塑料套管混凝土樁擠土效應現(xiàn)場試驗

陳永輝，陳 龍，王新泉，齊昌廣

（1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，江蘇 南京210098；2.河海大學巖土工程科學研究所，江蘇 南京210098；3.浙江大學城市學院土木工程系，浙江 杭州 310015）

0 引言

塑料套管混凝土樁[1-2]（簡稱TC樁）是借鑒國外Augeo樁及沉管灌注樁技術的基礎上改進并發(fā)展起來的，由預制樁尖、塑料套管、套管內混凝土，頂部樁帽等幾部分組成。塑料套管樁最主要的特點有：將塑料套管拉入沉管內，在打設沉管時向套管內注水以平衡深層管側土壓力對塑料套管的力，待場地內套管全部打設完畢集中抽水澆筑[3]。TC樁是一種新型的小直徑樁體，目前國內推廣應用的PVC塑料套管直徑一般為16 cm，由于直徑較小，其擠土效應小于大直徑樁型，但仍然屬于擠土樁范疇。

靜壓樁擠土效應已得到了工程界和學術界的重視。常用的理論研究方法有圓孔擴張理論法[4-5]，應變路徑法[6-7]及數(shù)值模擬法[8-9]等，高子坤[10]應用變分原理推導出沉樁擠土位移、應變和應力場的解答式，并使用前述的幾種理論進行了驗證。通過足尺試驗、模型試驗和現(xiàn)場試驗[11-16]等試驗方法則是研究擠土效應最有效的手段。不同樁型在不同地質條件下表現(xiàn)出了不同的擠土效應，TC樁作為一種新樁型，對其產(chǎn)生的擠土效應還未有進行研究，因此有必要針對TC樁進行現(xiàn)場擠土試驗研究。

本文通過在場地內埋設隆起觀測點研究樁周地面隆起量隨沉管不同打設深度的變化規(guī)律；利用木樁模擬TC樁放置于土中，研究在鄰樁施工過程中TC樁所處環(huán)境的變化情況。在木樁前后兩個面鑿槽放置土壓力計和孔隙水壓力計研究鄰樁打設后、鄰樁打設間歇期、場地施工結束后木樁所受擠土壓力和孔隙水壓力的變化規(guī)律。通過本試驗可以進一步對塑料套管進行研究，合理選擇套管材料、環(huán)剛度、壁厚。

1 地質條件

現(xiàn)場試驗依托申嘉湖杭高速公路練杭段L10合同段工程，TC樁試驗樁處理段落為一般路段，采用正方形布樁方式，樁長12 m，樁間距1.6 m，采用輔助振動沉管打設。現(xiàn)場土層物理力學參數(shù)如表1所示。

表1 試驗段落土層物理力學參數(shù)

土層概況為：①種植土，主要成分為粘性土，結構松散，力學性質較差；②亞粘土，層薄，物理力學性質一般；③淤泥質亞粘土，含少量有機質及云母碎屑，局部為亞粘土夾層，具高壓縮性；④亞粘土，物理力學性質一般，中偏高縮性，可作荷載不大構筑物短樁基礎持力層；⑥亞粘土，物理力學性質一般，中偏高壓縮性。

2 試驗方案

2.1 地表隆起試驗

打設樁之前在距樁位中心0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、3 m處分別設置地面隆起觀測點，將長度約20 cm的鋼筋在設定點處打入土體。測點布置見圖1。

圖1 練杭L10測點布置簡圖Fig.1 Arrangement of measuring points in L10 section of the expressway.

2.2 樁側土壓力和孔隙水壓力

為準確測出樁側土壓力及孔隙水壓力，需在樁身周圍埋設土壓力盒和孔隙水壓力計。但是樁身為圓形且外帶套管，要合理埋設儀器并使其處于穩(wěn)定受力狀態(tài)是很難實現(xiàn)的。為了方便儀器的埋設，本次試驗采用鑿槽埋設測試儀器的木樁模擬TC樁，利用在木樁上綁定測試儀器的方式能保證測試數(shù)據(jù)的正確性。

TC樁橫截面積與TC樁橫截面積存在一定的差別，但是本文研究重點在于鄰樁施工對于TC樁樁側的樁側土壓力，孔隙水壓力的影響，與測試樁樁身材料并無聯(lián)系。

木樁截面為10 cm×10 cm，主要設置方法為：沿木樁長上下面每隔一定間距鑿槽，一面設置土壓力計，另一面設置孔隙水壓力計，用鐵絲和鐵釘固定。土壓力計和孔隙水壓力計受力面均背向木樁，略高于槽口以保證測試數(shù)據(jù)的精確性，各段木樁之間采用專門加工的鋼板進行拼接，為保證木樁打入地基后測試線路的安全，所有線路同樣采取沿木樁樁身鑿槽鑲嵌，并用薄鐵皮將線路槽口封閉，如圖2所示。

圖2 拼接好的木樁Fig.2 The matched timber pile.

木樁樁尖用鐵板焊接制作，樁頂部設一拉環(huán)，埋設時用沉管內的拉升塑料套管的吊繩進行牽引，將木樁拉入沉管，隨后跟隨沉管打至地基預定深度后拔管，將木樁留在土中，樁周土體回擠，儀器與土接觸，進行測試。

該段落儀器埋深分別為0.5 m、2 m、4 m、6 m、8 m、9 m、10 m、11 m、12 m，打樁次序如圖3編號所示。.

圖3 打樁打設次序示意圖（單位：mm）Fig.3 Sequence of pile driving（unit：mm）

2.3 測試方案

為了研究地表隆起量隨沉管不同下沉深度的變化規(guī)律，試驗過程將沉管下沉過程分為間斷的4次，即沉管每下沉2 m測讀一次數(shù)據(jù)。

木樁打設后測讀一次數(shù)據(jù)。打設鄰近工程樁時（圖3中編號樁），每打設完一根樁測讀一次數(shù)據(jù)；遇到停機不打樁時或打設樁距離木樁較遠時，初期間隔時間10～20分鐘測讀一次，隨后間隔可增大；場地內樁全部打設完成后，將測試線路牽引埋設至路基外作長期觀測用，測試頻率根據(jù)填土實際情況調整。

3 試驗結果分析

3.1 樁周地表土體隆起量觀測結果分析

樁在貫入過程中，會對周圍土體產(chǎn)生擠壓作用，從而使土體產(chǎn)生隆起和水平位移，隨著沉管的不斷貫入，由于擴孔作用沉管將地基土體不斷排開。由于地表自由無約束，沉樁應力向地表釋放時，樁周徑向土體產(chǎn)生不同程度隆起。如國內徐建平[14]等通過在軟粘土中壓入單樁的模型試驗，得出地面最大隆起量為7%D（TC樁為小直徑樁，施工時先將螺紋塑料套管插入內徑更大的鋼沉管內，然后打入至地基設計深度，因此D取為沉管外徑23 cm），出現(xiàn)在距樁中心1.65D處，隆起影響范圍約為3～5D。

從圖4中可以看出，在本試驗中地表的隆起主要發(fā)生在沉管下沉的初期，特別是沉管下沉2 m時測得的數(shù)據(jù)很明顯反映出這一點；之后隨著沉管的下沉，地面隆起量有緩慢增加，但增長已經(jīng)不大。試驗結果與唐世棟等[15]現(xiàn)場測得的沉管灌注樁沉管深度-隆起量關系規(guī)律基本一致。這是因為地表無約束，淺層土體受力后就向上產(chǎn)生較大的隆起，而位于深層的土體由于上覆土壓力比較大，豎向變形必然受到約束，土體主要產(chǎn)生側向位移。

圖4 地表隆起量隨沉管打設深度變化規(guī)律Fig.4 Variation of surface uplift with driving depth of immersed tube.

圖5 地表隆起量沿徑向的變化規(guī)律Fig.5 Variation of surface uplift along the radial direction.

圖5所示，隨著距樁中心距離的增大，在沉管下沉不同深度時測得的地表隆起量服從指數(shù)衰減趨勢，距樁軸3 m處測得的最大隆起量僅為0.6 mm，可以認為TC樁施工引起的地表豎向隆起影響范圍約為6～7D。

本次試驗沉管完成后，在距樁軸0.5 m（約2.2D）處測得的隆起量最大，為3.96 cm，約為17.2%D，與上述文獻結果相比偏大。實際在打入鋼沉管時，由于鋼管與土體界面之間的摩阻力作用，樁周部分土體會隨著鋼沉管下帶，因此地表最大隆起并不是發(fā)生在界面處，而是發(fā)生在距樁中心一定距離處。

利用origin軟件對測得數(shù)據(jù)進行擬合，結果如圖6所示。

應用Gauss函數(shù)進行擬合，相關度為0.999 71；應用指數(shù)型函數(shù)擬合，相關度為0.980 1；應用S曲線擬合，相關度為0.995 96。經(jīng)過比較，作者推薦采用Gauss函數(shù)擬合結果作為TC樁沉樁擠土地面隆起公式：

其中x為據(jù)TC樁中心距離（m）；y為地面隆起量（cm）。

圖6 地面隆起量擬合曲線Fig.6 Fitted curves of ground heave.

3.2 側向土壓力及孔壓觀測結果分析

3.2.1 打設后樁側土壓力與靜止土壓力的比較

如圖7為木樁打設后測得的樁側土壓力和樁側孔隙水壓力分布圖。樁側土壓力變化曲線與理論靜土壓力曲線看出，沉樁擴孔對天然土體產(chǎn)生擾動之后，在樁身上部樁側土壓力與靜止土壓力相差不多，是因為由于擠土作用多余的力通過地面隆起得到了釋放，而在深層土中應力得不到釋放導致樁側土應力急劇增加。8 m處樁側土壓力最大為118.9 kPa，結合圖7（a）還可以看出8 m深度處產(chǎn)生了較大的孔隙水壓力83.2 kPa，又因為該土層為壓縮量較小的淤泥質粘土，該處成樁后的側向力明顯大于靜止側壓力。同樣的狀況發(fā)生在樁端，說明沉樁過程使樁尖土體發(fā)生極限破壞，土的有效應力減小甚至為零，形成塑性流動狀態(tài)。

TC樁的塑料套管剛度有限，前期的實際工程中就會出現(xiàn)樁端處塑料套管破裂甚至完全破壞的情況，可以通過進一步試驗研究樁身采取不同環(huán)剛度塑料套管、塑料套管中注水、隔樁跳打等方式進行TC樁的打設，保證成樁質量。

3.2.2 土壓力盒受力面朝向鄰樁打設過程間歇觀測結果

按圖3所示方向打設木樁相鄰樁，圖8為應力計受力面朝向鄰樁打設過程間歇的樁側土壓力和孔壓的觀測結果，其觀測是在上一根樁打設的基礎之上進行的觀測，鄰樁打設的影響主要是看兩次打設之間觀測數(shù)據(jù)的變化大小。

圖7 埋設后樁側土壓和孔隙水壓力分布Fig.7 Lateral earth pressure and pore water pressure distribution after piling.

圖8 受力面朝向鄰樁打設后樁側土壓力與孔壓分布Fig.8 Later earth pressure and pore water pressure distribution after pile installations in parallel direction.

如圖8所示，隨著打設樁距木樁施工距離的漸遠，兩次打樁后的孔壓曲線逐漸重合，說明施工對于孔壓的影響逐漸變小，樁身5～9.5 m范圍為深厚的淤泥質軟土層，沉樁產(chǎn)生的超孔壓沒有良好的排水條件，消散較慢；但發(fā)現(xiàn)樁端處超孔壓消散相當迅速。

對照圖 7(a)與圖 8(a)可以發(fā)現(xiàn)：打設完第一根相鄰樁，打設樁對于樁側土壓力的影響基本不變，可認為已超出TC樁的影響范圍。第一根樁打設完畢后，上部半臨空區(qū)域土體向樁側回擠，土壓力迅速增大，8 m處樁側土壓力達到143 kPa，樁端處樁側土壓力達到180 kPa，都增大約20%。圖7(b)與圖8(b)相比得出樁側孔隙水壓力變化相對較小約為10%～15%。

3.2.3 場地內樁打設完畢后觀測結果

練杭L10試驗段于1月17日（即約木樁打設后140 h）場地內打設完畢。由于沒有外荷載的影響，隨著時間的推移沉樁引起的超孔隙水壓力逐步消散，土體固結回擠，樁周土體強度快速恢復、強度增加。

從隨時間變化的曲線圖9中看出超孔壓消散是一個長期緩慢的過程，施工期結束后間歇期孔壓曲線仍呈現(xiàn)下降趨勢，位于淤泥質粘土層中8 m孔壓在施工結束期后800 h才基本穩(wěn)定；側向土壓力曲線總體也隨之下降，樁頂上部土體逐漸回攏，前期沉管擴孔產(chǎn)生的半臨空狀態(tài)得到改善，因此淺層土體曲線略有增大趨勢。曲線在700 h左右處出現(xiàn)顯著波動是由重型機械在場地內操作施工引起的。

通過本試驗可以充分了解作為一種新樁型，TC樁產(chǎn)生的擠土效應，并能為合理選擇塑料套管材料、環(huán)剛度等提供數(shù)據(jù)。建議根據(jù)不同的深度對套管的壁厚及環(huán)剛度進行控制及搭配，要求環(huán)剛度（KN/m2）約8～16級，套管其強度應保證打設過程中不擠破，混凝土澆筑前后不損壞。

4 結論

（1）通過布置隆起觀測點研究TC樁在打設時引起的地表隆起量，在距樁軸距0.5 m處測得隆起量最大，為3.96 cm，約為17.2%D。

（2）打設木樁后，在該場地地質條件下，下部土體 8 m和樁端處樁側土壓力和孔隙水壓力受力最大。

（3）打設完成第一根相鄰樁（1.6 m）樁側土壓力及孔隙水壓力增大 10%～20%之間。其后隨著打設樁距木樁施工距離的漸遠，兩次打樁后的孔壓曲線逐漸重合，僅在下部樁端處變化較大。

圖9 施工完畢后側壓力和孔壓隨時間變化Fig.9 Variation of lateral earth pressure and pore water pressure with time after construction.

（4）場地內施工完畢，由于沒有外荷載的影響，隨著時間的推移，沉樁引起的超孔隙水壓力逐漸消散并趨向穩(wěn)定，給出塑料套管質量標準：可根據(jù)不同的深度對套管的壁厚及搭配，要求環(huán)剛度（kN/m2）約8～16級。

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