張 碩，楊銘斐，王希斌，施正浩

（1.河南城建學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，河南平頂山467036；2.中國平煤神馬集團(tuán)鐵路運(yùn)輸處，河南平頂山467000）

開口管樁在貫入過程中，樁端部分土體會(huì)進(jìn)入樁內(nèi)形成土塞［1-2］。管樁的貫入阻力和承載力特性會(huì)受到土塞效應(yīng)的影響，這是開口管樁最顯著的特征之一。在沉樁過程中，土塞與管樁之間的相互作用非常復(fù)雜［3-5］，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)土塞效應(yīng)對(duì)承載力的影響和壓樁過程中形成土塞高度的影響因素進(jìn)行了研究。Lüking（2013）等［6］進(jìn)行了砂土中的靜壓管樁模型試驗(yàn)，分析了土體密度、土塞高度與管樁壓入深度增量之比（IFR）的關(guān)系；Lehane等借助模型試驗(yàn)研究了砂土層中管樁土塞形成機(jī)理及管樁承載力特性［7］；Fattah等［8］通過進(jìn)行模型試驗(yàn)分析土塞對(duì)開口管樁承載能力的影響；Kikuchi等對(duì)豎向加載開口樁樁端土塞效應(yīng)的機(jī)理進(jìn)行了分析研究［9］；王家全等對(duì)3種不同直徑的鍍鋅開口管樁進(jìn)行室內(nèi)靜壓沉樁模型試驗(yàn)，以分析單樁、群樁土塞高度的變化規(guī)律和紅黏土地層管樁土塞效應(yīng)的機(jī)理［10］；謝永健等通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)上海軟土地區(qū)中PHC管樁的土塞高度，分析土層性質(zhì)對(duì)管樁土塞效應(yīng)的影響［11］；葛藤等分析了實(shí)際工程中預(yù)應(yīng)力混凝土管樁土塞效應(yīng)的主要影響因素［12］。

現(xiàn)有研究成果較少涉及管樁與粉質(zhì)黏土的土塞效應(yīng)問題，且在多數(shù)有關(guān)管樁土塞效應(yīng)的研究中并未考慮壓樁速度的影響。本研究通過開展粉質(zhì)黏土和砂土的開口管樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，模擬開口管樁的壓樁過程，分析土體性質(zhì)、管樁內(nèi)徑及壓樁速度等因素對(duì)樁體土塞效應(yīng)的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

模型槽加載系統(tǒng)由幾部分組成：帶有底座和斜支撐的組裝式加載框架，其額定垂向承載力為5 t，水平承載力為2 t。模型槽的內(nèi)部尺寸為（2 000×1 500×1 500）mm，采用組裝式密封結(jié)構(gòu)，并帶有觀察窗，可以根據(jù)試驗(yàn)需要拼裝兩端面的擋板，使用方便。系統(tǒng)由2臺(tái)最大推力為3 t的垂向電動(dòng)伺服作動(dòng)器、1臺(tái)水平推力為1 t水平向電動(dòng)伺服作動(dòng)器、3個(gè)控制通道的多通道伺服控制器和相應(yīng)的軟件組成，可以完成拔樁、動(dòng)態(tài)搖樁、壓樁等模型槽加載試驗(yàn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見圖1。

1.2 試驗(yàn)材料的制備

采用分層攤鋪的方法進(jìn)行砂土試驗(yàn)裝樣，每層鋪設(shè)厚度5 cm，每個(gè)分層砂土的重量通過設(shè)計(jì)的孔隙比大小、砂顆粒比重、相對(duì)密實(shí)度和分層體積來計(jì)算。每鋪設(shè)一層砂層，靜置12 h以上，讓砂層在自重作用下充分壓實(shí)，以保證試驗(yàn)砂層的均一性。

黏土試樣制備前先在槽底鋪設(shè)一定厚度的細(xì)砂作隔層，將土工織布覆蓋在細(xì)砂層和試驗(yàn)槽的內(nèi)側(cè)三面。軟黏土置于槽內(nèi)后，需均勻搗實(shí)，黏土中不留明顯空洞。加土到設(shè)定高度后，頂部鋪設(shè)土工織布，用砝碼和磚塊施加荷載。在此條件下使軟黏土在雙向排水路徑下固結(jié)，直至達(dá)到理想的固結(jié)效果，此后即可進(jìn)行壓樁試驗(yàn)。重塑后的砂土和黏土的物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

圖1 模型加載系統(tǒng)

表1 土體試樣物理力學(xué)指標(biāo)

管樁口徑為圓形，分別采用PVC管、有機(jī)玻璃管和鋁管等材質(zhì)設(shè)計(jì)加工內(nèi)徑分別為3 cm、4 m的圓柱形模型樁，壁厚均為5 mm。試驗(yàn)采用的部分模型樁如圖2所示。為了研究不同工況對(duì)土塞高度的影響，分別對(duì)兩種土樣（砂土、黏性土）、不同材質(zhì)（PVC管、有機(jī)玻璃管、鋁管）、不同內(nèi)徑大?。?0 mm、40 mm）、不同的加載速率（0.05 mm/s，0.1 mm/s，0.5 mm/s，1 mm/s）進(jìn)行試驗(yàn)對(duì)比。

1.3 試驗(yàn)步驟及測(cè)量方法

首先按照試驗(yàn)工況所選擇的模型樁，將模型樁垂直放置在豎向加載作動(dòng)器下，先采用0.01 mm/s的速率加載，當(dāng)豎向力顯示增加時(shí)，表示加載底盤已與模型樁嚴(yán)密接觸，此時(shí)記錄的位移即為初始位移，然后采用試驗(yàn)裝置按照既定的加載速率進(jìn)行加載，采用樁端位移控制方式，每3 cm為一加載級(jí)，每級(jí)加載15 min后，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其后進(jìn)行下一級(jí)加載。如圖3所示。

圖2 模型樁

圖3 試驗(yàn)加載起始階段

土塞高度的測(cè)量方法：采用絲線綁墜螺絲帽，垂直放入模型樁中，量取絲線長度，模型管的長度減去絲線長度即為土塞高度（線測(cè)法），如圖4所示。經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)驗(yàn)證，該方法可以滿足試驗(yàn)要求。測(cè)量誤差在±0.2 cm，精確度滿足要求。

圖4 土塞高度的測(cè)量

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 土體性質(zhì)的影響

加載速率恒定為0.1 mm/s，管徑分別為30 mm、40 mm的模型管入土過程中土塞高度變化曲線如圖5所示。

圖5 模型管入土過程中土塞高度的變化曲線

由圖5可以看出：（1）模型管壓入過程中，砂土和黏土的土塞高度變化趨勢(shì)基本相同，前期土塞高度基本呈線性增加，到達(dá)某一深度時(shí)，土塞高度基本不再變化，管樁內(nèi)產(chǎn)生了土塞完全閉塞效應(yīng)；（2）加載初期，管樁內(nèi)黏土的閉塞程度比較大，而砂土的閉塞程度則較小，如圖5（a）所示，30 mm有機(jī)玻璃管在壓入3 cm、6 cm、9 cm的砂土后，土塞高度分別為2.9 cm、6.8 cm、7.9 cm，而在壓入3 cm、6 cm、9 cm的黏土后，土塞高度分別為1.7 cm、3.7 cm、4.4 cm，說明在加載初期，模型樁內(nèi)黏土的閉塞效應(yīng)比較明顯，土塞高度增加較慢；（3）土體的性質(zhì)對(duì)模型樁內(nèi)的最大土塞高度影響明顯，且砂土的最大土塞高度均大于黏土土塞高度。

2.2 管徑大小的影響

不同管徑下的模型管土塞高度見圖6。從圖6可以看出：（1）土塞高度與模型樁管徑的大小有直接影響。當(dāng)有機(jī)玻璃管內(nèi)徑為30 mm時(shí)，土塞高度為15.3 cm；而當(dāng)模型樁內(nèi)徑為40 mm時(shí)，土塞高度為21.8 cm，較內(nèi)徑為30 mm時(shí)增大了42.5%；鋁質(zhì)模型樁、PVC模型樁內(nèi)徑為40 mm時(shí)較內(nèi)徑為30 mm時(shí)最大土塞高度分別增大了45.9%，18.9%，表明不同內(nèi)徑的管樁，其土塞高度隨樁徑的增大而增大。管徑增大，樁管內(nèi)壁與進(jìn)入模型樁的土體之間的摩阻力增加，生成的閉塞效應(yīng)所需的最大土塞高度隨之增大；（2）當(dāng)土塞高度穩(wěn)定時(shí)，隨著管徑的增大，達(dá)到最大土塞高度所需的入土深度也隨之增加，如內(nèi)徑為30 mm的有機(jī)玻璃管在壓入過程中，入土深度為18 cm左右即產(chǎn)生完全閉塞效應(yīng)，而內(nèi)徑為40 mm的模型樁，在壓入24 cm左右才基本產(chǎn)生完全閉塞效應(yīng)。

圖6 管樁內(nèi)最大取樣高度比較

圖7為0.1 mm/s恒定加載速率下30 mm、40 mm內(nèi)徑的有機(jī)玻璃管樁、鋁管、PVC管內(nèi)的砂土最大取樣高度比較。

圖7 不同管徑下的模型管土塞高度變化曲線

2.3 壓入速率的影響

為了研究壓樁速率對(duì)管樁土塞高度變化的影響，對(duì)內(nèi)徑為30 mm的有機(jī)玻璃管、鋁質(zhì)模型樁、PVC模型樁進(jìn)行加載，加載速率分別為0.05 mm/s、0.1 mm/s、0.5 mm/s、1 mm/s，分析比較其土塞高度變化情況。圖8為不同壓樁速率下模型樁的土塞高度變化規(guī)律圖。

圖8 不同壓樁速率下管樁土塞高度變化曲線

從圖8可以看出：（1）模型樁的取芯高度與模型管的壓入速率關(guān)系密切，隨著壓樁速率的增大，土塞高度也顯著變大；（2）當(dāng)有機(jī)玻璃管壓樁速率為0.05 mm/s時(shí)，有機(jī)玻璃管壓入土體17 cm，就已基本形成閉塞，土塞高度為12.3 cm；當(dāng)壓樁速率為0.1 mm/s時(shí)，有機(jī)玻璃管壓入土體18 cm，土體形成閉塞，土塞高度較壓入速率為0.05 mm/s時(shí)增大了22.8%；而對(duì)壓樁速率為0.5 mm/s時(shí)，當(dāng)壓樁至21 cm時(shí)，取樣高度才基本保持不變，且土塞高度較壓入速率為0.05 mm/s時(shí)增大了56.6%；對(duì)壓樁速率為1 mm/s時(shí)，當(dāng)壓樁至30 cm時(shí)，取樣高度才基本保持不變，且土塞高度較壓入速率為0.05mm/s時(shí)增大了95.3%；（3）而對(duì)于鋁管、PVC管，取樣高度隨模型樁壓入速率的變化同樣明顯，且與有機(jī)玻璃管內(nèi)土塞高度的變化規(guī)律一致。這是由于土體顆粒與樁體內(nèi)壁的摩阻力存在時(shí)間效應(yīng)，當(dāng)壓樁速率較低時(shí)，摩阻力的發(fā)揮程度變大，此時(shí)達(dá)到閉塞效應(yīng)的土塞高度也就越小。

3 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)不同管徑的管樁模型，測(cè)試得到的不同壓入速率下管樁在砂土和黏土層中取土過程土塞高度的變化曲線，得出了不同模型管樁、不同管徑、不同加載速率下土塞高度的變化特點(diǎn)，結(jié)論如下：

（1）模型管壓入過程中，砂土和黏土的土塞高度變化趨勢(shì)基本相同，前期土塞高度基本呈線性增加，到達(dá)某一深度時(shí)，土塞高度基本不再變化，穩(wěn)定在一定值，管樁內(nèi)產(chǎn)生了土塞完全閉塞效應(yīng)；

（2）土體的性質(zhì)對(duì)模型樁內(nèi)的土塞效應(yīng)有重要影響，相同加載條件下模型樁內(nèi)砂土的土塞高度均大于黏土的土塞高度；

（3）模型樁管徑的大小對(duì)土塞高度有較大影響，不同內(nèi)徑的管樁，土塞最大高度隨樁徑的增大而增大；隨著管徑的增大，當(dāng)土塞高度穩(wěn)定時(shí)，達(dá)到最大土塞高度所需的樁體入土深度也隨之增加；

（4）模型樁的取芯高度與模型管的壓入速率關(guān)系密切，隨著壓樁速率的增大，土塞高度也顯著增大。