XCC樁群樁沉樁擠土效應透明土模型試驗研究

中圖分類號： TU473.1 最近更新：2024-11-22 DOI： 10.11835/j.issn.2096-6717.2023.039

摘要

現澆X形混凝土樁（X-sectional cast-in-place concrete pile，簡稱XCC樁）作為一種非圓截面異形樁，利用等截面異形周邊擴大原理，將圓弧正拱變成反拱，達到擴大截面周長、提高承載力的目的。XCC樁安裝過程其實是一個擠土過程，群樁沉樁擠土效應與單樁相比較為復雜，關于XCC樁群樁擠土效應方面的研究較少，而XCC樁群樁沉樁擠土效應是研究XCC樁的重要課題。基于透明土試驗，開展了XCC樁與圓形樁群樁沉樁貫入試驗，通過粒子圖像處理技術獲取沉樁過程的位移場變化規律，研究不同樁型和不同沉樁順序對群樁沉樁擠土效應的影響。試驗結果表明：對于最后貫入樁背樁面土的位移，XCC樁貫入引起的位移會比圓形樁率先達到峰值，XCC樁和圓形樁在群樁沉樁貫入過程中都會產生明顯的累積效應和遮攔效應，且XCC樁的遮攔效應要強于圓形樁。最后，給出了XCC樁和圓形樁在不同沉樁順序條件下群樁遮攔效應的經驗公式。

關鍵詞

透明土; 現澆X形混凝土樁; 群樁貫入; 擠土效應; 累積效應; 遮攔效應

在相同橫截面積情況下，異形截面樁擁有更大的周長，進而擁有更大的樁側表面積，以此來提高樁身的豎向承載力。現澆X形混凝土樁（簡稱XCC樁）是利用等截面異形周邊擴大原理，將圓弧正拱變成反拱，最終形成對稱的X形截面。與傳統的圓形現澆混凝土樁相比，具有相同橫截面面積的XCC樁由于其橫截面周長更大而具有更大的側阻力。而等截面周長的圓形樁與XCC樁的理論側摩阻力相同，但是XCC樁擁有更小的截面面積，因此，能夠節省大量建筑材料。

學者們已經對XCC樁技術開展了大量研究，張敏霞[1]基于雙曲線模型和Boltzmann模型，預測了XCC樁的極限承載力，并基于荷載傳遞法總結出了XCC單樁沉樁貫入的沉降計算公式。呂亞茹等[2-3]基于平衡分析法，采用三維有限元分析了XCC樁的應力傳遞和荷載分配機制，并與現場試驗結果進行了對比驗證。王智強[4]、張敏霞等[5-7]開展了豎向荷載作用下等截面面積XCC樁和圓形樁的足尺對比模型試驗，試驗結果表明，由于XCC樁擁有更大的樁側摩阻力，其豎向承載力較等截面面積的圓形樁大。雍君等[8-9]開展了等截面積XCC樁和圓形樁抗拔性能對比試驗研究。結果表明，圓形樁和XCC樁的側摩阻力分布規律一致，但XCC樁較等截面面積圓形樁的抗拔力高了約16.7%。金輝[10]、劉漢龍等[11]依托現場試驗，分析了XCC樁的單樁沉樁特性，開展了XCC樁的水平擠土試驗，對比分析了不同截面方向、不同徑向距離和不同深度的水平位移、側向土壓力及孔隙水壓力的分布規律。

目前關于群樁沉樁擠土效應也開展了很多研究。張建新等[12]開展了室內群樁貫入模型試驗，研究群樁貫入后土體水平位移和地表隆起變形規律、超孔隙水壓力及土體的微觀結構特征的變化規律。萬星等[13]在上軟下硬的成層地基土中開展了預制方樁群樁錘擊施工的現場試驗研究，發現沉樁產生的土體深層水平位移呈現上大下小的分布規律。劉俊偉等[14]在單樁擠土效應解析解基礎上推導出靜壓群樁擠土效應的理論公式，并將該理論結果與現場試驗成果對比驗證。羅戰友等[15]推導出了靜壓群樁擠土位移場的解析解，并發現在考慮施工順序及遮攔效應的情況下，迎樁面擠土位移較大，而背樁面的擠土位移較小，而且隨著樁數的增多，迎樁面的擠土效應將會增強。但目前對于沉樁順序對群樁擠土效應的影響以及XCC樁群樁沉樁擠土效應方面的研究仍然較少。

近年來，基于數字圖像處理的透明土試驗技術由于可以實現土體變形的非侵入式測量，而被廣泛用于結構-土相互作用變形問題研究。劉漢龍等[16]自主研發透明土平行隧道模型試驗裝置以及試驗方法，研究了平行隧道在砂質場地上開挖引起的地表和地層沉降特性。鄧澤之等[17]研究了波動水力條件下的水流擾動對孔隙喉道處細顆粒橋接結構的破壞機制。盧諒等[18]利用透明土試驗對靜力觸探探頭穿越土層界面時出現的“超前、滯后”現象作出了系統的解釋。Zhou等[19]基于透明土技術和PIV技術量化了XCC樁單樁沉樁后位移場變化規律，并將試驗結果與圓孔擴張理論和淺層應變路徑法的預測值作了對比。Xiao等[20]通過透明土群樁試驗對比了45°樁靴與平底樁的擠土效應，并且觀測到了明顯的遮攔效應，但是并未對該效應做出定量評價。宗梓煦等[21]依托透明土可視化技術發現仿生牙根樁的承載能力超出普通錐形樁一倍左右。袁炳祥等[22]開展了側向受荷樁的室內模型試驗，并結合PIV圖像技術分析了樁周土體位移場的變化發展趨勢，結果表明水平受荷樁的樁前和樁后砂土表面會產生紡錘形的位移影響區域，砂土相對密實度的增大會減小樁體水平位移。楊曉峰等[23]基于PIV技術開展了一系列單樁水平加載模型試驗，討論了柔性樁和剛性樁的水平樁土相互作用模式，以及局部沖刷對水平樁土相互作用的影響。

綜上所述，沉樁擠土效應是一個比較復雜的問題，而如何將單樁的相關理論推廣至群樁則是一個更為復雜的問題。目前基于透明土技術對XCC樁群樁的沉樁效應研究相對較少，筆者開展透明土XCC樁群樁沉樁模型試驗，測得群樁沉樁后的位移場變化情況，同時進行等橫截面面積的圓形樁群樁沉樁模型試驗，研究對比圓形樁和XCC樁的群樁沉樁擠土效應的差異。通過分析試驗結果，對群樁沉樁擠土效應的累積效應和遮攔效應進行定量評價，并給出了考慮不同樁型和不同沉樁順序條件下遮攔效應的計算公式。

1 透明土群樁貫入模型試驗

1.1 試驗材料

試驗采用熔融石英砂模擬土體顆粒，粒徑范圍為0.5～1 mm，密度1.464 g/cm3，摩擦角為34°。孔隙液采用折射率為1.462 5的15號白油與折射率為1.421 0的正十二烷按照體積比7.5：1.0混合配置而成，最終的孔隙液折射率為1.458 5，與熔融石英砂折射率保持一致。配置透明土及試驗過程均在室溫25 ℃條件下進行，這可以有效減少環境溫度變化對孔隙液折射率的影響。從圖1可以發現，在激光照射下，透明土散斑場效果較好。模型樁的物理參數見表1。

1.2 模型樁與試驗工況

試驗所采用的模型樁材料均為熔融石英，與透明土材料相同，彈性模量為40 MPa，泊松比為0.32，摩擦角為34°。為了解XCC樁與常規圓形樁在擠土效應上的異同，開展兩種樁型的等截面面積對比試驗，并且考慮了兩種沉樁順序試驗工況，見表2。模型箱尺寸為480 mm×200 mm×240 mm，樁間距為8R（R為樁等效半徑），透明土高度為200 mm，群樁貫入深度為100 mm。模型樁具體參數見表1和圖2，實物圖見圖3，工況示意圖見圖4，模型箱與沉樁位置示意圖見圖5。

1.3 試驗相關設備

試驗設備包括：亞克力模型槽、光學平臺、沉樁加載設備、CCD相機、激光發射器。光學平臺采用鐵磁不銹鋼面包板，臺面上有M6/25 mm的螺紋孔。沉樁加載設備由電機驅動，加載速率范圍為0.1～10 mm/s，試驗沉樁速率為恒定，為1 mm/s，貫入時間為100 s，貫入深度為100 mm。CCD工業相機分辨率為1 920×1 080，拍攝頻率為1 Hz。最后通過PIV View 2C圖像處理軟件對試驗結果進行分析。透明土試驗系統見圖6。

2 與單樁沉樁理論對比

2.1 與淺層應變路徑法對比

群樁沉樁試驗中的第1根樁的貫入可以看作單樁沉樁試驗，因此，可以與單樁沉樁理論對比驗證。將圓形樁單樁的位移與淺層應變路徑法[24]進行對比驗證。圖7和圖8分別給出了沉樁貫入深度z=10R時，淺層應變路徑法與透明土試驗的歸一化樁周土徑向位移和豎向位移的等值線圖。樁周土徑向位移結果稍有差別，但趨勢基本相同。豎向位移結果也基本相同，試驗結果比理論結果略大。試驗結果與理論預測值的差異可能是透明土散斑場質量不夠高導致的。

2.2 與圓孔擴張理論對比

由于沉樁貫入過程中，樁周圍土體的變形模式一開始主要是豎向變形，隨著土體深度的增加，土體的變形模式不僅有豎向變形，又有徑向擴張，故選取代表性深度z=5R處的試驗徑向位移與圓孔擴張理論解[25]進行對比分析。圓孔擴張理論解采用式（1）計算。

SrpReq=xReq?（xReq）2?1??????????√

（1）

式中：Srp為圓孔擴張理論預測徑向位移值；Req為樁的等效半徑；x為距樁中心距離。如圖9所示，縱坐標為土體徑向位移Sr與樁半徑R的歸一化值，橫坐標為徑向距離x與樁半徑R的歸一化值。可以看出在1.5R～10R范圍內，試驗結果與圓孔擴張理論基本吻合，在1.0R～1.5R范圍內，試驗結果比圓孔擴張理論結果小，這主要是由于激光在樁體附近產生反射，使得圖像處理出現誤差。通過對比試驗和兩種理論結果可以發現試驗具備較高的可靠性。

3 試驗結果分析

3.1 徑向位移分析

使用PIV View 2C圖像處理軟件對試驗中CCD相機拍攝的試驗圖片進行處理，能夠獲取群樁貫入后樁周土體的位移場。圖10描述了3根樁沉樁后樁周土位移隨深度變化的情況，橫坐標為土體徑向位移Sr與樁半徑R的歸一化值，縱坐標為土體深度z與樁半徑R的歸一化值。

如圖10（a）所示，沉樁順序1為C1/X1→C2/X2→C3/X3，對于圓形樁，C2-R側土產生的徑向位移最大。對于C3兩側土體位移，C3-R側的徑向位移隨深度增加而減小，而且由于已貫入的C2、C1的“遮攔效應”，C3-R側位移減小的幅度比C3-L側大。對于XCC樁，X3-L、R兩側土的徑向位移也隨深度增加而減小，但X3-L、R兩側土位移減小幅度相似。C1-L側的徑向位移由于之后C2和C3沉樁貫入的“累積效應”比C1-R側的要大，并且該效應隨土體深度增加而減小。X3兩側土的位移在土表處達到峰值，隨深度增加而減小。而X1和X2樁周土的位移則是隨土的深度增加呈現先增大后減小的趨勢，在z=7R處達到峰值。

如圖10（b）所示，沉樁順序2為C2/X2→C1/X1→C3/X3，對于圓形樁，C1、C2、C3三根樁兩側土的位移均隨深度增加而減少。由于后兩根樁C1、C3貫入的影響，C2兩側土的位移比C3和C1兩側小，3根樁的最大位移產生于C1-R側，最小位移產生于C2-R側。對于XCC樁，X1、X2、X3三根樁兩側土的位移隨深度的增加呈現先增大后減小的趨勢，除X3-L側外均在z=7R處達到峰值。最大位移產生于X3-L側，最小位移產生于X1-R側。X3兩側土位移受到已貫入的X2、X1“遮攔效應”的作用，X3-L側土的位移比X3-R側土的位移大，且該效應隨深度增加而減小；X2兩側土也有類似效應，但是隨土深度變化趨勢不同，該效應隨土深度增加先增大后減小，在z=7R處達到峰值。

3.2 豎向位移分析

如圖11（a）所示，沉樁順序1為C1/X1→C2/X2→C3/X3，對于圓形樁，最大豎向位移產生于C3-L側，最小位移產生于C2-R側。C3兩側土位移在土體表面表達到峰值，隨土深度增加而減小，而C2兩側土位移則隨深度增加先增大后減小，z=6R處達到峰值。C1-R側位移小于C1-L側位移，說明C2的貫入會增加從C1靠近C2樁周土的豎向位移；對于XCC樁，X1、X2、X3三根樁樁兩側土位移均隨土深度增加先增大后減小，在z=5.5R處達到峰值。這可能是由于在開始的一定土體深度范圍內，樁周圍土體的變形模式主要是豎向壓縮變形，隨著土體深度的增加，土體的變形模式既有豎向壓縮，又有徑向擴張。

如圖11（b）所示，沉樁順序2為C2/X2→C1/X1→C3/X3，圓形樁樁周豎向位移均大于對應XCC樁樁周土位移。對于圓形樁，C2、C3樁周土豎向位移基本隨土的深度增加而減少，最大位移產生于C2兩側，由于C2是第1根貫入的樁，這也能證明后續樁的貫入能夠增加已貫入樁周土的豎向位移。

3.3 不同沉樁順序和不同樁型對徑向位移的影響

如圖12所示，圖例中X、C、M1、M2分別代表了XCC樁、圓形樁、沉樁順序1、沉樁順序2四種試驗工況。橫坐標為距離樁2中心徑向距離與樁的等效直徑D的歸一化值，縱坐標為土體徑向位移Sr與樁半徑R的歸一化值，3根樁沉樁貫入后將土分割成了4個區域，從右至左依次為區域a、區域b、區域c、區域d。由于徑向位移和豎向位移會在樁中部附近達到峰值，因此研究深度z=5R處土的徑向位移。在區域a，相比于沉樁順序1，沉樁順序2條件下的土體徑向位移有所增加，且圓形樁位移的增加比例遠大于XCC樁。在區域d，XCC樁樁周土徑向位移峰值點在x=-6D（D代表等效樁直徑，D=20 mm）處，圓形樁峰值點在與樁距離x=-7D處。XCC樁沉樁順序2的徑向位移依然大于沉樁順序1，而圓形樁兩種沉樁順序的位移相近，沉樁順序1的徑向位移大于沉樁順序2的位移。在區域b，XCC樁樁周土的徑向位移由樁1到樁2隨距離逐漸減小，到樁2附近略有回升，沉樁順序1的擠土位移大于沉樁順序2。圓形樁樁周土位移從樁1到樁2變化趨勢呈波浪狀，沉樁順序1的擠土位移略大于沉樁順序2。在區域c，對于XCC樁，兩種沉樁順序引起的擠土位移趨勢一致，從樁2到樁3隨距離先增大后減小，沉樁順序2的徑向位移大于沉樁順序1的位移。對于圓形樁，兩種沉樁順序引起的擠土位移趨勢不同，沉樁順序1從樁2到樁3隨距離逐漸減小；沉樁順序2從樁2到樁3隨距離先增大后減小，在距樁距離x=-2D處達到峰值。

4 累積效應與遮攔效應研究

4.1 累積效應

群樁累積效應是指在連續沉樁過程中，后續樁的貫入對已貫入樁周土位移的影響。著重分析第2根樁貫入后和第3根樁貫入后對位移監測點土的位移影響，選取樁1和樁2中間S點作為位移監測點，S點位置詳見圖13。

4.1.1 累積效應對徑向位移的影響

如圖14所示，橫坐標為位移控制點S處樁2、樁3貫入后的土的徑向位移Sr與樁1貫入后土的徑向位移Sr0的歸一化值，縱坐標為土體深度z與樁半徑R的歸一化值，圖例中X2、X3、C2、C3分別代表了XCC樁貫入第2根樁和貫入第3根樁以及圓形樁貫入第2根樁和貫入第3根樁，M1、M2分別代表了沉樁順序1和沉樁順序2。對于XCC樁，X2、X3貫入后，S點處位移基本都有一定程度的衰退，X2貫入后，S點處土表的徑向位移減少為樁1貫入后的0.6倍左右，然后隨土體深度增加逐漸減小，在z=15R處減少至0，然后在15R～20R區段，隨深度增加徑向位移開始反向增大，不過15R～20R區段的位移絕對值偏小，研究群樁貫入的累積效應主要集中于z=0～15R深度的徑向位移變化。沉樁順序2由于先貫入的中間樁，第2根樁貫入后S點處徑向位移衰退程度明顯大于沉樁順序1。對于圓形樁，C2、C3貫入后S點處位移基本都有一定程度的增大，該增強作用隨深度增加呈減小—增大—減小的趨勢，在z=3R和z=10R處分別達到谷值和峰值。

4.1.2 累積效應對豎向位移的影響

如圖15所示，橫坐標為位移控制點S處樁2、樁3貫入后的土的豎向位移Sv與樁1貫入后土的豎向位移Sv0的歸一化值，縱坐標為土體深度z與樁半徑R的歸一化值。由于15R～20R的豎向位移偏小，因此主要研究0～15R間的豎向位移變化規律。對于XCC樁，隨深度增加豎向位移增大比例有微小幅度增加，沉樁順序1中土的豎向位移歸一化值基本在2～2.5之間，X3貫入后的豎向位移相比X2貫入后有所增加，但增加幅度沒有X2貫入后明顯。沉樁順序2中土的豎向位移歸一化值基本在0～1.5之間；對于圓形樁，豎向位移歸一化值隨深度增加呈先減小后增大的趨勢，在z=3R處達到谷值。

4.2 遮攔效應

4.2.1 群樁貫入情況下遮攔效應對徑向位移的影響

如圖16所示，橫坐標為樁1R側土與樁1的徑向距離x和樁半徑R的歸一化值，縱坐標為群樁貫入后樁1R側土的徑向位移Sr與圓孔擴張理論計算值的徑向位移Srp的歸一化值，圖例中X、C分別代表XCC樁和圓形樁，M1和M2分別代表沉樁順序1和沉樁順序2。縱坐標的歸一化值越小說明遮攔效應越強，圓形樁與XCC樁的遮攔效應隨徑向距離的變化趨勢一致，都是先減弱后增強。XCC樁遮攔效應“最弱點”在距X1中心5R處，而圓形樁“最弱點”后移至6R處，XCC樁的遮攔效應要強于圓形樁。

4.2.2 考慮群樁貫入的遮攔效應理論預測公式

主要考慮了兩種不同樁型（圓形樁和XCC樁）與兩種不同沉樁順序，共4種工況。從試驗數據能夠分析出群樁沉樁過程中確實有明顯的遮攔效應存在。為了對遮攔效應做出定量評價，對群樁沉樁后4種工況的樁1R側徑向位移歸一化值N=Sr/Srp采用Gumbel概率密度函數進行擬合。

N=a+d×e?e?n?n+1n=（x?b）/c

（2）

式中：a、b、c、d為N的待定系數，即曲線擬合系數，具體的系數值見表3。從圖16可以看出，各擬合曲線與原數據吻合程度良好（相關系數R2均gt;0.99）。從擬合結果能夠看出，遮攔效應由強到弱依次為，試驗工況3、試驗工況4、試驗工況1、試驗工況2，即XCC樁沉樁順序1gt;XCC樁沉樁順序2gt;圓形樁沉樁順序1gt;圓形樁沉樁順序2。

5 結論

1）不同樁型與不同沉樁順序對沉樁擠土效應影響有所不同。在代表性深度z=5R處，圓形樁和XCC樁第3根樁左側土的徑向位移呈先增大后減小的趨勢，XCC樁左側土的徑向位移會比圓形樁的先一定距離達到峰值，這個距離在1D左右；對于XCC樁，沉樁順序1的土體徑向位移小于沉樁順序2的位移，而對于圓形樁沉樁順序1的土體徑向位移大于沉樁順序2的位移。

2）試驗結果表明，在群樁沉樁貫入中，第2根樁的貫入對第1根樁樁周土的位移存在明顯的累積效應，第3根樁的貫入會稍微加強該效應。XCC樁群樁貫入的累積效應表現為減小監測點S處的徑向位移，增大監測點S處的豎向位移；圓形樁群樁貫入的累積效應表現為增大監測點S處的徑向位移和豎向位移。

3）試驗結果表明，群樁貫入存在明顯的遮攔效應，圓形樁與XCC樁的遮攔效應隨徑向距離的變化趨勢都是先減弱后增強，且XCC樁的遮攔效應要強于圓形樁。結合透明土試驗數據，考慮了XCC樁、圓形樁兩種沉樁順序共4個工況，對第1根樁樁周土的徑向位移的遮攔效應歸一化值進行了經驗公式的擬合，可供實際工程參考。

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