高志剛 黑榆浩 賈海梁 侯丕吉 蘭哲

（西安科技大學(xué) 建筑與土木工程學(xué)院，陜西 西安 710054）摘?要：為研究靜壓樁回彈特性，明確靜壓樁殘余應(yīng)力性狀，使靜壓樁承載力能夠得到有效發(fā)揮，通過靜壓樁沉樁及靜載荷試驗，結(jié)合有限元模擬方法，對不同沉樁速率和卸荷速率作用下靜壓樁的回彈特性進(jìn)行分析，總結(jié)樁端殘余應(yīng)力對靜壓樁極限承載力的影響規(guī)律。結(jié)果表明：卸荷過程中樁體回彈量占樁體總沉降量的80%，卸荷完成樁體回彈位移逐漸穩(wěn)定；沉樁結(jié)束后，樁周土體應(yīng)力最大達(dá)到被動土壓力的4.5倍，卸荷后淺部土體樁周側(cè)壓應(yīng)力消散程度大于深部土體；樁端土體應(yīng)力消耗越多，樁端殘余應(yīng)力越小，卸荷后樁端土體回彈量越多；沉樁速率和卸荷速率增加都會導(dǎo)致樁端殘余應(yīng)力減小，從而樁端土體能夠提供的承載力降低，致使樁體承載力降低。

研究認(rèn)為靜壓樁殘余應(yīng)力是影響承載力的主要因素，卸荷速率對靜壓樁殘余應(yīng)力的影響最為明顯。關(guān)鍵詞：靜壓樁；殘余應(yīng)力；回彈變形；極限承載力；有限元模擬

中圖分類號：TU 473

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-9315（2024）03-0553

-10

DOI：10.13800/j.cnki.xakjdxxb.2024.0315開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）：

Influence of residual stress of jacked pile on

ultimate bearing capacity

GAO Zhigang，HEI Yuhao，JIA Hailiang，HOU Piji，LAN Zhe

（College

of ?Architecture and Civil Engineering，Xian University of Science and Technology，Xian 710054，China）

Abstract：In order to explore the rebound

properties and the residual stress characteristics of jacked piles，

so as to make full use of its bearing capacity，

the rebound characteristics of jacked piles under different pile sinking rates and unloading rates are analyzed，through the jacked pile sinking and static load test，combined with the finite element simulation method，with the influence of pile end residual stress on the ultimate bearing capacity of jacked piles ?summarized.The results show that the rebound amount of the pile body accounts for 80 % of the total rebound amount of the pile body during the unloading process，and the rebound displacement of the pile body gradually stabilizes after unloading.After the pile sinking，the maximum stress of the soil around the pile reaches 4.5 times of the passive earth pressure.After unloading，the lateral pressure stress dissipation of the shallow soil around the pile is greater than that of the deep soil.The more the stress consumption of the soil at the pile end，the smaller the residual stress at the pile end，and the more the rebound of the soil at the pile end after unloading.The increase of pile sinking rate and unloading rate would lead to the decrease of residual stress at the pile end，and reduce the bearing capacity provided by the soil at the pile end，resulting in the decrease of bearing capacity of the pile.

It is concluded that the residual stress of the jacked pile is the main factor affecting the bearing capacity，and the unloading rate has the most obvious influence on the residual stress of the jacked pile.

Key words：jacked pile；residual stress；rebound deformation；ultimate bearing capacity；finite element simulation

0?引?言靜壓樁具有承載力高、穿透力強(qiáng)、樁身質(zhì)量易于保證等特點，其能夠有效解決地基加固、地下增層、頂升糾偏等工程難題。沉樁會引起樁周土體產(chǎn)生大量附加應(yīng)力，當(dāng)沉樁完成開始卸荷后，大部分附加應(yīng)力得到快速釋放，使得樁體上浮，但部分殘余應(yīng)力由于樁土相互作用未能得到完全釋放，導(dǎo)致靜壓樁在工作荷載下的傳遞特性發(fā)生改變。忽略殘余應(yīng)力的影響會導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力的計算值偏大，而樁端摩阻力的計算值偏小，從而影響靜壓樁極限承載力的估算。針對靜壓樁卸荷殘余應(yīng)力，眾多研究人員[1-3]進(jìn)行監(jiān)測試驗對靜壓樁殘余應(yīng)力進(jìn)行分析，結(jié)果表明樁端殘余應(yīng)力的變化會致使靜壓樁的極限承載力發(fā)生改變，并且相比混凝土樁，鋼管樁殘余應(yīng)力更大。對于靜壓樁回彈現(xiàn)象，

文獻(xiàn)[4-10]通過理論推導(dǎo)、現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)值模擬等方式得出樁體上浮現(xiàn)象的主要原因為樁端阻力。無論是樁體回彈以及靜壓樁極限承載力，殘余應(yīng)力均是不可忽略的影響因素。為實現(xiàn)殘余應(yīng)力的精確計算，文獻(xiàn)[11-12]分別考慮樁身彈性系數(shù)以及樁身殘余摩阻力符合斜直線分布假定建立樁端殘余應(yīng)力的計算公式，但與實際監(jiān)測值仍存在較大誤差。對于樁側(cè)殘余應(yīng)力對靜壓樁承載力的影響，文獻(xiàn)[13-16]認(rèn)為樁側(cè)殘余應(yīng)力對樁體承載力影響作用同樣不可忽略，靜壓樁樁側(cè)阻力會隨時間增長。明確沉樁過程中樁側(cè)壓力與樁端阻力發(fā)展規(guī)律有利于提高樁體承載力計算的準(zhǔn)確性。關(guān)于靜壓沉樁過程中樁土作用[17-18]、承載力控制因素[20-22]、樁周土體力學(xué)性[23-26]以及位移特性[27-29]等相關(guān)問題已有深入分析，但對于殘余應(yīng)力與承載力之間的關(guān)系研究較少。通過現(xiàn)場靜壓樁沉樁及靜載荷試驗，結(jié)合數(shù)值模擬方法，考慮沉樁速率和卸荷速率，分析靜壓樁卸荷過程中樁體回彈特性以及樁周、樁端土體應(yīng)力分布規(guī)律，對樁體回彈位移、卸荷后樁體殘余應(yīng)力、靜壓樁承載力三者之間關(guān)系進(jìn)行詳細(xì)闡述。

1?試驗概況

1.1?試驗場地試驗場地地區(qū)為渭北黃土地區(qū)，地質(zhì)土層以黃土和古土壤居多，地表有0.5 m左右的耕土，試驗深度范圍內(nèi)未見地下水（表1）。

1.2?靜壓樁設(shè)計靜壓樁采用鋼管樁體，鋼材型號為Q345，直徑325 mm，壁厚12 mm，設(shè)計樁長35 m，靜壓樁通過分段壓入，焊接連接的方式形成。鋼管入土端與錐形預(yù)埋鐵件焊接，方便沉樁入土。

1.3?靜力沉樁裝置靜力沉樁裝置包括鋼墊塊、鋼墊板、千斤頂、傳力板（圖1（a）），試驗在既有建筑地基下部進(jìn)行，利用既有上部結(jié)構(gòu)自重充當(dāng)反力墻，使用分離式油壓千斤頂將鋼管預(yù)制短樁（長度為1.2 m）自基礎(chǔ)底面逐根壓入基底土層內(nèi)，沉樁前在鋼管與千斤頂之間放置鋼板以及墊塊用于荷載傳遞。兩節(jié)短樁之間采用焊接連接，待樁端到達(dá)設(shè)計深度后沉樁過程結(jié)束。分離式油壓千斤頂可設(shè)定加壓速率，實現(xiàn)精準(zhǔn)的荷載控制和位移控制。試驗中通過千斤頂壓力表對壓樁力進(jìn)行觀察，樁端入土深度通過在樁身描繪刻度線進(jìn)行監(jiān)測，以此可以完成沉樁過程中壓樁力與樁端入土深度之間的關(guān)系曲線。試驗中選取穩(wěn)定測量值作為分析值。

沉樁結(jié)束后進(jìn)行單樁承載力試驗，樁頂荷載同樣使用千斤頂施加，在樁體附近區(qū)域架設(shè)鋼架用以支撐千分表進(jìn)行位移讀數(shù)，將千分表與磁力底座進(jìn)行固定，磁力底座吸附在鋼管樁身，對試驗過程中鋼管樁與固定鋼架之間的相對位移進(jìn)行觀測記錄，此位移即為靜壓樁在加載作用下的位移值。試驗過程嚴(yán)格參考《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106—2014）進(jìn)行（圖1（b））。

2?試驗結(jié)果

2.1?沉樁試驗結(jié)果沉樁試驗共進(jìn)行3組，沉樁入土深度均達(dá)到設(shè)計標(biāo)高，樁端達(dá)到設(shè)計深度位置時最終壓力最大達(dá)到2 485 kN。樁端入土深度與壓樁力的關(guān)系曲線大致呈現(xiàn)“三折線型”，樁端入土深度達(dá)到18 m之前，沉樁過程較快，約為0.075 m/kN；此深度以下，樁側(cè)阻力和樁端阻力發(fā)揮效應(yīng)逐漸明顯，沉樁過程變得十分緩慢，入土深度每增加5 m，壓樁力需增加500 kN左右，沉樁速率為0.01 m/kN，與初始速率相差近87%，沉樁速率的變化主要集中在18～25 m深度范圍內(nèi)，此深度范圍外沉樁速率基本維持穩(wěn)定，沉樁曲線近似呈直線型，壓樁力維持在2 500 kN左右達(dá)到設(shè)計入土深度（圖2）。

2.2?單樁承載力試驗結(jié)果靜壓樁荷載-沉降曲線整體呈緩變型，各級荷載作用下靜壓樁沉降變化平穩(wěn)，破壞特征點并不明顯，在最大壓樁力

2 880 kN作用下，2組試驗樁頂沉降量平均值為13.2 mm。逐級卸載后樁體總回彈量約為6 mm，約占總沉降量的50%。隨樁頂荷載增加，相同荷載增量下樁體豎向下沉速率逐漸加快，曲線斜率逐漸增大，卸載過程共分為6級，樁體回彈速率隨荷載減小逐漸加快，最后2級卸荷作用下樁體回彈位移占總回彈位移的50%（圖3）。樁頂荷載越小，靜壓樁樁側(cè)以及樁端土應(yīng)力損失越快，樁體回彈速率加快。

3?數(shù)值模擬模型使用有限元數(shù)值模擬軟件ABAQUS對沉樁試驗以及單樁承載力試驗進(jìn)行模擬分析，通過ABAQUS強(qiáng)大的后處理功能得到樁體貫入過程中樁土界面相互作用結(jié)果，輸出樁周土體應(yīng)力應(yīng)變變化、土體位移變化以及隨深度或時間的變化規(guī)律，模擬結(jié)果以現(xiàn)場沉樁試驗與單樁承載力試驗為驗證依據(jù)。

3.1?參數(shù)設(shè)置土體考慮非線性變化影響，因此使用摩爾-庫倫本構(gòu)模型參數(shù)進(jìn)行定義（表2），模型寬15 m，高50 m。樁體尺寸與現(xiàn)場試驗一致，直徑325 mm，壁厚12 mm，設(shè)計樁長35 m，由于樁土的彈性模量相差懸殊，樁的變形量可以忽略不計，故采用離散剛體建立樁體，不需要設(shè)置樁體材料參數(shù)。

3.2?接觸面設(shè)置樁土界面接觸選取有限滑移變形，從屬面為土體邊界，設(shè)置硬接觸和罰剛度定義樁土作用，根據(jù)現(xiàn)有鋼-土剪切試驗結(jié)果[30]，取罰剛度摩擦系數(shù)為0.3（圖4（a））。

3.3?網(wǎng)格劃分樁體網(wǎng)格劃分選擇RAX2單元，樁身單元大小0.075 2，樁靴單元大小0.057 1。土體的單元類型為CAX8RP，對10倍樁徑范圍內(nèi)土體網(wǎng)格進(jìn)行加密處理（圖4（b））。

3.4?沉樁模擬方法模型通過位移貫入法進(jìn)行沉樁過程模擬，此方法不需要在樁頂施加荷載，只需要定義位移方向邊界條件，使樁產(chǎn)生向下的位移，通過調(diào)整計算時步對應(yīng)的位移量，可實現(xiàn)對沉樁速率以及卸荷速率的變化模擬。

4?有限元模擬計算結(jié)果

4.1?模型驗證模型在自重應(yīng)力下平衡求解之后，在樁頂區(qū)域設(shè)置自定義載荷函數(shù)模擬沉樁過程，對樁體施加側(cè)向約束保證其不會發(fā)生偏移，計算完成后輸出各計算步對應(yīng)的荷載-沉降數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場沉樁試驗結(jié)果進(jìn)行對照，模擬結(jié)果與試驗結(jié)果具較高的符合度，可進(jìn)行變參數(shù)模擬分析（圖5）。

4.2?有限元模擬結(jié)果

4.2.1?樁體回彈量沉樁結(jié)束后樁端區(qū)域有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，主要集中在28～35 m深度范圍內(nèi)，水平影響范圍約為6倍樁徑。沉樁速率越快，所引起的樁周土應(yīng)力越大，但差距較小，沉樁速率相差一倍的情況下樁周土最大應(yīng)力相差僅10%（圖6）。

沉樁速率越大，樁體回彈量越快，沉樁速率v=1 m/min作用下卸載后樁體回彈量為0.087 m，沉樁速率v=2 m/min作用下卸載后樁體回彈量為0.091 m?？梢姵翗哆^程越快，樁周土體受到的擾動效果更加明顯，卸荷靜止后引起的樁端土體回彈量增加。但卸荷速率vu保持不變時，不同沉樁速率作用下樁體回彈位移相差僅4%。沉樁速率對樁體回彈位移的影響效果并不顯著（圖7）。

樁體回彈主要發(fā)生于樁頂荷載減小的過程中（前4 min），此過程樁體回彈量占樁體總回彈量的80%，樁頂荷載完全卸除后，樁體并沒有立即停止回彈，而是先趨緩并逐漸維持穩(wěn)定（圖8）。

隨卸荷速率增加，樁體回彈量增大（圖9），最大卸荷速率（vu=2 m/min）下樁體回彈量平均值為0.16 m，最小卸荷速率（vu=1 m/min）下樁體回彈量平均值為0.088 m，相差45%，同時對比沉樁速率，卸荷速率對樁體回彈量影響更大（圖10）。

4.2.2?樁周側(cè)壓力0～22 m深度范圍內(nèi)樁側(cè)土壓應(yīng)力基本與被動土壓力一致，但隨深度繼續(xù)增加，樁周側(cè)壓應(yīng)力持續(xù)增加，最大達(dá)到被動土壓力的4.5倍，且隨沉樁速率增加而增加?？梢姵翗蹲饔靡鹆舜罅繖M向附加應(yīng)力（圖11（a））。卸載完成后淺部樁體側(cè)壓力接近于主動土壓力，隨深度增加，樁周側(cè)壓應(yīng)力不斷向被動土壓應(yīng)力發(fā)展。因而，在靜壓樁卸荷過程中，樁周淺部土層附加應(yīng)力釋放比深部土層更加充分，并且隨沉樁速率增加，該趨勢更加明顯（圖11（b））。

卸荷速率越快，樁周側(cè)壓應(yīng)力損失越多。樁端區(qū)域沉樁速率最大時，最小卸荷速率1 m/min作用下，樁周側(cè)壓應(yīng)力約為最大卸荷速率2 m/min作用下的1.63倍，相差63%；當(dāng)沉樁速率最小時，最小卸荷速率1 m/min作用下，樁周側(cè)壓應(yīng)力約為最大卸荷速率2 m/min作用下的1.57倍，相差57%（圖12）。與沉樁速率相比較，卸荷速率是樁周側(cè)壓應(yīng)力損失的主要原因。

卸荷作用會引起樁周側(cè)壓應(yīng)力損失，導(dǎo)致其分布形式發(fā)生改變。同時，樁周土體應(yīng)力釋放是自樁端至樁頂?shù)倪^程，故采用深度修正系數(shù)對朗肯被動土壓力計算公式進(jìn)行修正，即

σ=μKpγh

（1）

式中?Kp為被動土壓力系數(shù)；r為土體重度；h為土層深度；μ為樁周測壓應(yīng)力深度修正系數(shù)，對其進(jìn)行擬合為

μ=Ah3+Bh2+Ch+D

（2）經(jīng)過擬合得到參數(shù)A=2.244×10-5，B=-5.49×10-4，C=4.17×10-3，D=0.083 0。經(jīng)過修正后的樁側(cè)壓力計算值與模擬值基本一致（圖13），可用于靜壓樁樁周側(cè)壓力計算。

5?靜壓樁承載力影響因素

5.1?樁端力變化卸荷過程中樁端力與樁頂力近似呈線性變化，由于樁頂荷載向下傳遞時會向周圍土體擴(kuò)散，卸載過程中樁端力一直小于樁頂力，但隨上部荷載逐漸減小，樁端力與樁頂力之間的差距越來越小。不同沉樁速率影響下，樁端殘余應(yīng)力與沉樁終壓力的比分別約為7.3%（1 m/min）、5.6%（1.5 m/min）、4.7%（2 m/min），相差近26%，不同卸荷速率影響下，樁端殘余應(yīng)力與沉樁終壓力的比分別約為7.3%（1 m/min）、4.7%（1.5 m/min）、2%（2 m/min），相差近53%（圖14）。沉樁速率以及卸荷速率增加都會導(dǎo)致樁端殘余應(yīng)力減小，但卸荷速率的影響效果更加顯著。

5.2?樁體承載力特性通過荷載控制法對現(xiàn)場單樁承載力試驗進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果與現(xiàn)場試驗結(jié)果進(jìn)行對照，可見2組結(jié)果較為吻合（圖15）。在此基礎(chǔ)上改變沉樁速率、卸荷速率，記錄模擬過程中的樁頂應(yīng)力值以及位移值繪制荷載-沉降關(guān)系曲線。

隨著樁頂荷載不斷增加，沉樁速率對樁體豎向位移影響逐漸增強(qiáng)，3組曲線的位移差越來越大。樁體位移隨沉樁速率增加而增大。最終荷載作用下2組位移相差近3 mm（圖16（a））。并且隨卸荷速率增加，各級荷載作用下樁體位移增加，并且曲線斜率變化點提前出現(xiàn)，樁體極限承載力逐漸降低，最終荷載作用下兩組位移相差近10 mm（圖16（b）），卸載速率對樁體極限承載力的影響效果同樣大于沉樁速率。

隨沉樁速率增快，樁周側(cè)壓應(yīng)力增加，而樁周側(cè)壓應(yīng)力能夠抑制樁體回彈，樁體回彈量隨沉樁速率增加而增加，而樁體回彈的主要原因是樁端土體應(yīng)力提供的向上作用，這間接反映出沉樁速率越大，卸荷過程中樁端土應(yīng)力損失越多，因此樁體回彈位移增加，樁端殘余應(yīng)力越小，對于樁端土體承載力發(fā)揮則越不利。殘余應(yīng)力越小，樁體在各級荷載作用下豎向位移值越大，樁體承載力降低。樁端殘余應(yīng)力對樁體承載力有直接影響，低速沉樁有利于樁端土體承載力發(fā)揮（圖16）。

不同卸荷速率下樁體極限承載力分別約為沉樁終壓力的107%（1 m/min）、97%（2 m/min），相差近10%。隨卸荷速率增加，卸荷過程中樁周以及樁端土應(yīng)力損失越大，樁體回彈位移增加，樁端殘余應(yīng)力減小，同樣會導(dǎo)致樁體極限承載力降低。樁端殘余應(yīng)力越大，樁端土體提供的向上作用則更加明顯，越有利于樁端承載力的發(fā)揮。因而控制沉樁速率和卸荷速率，可以減少樁端土應(yīng)力釋放，有效提高樁體承載力。

6?結(jié)?論

1）沉樁過程中，樁周土體附加應(yīng)力不斷累積，卸荷后樁側(cè)土壓應(yīng)力大量消散，土層深度越大，附加應(yīng)力消散越慢。

2）沉樁速率以及卸荷速率增加都會導(dǎo)致樁端殘余應(yīng)力減小，因此卸荷后樁體回彈位移隨之增加，樁體承載力減小。

3）相較于樁側(cè)土壓應(yīng)力，樁端殘余應(yīng)力是影響樁體承載力的主要因素，樁端殘余應(yīng)力越小則越不利于樁端土體承載力發(fā)揮，致使樁體承載力降低。4）卸荷速率對樁端殘余壓力的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于沉樁速率，控制卸荷速率，減小樁端土應(yīng)力的損失，增大樁端殘余應(yīng)力，可以有效提高樁體極限承載力。

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（責(zé)任編輯：李克永）