淺析開口管樁及筒樁的“土塞效應”

肖宇辰

(西南科技大學，四川綿陽 621010)

淺析開口管樁及筒樁的“土塞效應”

肖宇辰

(西南科技大學，四川綿陽 621010)

土塞是開口管樁最顯著的特征，由于存在土塞與樁管內壁的相互作用，使得開口管樁及筒樁的沉樁性狀趨于復雜。為了評估在外部荷載下開口管樁及筒樁沉樁機理的力學性狀，文章基于大量的國內外相關文獻，從土塞的形成原理、作用機制及力學計算模型等出發，對管樁及筒樁的“土塞效應”進行了研究和討論。

土塞； 土塞增量填充率； 開口管樁及筒樁； 計算模型； 土塞效應

目前，開口管樁及筒樁以其較好的豎向承載特性，已被廣泛用于近海項目(如石油鉆井平臺)的基礎工程中。土塞是開口管樁最顯著的特征，早在20世紀60年代土塞對開口管樁及筒樁承載力的影響就受到了國外學者的關注[1]。由于存在土塞與樁管內壁復雜的相互作用，使得開口管樁及筒樁的沉樁性狀趨于復雜。

為了評估在外部荷載下開口管樁及筒樁沉樁機理的力學性狀，本文基于大量的國內外相關文獻從土塞的形成原理，作用機制及力學計算模型等出發，對管樁及筒樁的“土塞效應”進行了研究和討論。

1 土塞的原理及作用機制

管樁及筒樁在沉樁時，由于底部為開放式端口，土體會進入其內部形成土芯。隨著沉樁過程的進行，土芯受自重及內側摩阻力的影響，其頂部往往低于泥面，并呈現出“完全不閉塞”(unplugged mode)、“半閉塞”(partly plugged mode)、“完全閉塞”(plugged mode)的狀態，這種現象即為管樁或筒樁的“土塞效應”(soil plug effect)。由于“土塞效應”的存在，使得開口管樁及筒樁的豎向承載特性較端部閉合的傳統樁型更為復雜。

在管樁及筒樁的沉樁過程中，隨著樁身入土深度的不同，土塞的工作狀態大致可分為3種情況[2]：(1)完全不閉塞階段。在沉樁的初期，內部樁-土之間的泥面高度與外部相同，隨著沉樁的進行，土體可自由的侵入樁身內部；(2)部分閉塞階段。在沉樁的中期，內部樁-土之間的泥面高度略低于外部，隨著沉樁的進行，土體侵入樁身內部的行為被限制；(3)完全閉塞階段。在沉樁的后期，內部樁-土之間的泥面高度遠低于外部，隨著沉樁的進行，土體不能侵入樁身內部的行為被完全限制(圖1)。

圖1 土塞的三種狀態

在研究土塞效應時，由于樁身內側摩阻力難以確定，相關學者提出以變量IFR(土塞增量填充率)來定量描述土塞的閉塞程度[3]：

(1)

式中：ΔL為土塞長度的增量；ΔD為沉樁時的樁身打入地下深度的增量(圖1)。當IFR的值為0和1時，分別表示土塞正處于完全閉塞和完全不閉塞狀態，而處于0到1之間時，則表示土塞正處于部分閉塞狀態。

針對管樁或筒樁的土塞效應，國內外學者提出了“動力拱”的概念，并將其用于解釋土塞的力學作用機制。拱效應機制分析的基礎依賴于土塞中土拱效應的發現，文獻[4]通過試驗研究了管樁內側摩阻力，發現其在端部可達到較大值，而該現象與土拱效應密切相關。如圖2所示，在沉樁過程中，樁內土塞的“土拱效應”及其受力情況可解釋為在土體球狀土拱的形成過程中，當土塞受到荷載后，由于土體與管樁端部剛度的差異，樁-土之間會產生一定的差異變形，隨著荷載的傳遞，土體顆粒沿主應力方向重新調整，從而導致“土拱效應”的發生。而當荷載超過初期土拱的承載力時，土拱即發生剪切和膨脹破壞，樁端土隨即涌入樁管內，直到形成一個新拱，此時拱的阻力又超過了向上的推力。拱效應將樁底土阻力轉變為樁管內壁的法向擠壓力，從而大大提高了土體與樁管內壁的摩阻力。樁在貫入過程中，涌入管內的土體經歷著一個拱的形成與破壞交替發生的循環過程，而該循環過程即可視為“動力拱”現象。

圖2 土塞中的動力拱效應

針對“動力拱”現象，Paikowsky等[5]根據樁壁和土塞土體可發生的兩種情況，將土拱分為：(1)主動凸形拱，土塞和樁壁沒有相對運動；(2)被動凹形拱，樁壁向下運動，而土塞向上運動。需要指出的是主動凸形拱往往發生在土拱發生的初期或完全閉塞狀態下的管樁或筒樁，而被動凹形拱則發生在不完全閉塞狀態下的管樁或筒樁中。

2 土塞力學計算模型

目前，土塞的受力機理大多采用豎向一維平衡的研究思路(圖3)。將內部土芯(即土塞)看作連續的多個水平單元，每個單元的上、下部均承受豎向應力σv及σv+dσv，土的有效重度為γ′。由圖3所示的土塞豎向受力機理分析圖，可建立豎向平衡方程如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：d為土塞的直徑；τi為管壁與土芯的摩阻力均值；δ為樁身內部側壁的摩擦角；β為土塞單元水平與豎向所受應力的比值；φ為土芯土體內摩擦角。

圖3 土塞的受力機理分析[6]

土塞形成于開口管樁或筒樁的成樁過程中，且其閉塞的程度在較大程度上影響著樁的沉樁阻力和基礎的豎向承載力大小。許多學者對管樁或筒樁開展了現場試驗、室內模型試驗和理論解析方法，以期對開口管樁或筒樁的設計計算方法提出建議和指導。如圖4所示，在考慮土塞與內部土體與樁壁的內側摩阻力及管樁樁端土的承載力，可得出部分閉塞與完全閉塞狀態下的管樁或筒樁的豎向承載力的計算公式[7-8]：

Qunpluged=Qso+Qsi+Qw

(6)

Qpluged=Qso+Qsi+Qp-Wp

(7)

圖4 完全與部分閉塞樁豎向承載力計算

3 結束語

由于“土塞效應”的存在，使得開口管樁及筒樁的豎向承載特性較端部閉合的傳統樁型更為復雜。本文從土塞的形成原理、作用機制及力學計算模型等出發，對管樁及筒樁的“土塞效應”進行了研究和討論。隨著沉樁過程的進行，土芯受自重及內側摩阻力的影響，會呈現出“完全不閉塞”、“半閉塞”、“完全閉塞”的3種土塞狀態，并可用土塞增量填充率IFR表示。同時，土塞的受力機理大多采用豎向一維平衡的研究思路，且據此可計算考慮土塞作用時，管樁及筒樁的豎向承載力。

[1] 周健，王冠英.開口管樁土塞效應研究進展及展望[J].建筑結構，2008，38(4)：7，25-29.

[2] Samuel, G. P., Robert, V. W., and Mohsen, M. B. A new look at the phenomenon of offshore pile plugging[J]. Marine Geotechnology. 1989, 8(3): 213-230.

[3] Nicolaa, D. E., Randolph, M. F. The plugging behavior of driven and jacked piles in sand[J]. Geotechnique, 1997, 47(4): 841-856.

[4] Kishidah, I. Behavior of Sand Plugs in Open-Ended Steel Pipe piles[C]. 9th Int. Conf Soil Mech., Tokyo: 1977: 601-604.

[5] Randolph, F., Leong, E. C., Houlsby, G. T. One dimensional analysis of soil plugs in pipe piles [J]. Geotechnique, 1991, 41(4): 587-598.

[6] Samuel, G. P., Robert, V. W., and Mohsen, M. B. A new look at the phenomenon of offshore pile plugging[J]. Marine Geotechnology. 1989, 8(3): 213-230.

[7] PAIK K H, SALGADO R, LEE J H et al. Behavior of open-and closed-ended piles driven into sands[J]. Journal of Geotechical and Geoenvironmental Engineering. 2003, 129(3):391-403.

[8] PAIKOWSKY S G, WHITMAN R V, M M. A new look at the phenomenon of offshore pile plugging[J]. Marine Geotechnology. 1989 (8):213-230.

TU473.1+2

A

[定稿日期]2016-09-28

[作者信息]肖宇辰(1998～)， 男，本科生，土木工程專業。