李鏡培，李雨濃，張述濤

（1.同濟(jì)大學(xué) 巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué) 地下建筑與工程系，上海200092）

靜力壓樁以其振動(dòng)小，噪音低，無污染等優(yōu)點(diǎn)，在軟土地區(qū)及人口密集的大城市較為廣泛應(yīng)用，并獲得良好的效果，已成為地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)施工中主要的樁型.

就本質(zhì)而言，靜壓樁沉樁過程理論上可以近似地理解為樁尖處球形孔擴(kuò)張和除去樁尖及地表附近處的樁身柱形孔擴(kuò)張的混合擴(kuò)張模式，屬于擠土樁.在貫入過程中將使淺層土體隆起，下部土體側(cè)向移動(dòng)，這些必將對(duì)已入土的鄰樁產(chǎn)生徑向壓力及垂直向上拔力，從而使鄰樁產(chǎn)生彎曲、傾斜、水平位移等一系列不良后果，如果周邊存在建筑物，還將對(duì)相鄰建筑物產(chǎn)生不良影響.因此，研究靜壓樁沉樁機(jī)理及擠土效應(yīng)對(duì)于預(yù)估沉樁的施工影響和指導(dǎo)沉樁設(shè)計(jì)都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.

國內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)靜壓樁的沉樁擠土特性展開了廣泛的研究.Cao等［1］基于土體非線彈性修正劍橋模型，用數(shù)值積分方法分析了不排水條件下大變形球孔擴(kuò)張和圓柱孔擴(kuò)張問題.Sagaseta［2］、羅戰(zhàn)友［3］用應(yīng)變路法研究了靜壓群樁時(shí)的擠土位移場.鹿群等［4］對(duì)飽和成層地基中靜壓單樁擠土效應(yīng)進(jìn)行了有限元模擬研究.陳文等［5］、丁佩民等［6］對(duì)靜壓樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究.盡管許多學(xué)者應(yīng)用不同理論及方法，對(duì)靜壓樁沉樁擠土特性進(jìn)行了大量的研究，但在不同程度上都不足以揭示樁體在沉樁過程中樁周土體位移變化機(jī)制.此外，目前的研究基本上都是假定土體為均質(zhì)的各向同性的彈塑性體，對(duì)涉及成層土中的靜壓樁擠土效應(yīng)研究甚少.

因此，本文從室內(nèi)模型試驗(yàn)角度對(duì)成層地基中靜壓單樁沉樁過程中擠土效應(yīng)進(jìn)行研究.分析樁周不同深度范圍土體的位移變化規(guī)律，得出了壓樁過程中土體的位移模式.

1 試驗(yàn)概述

1.1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

模型試驗(yàn)在尺寸為100cm×60cm×120cm 的模型箱內(nèi)進(jìn)行，其中箱體一邊為透明的有機(jī)鋼化玻璃板.考慮到沉樁的邊界效應(yīng)，一般范圍為樁側(cè)約3～7倍樁徑，故結(jié)合模型槽尺寸，模型樁采用鋁管半模樁，樁長80cm，樁外徑40mm，內(nèi)徑30mm，樁進(jìn)土長度60cm.

試驗(yàn)采用50目的膠粉模擬軟層介質(zhì)，粉細(xì)干砂模擬硬層.試驗(yàn)時(shí)將土樣分層每隔6cm 裝入模型箱，采用落雨法，通過控制土樣的單位層厚的重量來保證土體整體的孔隙率和密實(shí)度保持在一個(gè)近似恒定的水平.土樣主要力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)見表1.

表1 土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)表Tab.1 Mechanical parameters of soil samples

此外，每層采用不同顏色細(xì)砂及膠粉設(shè)置標(biāo)志層，每標(biāo)志層沿徑向方向用不同彩砂或膠粉每隔1D（D為柱徑）交替鋪設(shè)，接觸點(diǎn)作為位移觀測(cè)點(diǎn).最后將鋪設(shè)完畢的土層在自重下靜置24h再進(jìn)行試驗(yàn).模型箱及測(cè)點(diǎn)布置如圖1，圖2所示.

圖1 模型試驗(yàn)布置圖及照片（單位：cm）Fig.1 Layout of pile testing（unit：cm）

圖2 標(biāo)志層示意圖（單位：cm）Fig.2 Designation strip（unit：cm）

加載裝置由CLD-3型手搖輕便靜力觸探儀改裝而成，用U 型卡環(huán)固定在模型箱頂部，試驗(yàn)時(shí)樁以0.2cm·s-1的速度連續(xù)貫入土中.同時(shí)，用高分辨率的數(shù)碼相機(jī)每隔5s拍攝一張照片，采用影像分析方法對(duì)靜壓樁貫入地基中的位移場進(jìn)行觀察分析.

1.2 數(shù)字影像變形量測(cè)

由中國礦業(yè)大學(xué)李元海教授研究開發(fā)的適合于巖土模型變形場量測(cè)的應(yīng)用系統(tǒng)軟件Geodog［7］為巖土模型試驗(yàn)提供了一個(gè)簡便、經(jīng)濟(jì)、有效的變形量測(cè)新手段.該系統(tǒng)能根據(jù)數(shù)字圖像基本組成元素（像素pixel）顏色的差異，在連續(xù)拍攝的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼掌蛄兄?，識(shí)別出與初始照片上設(shè)定的量測(cè)點(diǎn)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)，進(jìn)而采用像素塊追蹤算法完成位移的計(jì)算.

本文模型試驗(yàn)借助該系統(tǒng)用于分析單樁沉樁發(fā)展過程中樁端及樁周土體變形破壞位移場的演變規(guī)律，為揭示豎向受荷樁性狀的研究機(jī)理提供了有效的實(shí)現(xiàn)途徑.

本文試驗(yàn)采集的數(shù)字照片分辨率為500萬，每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的實(shí)際模型中尺寸約為0.6mm，為滿足本模型試驗(yàn)精度要求，采用0.1個(gè)像素插值進(jìn)行小變形識(shí)別，故本模型試驗(yàn)的量測(cè)精度為0.06mm·pixel-1.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

圖3為試驗(yàn)沉樁過程中各階段樁周均質(zhì)土體位移場矢量圖.從圖中可以看出，隨著樁的不斷貫入

2.1 沉樁過程中均質(zhì)土體擠土效應(yīng)分析

（深度為3D，6D，9D，12D和15D），同一深度處樁周及樁端土體的位移模式在樁貫入不同階段是不斷變化的.在樁端區(qū)域，靠近樁端范圍內(nèi)土體在樁端法向擠壓力及樁側(cè)摩阻力的共同作用下，與樁端法向方向呈一定角度側(cè)向下運(yùn)動(dòng)；而沿樁軸線距離越近，樁端土體徑向位移迅速減小，逐漸轉(zhuǎn)化為豎向運(yùn)動(dòng)，并在樁端法向方向達(dá)到最大值.可見樁端區(qū)域處的位移模式總體上近似球形孔擴(kuò)張.在土體表面及樁身周圍，不同軟硬程度土體表現(xiàn)的位移模式也不近相同.在淺層部位，均質(zhì)軟層顆粒主要以側(cè)向下運(yùn)動(dòng)為主；而均質(zhì)硬層顆粒運(yùn)動(dòng)沿徑向方向則由側(cè)向下擠壓逐漸轉(zhuǎn)為側(cè)向上擠出，在地表表現(xiàn)為隆起.隨著樁貫入深度的增加，對(duì)土體側(cè)向擠壓不斷加劇，樁身徑向應(yīng)力增大，與土體接觸面的剪應(yīng)力也隨之增大，從而帶動(dòng)土體發(fā)生垂直運(yùn)動(dòng).在軟層表現(xiàn)為樁身周圍顆粒以側(cè)向下運(yùn)動(dòng)為主，沿水平方向徑向位移逐漸減小，主要為豎向運(yùn)動(dòng)；而硬層顆粒在深部高圍壓作用下，土顆粒的垂直運(yùn)動(dòng)受到很大限制，豎向位移的范圍逐漸減少，沿水平方向大部分區(qū)域以徑向擠壓為主.

圖3 靜壓樁沉樁過程各階段樁周土體位移場矢量圖Fig.3 Soil displacement responses during pile jacking

圖4給出了壓樁過程中距樁軸心方向2D處均質(zhì)土體徑向位移的關(guān)系曲線.

可以看出，（1）沉樁過程中無論是哪種土層距樁體一定位置的最大擠土位移與壓樁深度都存在不同程度的滯后效應(yīng)，即水平位移最大值并非發(fā)生在樁端處，而是在樁端以上一定距離處.而且，硬層位移的滯后效應(yīng)大于軟層.J H Hwang等［8］在臺(tái)灣觀測(cè)所得的結(jié)論是樁端以上10D處，分析原因主要與沉樁深度及土質(zhì)均勻情況有關(guān)，再則因離地表臨空面處越近，位移較大，但隨著樁的貫入，樁下土體進(jìn)一步密實(shí)，位移變化相對(duì)變?。唬?）沉樁時(shí)樁端以下土體產(chǎn)生的徑向位移的范圍硬層（8D）大于軟層（5D），J H Hwang［8］的觀測(cè)結(jié)論是樁端以下土體徑向位移范圍為8D；（3）不同壓樁深度，水平位移受地表影響的區(qū)域基本相同，都在地表以下3D范圍內(nèi)，因此相對(duì)整個(gè)樁長而言，進(jìn)土范圍越大，則受地表影響的區(qū)域占樁長的比例就越小.所以，對(duì)短樁，地表的影響是不可以忽略的，而對(duì)于長樁，地表的影響所占比例很小，樁身大部分范圍內(nèi)的徑向位移基本相同，理論上位移變化近似柱形孔擴(kuò)張模式.此外，由于土體位移屬空間分布，土體的隆起與沉降同樣不可忽視.

圖4 壓樁過程中x＝2 D 處土體水平位移Fig.4 Radial displacement of x＝2 D during pile jacking

圖5為壓樁過程中距樁軸心方向2D處均質(zhì)土體豎向位移規(guī)律曲線（文中所有豎向位移以顆粒向下運(yùn)動(dòng)為正）.由圖可見：（1）在不同軟硬土層沉樁時(shí)，同一壓樁深度軟層的豎向位移要明顯大于硬層；（2）隨著樁的不斷下沉，同一標(biāo)高處土體豎向位移逐漸增大；（3）在硬層沉樁時(shí)，地表以下5D范圍內(nèi)土體隆起現(xiàn)象顯著，隆起區(qū)域占總沉樁深度的1／3.但隨樁的繼續(xù)貫入，該范圍內(nèi)豎向位移變化不明顯.

圖5 壓樁過程中x＝2 D 處土體豎向位移Fig.5 Vertical displacement of x＝2 D during pile jacking

圖6，圖7分別為均質(zhì)土體中壓樁結(jié)束后距樁軸心不同距離徑向擠土位移沿深度的分布曲線及擠土位移沿徑向的規(guī)律曲線.

圖6 單樁土體側(cè)移隨深度變化關(guān)系曲線Fig.6 Profiles of soil radial displacement with depth

圖7 單樁土體側(cè)移沿徑向的分布曲線Fig.7 Soil lateral displacement radial distribution

根據(jù)結(jié)果可知，在距離土體表面（4-12）D范圍內(nèi)側(cè)向擠土最為明顯，其他區(qū)域的水平位移相對(duì)較小.這個(gè)規(guī)律基本符合Yu［9］提出的壓樁擠土位移的三段論.此外，經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，距離樁身附近軟層的側(cè)移量大于硬層，但隨著徑向距離的增加，徑向位移有大幅度衰減.硬層徑向位移的影響范圍（7D）要明顯大于軟層（5D），據(jù)Cooke［10］試驗(yàn)結(jié)果，粘土中沉樁擠土的徑向范圍約離開樁體5D.

2.2 沉樁結(jié)束后不同土層分布情況擠土位移比較

本試驗(yàn)因條件所限，故沒有精確測(cè)得地表位移變化，圖8為壓樁結(jié)束后的單樁z=6cm 豎向位移（隆起）曲線，用以近似研究地表附近土層位移的變化規(guī)律.

由圖8顯示，（1）除了均質(zhì)軟層和夾硬層兩種情況下，其他不同情況下的土層分布在深度上都有不同程度的隆起.而且隆起量峰值出現(xiàn)在距樁軸心2D處，之后沿徑向逐漸衰減.該結(jié)果與Cooke［9］的現(xiàn)場實(shí)測(cè)值接近，他對(duì)長5m，直徑16.8cm 的試樁實(shí)測(cè)表明，最大地面隆起量為6%的樁徑，發(fā)生在距樁軸心2D處；（2）對(duì)于隆起量，不同土層表現(xiàn)也不一樣.對(duì)于近地表土層為硬層的情況，均質(zhì)硬層的隆起量峰值UZ，硬為11.8%H／D（H為樁進(jìn)入硬土 層厚度），UZ，夾軟層為6.1%H／D，UZ，上硬下軟為2.3%H／D.可見，樁進(jìn)入硬層的厚度越大，隆起量也越大.對(duì)于上軟下硬情況，其最大隆起量為2.3%的樁徑，小于均質(zhì)硬層情況下的4.4%樁徑.

圖8 單樁土體z＝6cm 深度處豎向位移變化Fig.8 Vertical displacement at z＝6cmafter pile jacking

圖9為壓樁結(jié)束后不同土層分布情況下分界面處（z=24cm）土體位移規(guī)律曲線.

圖9 單樁土體z＝24cm 深度處位移Fig.9 Soil displacement at z＝24cmafter pile jacking

如圖9所示，（1）徑向位移沿水平方向呈對(duì)數(shù)形式衰減，軟硬土層交界面（z=24cm）上下土層性質(zhì)相同時(shí)，雙層的徑向位移均大于夾層，這主要與樁進(jìn)入分界面以下土層的厚度有關(guān)；（2）對(duì)于豎向位移，z=24cm 以下為硬層時(shí)，雙層在分界面處表現(xiàn)明顯的隆起，因上覆軟層產(chǎn)生較小的垂直應(yīng)力使得其分界面處隆起值大于均質(zhì)硬層，而因分界面下硬層厚度不同，夾層的豎向位移要大于雙層；z=24cm 以下為軟層時(shí)，樁在貫入雙層過程中上部土層產(chǎn)生較大的貫入應(yīng)力使得分界面處的土體顆粒被樁拖帶下沉，豎向位移大于均質(zhì)軟層，而夾層因軟層厚度的關(guān)系，其豎向位移小于雙層的情況.

圖10為壓樁結(jié)束后距樁軸心方向2D處土體位移變化圖.

由曲線的變化特征可以看出，對(duì)比均質(zhì)土層，分層土在分界面處的位移均發(fā)生不同程度的突變.主要表現(xiàn)為，軟層處位移變大，硬層處位移變小，分析主要原因在于，由于土層性質(zhì)不同，硬層物理力學(xué)性質(zhì)較軟層好，限制了土體的位移.

圖10 壓樁結(jié)束后x＝2 D 處土體位移Fig.10 Soil displacement at x＝2 D after pile jacking

3 結(jié)論

本文借助室內(nèi)模型試驗(yàn)所提供的便利條件，對(duì)靜壓樁貫入不同土層時(shí)樁周土體的位移變化規(guī)律進(jìn)行了分析研究.得出以下主要結(jié)論：

（1）根據(jù)沉樁過程不同深度土體的位移變化規(guī)律看，可將土體變形分為三個(gè)不同區(qū)域：區(qū)域1范圍距土體表面（2～3）D，主要特征是產(chǎn)生地表隆起；區(qū)域2為徑向壓縮變形為主的徑向擠密區(qū)；區(qū)域3的側(cè)移變化劇烈，主要為樁端球孔擴(kuò)張擾動(dòng)區(qū)域.

（2）均質(zhì)土層單樁沉樁過程中，擠土位移的最大值與壓樁深度存在滯后效應(yīng)，徑向位移最大值并非出現(xiàn)在樁端，而是發(fā)生在樁端以上一定距離處.

（3）對(duì)于淺層土體隆起，隆起量峰值出現(xiàn)在距樁軸心2D處，之后沿徑向逐漸衰減；對(duì)于隆起量，則因土層的不同分布而有所不同.

（4）對(duì)于成層地基，徑向、豎向位移均在軟硬土層交界面附近發(fā)生突變，最大徑向、豎向位移均出現(xiàn)在軟硬土層交界面附近.由于軟硬土層力學(xué)性質(zhì)的差異，土體位移主要表現(xiàn)為，軟層處位移變大，硬層處位移變小；此外，分界面處因土層排列及樁貫入軟硬層深度的不同，位移變化也有所差異.

（5）實(shí)際工程中，因群樁的施工，土體間必產(chǎn)生更大的擠壓應(yīng)力，土層交界處更易造成樁體的彎曲、傾斜、斷樁等不良影響，所以對(duì)不同土層間的相互作用，要引起足夠的重視，采取適當(dāng)?shù)拇胧苊夤こ淌鹿拾l(fā)生.

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