帶受力盤塑料套管混凝土樁擠土效應試驗研究

陳常輝，徐 鍇，陳永輝，3，謝 軍

（1.河海大學 巖土工程科學研究所，江蘇南京 210098;2.南京水利科學研究院，江蘇南京 210098;3.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）

近幾十年，樁基礎在我國應用十分廣泛，其沉樁樁土相互作用十分復雜，前人對此進行了許多研究并建立了數學模型［1－6］。陳永輝、陳龍等［1］在TC樁擠土效應現場試驗中發現樁上部樁側土壓力與靜止土壓力十分接近，是因為多余的力通過地表隆起得到釋放，而在深層土中應力得不到釋放致使樁側土應力急劇增加;周火垚和施建勇［2］研究了靜壓樁的擠土效應，認為沉樁伊始（0－0.2L）地表隆起量迅速增加，隨后緩慢衰減;雷華陽等［3］觀測了PHC管樁沉樁過程中樁周孔壓變化，發現沉樁過程中超孔壓隨徑向呈線性衰減，影響范圍大約為10倍樁徑。但在工程中地質條件十分復雜，所建立的數學模型不能完全模擬沉樁過程;同時，帶受力盤塑料套管混凝土樁作為一種新型地基處理方式，對其專門的理論研究還比較少，因此，帶受力盤TC樁的擠土效應研究更具價值。由于受力盤的存在以及其工藝與常規樁型差別較大，帶受力盤TC樁的擠土效應具有特殊性，樁側土體、受力盤下部土體的回擠效應亟需進行系統的研究。本文通過現場試驗研究，揭示了帶受力盤TC樁在沉樁過程中的樁土相互作用機理，對帶受力盤TC樁的施工和設計理論起到一定指導作用。

1 試驗場地工程地質概況

兩港公路規劃西起奉賢區奉城鎮A30公路，向東進入臨港新城后轉向北，跨過大治河出新城，往北接規劃機場高速公路與A30溝通。

試驗場地所在區域大地構造單元屬于揚子準地臺（一級構造單元）的東北端部，二級構造單元為錢塘臺褶帶，三級構造單元為上海臺陷。在地質歷史時期總體表現為隆起狀態，在新構造時期為持續振蕩性不均勻沉降。試驗場地地基土在勘察深度范圍主要由飽和的粘性土、粉性土、砂土組成，屬第四紀松散沉積物。具體的物理力學指標見表1。

2 試樁條件和觀測點布置

本工程所采用的帶受力盤TC樁樁徑d=160 mm，混凝土強度等級為C35，設計樁長L=22 m，受力盤直徑D=260 mm，樁深0～10 m范圍內受力盤間距2 m，樁深10 m以上，受力盤間距1.5 m，采用靜壓輔助振動沉樁施工工藝。

本試驗于2012年11月開展，研究帶受力盤TC樁單樁擠土效應，故在帶受力盤TC樁群樁之中預留10 m×10 m場地，在場地中間設置試驗樁。試樁的樁周布置了測斜管、地表隆起觀測點、孔壓計、土壓力計，儀器的平面布置見圖1。

其中兩處測斜孔均為30 m;樁周徑向1 m處共布設8個孔壓計，采用一孔一計，埋設深度為3、6、9、12、15、18、21、24 m;地表隆起觀測點布置在試樁徑向0.5、1.0、2.0 m 處;土壓力計布置在試樁徑向1.0、2.0 m處，每處8個，埋設深度分別為3、6、9、12、15、18、21、24 m。

3 試驗結果

為了研究沉樁過程中樁土作用機理，試樁的打設分段進行，分別在打設深度7、14、22 m時暫停打樁，測量孔壓、樁周擠土壓力、側向位移和地表隆起。

由于現場儀器埋設條件的限制，所測得數據可能并不十分精確，但所呈現的規律仍具研究價值。

表1 試驗場地土層的主要物理力學指標Tab.1 The main physical and mechanical indexes of soil layer in test area

3.1 沉樁引起的超靜孔壓變化

通過8個布設在試樁徑向距離1 m處的孔壓計監測沉樁過程中樁周土的超孔壓變化。圖2為超孔壓增量隨帶受力盤TC樁打設的變化曲線圖:

圖2表明:在沉樁的過程中，樁端到達孔壓計埋設深度水平面附近時，超孔壓增量達到最大值。淺層土和深層土的超孔壓增量差異較大。在較淺土層中（3～9 m），超孔壓增量較小，增幅在20 kPa之內，且在完成拔管的10分鐘內幾乎降為初值;在深層土中（12～21 m），超孔壓增量較大，增幅在50 kPa到150 kPa之間，完成拔管之后仍有少部分超孔壓存在。

15 m深度處，超孔壓增量最大，究其原因是15 m深度處土體透水性最差，從靜力觸探資料可知該深度土體為淤泥質粘土，而其上下層土體為砂質粉土、粉質粘土。

圖2還顯示:在完成拔管的短時間內各土層超孔壓迅速消散至接近初值，這是由于受力盤的存在，在沉管完全拔出之后孔壁與塑料套管之間存在5 cm寬的環形空隙，這就相當于拔管瞬間應力釋放并且環形空隙在土體回擠之前暫時成為良好的排水通道。

在拔管之后的幾天內，超孔壓逐漸消散，甚至有些地方超孔壓增量為負值，這是由于拔管的過程中沉管與樁周土體的摩擦作用將樁周土體回帶，相當于對樁周土施加了負壓。而在24 m處這個數值最大，是因為帶受力盤TC樁處理深度為22 m，即沉樁到22 m時，24 m處還未充分受擠就拔管將土體回帶。

3.2 沉樁引起的樁周擠土壓力

通過設在徑向1.0 m和2.0 m的土壓力盒監測沉樁過程中樁周擠土壓力的變化。用沉樁前后的土壓力增量來表示沉樁引起的樁周擠土壓力。圖3、圖4分別為試樁徑向1.0 m和2.0 m處擠土壓力隨帶受力盤TC樁打設的變化曲線圖。

圖3、圖4表明:在打樁的過程中，深層土受到擠土壓力明顯大于淺層土體，以1.0 m處為例，18 m以上的土體受到的擠土應力均小于6 kPa，而24 m處擠土應力達到了23 kPa。在沉樁的過程中，樁對土體的作用可分為兩個部分:第一部分為樁尖刺入土體對樁周土體的側向擠壓作用;第二部分是沉管外壁與樁周土的摩擦帶動土體下沉。前者對樁側土產生正向的擠壓應力;后者對下層土產生正向擠壓，對上層土類似于應力釋放，并在一定程度上提供負壓。對淺層土而言，在開始打樁不久，就成為了上層土，樁土的摩擦作用提供了負壓，與第一部分的擠壓作用抵消，因此擠土應力較小;而深層土一直受到兩部分的正向擠壓疊加直到樁尖達到該深度，因此擠土應力較大，尤其24 m處，樁長還未達到此深度，因此此處受到的擠壓應力最大。

對比圖3、圖4，隨著徑向距離的增加，在沉樁過程中，樁周土受擠作用減弱，在徑向2.0 m處，沉樁14 m以前甚至不產生正向擠壓，沉樁22 m時，僅15 m深度以上的深層土產生正向擠壓，且數值較小。

圖3、圖4還表明:在完成拔管的短時間內各個深度擠土應力驟降，大部分土壓力增量變為負值，如前所述，這是由于拔管之后套管與樁周土之間存在環形空隙應力瞬間釋放造成的，另一方面，拔管的時候沉管外壁與土體摩擦里帶動土體回帶也有較大影響。在拔管之后的幾天內，擠土壓力繼續下降。深層土的擠壓應力下降速度比淺層土快，事實上，深層土土體往環形空隙回土速度比淺層土快，因此其擠壓應力下降越快。

3.3 地基擠土變形

除了布置在試樁徑向1.5 m處的測斜孔數據異常無明顯規律，其他測點完好。11月8日拔管完成的測斜數據缺失是因為下雨造成測斜儀數據采集儀故障。

3.3.1 側向擠土位移

通過設在試樁樁周的測斜孔監測單樁沉樁過程中引起的側向擠土變形，圖5為沉樁過程中，距試樁中心0.8 m處土體的側向擠土位移隨深度變化圖（圖中正向位移方向為沿徑向向外）。

圖5表明:隨著沉樁的深入，樁周土體側向位移逐漸向深部發展，整體位移沿徑向向外。與此同時當沉樁達到14 m之后，樁頂的位移沿徑向向內偏轉，其原因是當沉樁到達較大深度時，上部土體在沉管外壁與樁周土的摩擦作用下，部分土體被往下帶動，同時對上部土體形成牽引力，帶動了土體向內移動，這與前述樁周土壓力的變化相符。當沉樁完成，即沉樁22 m時，上部5 m土體位移已經由正向轉為負向，此時，最大位移出現在中部12 m處和底部20～22 m。

由于在完成拔管之后下雨導致測斜儀數據采集儀故障，未能采集到完成拔管短時間內的側向擠土位移數據。但是從11月9日的數據以及前述樁周土壓力在拔管之后的變化仍能推斷出樁周土的位移發展趨勢。在完成拔管的短時間內，由于應力釋放，樁周土向套管回擠，短時間內樁周土整體向內移動。由于深部土體受到的自重應力較大，因此，在拔管瞬間就產生較大回擠位移。

圖5還表明:拔管之后樁周土逐漸反向移動，在拔管2天之后，整體位移方向為沿徑向向內。

3.3.2 地表隆起

在距樁中心 0.5、1.0、2.0 m 布設三個表面沉降板以觀測在沉樁過程中樁周地表隆起變化。圖6為樁周地表隆起隨帶受力盤TC樁打設的變化曲線圖。

圖6表明:整體地表隆起量為負值，即隨著樁入土，樁周土整體呈現出下沉趨勢，說明帶受力盤TC樁的打設過程也是對樁周土的擠密過程。隨著徑向距離的增加，地表下沉變小，0.5 m處下沉量最大為1.5 cm。2.0 m處在沉樁7 m時，地表有略微隆起，但隨著樁繼續入土，立刻由隆起轉為下沉。樁入土在7～14 m的過程中，地表下沉最為明顯，之后地表下沉緩慢。

圖6還表明:在拔管之后的短時間內地表隆起幾乎沒有變化，而不像超孔壓和土壓力短時間劇烈變化，說明樁周回土對地表隆起的影響具有明顯滯后性，土體的回擠對地表的隆起是緩慢的起作用，而不是瞬時變化。這一點同樣可以從11月9日的數據得出結論，在拔管之后由于土體向樁回擠，地表繼續下沉，下沉量甚至比整個沉樁過程還大，這是因為沉樁過程是由于沉管與樁周土的摩擦帶動樁周土下沉，而拔管之后由于前述環形空隙的存在，土體回擠彌補空隙造成地表下沉。

4 結論與建議

（1）超孔壓增量沿深度呈上小下大分布。在完成拔管的短時間內各土層超孔壓迅速消散至接近初值。拔管之后幾天內，深層土超孔壓增量甚至變為負值。

（2）樁周土受到的擠壓應力亦呈上小下大分布。沿徑向擠土應力減小。完成拔管短時間內各深度擠土應力驟降且大部分土壓力增量變為負值。

（3）在沉樁的過程中，當樁尖到達某深度，該深度土體沿徑向向外移動，之后樁尖遠離該深度，該深度土體沿徑向向內偏轉。拔管之后，土體回擠，各深度土體均沿徑向向內移動。

（4）地表整體呈現下沉趨勢，隨徑向距離增加，地表下沉量變小。拔管之后，土體回擠對地表隆起的影響具有滯后性。

（5）建議增加樁身底部套管的壁厚，樁身頂部和中部套裝壁厚可適當減小。

（6）在混凝土強度達到28天強度之后，若在路堤填筑之前，上部需要建筑結構物（如擋土墻），建議通過預壓加速樁周土體回擠，然后再建筑結構物。

［1］陳永輝，陳 龍，王新泉，等.塑料套管混凝土樁擠土效應現場試驗［J］.西北地震學報，2011，33［S1］:190－194.

［2］周火垚，施建勇.飽和軟黏土中足尺靜壓樁擠土效應試驗研究［J］.巖土力學，2009，30（11）:3291－3297.

［3］雷華陽，李 肖，陸培毅，等.管樁擠土效應的現場試驗和數值模擬［J］.巖土力學，2012，33（4）:1006－1012.

［4］彭劼.飽和粘土中沉樁的擠土效應研究及其在樁基承載力計算中的應用［D］.南京:河海大學，2000.

［5］王興龍，陳磊，竇丹若.打樁擠土的現場試驗研究及土體位移的計算公式［J］.巖土力學，2003，24［S2］:175－179.

［6］唐世棟，何連生.軟土地基中單樁施工引起的超孔隙水壓力［J］.巖土力學，2002，23（6）:725－732.