現(xiàn)澆X形混凝土樁沉樁擠土效應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

劉漢龍，金 輝，丁選明，李 健

（1. 河南大學(xué) 巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210098；2. 河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，南京 210098；3. 江蘇省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，南京 210000）

1 引 言

樁基分為擠土型樁和非擠土型樁兩種，其中擠土類樁的擠土效應(yīng)所造成的影響主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）沉樁時(shí)，由于樁周土層被壓密并擠開，使土體產(chǎn)生垂直方向的隆起和水平方向的位移，可能造成近鄰已壓入的樁產(chǎn)生上浮，樁端被“懸空”，使樁的承載力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求；造成樁位偏移和樁身翹曲折斷等質(zhì)量事故；可使相鄰建筑物和市政設(shè)施的發(fā)生不均勻變形以致?lián)p壞。（2）壓樁過程中孔隙水壓力升高，造成土體破壞，未破壞的土體也會(huì)因孔隙水壓力的不斷傳播和消散而蠕變，也導(dǎo)致土體的垂直隆起和水平方向的位移。

學(xué)者對(duì)擠土效應(yīng)的研究包括：（1）數(shù)值分析方法。Mabsout等[1]建立了非線性有限元模型，模擬了預(yù)鉆孔對(duì)于樁擠土效應(yīng)的影響，并與非預(yù)鉆孔沉入時(shí)樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行對(duì)比；羅戰(zhàn)友等[2]采用合適的土體屈服準(zhǔn)則及有限變形理論，通過在樁-土界面設(shè)置接觸以及在樁頂施加位移荷載，建立了符合壓樁實(shí)際的有限元模型，利用得到的有限元模型模擬了沉樁產(chǎn)生的擠土位移場(chǎng)，討論樁-土界面不同摩擦情況對(duì)沉樁產(chǎn)生位移場(chǎng)的影響。（2）理論分析方法。Randolph等[3]將平面應(yīng)變條件進(jìn)行周對(duì)稱簡(jiǎn)化，探討沉樁對(duì)于樁周土強(qiáng)度變化和含水率變化的問題；Vesic[4]提出了無限土體中利用球形或者圓柱形擴(kuò)張理論，研究沉樁擠土效應(yīng)的一種通用方法；劉裕華等[5]基于圓孔擴(kuò)張理論對(duì)預(yù)制管樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行彈塑性分析，得到塑性區(qū)半徑、土體位移等解析表達(dá)式，也對(duì)實(shí)際工程中常遇到的土塞效應(yīng)對(duì)該理論應(yīng)用的影響進(jìn)行了討論；高子坤等[6]應(yīng)用變分原理推導(dǎo)沉樁擠土位移、應(yīng)變和應(yīng)力場(chǎng)解答。（3）試驗(yàn)研究。費(fèi)康[7]開展了現(xiàn)澆大直徑薄壁管樁（PCC）擠土效應(yīng)研究，得出PCC樁存在部分?jǐn)D土效應(yīng)，樁的幾何特征是控制擠土效應(yīng)的關(guān)鍵因素。

以上研究都針對(duì)圓形截面或環(huán)形截面樁展開，但現(xiàn)澆X形樁作為一種異形截面樁，沉樁擠土效應(yīng)規(guī)律不同于常規(guī)圓形截面樁。過去對(duì)現(xiàn)澆X形樁的研究主要在截面特性[8－9]、豎向承載特性[10]、樁-土荷載傳遞規(guī)律[11]等方面，目前尚無針對(duì)X形樁沉樁擠土效應(yīng)的研究。

本文結(jié)合長(zhǎng)江四橋接線段軟基處理工程，分別在試驗(yàn)樁周圍埋設(shè)土壓力計(jì)，孔壓計(jì)和測(cè)斜管進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)現(xiàn)澆X形混凝土樁沉樁過程產(chǎn)生的擠土應(yīng)力進(jìn)行分析。

2 工程概況

南京長(zhǎng)江第四大橋接線工程位于南京市六合區(qū)龍袍鎮(zhèn)，屬于典型長(zhǎng)江中下游軟土地區(qū)，沿線地區(qū)分布著大量淤泥及淤泥質(zhì)黏性土，根據(jù)地質(zhì)資料（見表 1），北接線 K9+764～K9+870段為一般公路段，路基分布有①1層軟土分布，為灰色流塑狀態(tài)淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土、淤泥，高壓縮性，低抗剪強(qiáng)度。軟土埋深淺，厚度不均，局部可厚達(dá)22～23 m，壓縮性高，強(qiáng)度低，土質(zhì)較差。該路段為公路拼寬段且存在箱涵及其過渡段，應(yīng)嚴(yán)防新路基與老路基之間的不均勻沉降。原設(shè)計(jì)方案為濕噴樁處理方案，濕噴樁屬于柔性樁，施工時(shí)需保證水泥漿液與土層混合均勻，施工過程控制需要非常嚴(yán)格，且施工后質(zhì)量檢測(cè)費(fèi)用較高。擬采用新處理方法：現(xiàn)澆X形混凝土樁屬于剛性樁，且施工質(zhì)量容易控制，檢測(cè)費(fèi)用低，適用于該路段軟基處理。通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，最后改用現(xiàn)澆X形混凝土樁處理方案。圖1為現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地CPT測(cè)試結(jié)果。該路段軟基采用梅花形布樁形式，樁間距為 2.2 m。樁尺寸如圖 2所示。圖中，虛線為等截面圓形樁和等周長(zhǎng)圓形樁示例。

表1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地土性參數(shù)表Table1 Soil parameters in field test site

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)場(chǎng)地土性CPT測(cè)試結(jié)果Fig.1 Results of CPT tests for field test site

圖2 試驗(yàn)樁尺寸Fig.2 Size of the test pile

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)儀器埋設(shè)和測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)樁樁長(zhǎng) 12 m（位于 K9+848.3～K9+888.3路段內(nèi)），外包圓直徑 D為 0.611 m，開弧間距為0.120 m，開弧角度為130o，分別在其開弧方向和凹弧方向布置測(cè)點(diǎn)，沉樁前后分別進(jìn)行測(cè)試，比較沉樁前后各監(jiān)測(cè)儀器讀數(shù)的變化。

試驗(yàn)儀器的埋設(shè)位置：①距離施打樁中心1.0、2.0、3.5 m處各埋設(shè)1根距離樁頂15 m的測(cè)斜管。②距離施打樁中心1.0、2.0、3.5 m處設(shè)置觀測(cè)孔，在6 m和9 m處埋各設(shè)1支孔隙水壓力計(jì)。③距離施打樁中心1.0、2.0、3.5 m處成孔，在3、6 m處垂直埋設(shè)土壓力盒，受力面對(duì)準(zhǔn)樁心。具體布置如圖3所示。

埋設(shè)不同深度的孔壓計(jì)時(shí)，為了防止同一孔中不同深度孔壓計(jì)由于水壓串孔而測(cè)不準(zhǔn)，第一個(gè)孔壓計(jì)埋設(shè)完成后，會(huì)填埋泥球?qū)⒖讐河?jì)包裹住，在孔外設(shè)置了1個(gè)固定點(diǎn)，將需要露出的導(dǎo)線長(zhǎng)度固定在1根木樁上，從而保證孔壓計(jì)在指定位置。然后再向孔內(nèi)填砂，保證孔壓計(jì)的位置不會(huì)發(fā)生變化或者嚴(yán)重的串孔現(xiàn)象。

為保證土壓力盒的手里面正對(duì)樁中心，采用 2根鋼筋焊接在土壓力盒的兩邊；為了防止在埋入過程中土壓力盒上移，在土壓力盒的上下邊同樣焊接了2條固定鋼筋。此外，將土壓力盒與焊接的鋼筋用膠帶再次固定，保持鋼筋的相交平面與土壓力盒的手里面相互平行，便于在埋入土壓力盒的過程中保證土壓力盒能夠正對(duì)樁中心，具體埋設(shè)方法如圖4所示。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)儀器布置圖(單位：m)Fig.3 Arrangement of facilities (umit: m)

圖4 土壓力盒固定方法Fig.4 Fixed method of earth pressure cell

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 水平位移變化規(guī)律分析

圖5為鄰樁沉入深層水平位移變化圖。由圖可見，距離樁中心1.0 m（1倍樁徑）、2.0 m（3倍樁徑）、3.5 m（5倍樁徑）處測(cè)點(diǎn)最大水平位移在樁頂，分別為2.64、2.17、1.14 mm，土體的最大位移產(chǎn)生于樁端，隨著深度的增加，土體的側(cè)向位移呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)，符合一般樁的變化規(guī)律。

圖5 前排樁沉入水平位移變化圖Fig.5 Changes of submergence horizontal displacement (front pile)

圖6為試驗(yàn)樁測(cè)斜管深層水平位移變化圖。由圖可見，距離樁中心 1.0、2.0、3.5 m 處測(cè)點(diǎn)的樁頂水平位移分別為 28.91、20.82、4.33 mm。對(duì)于2.0 m和3.5 m處的測(cè)點(diǎn)，最大位移產(chǎn)生于樁頂，但對(duì)于1.0 m處的測(cè)點(diǎn)，最大位移并不產(chǎn)生于樁頂，而是產(chǎn)生于距離樁頂1.5 m處的測(cè)點(diǎn)，最大位移為29.06 mm。總體分析，土體的深層水平位移隨著深度的增加基本呈現(xiàn)減小的趨勢(shì)，且距離樁中心越近，由沉樁引起的土體的水平位移越大，1.0 m處水平最大位移沒有在樁頂出現(xiàn)的原因可能是由于現(xiàn)場(chǎng)鄰樁施工或者場(chǎng)地條件造成的影響。對(duì)于3.5 m（5倍樁徑）處測(cè)點(diǎn)的最大水平位移值為4.33 mm，可以忽略不計(jì)，此處小于圓形樁的6倍樁徑。此處也可以看出，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的樁間距為2.2 m，鄰樁的施工會(huì)對(duì)本次試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

圖6 試驗(yàn)樁沉入水平位移變化圖Fig.6 Changes of submergence horizontal displacement (test pile)

4.2 側(cè)向土壓力分布規(guī)律分析

圖7為試驗(yàn)樁沉入后同一深度但不同方向各個(gè)測(cè)點(diǎn)的土壓力變化。由圖 7(a)可見，深度為 3.0 m測(cè)點(diǎn)處，測(cè)得尖角方向距離樁中心1.0、2.0、3.5 m處的沉樁前后的土壓力變化值分別為 27、19、12 kPa，凹弧方向的則分別為26、4、8 kPa。由圖7(b)可見，在深度為3.0 m測(cè)點(diǎn)處，測(cè)得尖角方向距離樁中心1.0、2.0、3.5 m處的土壓力變化值分別為34、29、22 kPa，凹弧方向的則分別為 33、8、9 kPa。分析可知，同一深度距離樁中心越近，樁身沉入所產(chǎn)生的側(cè)向擠土壓力也就越大，此外，尖角方向所受到的側(cè)向土壓力要大于凹弧方向所受到的側(cè)向土壓力。

圖7 不同方向土壓力對(duì)比圖Fig.7 Comparisons of earth pressures in different directions

圖8為同一方向下不同深度土壓力的變化。由圖可見，隨著中心距地增加，側(cè)向土壓力增加的幅度越來越小，并且隨著深度的逐漸增加，土壓力的變化也越大，即在同一方向處6 m深度處側(cè)向土壓力的變化大于3 m深度處土壓力的變化。

4.3 孔隙水壓力規(guī)律分析

圖8 不同深度土壓力對(duì)比圖Fig.8 Comparisons of earth pressures in different depths

圖9 沉樁孔隙水壓力變化圖Fig.9 Comparisons of earth pressures in different depths (concavity)

圖9為試驗(yàn)樁打入時(shí)孔隙水壓力的變化。由圖可見，在深度為6 m測(cè)點(diǎn)處測(cè)得尖角方向距離樁中心1.0、2.0、3.5 m處的沉樁前后孔隙水壓力變化值分別為29、18、13 kPa，在深度為6 m測(cè)點(diǎn)處測(cè)得尖角方向距離樁中心1.0、2.0、3.5 m處的孔隙水壓力變化值分別為18、13、4 kPa。分析可知，孔隙水壓力也呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，但是，隨著中心距的增加，變化的幅度也越來越小，且6 m處的孔壓變化大于9 m處的孔壓變化。由圖9亦可見，隨著試驗(yàn)樁的沉入，樁周圍的孔隙水壓力將增加，隨著中心距的增加，這種增加的幅度也將隨之減小，凹弧方向的孔壓增加要小于尖角方向孔壓的增加，深度越深孔壓的增加也就越大。另外，樁周圍的孔隙水壓力也增加，試驗(yàn)樁打入時(shí)，深度越深，孔隙水壓力的增加也就越小。

5 結(jié) 論

（1）現(xiàn)澆X形樁的最大水平位移發(fā)生在地表附近，隨著深度的增加，土體的水平位移逐漸減小，距離樁中心越近，產(chǎn)生的水平位移也越大。試驗(yàn)結(jié)果表明，距離5倍樁徑以上距離產(chǎn)生水平位移可以忽略不計(jì)，即X形樁擠土半徑為5倍樁徑，小于常規(guī)圓形樁的6倍樁徑。

（2）擠土壓力隨著樁中心距的增加，逐漸減小，在不同方向處（尖角方向和凹弧方向），所產(chǎn)生的擠土壓力大小并不相同，尖角方向的擠土壓力大于凹弧方向的擠土壓力。

（3）孔隙水壓力隨著深度的增加逐漸減小，離樁越近，樁沉入時(shí)產(chǎn)生的孔隙水壓力越大。

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