王家全 葉斌 張亮亮 徐良杰 朱慶盛

摘 要：為了研究紅黏土地層靜壓管樁沉樁過(guò)程中樁身軸力、位移及樁周土體摩擦力的變化規(guī)律，揭示紅黏土地層管樁承載力機(jī)理和群樁上浮影響，采用自行設(shè)計(jì)的可視化模型箱，開(kāi)展管樁在紅黏土地層中的靜壓和復(fù)壓模擬試驗(yàn).結(jié)果表明：以硬塑紅黏土或可塑紅黏土土層作為持力層時(shí)，單樁靜載Q-s曲線呈陡降型，樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的比值分別為94.9%、96.0%，為摩擦型樁；以基巖為持力層時(shí)，單樁靜載Q-s曲線呈平緩型，樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的51.1%，可歸為端承摩擦樁.在壓樁過(guò)程中，樁體會(huì)因壓縮而產(chǎn)生相對(duì)于土體的位移，樁側(cè)產(chǎn)生一個(gè)抵抗樁體向下運(yùn)動(dòng)的樁側(cè)摩阻力；因樁側(cè)摩阻力的存在，會(huì)將樁頂荷載傳遞到樁周土層中，使得樁身軸力和樁身壓縮隨深度增加而遞減；當(dāng)樁頂荷載增大時(shí)，樁體進(jìn)一步被壓縮，樁側(cè)下部土體的摩阻力得以充分發(fā)揮.同時(shí)，復(fù)壓能能有效消除群樁壓樁引起的管樁上浮影響，可有效改善因擠土上浮而導(dǎo)致的樁體承載力不足.

關(guān)鍵詞：紅黏土；靜壓管樁；承載機(jī)理；模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TU 47 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.001

0 引言

管樁因其具有單樁承載力高、工廠化程度高、成樁質(zhì)量好、施工方便快捷等優(yōu)點(diǎn)而作為抗壓樁被工程所廣泛應(yīng)用[1-3].因此，研究管樁的承載力機(jī)理及其影響因素具有重大意義.目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其承載機(jī)理及影響因素在理論分析、模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬上都進(jìn)行了大量的研究，并取得豐碩的成果.郭宏磊等[4]運(yùn)用逐次線性概似及殘差修正法進(jìn)行迭代，以此提出了基于Q-s數(shù)據(jù)對(duì)樁極限承載力預(yù)測(cè)的方法，并在實(shí)際工程中得到驗(yàn)證.趙儉斌等[5]基于灰色關(guān)聯(lián)度理論通過(guò)對(duì)遼沈地質(zhì)下某工程的勘探及施工記錄資料分析，得出該工程樁承載力影響因素的次序關(guān)系.律文田等[6]通過(guò)在軟土地基上進(jìn)行大型試驗(yàn)及有限元分析（采用Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)模型），研究了PHC管樁的荷載傳遞機(jī)理及不同土層的軸力衰減速率.Mohammed等[7-8]結(jié)合開(kāi)口樁與閉口樁的性質(zhì)，通過(guò)開(kāi)展試驗(yàn)分析了填土密度、壓樁方式等多種因素對(duì)樁承載力的影響，并基于IFR提出了開(kāi)口樁承載力新的估算經(jīng)驗(yàn)關(guān)系.張忠苗等[9-10]和符秋生[11]分別結(jié)合浙江某高層預(yù)應(yīng)力管樁上浮、偏位事故和廣清高速公路擴(kuò)建工程進(jìn)行分析，提出加固和修復(fù)管樁的方法，且分析了實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中預(yù)應(yīng)力管樁承載力的時(shí)效性和復(fù)壓值的影響因素.龐宗霞[12]通過(guò)對(duì)長(zhǎng)鳳溝四樁橋墩的群樁進(jìn)行有限元模擬，提出群樁極限承載力的群樁效應(yīng)系數(shù)，證明了土塞效應(yīng)對(duì)樁的承載力的影響較小.王浩等[13]通過(guò)模型試驗(yàn)研究樁端位移、樁端土體孔隙率對(duì)樁端阻對(duì)的影響，并采用離散元顆粒流PFC2D對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表現(xiàn)出一致性.

近年來(lái)，預(yù)應(yīng)力管樁在廣西地區(qū)的樁基工程應(yīng)用廣泛，但針對(duì)廣西地區(qū)特殊的土層——紅黏土地層，特別是其上硬下軟的特點(diǎn)有別于其他一般地質(zhì)，所以不能照搬別的地質(zhì)或者樁型設(shè)計(jì)樁基工程[14-15].此外，目前學(xué)者對(duì)于紅黏土地質(zhì)條件下的管樁承載力性質(zhì)規(guī)律的研究稀少.據(jù)此研究背景，本文自行設(shè)計(jì)可視化模型箱100 cm（Length）×70 cm（Width）×130 cm（Height），模擬廣西紅黏土地層，進(jìn)行管樁靜壓模型試驗(yàn)，研究紅黏土地層靜壓管樁壓樁運(yùn)動(dòng)的樁身軸力、位移及樁周土體摩擦力等參數(shù)的變化規(guī)律，揭示紅黏土地層管樁承載力機(jī)理和群樁上浮影響，旨在為紅黏土地層管樁工程提供指導(dǎo).

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)裝置分為4個(gè)部分：①模型箱；②反力架；③豎向加載系統(tǒng)；④數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).如圖1所示.

1.1 模型箱

為了更好地進(jìn)行分層填筑工作和觀察管樁在土中的運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)為可視化模型.圖1所示為模型箱的設(shè)計(jì)圖，整個(gè)模型箱骨架以鋼板和角鋼焊接而成.試驗(yàn)填土為紅黏土地層，對(duì)水的控制要求很高，因此在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)模型鋼板、鋼化玻璃與角鋼焊接處進(jìn)行防水密封.

1.2 軸向加載系統(tǒng)

試驗(yàn)軸向加載系統(tǒng)由反力架和千斤頂聯(lián)合而成.將千斤頂反向固定懸掛在反力架下方，千斤頂下方放置壓力傳感器，用來(lái)記錄每一級(jí)加載的樁頂荷載.試驗(yàn)利用千斤頂將模型樁壓入土中，10 cm/次，速度為2 cm/min，共經(jīng)過(guò)11次靜壓循環(huán).

1.3 模型樁與數(shù)據(jù)采集

本次試驗(yàn)的模型樁均為鋁管所制，分為半模樁和全模樁.具體參數(shù)見(jiàn)表1.

對(duì)半模樁內(nèi)壁進(jìn)行打磨以及除塵處理，然后貼置；打磨工具用砂紙，除塵用酒精，貼置應(yīng)變片用502膠水及用環(huán)氧樹脂AB膠進(jìn)行應(yīng)變片的表面防水；應(yīng)變片貼置位置在從樁端開(kāi)始，后每隔10 cm貼一個(gè)應(yīng)變片，共10處，并通過(guò)如下公式換算.

Qi = E·εi·A（1）

式中，Qi ——樁身軸力（N）；E——樁身彈模（kPa）；εi ——模型樁從樁端開(kāi)始編號(hào)為1， 2， 3， …， i的應(yīng)變片的應(yīng)變數(shù)值；A——樁身橫截面面積.

qs = （Qi+1 - Qi） / As（2）

式中：qs——樁身側(cè)摩阻力（kPa）；As——樁側(cè)表面積；本模型使用半模樁，面積為全模樁的1/2.

qT = Q1/A（3）

式中：qT ——樁端阻力（kPa）.

1.4 試驗(yàn)土樣及制備

試驗(yàn)?zāi)M工況為廣西紅黏土地層，填土的取樣為柳州正在施工的某工地. 根據(jù)勘探報(bào)告得知，紅黏土地層大致分為兩層：硬塑層和可塑軟層，各層厚度分別占比70%～75%和25%～30%.本文設(shè)計(jì)模型試驗(yàn)?zāi)M管樁在紅黏土地層的壓樁運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，故按照本地區(qū)紅黏土地層性質(zhì)相應(yīng)填筑硬塑紅黏土70 cm、可塑紅黏土30 cm、基巖層15 cm.試驗(yàn)各土層物理特性參數(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2，整個(gè)試驗(yàn)土樣的制備分為兩個(gè)部分，分別為硬塑、可塑紅黏土的制做填筑和基巖層的制備.

1） 硬塑、可塑紅黏土的制作：將試驗(yàn)土樣烘干后，碾碎過(guò)篩，分別配制具有硬塑、可塑紅黏土含水量的紅黏土，然后進(jìn)行分層填筑壓實(shí)，填筑厚度是30 cm/層.

2） 基巖層的制備：以水泥紅黏土作為持力層，其中水泥含量占比15%.根據(jù)同等條件制備立方體試塊（100 mm×100 mm×100 mm），養(yǎng)護(hù)2個(gè)月后測(cè)得其無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度為1.8 MPa，滿足本次試驗(yàn)的抗壓要求.

1.5 試驗(yàn)內(nèi)容

試驗(yàn)內(nèi)容分為靜壓管樁試驗(yàn)和靜壓群樁試驗(yàn)，如圖2所示.

1）靜壓?jiǎn)螛对囼?yàn)：對(duì)3種樁徑（2.5 cm、4.0 cm、5.5 cm）半模樁進(jìn)行壓樁至相應(yīng)持力層，然后進(jìn)行靜載試驗(yàn).

2）靜壓群樁試驗(yàn)：根據(jù)圖2（b）壓樁順序進(jìn)行群樁壓樁運(yùn)動(dòng)，接著對(duì)目標(biāo)樁1#樁進(jìn)行復(fù)壓，最后對(duì)目標(biāo)樁1#樁進(jìn)行靜載試驗(yàn).

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 單樁靜載Q-s曲線分析

圖3（a）與圖3（b）分別是樁端進(jìn)入土層深度為60 cm和80 cm處的不同樁徑的Q-s曲線，其呈現(xiàn)陡降型，管樁承載力相對(duì)較低，由此實(shí)際工程中紅黏土地層的管樁工程往往不以紅黏土層作為持力層，而選擇基巖作為持力層.曲線出現(xiàn)陡降的起始點(diǎn)為樁的極限承載力，在持力層為硬塑紅黏土地層時(shí)，樁徑為2.5 cm、4.0 cm，5.5 cm的試樁極限承載力分別為92.7 N、278.0 N、316.9 N.可以發(fā)現(xiàn)試樁的極限承載力隨樁徑增大而增大，且為非線性增加.分析原因：①樁徑的增大，使試樁的側(cè)面積增大，樁周的摩阻力也隨之增大；②試樣樁是閉口樁模型，樁徑的增加使得樁端面積增大，繼而會(huì)增大樁端阻力；③樁徑的增大會(huì)使樁的剛度顯著增大，樁不易被壓縮，因此其極限承載力明顯增大.當(dāng)持力層為可塑性紅黏土地層時(shí)，其現(xiàn)象與之類似.對(duì)比以上兩種持力層，在試樁達(dá)到極限承載力時(shí)，其極限荷載不同，原因是一方面持力層的剛度不同，另一方面是試樁的壓樁深度不同導(dǎo)致其側(cè)摩阻力不同.

圖3（c）為樁端進(jìn)入土層為100 cm處的不同樁徑的Q-s曲線，其呈現(xiàn)緩變性.樁位位于基巖處.根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》，對(duì)于緩變型Q-s曲線根據(jù)沉降來(lái)估算試樁極限承載力，由于試驗(yàn)試樁樁徑小，本次試驗(yàn)取s=20 mm處的樁頂荷載作為試樁的極限承載力.樁徑為2.5 cm、4.0 cm、5.5 cm的試樁極限承載力分別為1 334.4 N、2 446.4 N、3 914.2 N.可以發(fā)現(xiàn)試樁的極限承載力隨樁徑增大而顯著增大，樁徑每增長(zhǎng)1.5 cm，極限承載力則增長(zhǎng)1.4～1.6倍，這一原因與基巖的性質(zhì)密切相關(guān).

對(duì)比這3種不同持力層的單樁靜載Q-s曲線，同種樁徑的樁以圖3（a）和圖3（b）地層為持力層的 Q-s曲線是陡降型，在圖3（c）地層為持力層的Q-s曲線是緩變型.原因可能是：圖3（a）和圖3（b）地層的強(qiáng)度過(guò)低，樁端阻力過(guò)小，只能依靠樁側(cè)摩阻力，當(dāng)壓樁荷載過(guò)大時(shí)，樁端所在的地層會(huì)出現(xiàn)刺破，樁體會(huì)出現(xiàn)陡降.相對(duì)比，圖3（c）地層為基巖層，其強(qiáng)度遠(yuǎn)大于硬塑和軟塑紅黏土地層，樁端提供的端阻很大，不易刺穿，所以圖3（c）Q-s曲線為緩變型，可作為工程中的持力層被應(yīng)用.

2.2 樁身軸力與樁側(cè)摩阻力分析

圖4是樁徑為4 cm的樁側(cè)摩阻力和軸力沿深度分布曲線.整個(gè)靜壓過(guò)程中，樁深軸力隨樁深遞減，在樁頂荷載較大時(shí)，軸力下降更明顯.分析圖4可得到以下現(xiàn)象：在樁深為0 cm處，樁的軸力與壓樁荷載幾乎相同；樁深在0～10 cm處的軸力均有所下降；在樁深10 cm到樁底部的軸力會(huì)隨樁頂荷載的增加明顯展現(xiàn)出軸力在單位深度的變化量由大變小.同時(shí)，可從圖4中對(duì)應(yīng)的樁側(cè)摩阻力規(guī)律發(fā)現(xiàn)，其隨樁頂荷載的增大呈現(xiàn)更加尖銳的“倒V”型.根據(jù)圖4中同步的樁側(cè)摩阻力和軸力深度分布規(guī)律，可對(duì)靜壓管樁的荷載傳遞機(jī)理進(jìn)行如下分析：①在壓樁過(guò)程中，樁體會(huì)被壓縮而產(chǎn)生相對(duì)于土體的位移，樁側(cè)產(chǎn)生一個(gè)抵抗樁體向下運(yùn)動(dòng)的樁側(cè)摩阻力；②樁側(cè)摩阻力的產(chǎn)生，會(huì)把樁頂荷載傳遞到樁周土層中，使得樁身軸力和樁身壓縮隨深度遞減；③當(dāng)樁頂荷載增大時(shí)，樁體進(jìn)一步被壓縮，樁側(cè)下部土體的摩阻力才可發(fā)揮.

圖4（a）—圖4（c）的樁側(cè)摩阻力隨樁深的分布圖在“倒V”的最外層的曲線代表在樁頂極限荷載下各位置最大樁側(cè)摩阻力.當(dāng)以圖4（a）地層為持力層時(shí)，樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的94.9%，為摩擦型樁；當(dāng)以圖4（b）地層為持力層時(shí)，樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的96.0%，為摩擦型樁；當(dāng)以圖4（c）地層為持力層時(shí)，樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的51.1%，可歸為端承摩擦樁.

樁徑為2.5 cm和5.5 cm的樁側(cè)摩阻力、軸力沿深度分布圖的現(xiàn)象與樁徑為4.0 cm的樁側(cè)摩阻力、軸力沿深度分布圖的現(xiàn)象相似.

2.3 群樁上浮及復(fù)壓對(duì)管樁的承載力的影響

為了研究群樁上浮對(duì)樁的承載力的影響，本次試驗(yàn)首先做了群樁壓入試驗(yàn)后，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)樁（1#樁）出現(xiàn)一定的上浮量，之后對(duì)目標(biāo)樁進(jìn)行復(fù)壓試驗(yàn).圖5為復(fù)壓過(guò)程中樁頂荷載—樁頂位移圖，整個(gè)復(fù)壓過(guò)程的位移呈現(xiàn)出平緩→陡降→平緩的規(guī)律，分析可能原因：①曲線前期的平緩階段是由于群樁壓入，使目標(biāo)樁周的土體嚴(yán)實(shí)，樁體界面接觸更為緊密，使得樁周摩阻力加強(qiáng)，復(fù)壓前期樁體壓入，需要克服更大的摩阻力；②曲線中期出現(xiàn)陡降現(xiàn)象，樁周最大摩阻力已發(fā)揮出，且樁端由于擠土上浮導(dǎo)致樁端土體的承載力降低，所以出現(xiàn)陡降現(xiàn)象；③曲線后期又變?yōu)槠骄?，這是由于樁體運(yùn)動(dòng)到“新的持力層”——未被擠土上浮破環(huán)的持力層，基巖層能提供較大的樁端摩阻力.

本次試驗(yàn)將上浮后復(fù)壓的樁頂荷載—位移曲線與群樁壓入之前的單樁樁頂荷載—位移曲線進(jìn)行對(duì)比來(lái)驗(yàn)證復(fù)壓的效果.圖6為在基巖處4 cm樁徑樁體群樁壓入之前和復(fù)壓之后各靜載試驗(yàn)的樁頂荷載—樁頂位移曲線.分析圖6可知，群樁壓入之前與上浮復(fù)壓之后靜載試驗(yàn)的樁頂荷載—樁頂位移曲線幾乎相同，說(shuō)明管樁復(fù)壓后，能有效消除群樁壓樁引起的管樁上浮影響，完全恢復(fù)因上浮引起的承載力損失，進(jìn)而可有效避免由于擠土上浮而導(dǎo)致樁體承載力不足的工程隱患.

3 結(jié)論

1）以硬塑紅黏土土層和可塑紅黏土土層為持力層時(shí)，單樁靜載Q-s曲線呈現(xiàn)陡降型，以基巖為持力層時(shí)，單樁靜載Q-s曲線呈現(xiàn)平緩型，基巖作為持力層的管樁承載力遠(yuǎn)大于紅黏土持力層；管樁的極限承載力伴隨著樁徑的增大而增大，且為非線性增加.

2）整個(gè)管樁靜壓過(guò)程，樁身軸力隨樁深遞減，在樁頂荷載較大時(shí)，軸力下降更明顯，樁側(cè)摩阻力曲線呈現(xiàn)更加尖銳的“倒V”型.

3）靜壓管樁承載機(jī)理：在壓樁過(guò)程中，樁體會(huì)被壓縮而產(chǎn)生相對(duì)于土體的位移，樁側(cè)產(chǎn)生一個(gè)抵抗樁體向下運(yùn)動(dòng)的樁側(cè)摩阻力；樁側(cè)摩阻力的產(chǎn)生，會(huì)把樁頂荷載傳遞到樁周土層中，使得樁身軸力和樁身壓縮隨深度遞減，當(dāng)樁頂荷載增大時(shí)樁體進(jìn)一步被壓縮，樁側(cè)下部土體的摩阻力才可發(fā)揮.

4）以硬塑紅黏土地層為持力層，樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的94.9%，為摩擦型樁；以軟塑紅黏土地層為持力層，樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的96.0%，為摩擦型樁；以基巖地層為持力層，樁側(cè)摩阻力占樁頂荷載的51.1%，可歸為端承摩擦樁.

5）整個(gè)復(fù)壓過(guò)程的位移呈現(xiàn)出平緩→陡降→平緩的規(guī)律；復(fù)壓能能有效消除群樁壓樁引起的管樁上浮影響，有效地避免由于擠土上浮而導(dǎo)致樁體承載力不足的工程隱患.

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Abstract： In order to study the variation law of the axial force and displacement of the pile body and the friction of the soil around the pile during jacked pipe pile driving in the red clay formation and reveal the bearing capacity mechanism of the pile pipe and the floating effect of the pile group， a self-designed visual model box was used to simulate the static and repressing of pipe pile in the red clay stratum in this paper. The results show that with the red clay of hard plastic or plastic as bearing stratum， the Q-s curve of single pile showed a steep drop-type under static loading. The ratio of pile-side frictional resistance to load on pile top of the two types of red clay was 94.9% and 96.0% respectively， which was a friction pile. With the bedrock as bearing stratum， the Q-s curve of single pile showed a gentle type under static loading. The ratio of pile-side frictional resistance to load on pile top of this situation was 51.1%， which was an end-bearing friction pile. In the process of pressing pile， there is the displacement of the pile relative to the soil due to the compression. Thereby， the pile side will produce a pile-side frictional resistance against downward movement of the pile body. Due to pile-side frictional resistance， the load on pile top of the pile will be transmitted to the soil around the pile， so that the axial force and compression of pile body decrease with an increase of the depth. The compression of pile body increases with the increase of the load on pile top， and then the frictional resistance of the soil under the pile-side can be fully exerted. Meanwhile， the repress effect can observably eliminate the floating effect of the pipe pile caused by group pile during the process of pressing pile， which can effectively reduce the adverse influence of the squeezing-floating effect of pile-soil on the bearing capacity of pile body.

Key words： red clay； static pressure pipe pile； bearing mechanism； model test

（學(xué)科編輯：黎 婭）