靜壓沉樁樁土界面受力特性研究★

林振華，銀吉超，梁國(guó)偉，王 波，馮宏斌，周立飛，劉 楠，桑松魁

(1.中國(guó)鐵建投資集團(tuán)有限公司，北京 100855； 2.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東 青島 266033；3.青島綠色理工巖土工程有限公司，山東 青島 266033； 4.中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，山西 太原 030024)

許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究了樁周孔壓增量和徑向應(yīng)力的變化規(guī)律。國(guó)外學(xué)者HWANG等[1]，PESTANA等[2]和YANG等[3]實(shí)測(cè)了沉樁過程和沉樁后樁周土內(nèi)超孔隙水壓力的變化情況，發(fā)現(xiàn)距樁軸大于15倍樁徑的超孔隙水壓力很小，隨著長(zhǎng)徑比增加，樁身徑向應(yīng)力衰減效應(yīng)越明顯，樁端到達(dá)孔壓計(jì)和土壓力計(jì)埋置深度時(shí)超孔隙水壓力和土壓力達(dá)到最大值。國(guó)內(nèi)學(xué)者唐世棟[4]、張宇超[5]、周火垚[6]、胡向前[7]、張忠苗[8]、李國(guó)維等[9]通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究了孔壓增量、徑向應(yīng)力及位移變化，得到了對(duì)樁基施工有指導(dǎo)作用的合理樁距和時(shí)間間隔。以上學(xué)者研究了在樁周不同距離處產(chǎn)生的孔隙水壓力和徑向應(yīng)力的差異，然而緊貼樁身處產(chǎn)生的超孔隙水壓力不容忽視，樁壁處超孔隙水壓力最大。

因此，本文開展了均質(zhì)黏性土中靜壓沉樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，通過研發(fā)雙壁模型管樁，實(shí)測(cè)管樁沉樁過程樁土界面孔壓增量和徑向應(yīng)力變化過程，從而分析樁土界面有效徑向應(yīng)力變化規(guī)律，研究成果有利于靜壓樁技術(shù)的提高。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)儀器

本次室內(nèi)模型試驗(yàn)裝置主要包括模型箱、加載系統(tǒng)和采集系統(tǒng)。加載系統(tǒng)主要由反力架和橫梁、液壓千斤頂、電控系統(tǒng)、靜載控制系統(tǒng)等組成，從而實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆兜撵o力沉樁過程，試驗(yàn)加載系統(tǒng)見圖1。

1.2 試驗(yàn)制備

將現(xiàn)場(chǎng)粉質(zhì)黏土通過烘干、粉碎、過篩、灑水和靜置使土體固結(jié)，如圖2所示。進(jìn)行壓樁試驗(yàn)前，對(duì)模型箱中的土體進(jìn)行采樣，根據(jù)GB/T 50123—1999土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)[10]進(jìn)行了一系列室內(nèi)土工試驗(yàn)，測(cè)定了其相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)，水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為34.8%，密度大約在1 800 kg/m3，土粒相對(duì)密度約為2.73，黏聚力為14.4 kPa，內(nèi)摩擦角為8.6°，壓縮模量為3.3 MPa。

1.3 模型樁制作

本文室內(nèi)模型試驗(yàn)進(jìn)行試樁TP1的靜力壓樁試驗(yàn)，經(jīng)過材料比選，選擇采用鋁制材料制作模型樁。模型樁沉樁深度為900 mm，沉樁速度為300 mm/min。雙壁模型管樁的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

1.4 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)制作模型樁，考慮樁端形式對(duì)樁土界面超孔壓和徑向土壓力變化規(guī)律的影響，試驗(yàn)方案見表1。模型樁在模型箱中間對(duì)稱壓樁，如圖4所示。

表1 模型試驗(yàn)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 孔隙水壓力

由圖5可知：樁土界面孔隙水壓力隨著入土深度的增加近似呈線性增加，樁入土深度較小時(shí)，孔隙水的消散較快，樁土界面孔隙水壓力較小；隨著入土深度的增加，樁周上覆土重逐漸增大，因此樁土界面孔隙水壓力近似呈線性增加[11]。以入土深度30 cm為例，試樁TP1沉樁過程中1號(hào)～5號(hào)傳感器測(cè)得的樁土界面孔隙水壓力分別為4.12 kPa，4.19 kPa，4.01 kPa，3.8 kPa，3.8 kPa。

2.2 超孔隙水壓力

在TP1沉樁過程中，5個(gè)傳感器測(cè)得的隨入土深度變化的超孔隙水壓力如圖6所示。可以得知：5個(gè)傳感器測(cè)得的結(jié)果非常相似，當(dāng)樁身不同位置傳感器入土后，隨著入土深度增加，樁身不同位置的超孔隙水壓力提高值迅速增加，1號(hào)傳感器測(cè)得的超孔隙水壓力增加尤其明顯[12]。同一入土深度處，2號(hào)～5號(hào)傳感器測(cè)得的超孔隙水壓力與1號(hào)傳感器相比有所消散。試樁TP1沉樁結(jié)束時(shí)1號(hào)傳感器測(cè)得的超孔隙水壓力最大，壓力值大約在4.32 kPa。

2.3 徑向土壓力

圖7為沉樁過程中試樁TP1樁身1號(hào)～5號(hào)土壓力傳感器量測(cè)的樁側(cè)土壓力。由圖7可知：當(dāng)樁身不同位置傳感器入土后，隨著入土深度增加，樁身不同位置的徑向土壓力提高值迅速增加，1號(hào)傳感器測(cè)得的徑向土壓力增加尤其明顯。同一入土深度處，2號(hào)～5號(hào)傳感器測(cè)得的徑向土壓力與1號(hào)傳感器相比有所衰減。試樁TP1沉樁結(jié)束時(shí)1號(hào)傳感器測(cè)得的徑向土壓力最大，壓力值大約在20.82 kPa。

2.4 徑向有效土壓力

圖8為沉樁過程中試樁TP1樁側(cè)有效土壓力，從圖7和圖8可以看出樁側(cè)有效土壓力與徑向土壓力和超孔隙水壓力密切相關(guān)[13]。當(dāng)入土深度為50 cm時(shí)，2號(hào)～5號(hào)傳感器測(cè)得的樁側(cè)有效土壓力分別為11.89 kPa，9.86 kPa，8.02 kPa，6.35 kPa，表明同一入土深度樁土界面土壓力存在“側(cè)壓力退化”現(xiàn)象，退化值分別為2.03，1.84，1.67。當(dāng)入土深度超過50 cm后，3號(hào)～5號(hào)傳感器測(cè)得的樁側(cè)有效土壓力開始顯著增加，當(dāng)樁身入土深度達(dá)到80 cm時(shí)，1號(hào)傳感器測(cè)得的樁側(cè)有效土壓力似乎出現(xiàn)了突然下降，這是由于沉樁速度有所降低而導(dǎo)致傳感器讀數(shù)滯后造成的。當(dāng)沉樁結(jié)束時(shí)，1號(hào)傳感器測(cè)得的樁側(cè)有效土壓力最大，其次是2號(hào)傳感器，而5號(hào)傳感器顯示出最小的增加。

3 結(jié)語(yǔ)

1)樁土界面孔隙水壓力和孔壓增量與入土深度成正比關(guān)系，樁土界面孔隙水壓力增量幅值均隨著h/L增大而減小。

2)當(dāng)樁身不同位置傳感器入土后，隨著入土深度增加，樁身不同位置的徑向土壓力提高值迅速增加。

3)同一入土深度樁土界面土壓力存在“側(cè)壓力退化”現(xiàn)象，距離樁端越近“側(cè)壓力退化”越明顯。