基于隔時復壓試驗的靜壓樁承載力時效性研究

董春暉，郭聚坤

（山東交通職業(yè)學院公路與建筑學院，山東 濰坊261206）

基于隔時復壓試驗的靜壓樁承載力時效性研究

董春暉，郭聚坤

（山東交通職業(yè)學院公路與建筑學院，山東 濰坊261206）

靜壓樁沉樁結(jié)束后，其承載力隨時間而變化，對樁承載力的時效性研究可為靜壓樁設(shè)計及施工提供參考。文章以山東省濰坊市濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)濱湖苑小區(qū)工程現(xiàn)場為試驗場地，通過兩根靜壓樁進行的隔時復壓試驗的實測數(shù)據(jù)，研究了廣義極限承載力與最終壓樁力的關(guān)系、樁端阻力和側(cè)摩阻力隨時間變化規(guī)律，提出了靜壓樁承載力三階段增長模型。結(jié)果表明：廣義極限承載力不同于最終壓樁力，其提高主要是在沉樁結(jié)束的9 d內(nèi)；在沉樁結(jié)束后20 h時，樁端阻力和樁側(cè)摩阻力對樁承載力的貢獻各為50%，出現(xiàn)“貢獻平衡點”，壓樁結(jié)束13 d后變?yōu)閭?cè)摩阻力主要起承載作用，出現(xiàn)“側(cè)阻絕對硬化”和“端阻相對軟化”現(xiàn)象；不同的土層提供不同的樁側(cè)摩阻力，粉質(zhì)粘土最大，砂質(zhì)粉土和粉土次之，淤泥質(zhì)土最??；靜壓樁承載力增長模型由三階段組成，樁端阻力的增長僅發(fā)生在第一階段，樁側(cè)摩阻力的大幅度增長集中在第一、二階段，在第三階段略有提高。

靜壓樁；隔時復壓試驗；側(cè)摩阻力；端阻力；時效性

Abstract：The bearing capacity of jacked pile varies with timeafter the end of pile jacking，and the study on the time effect of bearing capacity of jacked pile has some implications for the design and construction of jacked pile.This paper，by taking the project Binhuyuan Community，Binhai economic development zone，Weifang City，Shandong Province as the test site，compares the measured data of two piles，studies the relationship between the general ultimate bearing capacity and ultimate compressive strength，and the growth law of tip resistance and shaft resistance，and also proposes the bearing capacity of jacked pile increasemodel in three stages.The results show that，the general ultimate bearing capacity is different from the ultimate pile load，which increasesmainly in the 9 days after the end of pile jacking，and grows faster in the initial stage than the later stage.At 20 hours after the end of pile jacking，the contribution of tip resistance and shaft resistance to bearing capacity of pile is the same，50 percent respectively，called“contribution balance point”.The increase of ultimate bearing capacity of the jacked pile ismainly determined by shaft resistance on 13 days after the end of pile jacking，“absolute hardening of shaft resistance”and“relative softening of tip resistance”occurred.Different soil layers provide different shaft resistance，the silty clay is the largest，sandy silt and silty soil are the second，and the silt soil is the smallest.The static pressure pile bearing capacity growthmodel is composed of three stages，the increase of the pile end resistance is only in the first stage，the large increase of the pile side friction resistance is concentrated in the first and the two stage，and slightly increases in the third stage.

Key words：jacked pile；interval re-pressed test；shaft resistance；tip resistance；time effect

0 引言

預制靜壓樁因施工質(zhì)量好、工期短、無噪音、對樁身無沖擊力等優(yōu)點，在高層建筑中得到了廣泛的應用。靜壓樁在沉樁過程中側(cè)向擠壓土體，造成土體強度降低。沉樁結(jié)束后，其極限承載力隨休止期的延長會發(fā)生提高和降低兩種情況，一般達到最終的穩(wěn)定需要幾十天到幾年，甚至數(shù)年，這種現(xiàn)象稱作承載力的時間效應。在絕大多數(shù)的情況下，樁基承載力是隨時間呈增長的趨勢，其增長主要是因為樁身摩阻力的提高，這種現(xiàn)象在飽和軟土地基中表現(xiàn)尤為明顯，因為軟土地基具有高靈敏度、低滲透性、結(jié)構(gòu)性強等特點［1-5］，因此對于樁承載力的時效性研究就很有必要。

近年來，國內(nèi)許多學者對預制靜壓樁承載力的時間效應進行了試驗研究和數(shù)值模擬。劉俊偉對靜壓開口管樁施工效應進行了試驗及理論研究［6］，周曉龍對施工周期下的靜壓管樁進行了優(yōu)化設(shè)計計算［7］，許多研究者對靜壓樁承載性能進行了試驗研究［8-12］，李鏡培在基于總應力法下進行了靜壓樁極限承載力時效性研究［13］，辛翀對靜壓樁貫入阻力進行了實測分析與數(shù)值模擬［14］，白曉宇基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對靜壓樁承載性能的時間效應進行了預測［15］，上述研究結(jié)果表明，靜壓樁承載性能機理較復雜，這與樁身材料、樁身尺寸、地質(zhì)條件關(guān)系密切，承載力的增長主要歸因于樁周土體超孔隙水壓力的消散、土體結(jié)構(gòu)的重建、疲勞退化、觸變性、次固結(jié)和重新膠結(jié)，研究普遍認為超孔隙水壓力的消散是樁側(cè)摩阻力增長的主要原因，而且樁側(cè)摩阻力增長的時間要長于孔隙水壓力消散的時間，究其原因為樁周土體結(jié)構(gòu)的變化。文章以山東省濰坊市濱海區(qū)經(jīng)濟開發(fā)區(qū)濱湖苑小區(qū)工程現(xiàn)場為試驗場地，通過實際靜壓樁工程的試驗測試資料，著重研究了河岸沖積平原地貌靜壓樁承載力變化的特殊時間節(jié)點、端阻力和側(cè)摩阻力的平衡關(guān)系、不同土層側(cè)摩阻力變化規(guī)律以及靜壓樁承載力增長模型的研究，可為此地區(qū)靜壓樁的施工、設(shè)計和科研提供參考。

1 試驗機理及概況

1.1 靜壓樁承載力的時效性機理

靜壓樁在貫入土層的過程中，其樁側(cè)摩阻力在同一層土中并不是保持不變，而是逐漸變小，究其原因，主要有以下幾點［7-8］：

（1）樁周土體單元主應力方向旋轉(zhuǎn) 在沉樁過程中，土體單元剪應力引起主應力方向變化，導致作用于樁體上的徑向應力減??；

（2）樁周土體形成拱效應 沉樁過程中，樁體擠壓土體，土顆粒由此向外擠出，使遠處的土體變得密實，形成土拱，土拱阻礙了徑向應力作用于樁體，引起徑向應力的減??；

（3）樁體表面形成水膜 樁在貫入土體的過程中，土中的水不能及時排出，在樁體表面形成的水膜減小了樁土間的摩擦力。

靜壓樁在沉樁結(jié)束以后，樁側(cè)阻力隨時間而增加，而樁端阻力略有增長，究其原因，主要有以下幾點［9-16］：

（1）樁周土的固結(jié) 樁在貫入過程中產(chǎn)生很大的超孔隙水壓力，在沉樁結(jié)束以后超孔隙水壓力逐漸消散，水膜消失，土拱效應逐漸減弱直至消失，徑向應力逐漸增大；

（2）樁周土的觸變恢復和土殼效應 在沉樁過程中，樁周土體受到橫向擠壓和豎向剪切作用，緊貼樁身區(qū)域的土體結(jié)構(gòu)形成強烈的重塑區(qū)，經(jīng)過一段休止期后，損失的強度逐漸得到恢復，緊貼樁身形成了3～20 mm的“硬殼”，樁側(cè)摩擦面積逐漸增大，其強度超過了原狀土的初始強度。

1.2 試驗場地及參數(shù)

為進一步研究靜壓樁的承載力隨時間的變化規(guī)律，選取山東省濰坊市濱海經(jīng)濟開發(fā)區(qū)濱湖苑小區(qū)工程現(xiàn)場作為試驗場地。此試驗場地為待建工程用地，地形總體平坦，局部略有起伏，屬于河岸沖積平原地貌，具體的土層參數(shù)見表1。

1.3 試驗過程

選取兩根單樁進行復壓試驗，在樁的頂端和底端分別安裝壓力傳感器，在不同土層樁壁處安裝光纖傳感器，以讀取靜壓樁的樁端阻力和側(cè)摩阻力。壓樁結(jié)束以后，為了研究樁周土體的觸變效應和固結(jié)時效對樁端阻力和側(cè)摩阻力的影響，在不同的休止期對樁進行復壓試驗，讀取樁體剛開始下沉時的壓力（復壓力）。

表1 試驗場地的土層參數(shù)

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗結(jié)果

試驗樁在不同間隔時間的壓樁力、樁端阻力和側(cè)摩阻力分別見表2、3，試驗樁在不同土層不同間隔時間的側(cè)摩阻力見表4。

表2 試驗樁在不同間隔時間的壓樁力復壓數(shù)據(jù)

表3 試驗樁在不同間隔時間的端阻力和側(cè)摩阻力復壓數(shù)據(jù)

表4 試驗樁在不同土層不同間隔時間的側(cè)摩阻力復壓數(shù)據(jù)／MPa

2.2 靜壓樁承載力時效性分析

2.2.1 靜壓樁廣義極限承載力時效性分析

在靜壓樁施工過程中，經(jīng)常以最終壓樁力作為控制標準，以此來評價靜壓樁的極限承載力，這勢必會造成材料的浪費。于是，提出用廣義極限承載力來評價樁的承載力，故廣義極限承載力和最終壓樁力是完全不同的兩個概念，廣義極限承載力指的是試驗樁的復壓起動力，最終壓樁力指的是靜壓結(jié)束時樁體承受的力。如表2、圖1和2所示，1＃和2＃樁的復壓試驗持續(xù)時間均為310 h，均在同一時間節(jié)點進行復壓試驗，復壓啟動力數(shù)值變化明顯，1＃樁的廣義極限承載力比最終壓樁力提高126%，2＃樁的廣義極限承載力比最終壓樁力提高123%，廣義極限承載力前期提高幅度較快，后期慢慢放緩，從223 h到310 h復壓啟動力變化小于10 kN，提高幅度僅為1%，這說明廣義極限承載力在軟土地基中不是一直在增加，其提高主要是在沉樁結(jié)束的9 d內(nèi)。造成廣義承載力與最終壓樁力不同的主要原因就是時間效應。這與寇海磊［16］的研究結(jié)論是基本一致的。

圖1 靜壓樁廣義極限承載力增長曲線圖

圖2 靜壓樁廣義極限承載力提高幅度曲線圖

2.2.2 靜壓樁端阻力和側(cè)摩阻力時效性分析

如表3、圖3和4所示，隨著沉樁休止期的增加，1＃和2＃樁的樁端阻力從壓樁結(jié)束到23 h時提高幅度不到5%，23h之后樁端阻力不再變化；1＃樁的樁側(cè)摩阻力從壓樁結(jié)束到310 h時提高幅度為373.39%，2＃樁的為 405.77%，前期提高幅度快，后期慢慢放緩。從側(cè)摩阻力和端阻力在樁承載力占有的比重來看，1＃樁在壓樁結(jié)束時，側(cè)摩阻力為樁承載力的32.90%，310 h時變?yōu)?8.90%，故端阻力從壓樁結(jié)束時的67.10%變?yōu)?10 h時的31.10%；2＃樁在壓樁結(jié)束時，側(cè)摩阻力為樁承載力的29.66%，310 h時變?yōu)?7.18%，故端阻力從壓樁結(jié)束時的70.34%變?yōu)?10 h時的32.82%，可見在壓樁結(jié)束時樁端阻力主要起承載作用，壓樁結(jié)束約13d后變?yōu)閭?cè)摩阻力主要起承載作用，由圖4可以看出，在壓樁結(jié)束后的20 h時，樁端阻力和樁側(cè)阻力對樁承載力的貢獻各為50%，此刻可認為“貢獻平衡點”。由前述所知，靜壓樁承載力的時間效應主要體現(xiàn)在樁側(cè)摩阻力的提高，將此稱之為“側(cè)阻絕對硬化”；樁端阻力基本沒有變化，而且樁端阻力對承載力的貢獻是大幅度減小的，將此稱之為“端阻相對軟化”。這驗證了Camp等學者的研究結(jié)論［17-18］。

圖3 靜壓樁端阻力（側(cè)摩阻力）提高幅度曲線圖

圖4 端阻力（側(cè)摩阻力）對樁承載力的貢獻曲線圖

如表4、圖5和6所示，不同的土層提供的樁側(cè)摩阻力是不一樣的，經(jīng)觀察可知，地面以下1.53 m范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力為零，究其原因，是此范圍內(nèi)的樁與土體因樁身晃動產(chǎn)生縫隙，也即兩者沒有實質(zhì)接觸，樁周土體沒有對樁施加法向應力，故填土層基本上是不提供側(cè)摩阻力的；填土層以下的各土層中，粉質(zhì)粘土提供的側(cè)摩阻力最大，淤泥質(zhì)土提供的側(cè)摩阻力最小，砂質(zhì)粉土和粉土居于兩者之間，這說明粉質(zhì)粘土的抗剪強度最大，砂質(zhì)粉土和粉土的次之，淤泥質(zhì)土的最?。粡谋?、圖5和6可知，地面以下4.86～7.38 m和14.94～21.69 m范圍內(nèi)均為砂質(zhì)粘土，但是兩者提供的摩阻力不同，下部砂質(zhì)粘土提供的側(cè)摩阻力要大于上部提供的側(cè)摩阻力，這說明在均質(zhì)土層中樁身下部的側(cè)摩阻力對樁的承載力貢獻更大；另外，同一深度處的側(cè)摩阻力隨著休止期的增加都是在提高的，而且前期提高的幅度快，后期慢慢變緩，這和之前得出的結(jié)論是一致的。

圖5 1＃樁單位側(cè)摩阻力隨休止期變化曲線圖

圖6 2＃樁單位側(cè)摩阻力隨休止期變化曲線圖

2.2.3 靜壓樁承載力時效性模型

對于靜壓樁的承載力時效性模型，Komurka在其研究中指出，承載力時效性模型由三階段組成［18］，如圖7所示。第一階段：超孔隙水壓力隨時間對數(shù)非線性消散；第二階段：超孔隙水壓力隨時間對數(shù)線性消散，直至消散完成；第三階段：樁周土體的有效應力不再變化，但承載力稍有增長，原因在于土體老化效應。鑒于樁端阻力基本上沒有變化，可以認為靜壓樁的承載力時效性模型即靜壓樁的側(cè)摩阻力時效性模型。

圖7 樁承載力時效性模型圖

試驗靜壓樁的承載力時效性模型如圖8所示。由圖8可知，在0～23 h內(nèi)，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力都在增長，樁側(cè)摩阻力出現(xiàn)大幅度的增長，樁端阻力的增幅遠小于樁側(cè)摩阻力的增幅，樁在貫入過程中，樁周土體由于樁的擠入使土的結(jié)構(gòu)受到擾動而產(chǎn)生超孔隙水壓力，沉樁結(jié)束后，超孔隙水壓力隨時間逐漸消散，土體逐漸固結(jié)，但并未在樁周形成“土殼”，此階段摩阻力發(fā)生的位置在樁土界面處，故23 h的時間節(jié)點可以作為超孔隙水壓力消散速度隨時間對數(shù)開始線性增長的時刻t0，與Skov的研究基本一致，此為模型的第一階段［2］。在23～223 h內(nèi)，樁端摩阻力不再增加，而是維持一個穩(wěn)定值上，樁側(cè)摩阻力繼續(xù)增加，但增速相比前一階段變緩，此階段超孔隙水壓力繼續(xù)消散，在樁的周圍形成“土殼”，其強度超過原狀土，樁在逐漸“變大”，此階段摩阻力發(fā)生在“土殼”與土界面處，而且這個界面不斷在向外移動。孔隙水壓力消散為零時，土體固結(jié)完成，“土殼”體積也不再變化，此為模型的第二階段。在223 h之后，樁側(cè)摩阻力略有增加，此階段可以歸結(jié)于土體的老化效應，此為模型的第三階段。

圖8 試驗靜壓樁承載力時效性模型圖

3 結(jié)論

通過上述研究表明：

（1）1＃和2＃樁的廣義極限承載力提高主要集中在沉樁結(jié)束后的9 d內(nèi)，之后變化很小。

（2）壓樁結(jié)束時樁端阻力主要起承載作用，壓樁結(jié)束后20 h時，樁端阻力和樁側(cè)阻力對樁承載力的貢獻各為50%，出現(xiàn)“貢獻平衡點”，壓樁結(jié)束后13 d時側(cè)摩阻力主要起承載作用，出現(xiàn)“側(cè)阻絕對硬化”和“端阻相對軟化”現(xiàn)象。

（3）填土層下不同土層提供不同的樁側(cè)摩阻力，粉質(zhì)粘土提供的側(cè)摩阻力最大，砂質(zhì)粉土和粉土次之，淤泥質(zhì)土提供的側(cè)摩阻力最小。

（4）靜壓樁承載力時效性模型由三階段組成。樁端阻力的增長僅發(fā)生在第一階段，第二、三階段變化很小。樁側(cè)摩阻力的大幅度增長集中在第一、二階段，第三階段略有提高。

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（學科責編：趙成龍）

Time effect of bearing capacity of jacked pile based on interval re-pressed test

Dong Chunhui，Guo Jukun
（School of Highway and Architecture，Shandong Transport Vocational College，Weifang 261206，China）

TU473

A

1673-7644（2017）04-0390-06

2017-07-08

董春暉（1977-），男，講師，碩士，主要從事基礎(chǔ)工程等方面的研究.E-mail：chunhui_d＠126.com