相似比;Ly 、Dy 分別為原樁的樁長與樁徑;Ls 、Ds 分別為模型試驗樁的樁長與樁徑.

２）彈性模量相似比

式中：mE 為模型試驗彈性模量相似比;Ey 為原型彈性模量;Es 為模型試驗樁彈性模量.

３）荷載相似比

式中：mp 為模型試驗荷載相似比;py 為原型荷載ps 為模型試驗樁荷載.

本次試驗采用２根鋁制模型管樁進(jìn)行靜壓樁試驗，一般大直徑單樁的樁徑為３～６m，樁長為３０～５０m，本文按原型樁樁長為４０．０m、樁徑為５．６m、彈性模量２１０GPa、泊松比為０．３進(jìn)行制作.根據(jù)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，模型樁選用鋁制材料制作，彈性模量為７２GPa，泊松比為０．３.各模型樁的樁長、樁端形式以及組成形式各不相同，模型樁的外徑均為１４０ mm，模型樁編號分別為TP１、TP２.TP１樁端形式采用開口（圖１a），TP２樁端形式采用閉口（圖１b）.TP１的樁長為１０００mm.為保證測量的準(zhǔn)確性，需排除樁周土體的影響，所以TP２樁端安裝有隔土套筒，用來分離土體，套筒高度大約２００mm，因此TP２總長度為１２００mm.為實現(xiàn)分離管樁外壁與管樁內(nèi)壁的摩擦，監(jiān)測內(nèi)壁土塞阻力，本次試驗選用雙壁模型管樁.內(nèi)、外管頂部通過焊接樁帽實現(xiàn)剛性連接，樁頂荷載可以通過樁帽全部施加給外管，外管底部安裝L 型等厚度環(huán)形底座，底座與外管螺栓剛性連接，且閉口樁中底座與樁端鋼板螺栓剛性連接，內(nèi)管與底座間留有５mm 空隙，采用YA M８０硅酮耐候膠密封空隙，使內(nèi)、外管底部彈性連接且不進(jìn)行力的傳遞，所以可視為樁端力全部作用于外管底部.模型樁的具體參數(shù)見表１.

１．２ 模型箱與土樣制備

模型試驗采用青島理工大學(xué)自主研制的室內(nèi)模型試驗系統(tǒng)，其長×寬×高為３m×３m×２m，由鋼板焊接而成.模型地基的土樣取自青島某工程現(xiàn)場，現(xiàn)場地基土如圖２a所示.該土樣為粉質(zhì)黏土，介于流塑—軟塑狀態(tài).采用人工壓實（圖２b）與機器振實（圖２c）相結(jié)合的方法，首先將土樣在模型箱中分５層鋪設(shè)，并且分層均勻夯實;然后在表面噴灑適量水并覆蓋薄膜，靜置３０d后進(jìn)行沉樁試驗.為方便排水，提前在底層鋪設(shè)一層薄砂，并在模型箱底部留設(shè)排水口.在沉樁之前，對模型箱里的地基土進(jìn)行取樣，根據(jù)?土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)?（GB/T５０１２３—１９９９）[２０]進(jìn)行了一系列室內(nèi)土工試驗，測定了土樣的物理力學(xué)參數(shù)，土樣的物理力學(xué)參數(shù)見表２.

１．３ 傳感器布置

本次試驗采用硅壓阻式土壓力傳感器（圖３）監(jiān)測沉樁過程中樁土界面的土壓力變化值.硅壓阻式土壓力傳感器為圓柱體結(jié)構(gòu)，直徑約為２０mm，高度約為１２mm，其參數(shù)值指標(biāo)如表３所示.在試樁TP１、TP２試驗樁上設(shè)置６個測量斷面，每個測量斷面設(shè)置１個硅壓阻式傳感器，從樁端到樁頂傳感器編號依次為１＃—６＃，１＃傳感器距樁端５cm，其余傳感器兩兩之間依次相距５、１０、２０、２０、３０cm，最頂端的６＃傳感器距樁頂２０cm.

硅壓阻式土壓力傳感器在安裝前需到實驗室內(nèi)進(jìn)行精度的標(biāo)定，將符合精度的土壓力傳感器安裝到試樁TP１、TP２樁身，傳感器與試樁采用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行粘結(jié)，硅壓阻式傳感器如圖３所示.在傳感器安裝時要控制傳感器的高度，使其與樁身表面齊平.為提高環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強度，需等待環(huán)氧樹脂膠固化２４h，不得過早沉樁，硅壓阻式傳感器安裝前后如圖４所示.

因樁端阻力壓力傳感器與土體接觸，沉樁過程樁端容易產(chǎn)生偏心，為避免樁端力產(chǎn)生偏心而損壞傳感器，本次試驗過程中為準(zhǔn)確量測樁端阻力變化值，選用抗偏載能力強、安裝方便、拉壓輸出對稱的可旋轉(zhuǎn)式DYLF １０２型輪輻式壓力傳感器.輪輻壓力傳感器的安裝相對較為復(fù)雜，為了保證測量的準(zhǔn)確性，需要排除樁周土體的影響，所以試驗中在樁端安裝隔土套筒，用來分離土體，套筒高度為２０cm，直徑同樁徑.隔土套筒與模型樁螺栓剛接共為一體，安裝后的傳感器略低于隔土套筒，在進(jìn)行壓樁前其底端用一同直徑的壓力鋼板封裝形成閉口樁端，以擴大傳感器的受力面積，使其與未安裝輪輻傳感器的管樁樁端受力面積相同，同時也是為了確保傳感器受力均勻.輪輻式壓力傳感器安裝前后對比如圖５所示，其參數(shù)指標(biāo)如表３所示.其中模型樁TP２因在樁端安裝有輪輻式壓力傳感器，故１＃傳感器距樁端２５cm.

１．４ 樁位選擇

邊界效應(yīng)是制約室內(nèi)模型試驗成敗的關(guān)鍵因素.有關(guān)學(xué)者研究表明，模型箱側(cè)壁與樁心的距離L 與樁徑D 的比值大于３（即L/D ＞３）時，可忽略邊界效應(yīng)的影響[２１].此外，依據(jù)?建筑樁基技術(shù)規(guī)范?（JGJ９４—２００８）[２２]可知，基樁的最小中心距為４D ，因此，考慮以上因素，基于充分利用試驗條件的原則，本試驗設(shè)置沉樁位置如圖６所示的模型樁.

１．５ 模型樁的標(biāo)定

如圖４a所示，模型樁制作時樁身預(yù)留土壓力傳感器安裝孔洞及穿線孔洞，傳感器安裝孔洞直徑與土壓力傳感器直徑同為２０mm（頂部穿線孔直徑略大）.考慮到土壓力傳感器采用在樁身表面預(yù)留洞封裝的安裝方式，樁身應(yīng)變傳感器能否與樁身變形一致，準(zhǔn)確測得樁身荷載傳遞變化規(guī)律至關(guān)重要.模型樁傳感器安裝結(jié)束后，對模型樁進(jìn)行軸向加載標(biāo)定，加載標(biāo)定系統(tǒng)如圖７所示.采用傳統(tǒng)粘貼應(yīng)變片的方法進(jìn)行標(biāo)定，在模型樁內(nèi)、外管安裝軸向力傳感器的同一位置粘貼應(yīng)變片.標(biāo)定結(jié)果如圖８所示，選取模型樁３個截面的FBG（光纖布拉格光柵）傳感器和應(yīng)變片為例，模型樁在軸向荷載下，F(xiàn)BG傳感器滿足測試要求，即預(yù)留洞對樁身軸力的傳遞影響較小.

１．６ 靜力沉樁過程

本試驗采用電控系統(tǒng)加載，其加載系統(tǒng)包括反力架和動力裝置，為方便觀察土層的變化，模型箱正面設(shè)有鋼化玻璃窗，沉樁系統(tǒng)如圖９所示.在沉樁之前使用磁性水平尺吸附在樁身表面，以確定樁身是否垂直，防止沉樁過程中發(fā)生偏心受壓.確定樁身垂直之后再進(jìn)行沉樁過程，沉樁速率約為３００mm/min，整個沉樁過程勻速進(jìn)行.每次沉樁之前樁頂均安裝壓力傳感器，以監(jiān)測沉樁過程中壓樁力隨貫入深度的變化，沉樁過程如圖１０所示.

１．７ 數(shù)據(jù)采集

本試驗硅壓阻式土壓力傳感器數(shù)據(jù)采用CF３８２０高速靜態(tài)信號測試分析儀采集，可實現(xiàn)６通道同時動態(tài)采集，采集頻率１００Hz.樁端輪輻式傳感器和樁頂壓力傳感器采用DH３８１６N 靜態(tài)應(yīng)變采集儀采集，采集儀如圖１１所示.

２ 試驗結(jié)果分析

２．１ 沉樁過程中壓樁力分析

由樁頂安裝的壓力傳感器可繪制出試樁TP１和TP２沉樁過程壓樁力隨貫入深度的變化曲線（圖１２）.從圖１２可以看出，兩根試驗樁的壓樁力隨貫入深度的增加近似呈線性增長，在沉樁過程中試樁TP２壓樁力總體大于試樁TP１的壓樁力.具體來說，在貫入深度小于３０cm 時，試樁TP１和TP２的壓樁力相差較小，２根樁的壓樁力比較接近.這主要是由于，試樁TP１為開口樁，在貫入初期開口樁存在土塞效應(yīng)，存在內(nèi)外側(cè)摩阻力，致使貫入初期開口樁的側(cè)摩阻力大于閉口樁的側(cè)摩阻力.當(dāng)沉樁深度大于３０cm 時，TP２的壓樁力大于TP１的壓樁力.這是由于，一方面在沉樁過程中試樁TP１對樁周土體的剪切作用比較強，容易形成井壁效應(yīng)，即樁周黏土與管樁之間有微小縫隙，從而導(dǎo)致樁土之間的黏著作用較弱，側(cè)摩阻力較小;另一方面是開口樁雖然會逐漸形成土塞，但是土塞的形成需要一個過程，并且即使土塞高度逐漸趨于穩(wěn)定，也達(dá)不到閉口樁的封閉效果，所以閉口樁TP２的壓樁力大于開口樁TP１.

２．２ 沉樁過程中樁端阻力分析

根據(jù)試樁TP２樁端安裝的輪輻傳感器，可繪制出樁端阻力隨貫入深度的變化曲線（圖１３）. 由圖１３可以看出，樁端阻力隨貫入深度的增加呈逐漸增長趨勢.當(dāng)貫入深度小于１０cm 時，樁端阻力出現(xiàn)了突增現(xiàn)象，這是因為貫入初期在土層表面樁端破土貫入，導(dǎo)致樁端阻力急劇增大;當(dāng)樁端貫入深度大于１０cm 之后，樁端阻力基本呈現(xiàn)出線性增長. 沉樁結(jié)束后，試樁TP２ 的樁端阻力為２．０５４kN，占壓樁力的６２．３％，說明在沉樁過程中樁端阻力占壓樁力的比例較大.

２．３ 樁土界面樁側(cè)土壓力分析

依據(jù)樁身安裝的硅壓阻式土壓力傳感器讀數(shù)以及沉樁過程中的傳感器的入土深度，繪制出了沉樁過程中樁土界面處樁側(cè)土壓力隨傳感器土入深度的變化曲線，如圖１４所示.

從圖１４中可以看出：試樁TP１和試樁TP２每一個硅壓阻式土壓力傳感器測得的沉樁過程中樁側(cè)土壓力的變化規(guī)律基本相同，均是隨著沉樁深度的增加呈近似線性增長的趨勢，這與李雨濃等[２３]得到的沉樁土壓力的分布規(guī)律相近.因試樁TP１ 和TP２的土壓力分布規(guī)律基本相同，故以試樁TP１的樁端１＃硅壓阻式土壓力傳感器測得的樁側(cè)土壓力分布曲線為例進(jìn)行分析.具體而言，當(dāng)傳感器的入土深度小于１０cm 時，樁側(cè)土壓力較小，且其增長速度較慢;這主要是因為淺層土體經(jīng)受了管樁下沉對其造成的長時間剪切作用，致使土體與管樁之間的黏著逐漸消失，樁土界面接觸不緊密，從而導(dǎo)致側(cè)壓力較小.當(dāng)傳感器入土深度超過１０cm 時，TP１樁側(cè)土土壓力近似線性增長且增長速率較快，在最大入土深度處樁側(cè)土壓力最高為２０．０３kPa（圖１４a），而試樁TP２的１＃傳感器在最大入土深度處的土壓力為１９．５９kPa（圖１４b），可見兩者差距較小.

對比圖１４中各個土壓傳感器測得的樁側(cè)土壓力的分布曲線可以發(fā)現(xiàn)，同一深度處，１＃—５＃傳感器的樁側(cè)土壓力是逐漸減小的.最上端６＃硅壓阻式土壓力傳感器因處在樁剛?cè)胪撂帲饰礈y得有效值.根據(jù)傳感器的布置，１＃—５＃傳感器是依次入土的，以圖１４樁土界面樁側(cè)土壓力變化曲線進(jìn)行分析.

１）從圖１４a試樁TP１選取２＃、３＃傳感器樁側(cè)土壓力值進(jìn)行分析.２＃傳感器在入土深度為２０、３０、４０、５０、６０、７０cm處測得土壓力值分別為４．７８、６．６５、８．６５、１１．２５、１２．７８、１４．５９kPa，３＃傳感器測得土壓力值分別為４．０９、５．７８、７．４９、９．７４、１１．３５、１３．２３kPa;對比可知，２＃、３＃傳感器所測土壓力值分別退化了１４．４％、１３．１％、１３．４％、１３．４％、１１．２％、９．３％.

２）從圖１４b試樁TP２選取２＃、３＃傳感器所測樁側(cè)土壓力值進(jìn)行分析.２＃傳感器在入土深度為２０、３０、４０、５０、６０、７０cm 處測得土壓力值分別為５．０１、６．９０、９．８０、１０．９８、１２．８３、１４．２４kPa，３＃傳感器測得土壓力值分別為４．２７、５．９０、８．５３、１０．４２、１２．１１、１３．８３kPa;對比可知，２＃、３＃傳感器土壓力值分別退化了１４．８％、１４．５％、１３．０％、５．１％、３．３％、２．９％.由上述分析可知，TP１和TP２在深度２０、３０、４０、５０、６０、７０cm 處，土壓力依次平均退化１４．６％、１３．８％、１３．２％、９．２％、７．２％、６．１％.這表明隨著沉樁深度的增加，同一深度處的土壓力呈遞減趨勢，出現(xiàn)明顯的土壓力退化現(xiàn)象;并且隨著貫入深度的增加，土壓力退化現(xiàn)象程度逐漸減小.這是因為，沉樁是一個連續(xù)貫入的過程，隨著沉樁的進(jìn)行，地表以下同一深度位置的土體不斷地發(fā)生剪切破壞，土體發(fā)生多次磨削，致使樁土接觸不緊密[２４２５];加之試驗沉樁時間與土體觸變恢復(fù)時間相比較短，擾動土體來不及觸變恢復(fù)，從而引起應(yīng)力釋放，造成了同一深度處的側(cè)壓力隨沉樁深度的增加而逐漸減小的現(xiàn)象.

３ 結(jié)論

１）在貫入初期，開口樁與閉口樁的壓樁力基本一致.隨著貫入深度的增加，開口樁的壓樁力明顯小于閉口樁的壓樁力.樁端阻力隨貫入深度的增加呈線性增長，并且樁端阻力占壓樁力的比例較大，證明了樁端阻力制約著壓樁力的大小.其中試驗樁TP２的樁端阻力占壓樁力的６２．３％，表現(xiàn)出較好的端承特性.

２）在飽和黏性土中，樁土界面樁側(cè)土壓力隨貫入深度的增加呈線性增長的趨勢，在沉樁結(jié)束之后，開口樁與閉口樁樁土界面土壓力的大小相差較小，說明開口樁土塞閉塞之后與閉口樁對樁土界面樁側(cè)土壓力的影響相似.

３）在同一貫入深度處，隨著沉樁連續(xù)貫入過程的進(jìn)行，樁土界面樁側(cè)土壓力值呈遞減趨勢，存在明顯的土壓力退化現(xiàn)象.且隨著貫入深度的增加，樁側(cè)土壓力退化現(xiàn)象的程度逐漸減小.在實際工程預(yù)估壓樁力時，要考慮土壓力退化現(xiàn)象，以免過高預(yù)估壓樁力，在選擇壓樁器械時造成不必要的浪費.

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