a軟黏土中靜壓樁擠土效應(yīng)模型實(shí)驗(yàn)研究

陳祥彬 李利平

（麗水學(xué)院 工學(xué)院土木工程系， 浙江 麗水 323000）

0 前言

靜壓樁因其施工時(shí)不產(chǎn)生噪音震動(dòng)及沖擊力等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。[1]但靜壓樁在施工時(shí)的擠土效應(yīng)會(huì)對(duì)周邊的建筑或地下管線造成不利影響[2]。在實(shí)際工程中靜壓沉樁擠土效應(yīng)主要發(fā)生在軟粘土中。[3]這是因?yàn)檐浾惩恋耐杆暂^差，沉樁時(shí)由于土在擠壓力作用下，樁周土體受到相當(dāng)大的擠壓應(yīng)力并引起很高的超靜孔隙水壓力，進(jìn)而在相當(dāng)大的范圍內(nèi)引起地基土體的水平位移和地表隆起[3]。

根據(jù)彈性力學(xué)的基本假設(shè)，可以將沉樁過(guò)程可以近似看成均勻的內(nèi)壓力下圓孔柱的擴(kuò)張，入土過(guò)程中孔壁的土體最先屈服由彈性狀態(tài)變?yōu)樗苄誀顟B(tài)。[4]本文們比較關(guān)心的就是沉樁后圓孔擴(kuò)張的影響范圍。為此，本文采用麗水地區(qū)的軟黏土，完成了靜壓?jiǎn)螛逗挽o壓排樁擠土效應(yīng)的模型實(shí)驗(yàn)，研究了靜壓?jiǎn)螛懂a(chǎn)生的擠土效應(yīng)對(duì)周圍土體產(chǎn)生的位移和土中壓力的影響范圍。

1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ团c實(shí)驗(yàn)材料制備

1.1 模型箱

靜壓樁的沉樁模型實(shí)驗(yàn)在模型箱內(nèi)完成，該模型箱的有效尺寸為采用不銹鋼作為模型箱的骨架，底部及四周由 10mm厚高強(qiáng)度防爆玻璃粘接而成。為防止模型箱損壞，模型箱周圍用紅磚壘砌以防止模型箱子因受到土體的側(cè)壓力過(guò)大而損壞。

圖1 模型箱示意圖

1.2 模型樁

實(shí)驗(yàn)所用模型樁的為4cm的方樁，樁長(zhǎng)100cm, 樁端為平底形式，材質(zhì)為不銹鋼。沉樁前將模型樁表面用砂紙打磨，以使樁側(cè)與土體間的摩擦與實(shí)際相吻合。

1.3 實(shí)驗(yàn)土樣

實(shí)驗(yàn)土樣取自麗水地區(qū)典型的軟土場(chǎng)所，取回后經(jīng)過(guò)破碎、加水?dāng)嚢琛⒎謱犹钪⒓訅汗探Y(jié)等過(guò)程，并測(cè)得其力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如

表1 所示。

表1 土的物理力學(xué)指標(biāo)

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)分析

2.1 制備土樣

因?yàn)閷?shí)驗(yàn)需要的土樣較多，土樣并不是一次取回，土樣中的水有不同程度的蒸發(fā)且每次取回的土樣都受到了不同程度的擾動(dòng)。為 S了保證實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性。遂將土樣進(jìn)行破碎并加適量的水?dāng)嚢杈鶆颉Ｊ蛊浜室恢隆?/p>

土樣攪拌均勻后填筑于模型箱中并在填筑時(shí)埋按照實(shí)驗(yàn)要求埋設(shè)好應(yīng)力計(jì)。填筑完成后對(duì)土樣進(jìn)行壓實(shí)。土樣的壓實(shí)是利用紅磚的重量。在土樣表面鋪上硬木板，保證壓實(shí)后的土體表面平整，同時(shí)保證土體受壓均勻。壓實(shí)時(shí)間為4天。

圖2 土體壓實(shí)示意圖

2.2 測(cè)量土體位移

本次實(shí)驗(yàn)分別測(cè)量了沉樁過(guò)程中地表出土體的水平位移和隆起變形。其中，水平位移采用游標(biāo)卡尺對(duì)土體中的鋼針位移進(jìn)行測(cè)量以間接測(cè)得土體位移。如圖1所示，在泡沫塊上插上鋼針并用502進(jìn)行固定，按10cm的間隔埋入土中。用游標(biāo)卡尺讀出初始間距 S1,S2,S3,S4,S5。沉樁后讀出 S11,S22,S33,S44,S55。則土的水平位移計(jì)算公式為：

土體的隆起位移用百分表進(jìn)行測(cè)量，在土體表面，沿樁徑方向每隔著10cm放置一個(gè)硬鐵片，硬鐵片與百分表與充分接觸，沉樁前讀出百分表的初始度數(shù)。沉樁后讀出百分表的讀數(shù)并減輕初始讀數(shù)即為土體的隆起變形量。

圖3 水平位移測(cè)量示意圖

2.2 沉樁

本次實(shí)驗(yàn)完成了靜壓樁的模型實(shí)驗(yàn)，分析了單樁入土的擠土效應(yīng)對(duì)土中壓力的影響和土體位移的變化。其中沉樁速率約為 5mm/s,每根樁分兩次沉入過(guò)程，分別沉入50cm和100cm，并記錄土體的位移和土壓力值。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖4給出了土體的水平位移與徑向距離（位移觀測(cè)點(diǎn)到樁邊的距離）的關(guān)系曲線。從圖中本文可以知道，對(duì)于靜壓?jiǎn)螛叮馏w的水平位移與徑向距離成反比。即距離單樁中心點(diǎn)越遠(yuǎn)水平位移越低且靜壓樁沉入50cm的水平位移比沉入100cm深度的要低。在徑向距離為60cm處水平位移基本為0。本文據(jù)此認(rèn)為靜壓?jiǎn)螛秾?duì)土體造成的水平位移影響范圍為0.6倍的樁長(zhǎng)（樁長(zhǎng)100cm）左右。

圖4 水平位移變化曲線

圖5豎向隆起變化曲線

圖5 給出了土體的水平位移與土體的豎向隆起的關(guān)系曲線。如圖所示，土體的豎向隆起位移與徑向距離的關(guān)系與水平位移與徑向距離的關(guān)系類似成反比關(guān)系且沉樁深度越大，豎向隆起越明顯。在徑向距離80cm之前曲線的斜率要明顯高于80cm之后的斜率。即徑向距離80cm之后土體的豎向隆起已不再明顯。故本文認(rèn)為靜壓?jiǎn)螛秾?duì)土體的影響范圍為0.8倍樁長(zhǎng)左右。

圖7給出了單樁入土過(guò)程中土中的壓力與徑向距離的關(guān)系曲線。可見(jiàn)由于上覆土壓力的不同，100cm深度處土壓力比50cm深度處的土壓力要大。沉入單樁過(guò)程中。100cm深度處的最大土壓力是50cm深度初最大土壓力的4倍左右。從沉樁過(guò)程來(lái)看，對(duì)于土體內(nèi)50cm深度的土壓力，樁從0cm沉到50cm的時(shí)候，土壓力增加較多，樁從50cm沉到100cm的過(guò)程中，土壓力增加較小。對(duì)于100cm深處的土壓力這種規(guī)律不明顯。基于以上事實(shí)本文認(rèn)為擠土效應(yīng)對(duì)土中壓力的影響范圍在0.5倍樁長(zhǎng)左右。

圖6 50cm深處土壓力變化曲線

圖7 100cm深處土壓力變化曲線

4 結(jié)論

本文通過(guò)模型實(shí)驗(yàn)探究了靜壓?jiǎn)螛对邴愃貐^(qū)的軟黏土中沉樁過(guò)程中的土體位移和土壓力的變化規(guī)律，得到了如下結(jié)論：

(1) 土體的水平位移和隆起與徑向距離均成反比關(guān)系，水平位移和豎向隆起在0.6倍和 0.8倍樁長(zhǎng)時(shí)基本為零。取水平位移和豎向隆起對(duì)土體影響的平均值 0.7倍樁長(zhǎng)。靜壓?jiǎn)螛秾?duì)土體位移的影響范圍為0.7倍樁長(zhǎng)左右。

(2)土中的土壓力在沉樁過(guò)程中與徑向距離成反比關(guān)系且。沉樁50cm和100cm時(shí)時(shí)在徑向距離40cm和50cm處衰減為零。靜壓?jiǎn)螛秾?duì)土體中的應(yīng)力影響范圍為0.45倍樁長(zhǎng)左右。

本文的研究只是針對(duì)一種麗水地區(qū)的軟黏土進(jìn)行，不同礦物成分性質(zhì)的黏土及群樁的擠土效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究有待逐步開(kāi)展，以便為深入了解不同類型的樁在軟黏土的擠土效應(yīng)的普遍規(guī)律提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。