梁國偉， 徐澤強(qiáng)， 林振華， 王波， 劉楠， 王炎杰

（1.中國鐵建投資集團(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.中鐵十二局集團(tuán)建筑安裝工程有限公司，太原 030024）

0 引言

多年來，人們對(duì)靜壓樁貫入受力狀態(tài)進(jìn)行過大量研究，取得了不少研究成果。在理論分析方面，李鏡培等［1］分別采用柱孔擴(kuò)張理論和基于SMP 準(zhǔn)則改進(jìn)劍橋模型的球孔擴(kuò)張理論來計(jì)算樁側(cè)阻力和樁端阻力。Sagaseta 等［2］介紹了在無限不可壓縮介質(zhì)中圓柱擴(kuò)張的解析解，解決了塑性和彈性區(qū)域的大應(yīng)變問題。在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)方面，張明義等、寇海磊等［3，4］通過樁端安裝自制壓力傳感器、樁身預(yù)埋光纖光柵傳感器的方法實(shí)測(cè)了壓樁力、樁側(cè)摩阻力及樁端殘余應(yīng)力。馬海龍等、寇海磊等［5，6］通過原位試驗(yàn)揭示了開、閉口樁的承載力時(shí)效機(jī)理，對(duì)比分析了開、閉口樁的承載力時(shí)效系數(shù)。為了更加明確靜壓樁沉樁過程中受力狀態(tài)，在室內(nèi)試驗(yàn)方面，李雨濃等［7］借助西澳大學(xué)的鼓輪式離心機(jī)對(duì)黏性土中不銹鋼閉口方樁在不同重力場(chǎng)下靜力壓樁過程樁側(cè)摩阻力分布情況進(jìn)行了研究。Nicola等［8］借助離心機(jī)對(duì)均質(zhì)砂土中的模型樁在動(dòng)態(tài)和靜態(tài)荷載下的受力性能進(jìn)行研究。在數(shù)值模擬方面，張曉健、周健等［9，10］從開口和閉口方面分別采用Adina、PFC2D等模擬軟件對(duì)端阻力和側(cè)摩阻力的發(fā)揮方式、砂土中管樁沉樁過程土塞形成機(jī)制進(jìn)行了研究。葉建忠等［11］基于離散元理論通過顆粒流數(shù)值模擬的方法從細(xì)觀層面分析了不同樁徑、樁端形式對(duì)靜壓沉樁過程端阻力的影響。

目前國內(nèi)外學(xué)者通過模型試驗(yàn)對(duì)靜壓沉樁受力特性的研究主要集中于砂土中，然而在實(shí)際工程中，靜壓樁主要在黏性土中工作，因此，樁基工程設(shè)計(jì)需要準(zhǔn)確考慮樁在黏性土中的受力特性。因此，文中通過模型試驗(yàn)對(duì)比研究了黏性土中閉口靜壓沉樁受力特性。

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)裝置采用自行設(shè)計(jì)的模型箱、加載系統(tǒng)和光電一體的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。試驗(yàn)所涉及的測(cè)試內(nèi)容均采用FS2200RM和DH3816N進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，其中沉樁過程的采樣頻率為1s/次。試驗(yàn)成功將可旋轉(zhuǎn)式輪輻壓力傳感器成功應(yīng)用于模型樁樁端測(cè)試樁端阻力，試驗(yàn)加載系統(tǒng)如圖1所示。

1.2 試驗(yàn)土樣的制備

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。在正式進(jìn)行室內(nèi)壓樁試驗(yàn)前，對(duì)模型箱中的土樣進(jìn)行采樣，土樣屬于粉質(zhì)黏土，呈可塑狀，具有中壓縮性，相對(duì)密度約為2.73，黏聚力為14.4kPa，內(nèi)摩擦角為8.6°，壓縮模量為3.3MPa。

圖2 FBG傳感器的樁身布設(shè)圖（單位：cm）

1.3 模型樁介紹

模型樁為閉口鋁制材料，外徑140mm，壁厚3mm，兩根試樁長度分別為1200、1000mm。2根試樁均通過內(nèi)六角螺栓與管樁樁端相連，管樁的具體參數(shù)如表1所示。

表1 模型管樁參數(shù)

2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

為保證試驗(yàn)順利進(jìn)行以及便于觀察沉樁過程各試樁的受力狀態(tài)，試驗(yàn)設(shè)計(jì)共進(jìn)行2 根模型樁的沉樁試驗(yàn)，沉樁深度分別為1100、900mm，沉樁速率均為300mm/min，樁身安裝FBG傳感器各6個(gè)，樁頂壓力傳感器各1 個(gè)，試樁A1 樁端安裝輪輻壓力傳感器1 個(gè)。FBG傳感器的樁身布設(shè)圖，如圖2所示，樁頂壓力傳感器如圖3所示，輪輻壓力傳感器如圖4所示。

圖3 樁頂壓力傳感器

圖4 輪輻式壓力傳感器

3 靜力沉樁試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 沉樁過程受力性狀分析

試驗(yàn)共進(jìn)行了2 根模型管樁的靜力沉樁試驗(yàn)，量測(cè)了沉樁過程中的壓樁力、樁端阻力、樁側(cè)摩阻力等，全面研究分析了靜力沉樁過程中試樁的受力狀態(tài)。其中，2根試樁的沉樁過程全荷載曲線如圖5所示。

圖5 各試樁沉樁全過程荷載曲線

從圖5 可以看出，試驗(yàn)過程中2 根試樁的壓樁全過程壓樁力等荷載隨著沉樁深度的增加逐漸變大；試樁A1、A2 的整體變化趨勢(shì)相近，數(shù)值大小不同，分析主要是因?yàn)樵嚇禔1、A2均為直徑140mm的閉口管樁，所以趨勢(shì)相近，但試樁A1 的端阻力由輪輻壓力傳感器監(jiān)測(cè)，且兩者樁長不同，故數(shù)值不同。根據(jù)圖5可以整理得出每根試樁的樁端阻力、樁側(cè)阻力占?jí)簶读Φ陌俜直?，見?。

表2 沉樁結(jié)束時(shí)壓樁力占比百分比

由表2可得，靜力沉樁過程中，各試樁樁端阻力占?jí)簶读Φ谋壤龔拇蟮叫∫来螢椋篈1＞A2；樁側(cè)摩阻力占?jí)簶读Φ谋壤龔拇蟮叫∫来螢椋篈2＞A1。數(shù)據(jù)表明此次關(guān)于閉口管樁在黏性土體的靜壓過程，2 根試樁樁端阻力占比均過55%，說明樁端阻力承擔(dān)大部分壓樁力。

3.2 沉樁過程壓樁力分析

圖6為樁頂荷載與沉樁深度的關(guān)系曲線。從圖6可以看出，沉樁深度小于50cm時(shí)壓樁力增長較快，隨后增速變緩，說明隨著沉樁深度增大，土體密實(shí)作用越明顯，試樁貫入土體的速度減慢［12，13］。從圖中會(huì)可以看出，沉樁初期（0～20cm 的沉樁深度范圍內(nèi)）試樁A2的壓樁力反而大于A1，分析對(duì)比，樁長因素起主導(dǎo)作用，說明沉樁初期，樁長越大，對(duì)樁周土體擾動(dòng)越明顯，樁-土間相互作用被削弱。

圖6 靜力沉樁過程壓樁力變化

隨著沉樁深度的增大，試樁長的反而壓樁力大，沉樁結(jié)束時(shí)，試樁A1 比A2 高出12%，即每100mm 壓樁力高出0.18kN；樁長對(duì)沉樁終壓力的影響程度較大，分析認(rèn)為樁長既影響樁端阻力又影響樁側(cè)總摩阻力［14，15］。

3.3 沉樁過程樁端阻力分析

圖7為樁端阻力與沉樁深度的關(guān)系曲線。從圖7可以看出，樁端阻力在深度約為10cm（約0.1 倍樁徑）處的變化趨勢(shì)有一定的轉(zhuǎn)折。樁長越長樁端阻力提高較大，樁長越短樁端阻力提高較小，且樁長短的樁端阻力提高早于樁長長的，增加荷載主要因土體表面存在硬殼層而產(chǎn)生，隨著沉樁深度的增加，樁端阻力逐漸增大，沉樁深度大于10cm后，試樁A1樁端阻力始終大于試樁A2?？赡艿脑蚴?，土體深度越大，樁端破土沉樁需要的荷載越大，樁土作用造成樁端阻力明顯的提高［16］。沉樁結(jié)束時(shí)，試樁A1 比A2 高出17.6%，說明增加樁長對(duì)樁端阻力存在一定的作用效果。

圖7 樁端阻力變化曲線

3.4 沉樁過程樁側(cè)摩阻力分析

各試樁靜力沉樁過程中的總樁側(cè)摩阻力是由樁身表面粘貼FBG 傳感器并通過FS2200RM 光纖光柵解調(diào)儀測(cè)得的光纖的波長差。

圖8為試樁A1和A2在沉樁過程中樁側(cè)摩阻力的分布情況?？梢钥闯觯翗渡疃燃s在10～50cm 范圍內(nèi)，試樁A1和A2樁側(cè)摩阻力均存在先增大后減小的趨勢(shì)，沉樁深度超過50cm 后，試樁A1 和A2 樁側(cè)摩阻力再次出現(xiàn)先增大后減小再增大的趨勢(shì)。同時(shí)可以看出樁長不會(huì)影響樁側(cè)摩阻力的分布形式，隨著樁長的增加，樁側(cè)摩阻力的分布形式基本沒有影響。當(dāng)沉樁結(jié)束時(shí)，試樁A1和A2的樁側(cè)摩阻力分別為1.32kN和1.23kN。樁側(cè)摩阻力的分布總體上是隨著沉樁深度的增加而增加，原因是在整個(gè)沉樁過程中，隨著沉樁深度增加，樁土結(jié)合的更緊密，隨沉樁深度增加樁側(cè)摩阻力表現(xiàn)為持續(xù)增加［17］。

圖8 靜力沉樁過程總樁側(cè)摩阻力變化

4 結(jié)語

文中通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了黏性土中不同樁長靜壓沉樁受力特性，得出結(jié)論如下：

（1） 通過樁身安裝多種測(cè)試元件成功測(cè)得靜壓樁貫入力學(xué)特性，成功將可旋轉(zhuǎn)式輪輻壓力傳感器成功應(yīng)用于對(duì)樁端阻力監(jiān)測(cè)。

（2） 沉樁結(jié)束時(shí)，樁長對(duì)沉樁終壓力的影響程度較大。沉樁深度增大，樁側(cè)摩阻力高出27.7%，說明樁長是影響樁側(cè)摩阻力發(fā)揮的重要因素。

（3） 試樁A1 和A2 靜壓沉樁產(chǎn)生的樁端阻力和樁側(cè)摩阻力，均隨著沉樁深度的增加表現(xiàn)為持續(xù)增加。