管樁復合地基受力特性離心模型試驗研究

姚貝貝 潘春風 趙利蘋

（鄭州航空工業管理學院 土木建筑學院，河南 鄭州450007）

管樁出現以后因其具有承載力高、適應各種土層、施工文明等優點而被廣泛應用于建筑、公路、鐵路等行業。管樁復合地基承載力、處置效果都與其受力特性相關，對管樁的設計和工程應用具有重要指導作用，是巖土行業的熱點問題。

施峰[1]通過精細靜載荷試驗研究了管樁的荷載傳遞機理、分析了側阻力和端阻力的變化，實測了壓樁力與入土深度之間的關系。雷金波[2]進行了帶帽管樁控沉疏樁復合地基的現場試驗、建立了帶帽控沉疏樁復合地基荷載- 沉降計算模型并提出了復合地基復合樁土應力比等新概念，為管樁復合地基理論研究提供了合理的依據。邢皓楓[3]以某實際工程為依托研究了PHC管樁在不同級別荷載下樁身沿深度的受力分布特征，發現管樁側阻力的分布特征與樁埋置深度有關，并提出了單樁承載力修正公式。用該公式求得管樁單樁承載力與靜載試驗結果較為復合，證實了修正公式的合理性。孫志亮[4]進行了靜壓預應力管樁的荷載傳遞試驗，實測數據顯示樁側土體材料發揮極限側阻力后會出現應變軟化，側阻力隨深度的增加而增大，極限端阻力則存在一定取值范圍，其極限發揮所需樁端沉降約為樁端直徑的5%-10%。陳小庭[5]應用土壓力盒監控了4 種褥墊層的軟基管樁復合地基樁土應力，對土壓應力及樁土應力比的時效性等特性進行了分析，試驗數據表明以樁土應力比峰值點為分界點，樁土應力協調可以分為兩個階段。律文田[6]展開的靜載荷試驗在樁頂、樁端及土層分界面處埋設了應變計，分析了軸力和樁側摩阻力的變化規律；以有限元法對軟土地區的PHC 管樁進行了模擬，模擬結果與實測結果變化趨勢一致。陸陽[7]通過數值模擬分析了土塞效應、管樁長徑比對單樁承載力的影響，發現土塞效應擴散了樁端荷載、提高了單樁承載力；通過對比分析靜載荷試驗結果和現行規范計算值，給出了西安地區管樁承載力修正系數。涂濤[8]應用ANSYS 軟件分析了管樁的傳力機制及變形性狀，分析了影響管樁承載性能的各種因素，為管樁的可行性與經濟性提供了參考依據。錢峰[9]通過靜壓沉樁模型試驗模擬了預制混凝土樁的施工過程，監測了孔壓、樁側土壓力、地面隆起與管樁的貫入深度之間的關系，發現當樁端到達土中一點上方0.8d 時該處的水壓達到最大值。張明義[10]將光纖傳感器開槽預埋入管樁樁身，進行了模型試樁承載性能對比試驗，研究了壓樁力、樁端阻力、樁側摩阻力及樁身軸力的發展規律。研究結果表明：壓樁力、樁端阻力等荷載均隨著沉樁深度的增加呈增長趨勢、樁身軸力逐漸遞減。

管樁受力特性的研究手段有靜載試驗、模型試驗、有限元模擬計算和理論分析等。當無法展開靜載試驗時，能夠更加真實的反映巖土性質和樁土相互關系的模型試驗就顯得極為重要。但常規模型試驗通常需要進行縮尺，導致應力等比例縮小，不能反映原應力水平。土工離心模型試驗通過離心力補償應力損失，可以實現模型與原型應力狀態相同，是理想的管樁復合地基受力特性研究手段。

本文在前人的研究基礎上，通過離心模型試驗重點研究樁身軸力、樁側摩阻力和樁土應力比等受力特性，為管樁復合地基的應用提供理論基礎。

1 試驗設計

為研究管樁復合地基受力特性，構建管樁復合地基應力場，模擬管樁在拓寬路基中的應用，應用光纖布拉格光柵傳感器監測樁身應力、應用土壓力盒監測樁間土受荷，根據監測數據研究管樁復合地基的受力特性。

1.1 試驗方案

試驗采用TLJ-3 土工離心機：有效半徑是2 米，最大容量是60gt，模型箱的長寬高分別為740mm、560mm 和460mm，共40 個監測通道可監測應變、電壓和溫度和2 個光纖通道。試驗過程模擬管樁復合地基在高速公路改擴建工程中的應用。路堤寬12米，填方高度10 米，坡度1：1.2，拓寬8 米。地基深度14 米，上層黏土4 米，中層粉質砂土5 米，下層粉質黏性土5 米。管樁外徑600mm，長8 米。模型比n=60，試驗方案如圖1 所示。

圖1 管樁復合地基模型試驗示意圖

1.2 樁的模擬

管樁原型的直徑為600mm，按照模型相似比模型樁的直徑應為10mm，只能采用力學性質相似的材料制作模型。管樁變形的控制因素是其彈性模量，根據離心模型試驗相似率，彈性模量的相似常數為1，因此可以選擇彈性模型與管樁相似的材料制作管樁模型。據此選擇10mm 后的薄壁不銹鋼鋼管制作管樁模型。

1.3 模型土的制備

當采用工程實際場地的土進行模型試驗，可得到與原型土體相同的性狀，因此在離心模型試驗中原型縮小了n 倍但是土顆粒的粒徑不變。帶來的問題是當土顆粒尺寸相比模型過大時，土體不滿足連續性假定，即出現粒徑效應。研究表明當土顆粒平均粒徑小于結構尺寸的1/30 時粒徑效應帶來的誤差可以忽略，因此一般情況下細粒土不存在顆粒效應。

地基土采用原型土進行模型。第一層粘性土的有效粒徑小于0.002，限制粒徑0.02，不存在粒徑效應。不均勻系數大于10，為級配良好土。土層其他參數見表1。經擊實試驗確定最佳含水量13.9%，最大干密度1.83g/cm3。由于試驗主要變量為地基沉降，在試驗前取風干土樣按照最佳含水量和最大干密度控制填土密實度。

表1 試驗土樣物理指標

第二層砂土天然孔隙比e=0.73，干密度ρd=1.45g/cm3，飽和密度ρsat=1.65g/cm3，通過落雨法配置。經過計算需要標準砂48.6kg。根據相對密度標定曲線確定當密實度為60%時落距應為55cm。制備過程如下：烘干模型砂，準備漏頭、軟管、砂桶等設備，漏頭高度設定為55cm，放置模型箱，分6 層澆砂，每層14cm共84cm。

1.4 樁身應變監測

電阻式應變片是土工試驗中最常見的應變監測元件，價格低廉測量方便，每個應變片都需要一根導線連接應變儀以測試數據。根據模型比計算模型樁的直徑只有10mm，粘貼12 個5mm×21mm 的應變片后顯然會對管樁模型的應變產生影響。光纖布拉格光柵傳感器出現以后在土工試驗中有很多應用，其優點是直徑小、質量輕、可以實現準分布式測量，只需要一根裸光纖就可以測量若干個測試點的應變。因此本次試驗采用光纖布拉格光柵傳感器監測管樁模型的應變。

由于裸光纖僅有250μm 左右在試驗中較易損壞，因此采用裸光纖布拉格光柵傳感器測量管樁模型的重點在于傳感器的封裝保護。傳感器封裝在管樁模型上以后應能準確測量其應變同時不應在試驗過程中損壞。封裝采用如下方式：首先在管樁模型表面開1mm 左右的槽，將光纖傳感器沿管樁方向平直的放入槽中，最后使用環氧樹脂膠將光纖粘貼在槽內。環氧樹脂膠應充滿開槽但不突出管樁模型表面、膠內不應有起泡。傳感器的布置如圖2 所示。

1.5 土壓力監測

測試土壓力的目的是為了確定單樁復合地基、兩樁復合地基在上部填土荷載作用下不同深度土壓力分布，確定單樁復合地基、兩樁復合地基承受上部填土荷載時，樁和樁間土各自承擔的荷載、樁土應力比及其變化規律。

圖2 光纖Bragg 光柵傳感器布置方案

土壓力的測量采用箔式微型土壓力盒，其特點是輸出靈敏度高、工作性能穩定、體積小、質量輕、比較適合在模型試驗中應用。試驗采用的土壓力盒直徑為11mm，厚度為4.2mm，量程0.1-5.0MPa，非線性誤差≤0.5%FS，重復性誤差≤0.5%FS，接橋方式為全橋。

土壓力盒的布置根據試驗具體情況進行，如圖3 所示。當管樁采用3 倍樁間距時布設3 個壓力盒，相鄰的兩根管樁樁頂布設2 個，管樁中間位置布設1 個。當管樁采用4 倍樁間距時布設4 個壓力盒，相鄰的兩根管樁樁頂埋設2 個，樁間布設2 個；當管樁采用6 倍樁間距時布設5 個壓力盒，相鄰的2 根管樁頂埋設2 個，樁間土埋設3 個。

圖3 土壓力盒布置圖

土壓力盒的埋設步驟如下：

a.當填土到達指定高度時，在土壓力盒埋設位置成孔。

b.清除孔底浮土，在孔底放置一定厚度的細砂并搗實，保證細砂頂面水平。

c.埋設土壓力盒，采用細土回填并搗實。

d.對每一個土壓力盒編號，并測試其初始值。

e.在試驗中每間隔一定時間進行讀數。

1.6 試驗步驟

試驗模擬管樁在高速公路改擴建工程中的應用。試驗首先填筑地基與老路堤，運行相當于實際時間8 年后停機，利用管樁模型對地基進行處理后在老路堤上開挖臺階并填筑拓寬路堤。拓寬路堤填筑完成后上機運行相當于實際時間3 年后試驗結束，在拓寬路堤運行過程中通過光纖傳感器監測樁身應變、通過土壓力盒監測樁頂及樁間土應力，通過試驗結果分析管樁復合地基受力特性。為對比不同樁間距的管樁復合地基的受力特性，試驗共進行3 組，樁間距分別為3d、4d 和6d。試驗過程如圖4 和圖5 所示。

圖4 試驗過程（老路堤填筑后）

圖5 試驗過程（壓樁過程）

2 試驗結果

2.1 樁身軸力

樁身軸力變化如圖6 所示。從圖中可以看出在管樁受力的不同時期其軸力分布規律基本相同：在樁的上部1/4 樁長范圍內軸力從樁頂開始向下逐漸增大，在1/4 樁長處達到峰值，之后開始逐漸降低，直至樁底降到最低。從樁身軸力的變化曲線可以看出樁間土的壓縮主要發生在樁的上部1/4 范圍內：土的壓縮產生摩阻力導致樁身軸力增加。從不同樁間距的復合地基樁身軸力分布圖可以看出樁間距對樁身軸力的分布規律并影響，樁間距不同時樁身軸力分布規律基本相同。但是樁間距對樁身軸力的最大值有較大影響：3 倍樁間距時樁身軸力最大值約700kN，4 倍樁間距時樁身軸力最大值降到了650kN，6 倍樁間距時樁身軸力最大值約600kN。可見樁間距不同主要影響樁和樁間土承擔的荷載比例，樁間距越大樁間土承擔荷載越大，樁承擔荷載越小，樁土應力比越小。

圖6 管樁樁身軸力曲線

樁間距對樁身應力大小較大影響：從圖中可以看出隨著樁間距的增加，3.0d、4.0d、6.0d 樁間距管樁樁身應力峰值分別為1150kPa、1020kPa、923kPa。樁頂和樁頂部分的應力也有不同程度的降低。

2.2 樁側摩阻力

通過監測拓寬路基運營過程中管樁樁身應變，不同樁間距管樁樁側摩阻力如圖7 所示。從圖中可以看出管樁樁側摩阻力由上部負摩阻力沿深度逐漸向下發展為正摩阻力：樁身上部1/5 范圍內樁側摩阻力為向下的負摩阻力，下部4/5 范圍為向上的正摩阻力，即樁側摩阻力為零的深度約為樁長的1/5 處。樁身下部樁側摩阻力隨著深度的增加逐漸增加，直至樁端，說明在上部填土荷載作用下樁側摩阻力得到了全長發揮，管樁受力應為摩擦樁。管樁上部出現負摩阻力的原因是管樁模量遠比樁周土體模量大，在上部荷載作用下樁間土先于管樁壓縮變形，荷載經上部褥墊層調節轉移到管樁上，管樁經過向上刺入褥墊層或者向下刺入持力層將荷載再次轉移到樁間土。通過褥墊層對荷載的調節作用達到樁土共同作用。與普通管樁相比，帶帽管樁樁帽面積比樁體面積大得多，樁頂刺入量很小，樁間土的荷載分擔比例大。

圖7 管樁樁身摩阻力

2.3 管樁復合地基樁土應力比

樁土應力比能夠反映樁和樁間土的共同作用特性,是復合地基的重要指標之一[11],對地基沉降計算和地基承載力驗算都十分重要[12]。合理的復合地基,既要安全可靠,滿足使用要求,又要能夠控制成本。因此在設計復合地基時,就必須從工程實際出發,把天然地基可資利用的潛力發揮到適當的程度,使樁土各自的負荷水平達到合理的分擔。帶帽管樁樁土應力比曲線如圖8 所示。從圖中可以看出隨著時間的增加樁土應力比不斷增大, 在工后150 天左右基本穩定。工后200 天3.0d、4.0d、6.0d 樁間距復合地基樁土應力比分別為17.7、15.2、13.1。從圖中可以看出帶帽管樁復合地基的樁土應力比較一般的復合地基大。從圖9 所示樁間距與樁土應力比的關系曲線可以看出樁間距越大,樁土應力比越大,而且這種趨勢隨著時間的增加不斷增大。這是因為隨著樁間距的增加,單位面積上的管樁數量降低,每根管樁承擔的荷載增加,導致樁土應力比的增加。

圖8 復合地基樁土應力比

圖9 樁間距與樁土應力比關系曲線

樁土應力比曲線是樁和土承擔荷載比例在褥墊層作用下不斷調整的反映。樁土應力比曲線前期不斷增長，說明管樁在褥墊層調節作用下承擔荷載不斷在增加。在樁土分擔的荷載達到穩定的狀態后樁土應力比曲線開始穩定。對比一般復合地基的樁土應力比曲線可以看出帶帽管樁復合地基的樁土應力比沒有明顯的峰值，也沒有出現明顯的上下波動。這說明由于樁帽的存在，帶帽管樁向上刺入褥墊層的量較小，導致管樁承擔了更多的荷載。從帶帽管樁樁土應力比曲線規律來看，帶帽管樁不是典型的復合地基，介于樁基礎和復合地基之間的地基處理形式。

3 結論

通過對拓寬路基離心模型試驗中管樁樁身應變及土壓力的監測，分析了管樁復合地基中管樁的受力特性，得到如下結論：

3.1 在路基運營過程中樁身軸力隨著深度的增加逐漸增大，達到峰值后逐漸降低，峰值點出現在樁身1/4 長度處。

3.2 管樁上部約1/5 樁身為負摩阻力，向下逐漸發展為正摩阻力且隨著是深度的增加逐漸增大。

3.3 管樁復合地基的樁土應力比與一般的復合地基大，且樁間距越大，樁土應力比越大。