鄒長春，何 杰，劉孟鑫，熊 猛，郭端偉，吳 政

（1.湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲 412007；2.廣東和立土木工程有限公司，廣東 廣州 511430）

0 引言

預(yù)應(yīng)力混凝土管樁是目前較為常見的一種樁型，具有樁體強(qiáng)度高、生產(chǎn)規(guī)?；?、施工周期短、適應(yīng)性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于我國沿海、濱海等軟土地基區(qū)域。相關(guān)學(xué)者采用試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬等方法，分析了預(yù)應(yīng)力管樁在荷載作用下樁身軸力、側(cè)摩阻力等的演化規(guī)律，探討了其樁土荷載傳遞機(jī)理[1-5]。隨著人們認(rèn)知的加深，越來越多的研究致力于開發(fā)新技術(shù)新方法以提高樁體承載性能和減少工程造價。目前，異形管樁通過改變樁側(cè)表面積從而提高樁體豎向承載力的方法得到了關(guān)注：董全楊等[6]、劉東輝[7]、楊成斌等[8]均發(fā)現(xiàn)，相比于普通管樁，異形管樁單樁豎向極限承載力有較大提升。

靜力沉樁過程中，樁周土體因受到徑向擠壓和豎向剪切作用，土體運(yùn)動產(chǎn)生擠土位移，土體原始結(jié)構(gòu)遭受破壞，同時產(chǎn)生較高的超孔隙水壓力，對沉樁周邊工程環(huán)境造成很大影響。

國內(nèi)外研究者對沉樁擠土效應(yīng)做了大量研究。典型如：W.S.Housel 等[9]在黏土中沉樁，研究黏土的不排水抗剪強(qiáng)度隨打樁時間變化規(guī)律；Hwang J.H.等[10]結(jié)合現(xiàn)場實(shí)測資料，研究打樁阻力與地質(zhì)條件之間的關(guān)系；張忠苗等[11]對開口管樁的土塞效應(yīng)進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)土塞高度受土層條件影響較大；王育興等[12]基于圓孔擴(kuò)張理論和水力壓裂理論，分析了沉樁引起土體應(yīng)力的變化，獲得沉樁瞬時超孔隙水壓力分布規(guī)律；周火垚等[13]通過飽和軟黏土足尺試驗(yàn)，探討了沉樁過程中土體位移變化情況。但對于異形樁的沉樁擠土效應(yīng)，國內(nèi)外并無太多可借鑒的應(yīng)用成果。目前僅有少數(shù)學(xué)者做了一些探究[14-17]。葉俊能等[18]研究了竹節(jié)樁復(fù)合地基沉樁過程中的超孔隙水壓力分布規(guī)律；周航等[19]基于透明土技術(shù)，研究了矩形樁沉樁過程中土體位移情況，結(jié)果表明，擠土位移場可分為靠近樁身的過渡區(qū)域和遠(yuǎn)離樁身的圓孔擴(kuò)張區(qū)域。

本文基于室內(nèi)大比例模型試驗(yàn)，對楔形管樁的沉樁擠土效應(yīng)展開研究，以揭示靜力沉樁過程中，樁貫入阻力、樁周土位移和樁身應(yīng)變等隨深度變化規(guī)律，著重探討不同楔角對楔形管樁沉樁效應(yīng)特點(diǎn)的影響，以期進(jìn)一步推動楔形管樁技術(shù)的后續(xù)發(fā)展。

1 模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)概況

為探討預(yù)應(yīng)力混凝土楔形管樁的沉樁效應(yīng)，對比楔形管樁和等截面管樁在沉樁擠土規(guī)律方面的差異，共設(shè)置3 組試驗(yàn)，樁型選用半模開口管樁，具體尺寸參數(shù)見表1。

表1 試樁尺寸參數(shù)Table 1 Size parameters of test piles

模型試驗(yàn)在1.0 m×1.0 m×1.2 m（長×寬×高）的模型箱內(nèi)進(jìn)行，模型箱由支架、鐵制底板和四面鋼化玻璃組成，試驗(yàn)場地布置如圖1所示。填土方式采用分層填筑，每做完一根試樁，將模型箱內(nèi)土料倒出，翻搗均勻重新分層回填，試驗(yàn)中在每層土體頂面上覆鋼板以控制壓實(shí)度，并通過控制裝填高度和壓實(shí)后高度來控制土料的均勻性。參照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007—2011）中關(guān)于土類的劃分方法，試驗(yàn)用土的塑性指標(biāo)大于10、小于17，故為粉質(zhì)黏土。土的主要物理力學(xué)參數(shù)見表2。

表2 土的主要物理力學(xué)參數(shù)Table 2 Main physical and mechanical parameters of the soil

圖1 試驗(yàn)場地布置圖Fig.1 Layout of the test site

1.2 測量元件布置

1.2.1 應(yīng)變片

樁身應(yīng)變的測量選用BX120-0.5AA 型電阻應(yīng)變片，采用半橋接線方式接線，并用DH3815 靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)變采集。應(yīng)變片粘貼位置如圖2所示。

圖2 應(yīng)變片粘貼示意圖Fig.2 Stick position of the strain gauge

1.2.2 位移測量

為了保證位移測量的精度，在模型箱鋼化玻璃外側(cè)刻畫邊長為1 cm 的正方形網(wǎng)格，分別在距樁中心4.5, 5.5, 6.5, 7.5, 8.5, 9.5, 10.5 cm 處的土層表面布置長度為1 cm 的大頭針，以網(wǎng)格參照人工讀取大頭針的位置信息，從而能夠較好地獲得樁周表土徑向和豎向位移。

1.3 加載及數(shù)據(jù)記錄

在靜力沉樁過程中，嚴(yán)格按照國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范（JGJ 94—2008）》執(zhí)行。試驗(yàn)采用壓力傳感器和壓力顯示儀來量測沉樁貫入阻力，每壓完1節(jié)樁（10 cm）分別讀取各儀器儀表的數(shù)值。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 沉樁貫入阻力變化規(guī)律

圖3所示為各試樁沉樁貫入阻力隨沉樁深度的變化曲線。據(jù)圖3中的曲線可知，預(yù)應(yīng)力混凝土楔形管樁沉樁初始階段（約0.15 倍樁長）貫入阻力小于直型管樁的，且楔角越大，初始貫入阻力越小。沉樁前期，楔形管樁貫入阻力增長速率遠(yuǎn)大于直型管樁的，此階段沉樁施工難度較大，且隨著楔角的增加而急劇增加。當(dāng)沉樁進(jìn)行到后階段時，直型管樁貫入阻力開始減小，減幅相較于上一級沉樁為48.5%，隨后又逐漸增大，這一趨勢與張可能[15]描述的有所不同，可能是樁型和土質(zhì)的差異導(dǎo)致。從整個沉樁過程來看，楔形管樁貫入阻力變化曲線呈斜“Z”形，前期和后期增長速率較快，中期趨于穩(wěn)定，而直型管樁貫入阻力最大增幅出現(xiàn)在沉樁深度為0.5倍樁長時。

圖3 貫入阻力隨沉樁深度變化曲線Fig.3 Curves of penetration resistance with depth

分析上述現(xiàn)象的原因，楔形管樁由于楔角的存在，沉樁時對側(cè)壁的土體擠壓效應(yīng)相較于直型管樁更加明顯，且隨楔角和深度的增加越來越大，擠壓產(chǎn)生的相互作用大大提高了樁體的貫入阻力，同時也可以預(yù)知，這種擠壓效應(yīng)在樁體承擔(dān)豎向荷載時，也能進(jìn)一步提高楔形管樁的豎向承載能力。

2.2 徑向位移分析

圖4、圖5分別為不同樁型和不同間距試樁的徑向位移變化曲線。

由圖4中不同樁型的距樁中心-徑向位移變化曲線可知，T2 樁與U1 樁徑向位移表現(xiàn)出較大差異。預(yù)應(yīng)力混凝土楔形管樁隨著樁身下沉，各測點(diǎn)徑向位移逐漸增大，且距樁中心距離越遠(yuǎn)，位移越小。直型管樁樁周表層土隨沉樁的進(jìn)行，在測點(diǎn)范圍內(nèi)，表土先向背離樁中心方向運(yùn)動，后又向樁中心靠攏，最大徑向位移出現(xiàn)在約距樁中心6.5 cm 處，位移大小為3 mm，約0.045D（D為樁體平均直徑）。直型管樁徑向擠土范圍約為10.5 cm，即1.6D，較一般樁體要小。產(chǎn)生這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樵嚇稙殚_口管樁，且壁厚較薄，沉樁過程中鏟土效應(yīng)顯著，對樁周土層的擠土作用較小。

圖4 不同樁型的距樁中心-徑向位移變化曲線Fig.4 Relation curves of distance pile center distance radial displacement of different pile types

圖5為不同間距下徑向位移-沉樁深度曲線。據(jù)圖5的徑向位移-沉樁深度曲線可以看出，不同間距的徑向位移整體變化趨勢一致，沉樁初期，直型管樁的徑向位移迅速增加，而楔形管樁的位移增長緩慢，位移增加主要在沉樁中后階段，沉樁結(jié)束時，楔形管樁的徑向位移要遠(yuǎn)大于直型管樁的，且楔角越大，位移量值越大。

圖5 不同間距下徑向位移-沉樁深度變化曲線Fig.5 Radial displacement pile sinking depth curves under different spacing

由于缺乏較遠(yuǎn)徑向距離處的位移測量值，無法看出楔形管樁水平擠土范圍，但在最遠(yuǎn)測點(diǎn)處仍有5 mm 的位移值，可以預(yù)知楔形管樁的水平擠土范圍要明顯大得多。因此，有理由認(rèn)為預(yù)應(yīng)力混凝土楔形管樁在水平向的擠土效應(yīng)較直型管樁明顯。

2.3 豎向位移分析

圖6為試樁T2 和U1 在不同沉樁深度下樁周表土豎向位移曲線。

圖6 不同樁型的試樁豎向位移-沉樁深度變化曲線Fig.6 Vertical displacement sinking depth curves of test piles with different pile types

由圖6可以看出，在加載過程中，無論是直型管樁還是楔形管樁，距樁中心越近，豎向位移越大。特別的是，在第一級沉樁（10 cm）時，直型管樁豎向位移增長速率迅速增加，而楔形管樁位移基本為0。沉樁結(jié)束時，楔形管樁表土豎向位移達(dá)到最大值，而直型管樁則表現(xiàn)出與徑向位移相同的趨勢，隨著沉樁的進(jìn)行，豎向位移先增大后又減小，最大位移發(fā)生在第二/三級沉樁。在量值上，楔形管樁豎向位移要大于直型管樁，沉樁結(jié)束時，楔形管樁距樁中心4.5 cm處的豎向位移值為5 mm，而直型管樁僅為1.5 mm。分析其原因，可能是直型管樁沉樁初期土被樁體置換產(chǎn)生隆起，隨后土體開始回彈，位移逐漸減小，而楔形管樁因其上大下小的截面，沉樁過程中對樁上部土體回彈產(chǎn)生阻力，故而豎向位移和對樁周土的擾動范圍較直型管樁要大。

2.4 樁身應(yīng)變分析

圖7為各試樁沉樁過程中樁身應(yīng)變變化曲線。由圖7可知，楔形管樁樁身應(yīng)變變化趨勢整體一致，伴隨沉樁深度的增加，樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮出來，應(yīng)變隨之增大，由沉樁貫入力曲線也可以印證這點(diǎn)，且隨楔角的增加而增大，應(yīng)變峰值出現(xiàn)在樁體上半部，距樁頂35 cm 處。直型管樁樁身應(yīng)變沿樁長表現(xiàn)為先快速增加后又逐漸減小，最大應(yīng)變值出現(xiàn)在距樁頂55 cm 處，其量值遠(yuǎn)小于楔形管樁。由此可見，針對不同樁型靜力壓樁過程中“應(yīng)力集中”現(xiàn)象出現(xiàn)的不同位置，防止沉樁導(dǎo)致樁體破壞，保證沉樁質(zhì)量，楔形管樁應(yīng)加強(qiáng)樁身上半部強(qiáng)度，而直型管樁應(yīng)提高中下部樁體強(qiáng)度。同時也說明沉樁過程中，楔形管樁與直型管樁樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度存在顯著差異，這也是現(xiàn)場施工值得注意的問題。

圖7 不同樁型的試樁樁身應(yīng)變-距樁頂距離變化曲線Fig.7 Strain distance curves between pile body and pile top of test piles with different pile types

3 結(jié)論

1）楔形管樁貫入阻力變化曲線呈斜“Z”型，初始貫入阻力較直型管樁要小，且與楔角呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。隨著沉樁深度的增大，楔形管樁的貫入阻力增長速率遠(yuǎn)大于直型管樁的貫入阻力增長速率，施工難度急劇增加；直型管樁貫入阻力最大增幅在沉樁深度為0.5 倍樁長時，沉樁后階段貫入阻力減小，減小幅度較上一級沉樁為48.5%，楔形側(cè)壁對土體的擠壓效應(yīng)是楔形管樁相比于直型管樁較大貫入阻力和較高豎向承載力的主要來源。

2）楔形管樁與直型管樁徑向位移差異較為明顯。沉樁初期，楔形管樁徑向位移增長速率較為緩慢，隨著樁身下沉，楔形管樁各測點(diǎn)徑向位移逐漸增大，量值上與距樁中心距離成反比，擠土效應(yīng)較直型管樁顯著；直型管樁則表現(xiàn)為先遠(yuǎn)離樁中心，后又向樁中心靠攏，最大徑向位移出現(xiàn)在距樁中心6.5 cm 處，位移值大小約為0.045D，徑向擠土范圍為1.6D，較一般樁體要小。

3）無論是直型管樁還是楔形管樁，距樁中心越近，豎向位移越大。沉樁前期楔形管樁位移較小，位移增長主要發(fā)生在沉樁中后期；直型管樁豎向位移表現(xiàn)出與徑向位移相同的變化趨勢，先增大后減小，最大位移出現(xiàn)在第二/三級沉樁。

4）楔形管樁樁身應(yīng)變變化趨勢整體一致，應(yīng)變隨深度增加而增大，直型管樁應(yīng)變沿樁長呈現(xiàn)先增加后減小趨勢，最大值出現(xiàn)在距樁頂55 cm 處。針對兩種樁型靜力壓樁過程中“應(yīng)力集中”現(xiàn)象出現(xiàn)的不同位置，楔形管樁應(yīng)加強(qiáng)樁身上半部強(qiáng)度，直型管樁則需要提高中下部樁體強(qiáng)度。

本研究的試驗(yàn)結(jié)果，可為現(xiàn)場沉樁施工提供參考和借鑒。