均質黏性土中靜壓沉樁樁土界面孔壓增量及有效土壓室內試驗研究

中圖分類號： TU473.1 最近更新：2024-11-22 DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2022.075

摘要

研究飽和黏性土中靜壓沉樁引起的樁土界面孔壓增量及有效徑向應力的變化規律對工程實踐具有重要意義。利用自制的大比例模型試驗系統，通過雙壁開口和閉口管樁，實現了開口和閉口樁樁身表面嵌入式安裝微型測試元件，得到了考慮孔壓增量的樁土界面有效徑向應力的變化規律。研究結果表明：入土深度越大，樁土界面孔壓增量及有效徑向應力越大，閉口樁樁土界面超孔壓大于開口樁；樁身上部樁土界面超孔壓和有效徑向應力小于樁身下部；同一入土深度，隨著樁身h/L的增加，樁土界面土壓力存在側壓力“退化”的現象；特定試驗條件下，閉口和開口樁樁土界面超孔壓與上覆有效土體自重比值最大值分別是61.2%和52.1%，樁土界面有效徑向應力是超孔壓的3.76～5.46倍。樁土界面超孔壓和有效徑向應力與樁身h/L位置有關。

關鍵詞

靜壓沉樁; 開口管樁; 閉口管樁; 有效土壓力; 樁土界面; 室內試驗

在飽和黏性土地基中，對靜壓樁沉樁效應及長期承載力的發揮產生影響的重要因素是樁土界面超孔隙水壓力和土壓力[1-3]。學者們采用理論方法研究靜壓管樁貫入過程土壓力變化[4-6]。理論研究方法包括：圓孔擴張理論[7-9]、應變路徑法[10-11]和有限單元法[12-13]。然而，理論公式和數值模擬難以完全模擬現場的沉樁過程和真實反映樁周超孔隙水壓力和土壓力的分布。

許多學者通過試驗研究了樁周孔壓增量和徑向應力的變化規律。Hwang等[14]、Pestana等[15]和Yang等[16]實測了超孔隙水壓力，發現距樁軸距離大于15倍樁徑的超孔隙水壓力很小，隨著長徑比增加，樁身徑向應力衰減效應越明顯，沉樁深度達到孔壓計和土壓力計埋置深度時超孔隙水壓力和土壓力達到最大值。唐世棟等[17]、張宇超等[18]、周火垚等[19]、胡向前等[20]、張忠苗等[21]、李國維等[22]通過現場試驗研究了樁周孔壓增量、徑向應力及位移變化。靜壓樁貫入過程中超孔隙水壓力和土壓力在樁周土體和樁土界面有較大差別。Bond等[23-24]測試了沉樁過程的樁土界面孔壓增量和徑向應力變化。王永洪等[25-26]通過室內模型試驗對黏性土中沉樁過程樁土界面超孔隙水壓力和土壓力進行研究。為了深入研究黏性土中樁土界面受力特性，筆者開展均質黏性土中靜壓沉樁室內模型試驗，在模型管樁樁身表面嵌入式安裝微型測試元件，獲得了開口和閉口管樁沉樁過程樁土界面孔壓增量和徑向應力變化規律。

1 試驗方案

1.1 試驗儀器

為便于觀察沉樁過程，試驗模型箱的正面安裝尺寸為500 mm×500 mm的鋼化玻璃窗。加載系統主要由反力架和橫梁、液壓千斤頂、電控系統、靜載控制系統等組成，以實現試驗模型樁的靜力沉樁過程[27]。大比例模型試驗裝置如圖1所示。

1.2 試驗制備

進行壓樁試驗前，對模型箱中的土體進行采樣，根據《土工試驗方法標準》（GB/T 50123—2019）[28]進行室內土工試驗，測定其相關的土樣參數，測試結果：相對密度2.73，密度18.2 g/cm3，含水率34.8%，黏聚力14.4 kPa，內摩擦角8.6°。

1.3 模型樁及傳感器安裝

室內模型試驗共有2根試樁TP1（閉口）、TP2（開口），試樁TP1樁端安裝與樁身等直徑的底板。模型管樁采用鋁制材料，彈性模量為72 GPa、泊松比為0.3。試樁TP1和TP2樁長均為1 000 mm，內、外徑分別為100、140 mm。雙壁模型管樁的結構示意圖如圖2所示。在模型樁樁身表面h/L=1/20、1/10、1/5、2/5、3/5、9/10（h為傳感器距樁端高度，L為模型樁樁長）位置處安裝傳感器，傳感器布設如圖3所示。

1.4 試驗方案

為了充分利用模型箱空間，沉樁樁位布置見圖4。試驗分別對1根閉口樁TP1和1根開口樁TP2進行沉樁試驗，沉樁深度為900 mm，沉樁速度為300 mm/min。靜壓沉樁過程為：先將液壓千斤頂定位到沉樁位置；再將試驗樁放至樁位，并檢查試驗樁是否垂直；待將傳感器的傳輸線連接到對應采集儀上，進行試驗前調試并開始采集數據；最后通過油泵加壓使液壓千斤頂緩慢、勻速下降進行沉樁。

2 試驗結果分析

2.1 沉樁過程的壓樁力

從圖5可以看出，2根模型樁壓樁力隨沉樁深度的變化規律相似。在沉樁初期0～20 cm深度范圍，樁端破土貫入，破壞土體原有的結構，壓樁力迅速增大，呈現出近似線性增長的現象。由于樁端形式的不同，開口樁TP2壓樁力小于閉口試樁TP1。分析原因為開口管樁TP2在沉樁過程中會逐漸形成土塞，導致樁端封閉效果不如閉口管樁，開口管樁的壓樁力小于閉口管樁。隨著沉樁深度的增加，壓樁力增長速率降低。當沉樁結束時，試樁TP1和TP2壓樁力分別為2.938、2.538 kN，這是因為開口管樁在沉樁過程中會形成土塞，沉樁阻力相對閉口管樁較小，從而壓樁力較小。

2.2 樁土界面超孔隙水壓力結果分析

沉樁過程中試樁TP1和TP2孔隙水壓力傳感器量測的孔隙水壓力總量與入土深度的關系如圖6所示。由圖6可知：與試驗土樣的靜止水壓力相比，不同h/L位置處1#～5#傳感器測得的樁土界面孔隙水壓力總量較大，樁土界面孔隙水壓力隨著入土深度的增加近似呈線性增加，這與王育興等[29]研究結論一致。分析原因為：試驗所用土樣為均質土，試樁入土深度較小時，樁周上覆土重較小，水平側壓力小，孔隙水的消散較快，樁土界面孔隙水壓力較?。浑S著入土深度的增加，樁周上覆土重逐漸增大，水平側壓力也隨之增大，因此樁土界面孔隙水壓力近似呈線性增加。

從圖6還可以看出，沉樁結束時閉口試樁TP1樁身h/L=1/20、1/10、1/5、2/5、3/5位置處的傳感器測得的樁土界面孔隙水壓力分別為12.71、11.2、9.35、6.66、3.8 kPa，開口試樁TP2對應的樁土界面孔隙水壓力分別為12.08、10.68、9.24、6.56、3.87 kPa，除h/L=3/5位置處，同一h/L位置處閉口試樁TP1大于開口試樁TP2的樁土界面孔隙水壓力[19]。原因為閉口管樁對樁周土體擠壓作用比開口管樁較大，樁周土體徑向變形較大，致使閉口管樁TP1樁土界面孔隙水壓力較大。在同一土層深度處，試樁TP1和TP2樁身1#～5#孔隙水壓力傳感器測得的樁土界面孔隙水壓力較接近。以入土深度30 cm為例，試樁TP1沉樁過程中1#～5#傳感器測得的樁土界面孔隙水壓力分別為4.12、4.19、4.01、3.8、3.8 kPa，最大相差僅0.39 kPa，試樁TP2沉樁過程中1#～5#傳感器測得的樁土界面孔隙水壓力分別為4.17、4.06、3.96、3.73、3.87 kPa，最大相差僅0.3 kPa。

表1、表2分別為沉樁結束時，試樁TP1和TP2不同h/L位置處傳感器測得的超孔隙水壓力與其上覆有效土重比值表。由表1和表2可知，試樁TP1和TP2樁土界面超孔隙水壓力與其上覆有效土重比值隨入土深度增大而逐漸增大，試驗結果與胡向前等[20]研究結果相符。這是因為h/L較小位置處埋深較大，上覆土重較大，樁土界面緊密程度增加，沉樁產生的孔隙水壓力消散緩慢，導致超孔隙水壓力逐漸增大。其中，閉口試樁TP1和開口試樁TP2在h/L=1/20時樁土界面超孔隙水壓力與其上覆有效土重比值最大值分別為61.2%、52.1%，兩試樁相差9.1%；在h/L=1/10、1/5、2/5位置處樁土界面超孔隙水壓力與其上覆有效土重比值比較接近，均在44.3%～55.6%范圍內，但閉口試樁始終大于開口樁。由于表層土體隆起，h/L=3/5位置處孔壓消散快，閉口試樁TP1和開口試樁TP2樁土界面超孔隙水壓力與其上覆有效土重比值僅為32.9%、36.3%。

2.3 樁土界面徑向土壓力結果分析

圖7為沉樁過程中試樁TP1和TP2樁身1#～5#土壓力傳感器量測的樁側土壓力。由圖7可知：沉樁過程中樁側土壓力逐漸增大，與Lenane[30]和李雨濃等[31]試驗結果一致。當模型樁的貫入深度小于10 cm時，樁側徑向土壓力較小，且其增長速度較低，主要是因為模型樁下沉對淺層土體造成的長時間的重復剪切作用，致使土體與管樁之間的黏結力降低，接觸緊密程度降低，從而導致側壓力較?。划斈Ｐ蜆敦炄肷疃瘸^10 cm時，徑向土壓力近似線性增長且增長速率較高。沉樁結束時閉口試樁TP1測得的樁土界面徑向土壓力分別為20.03、16.68、13.23、8.42、5.1 kPa，開口試樁TP2對應的樁土界面徑向土壓力分別為19.59、16.67、13.83、9.05、4.54 kPa。由試驗結果可知：閉口樁和開口樁樁土界面徑向土壓力相差不大，閉口和開口樁均是距離樁端越遠樁土界面徑向土壓力增幅越小，分析原因是樁土界面徑向土壓力受上覆土重的影響，距樁端越遠上覆土重越小，擠土效應越弱導致徑向土壓力增幅越小。

為了解釋樁側土壓力“退化”現象，將相鄰傳感器側壓力退化值用“Δ”符號在圖7中進行標注。當入土深度在50 cm左右，閉口試樁TP1相鄰傳感器側壓力退化值分別為Δ1-2=2.08 kPa，Δ2-3=1.51 kPa，Δ3-4=1.36 kPa。以開口試樁TP2入土深度為30 cm為例，相鄰傳感器側壓力退化值分別為Δ1-2=1.36 kPa、Δ2-3=1.0 kPa、Δ3-4=0.92 kPa、Δ4-5=0.54 kPa。由以上數據可以看出，在同一入土深度處，從樁端到樁頂樁側土壓力退化值逐漸減小。隨著沉樁深度的增加，同一深度處的徑向土壓力呈遞減趨勢，出現土壓力“退化”現象。分析原因為隨著h/L增加，樁周土被不斷剪切，樁土之間產生泥漿水膜，樁土接觸緊密程度降低，使得樁土界面土壓力釋放。

2.4 樁土界面徑向有效土壓力結果分析

圖8為閉口樁TP1和開口樁TP2樁土界面有效土壓力與孔壓增量的比較。從圖8中可以看出，2個試樁得到的有效土壓力和樁土界面孔壓增量相近，同一h/L位置處樁土界面孔壓增量小于樁土界面有效土壓力，隨著h/L增大，樁土界面有效土壓力遞減速率大于樁土界面超孔隙水壓力。將樁土界面有效土壓力與樁土界面超孔隙水壓力作比較，h/L=9/10位置處閉口樁TP1和開口樁TP2樁土界面有效土壓力與孔壓增量比值分別為5.46、4.22，不同h/L位置處閉口樁TP1比值分別為3.76、4.2、4.63、4.07，不同h/L位置處開口樁TP2比值分別為4.47、5.22、5.17、4.8。

3 結論

通過開展均質黏性土體中靜壓沉樁室內試驗，研究了沉樁過程中樁土界面超孔隙水壓力和有效土壓力的變化規律，得到以下結論：

1）樁土界面孔隙水壓力和孔壓增量與入土深度成正比關系，在同一樁身位置處閉口試樁樁土界面孔隙水壓力大于開口試樁，樁土界面孔隙水壓力增量幅值均隨著h/L增大而減小。

2）樁土界面徑向土壓力在不同h/L位置處隨著入土深度的增加呈線性增長趨勢，樁土界面徑向土壓力受樁端形式影響不大，閉口和開口樁樁土界面徑向土壓力隨著h/L增大而減小。

3）閉口和開口樁樁土界面徑向有效土壓力均為樁土界面土壓力的主要組成部分。隨著h/L增大，樁土界面有效土壓力遞減速率大于孔壓增量。

由于研究僅限于給定的均質黏性土、樁端形式不同的模型樁和h/L位置，其他不同土層、模型樁和h/L位置條件下的樁土界面土壓力、超孔隙水壓力及有效土壓力的變化規律還有待進一步深入研究。

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