帶受力盤塑料套管混凝土樁擠土效應(yīng)試驗(yàn)研究

陳常輝，徐 鍇，陳永輝，3，謝 軍

（1.河海大學(xué) 巖土工程科學(xué)研究所，江蘇南京 210098;2.南京水利科學(xué)研究院，江蘇南京 210098;3.河海大學(xué)巖土力學(xué)與堤壩工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 210098）

近幾十年，樁基礎(chǔ)在我國應(yīng)用十分廣泛，其沉樁樁土相互作用十分復(fù)雜，前人對此進(jìn)行了許多研究并建立了數(shù)學(xué)模型［1－6］。陳永輝、陳龍等［1］在TC樁擠土效應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)樁上部樁側(cè)土壓力與靜止土壓力十分接近，是因?yàn)槎嘤嗟牧νㄟ^地表隆起得到釋放，而在深層土中應(yīng)力得不到釋放致使樁側(cè)土應(yīng)力急劇增加;周火垚和施建勇［2］研究了靜壓樁的擠土效應(yīng)，認(rèn)為沉樁伊始（0－0.2L）地表隆起量迅速增加，隨后緩慢衰減;雷華陽等［3］觀測了PHC管樁沉樁過程中樁周孔壓變化，發(fā)現(xiàn)沉樁過程中超孔壓隨徑向呈線性衰減，影響范圍大約為10倍樁徑。但在工程中地質(zhì)條件十分復(fù)雜，所建立的數(shù)學(xué)模型不能完全模擬沉樁過程;同時(shí)，帶受力盤塑料套管混凝土樁作為一種新型地基處理方式，對其專門的理論研究還比較少，因此，帶受力盤TC樁的擠土效應(yīng)研究更具價(jià)值。由于受力盤的存在以及其工藝與常規(guī)樁型差別較大，帶受力盤TC樁的擠土效應(yīng)具有特殊性，樁側(cè)土體、受力盤下部土體的回?cái)D效應(yīng)亟需進(jìn)行系統(tǒng)的研究。本文通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究，揭示了帶受力盤TC樁在沉樁過程中的樁土相互作用機(jī)理，對帶受力盤TC樁的施工和設(shè)計(jì)理論起到一定指導(dǎo)作用。

1 試驗(yàn)場地工程地質(zhì)概況

兩港公路規(guī)劃西起奉賢區(qū)奉城鎮(zhèn)A30公路，向東進(jìn)入臨港新城后轉(zhuǎn)向北，跨過大治河出新城，往北接規(guī)劃機(jī)場高速公路與A30溝通。

試驗(yàn)場地所在區(qū)域大地構(gòu)造單元屬于揚(yáng)子準(zhǔn)地臺（一級構(gòu)造單元）的東北端部，二級構(gòu)造單元為錢塘臺褶帶，三級構(gòu)造單元為上海臺陷。在地質(zhì)歷史時(shí)期總體表現(xiàn)為隆起狀態(tài)，在新構(gòu)造時(shí)期為持續(xù)振蕩性不均勻沉降。試驗(yàn)場地地基土在勘察深度范圍主要由飽和的粘性土、粉性土、砂土組成，屬第四紀(jì)松散沉積物。具體的物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

2 試樁條件和觀測點(diǎn)布置

本工程所采用的帶受力盤TC樁樁徑d=160 mm，混凝土強(qiáng)度等級為C35，設(shè)計(jì)樁長L=22 m，受力盤直徑D=260 mm，樁深0～10 m范圍內(nèi)受力盤間距2 m，樁深10 m以上，受力盤間距1.5 m，采用靜壓輔助振動(dòng)沉樁施工工藝。

本試驗(yàn)于2012年11月開展，研究帶受力盤TC樁單樁擠土效應(yīng)，故在帶受力盤TC樁群樁之中預(yù)留10 m×10 m場地，在場地中間設(shè)置試驗(yàn)樁。試樁的樁周布置了測斜管、地表隆起觀測點(diǎn)、孔壓計(jì)、土壓力計(jì)，儀器的平面布置見圖1。

其中兩處測斜孔均為30 m;樁周徑向1 m處共布設(shè)8個(gè)孔壓計(jì)，采用一孔一計(jì)，埋設(shè)深度為3、6、9、12、15、18、21、24 m;地表隆起觀測點(diǎn)布置在試樁徑向0.5、1.0、2.0 m 處;土壓力計(jì)布置在試樁徑向1.0、2.0 m處，每處8個(gè)，埋設(shè)深度分別為3、6、9、12、15、18、21、24 m。

3 試驗(yàn)結(jié)果

為了研究沉樁過程中樁土作用機(jī)理，試樁的打設(shè)分段進(jìn)行，分別在打設(shè)深度7、14、22 m時(shí)暫停打樁，測量孔壓、樁周擠土壓力、側(cè)向位移和地表隆起。

由于現(xiàn)場儀器埋設(shè)條件的限制，所測得數(shù)據(jù)可能并不十分精確，但所呈現(xiàn)的規(guī)律仍具研究價(jià)值。

表1 試驗(yàn)場地土層的主要物理力學(xué)指標(biāo)Tab.1 The main physical and mechanical indexes of soil layer in test area

3.1 沉樁引起的超靜孔壓變化

通過8個(gè)布設(shè)在試樁徑向距離1 m處的孔壓計(jì)監(jiān)測沉樁過程中樁周土的超孔壓變化。圖2為超孔壓增量隨帶受力盤TC樁打設(shè)的變化曲線圖:

圖2表明:在沉樁的過程中，樁端到達(dá)孔壓計(jì)埋設(shè)深度水平面附近時(shí)，超孔壓增量達(dá)到最大值。淺層土和深層土的超孔壓增量差異較大。在較淺土層中（3～9 m），超孔壓增量較小，增幅在20 kPa之內(nèi)，且在完成拔管的10分鐘內(nèi)幾乎降為初值;在深層土中（12～21 m），超孔壓增量較大，增幅在50 kPa到150 kPa之間，完成拔管之后仍有少部分超孔壓存在。

15 m深度處，超孔壓增量最大，究其原因是15 m深度處土體透水性最差，從靜力觸探資料可知該深度土體為淤泥質(zhì)粘土，而其上下層土體為砂質(zhì)粉土、粉質(zhì)粘土。

圖2還顯示:在完成拔管的短時(shí)間內(nèi)各土層超孔壓迅速消散至接近初值，這是由于受力盤的存在，在沉管完全拔出之后孔壁與塑料套管之間存在5 cm寬的環(huán)形空隙，這就相當(dāng)于拔管瞬間應(yīng)力釋放并且環(huán)形空隙在土體回?cái)D之前暫時(shí)成為良好的排水通道。

在拔管之后的幾天內(nèi)，超孔壓逐漸消散，甚至有些地方超孔壓增量為負(fù)值，這是由于拔管的過程中沉管與樁周土體的摩擦作用將樁周土體回帶，相當(dāng)于對樁周土施加了負(fù)壓。而在24 m處這個(gè)數(shù)值最大，是因?yàn)閹芰ΡPTC樁處理深度為22 m，即沉樁到22 m時(shí)，24 m處還未充分受擠就拔管將土體回帶。

3.2 沉樁引起的樁周擠土壓力

通過設(shè)在徑向1.0 m和2.0 m的土壓力盒監(jiān)測沉樁過程中樁周擠土壓力的變化。用沉樁前后的土壓力增量來表示沉樁引起的樁周擠土壓力。圖3、圖4分別為試樁徑向1.0 m和2.0 m處擠土壓力隨帶受力盤TC樁打設(shè)的變化曲線圖。

圖3、圖4表明:在打樁的過程中，深層土受到擠土壓力明顯大于淺層土體，以1.0 m處為例，18 m以上的土體受到的擠土應(yīng)力均小于6 kPa，而24 m處擠土應(yīng)力達(dá)到了23 kPa。在沉樁的過程中，樁對土體的作用可分為兩個(gè)部分:第一部分為樁尖刺入土體對樁周土體的側(cè)向擠壓作用;第二部分是沉管外壁與樁周土的摩擦帶動(dòng)土體下沉。前者對樁側(cè)土產(chǎn)生正向的擠壓應(yīng)力;后者對下層土產(chǎn)生正向擠壓，對上層土類似于應(yīng)力釋放，并在一定程度上提供負(fù)壓。對淺層土而言，在開始打樁不久，就成為了上層土，樁土的摩擦作用提供了負(fù)壓，與第一部分的擠壓作用抵消，因此擠土應(yīng)力較小;而深層土一直受到兩部分的正向擠壓疊加直到樁尖達(dá)到該深度，因此擠土應(yīng)力較大，尤其24 m處，樁長還未達(dá)到此深度，因此此處受到的擠壓應(yīng)力最大。

對比圖3、圖4，隨著徑向距離的增加，在沉樁過程中，樁周土受擠作用減弱，在徑向2.0 m處，沉樁14 m以前甚至不產(chǎn)生正向擠壓，沉樁22 m時(shí)，僅15 m深度以上的深層土產(chǎn)生正向擠壓，且數(shù)值較小。

圖3、圖4還表明:在完成拔管的短時(shí)間內(nèi)各個(gè)深度擠土應(yīng)力驟降，大部分土壓力增量變?yōu)樨?fù)值，如前所述，這是由于拔管之后套管與樁周土之間存在環(huán)形空隙應(yīng)力瞬間釋放造成的，另一方面，拔管的時(shí)候沉管外壁與土體摩擦里帶動(dòng)土體回帶也有較大影響。在拔管之后的幾天內(nèi)，擠土壓力繼續(xù)下降。深層土的擠壓應(yīng)力下降速度比淺層土快，事實(shí)上，深層土土體往環(huán)形空隙回土速度比淺層土快，因此其擠壓應(yīng)力下降越快。

3.3 地基擠土變形

除了布置在試樁徑向1.5 m處的測斜孔數(shù)據(jù)異常無明顯規(guī)律，其他測點(diǎn)完好。11月8日拔管完成的測斜數(shù)據(jù)缺失是因?yàn)橄掠暝斐蓽y斜儀數(shù)據(jù)采集儀故障。

3.3.1 側(cè)向擠土位移

通過設(shè)在試樁樁周的測斜孔監(jiān)測單樁沉樁過程中引起的側(cè)向擠土變形，圖5為沉樁過程中，距試樁中心0.8 m處土體的側(cè)向擠土位移隨深度變化圖（圖中正向位移方向?yàn)檠貜较蛳蛲猓?/p>

圖5表明:隨著沉樁的深入，樁周土體側(cè)向位移逐漸向深部發(fā)展，整體位移沿徑向向外。與此同時(shí)當(dāng)沉樁達(dá)到14 m之后，樁頂?shù)奈灰蒲貜较蛳騼?nèi)偏轉(zhuǎn)，其原因是當(dāng)沉樁到達(dá)較大深度時(shí)，上部土體在沉管外壁與樁周土的摩擦作用下，部分土體被往下帶動(dòng)，同時(shí)對上部土體形成牽引力，帶動(dòng)了土體向內(nèi)移動(dòng)，這與前述樁周土壓力的變化相符。當(dāng)沉樁完成，即沉樁22 m時(shí)，上部5 m土體位移已經(jīng)由正向轉(zhuǎn)為負(fù)向，此時(shí)，最大位移出現(xiàn)在中部12 m處和底部20～22 m。

由于在完成拔管之后下雨導(dǎo)致測斜儀數(shù)據(jù)采集儀故障，未能采集到完成拔管短時(shí)間內(nèi)的側(cè)向擠土位移數(shù)據(jù)。但是從11月9日的數(shù)據(jù)以及前述樁周土壓力在拔管之后的變化仍能推斷出樁周土的位移發(fā)展趨勢。在完成拔管的短時(shí)間內(nèi)，由于應(yīng)力釋放，樁周土向套管回?cái)D，短時(shí)間內(nèi)樁周土整體向內(nèi)移動(dòng)。由于深部土體受到的自重應(yīng)力較大，因此，在拔管瞬間就產(chǎn)生較大回?cái)D位移。

圖5還表明:拔管之后樁周土逐漸反向移動(dòng)，在拔管2天之后，整體位移方向?yàn)檠貜较蛳騼?nèi)。

3.3.2 地表隆起

在距樁中心 0.5、1.0、2.0 m 布設(shè)三個(gè)表面沉降板以觀測在沉樁過程中樁周地表隆起變化。圖6為樁周地表隆起隨帶受力盤TC樁打設(shè)的變化曲線圖。

圖6表明:整體地表隆起量為負(fù)值，即隨著樁入土，樁周土整體呈現(xiàn)出下沉趨勢，說明帶受力盤TC樁的打設(shè)過程也是對樁周土的擠密過程。隨著徑向距離的增加，地表下沉變小，0.5 m處下沉量最大為1.5 cm。2.0 m處在沉樁7 m時(shí)，地表有略微隆起，但隨著樁繼續(xù)入土，立刻由隆起轉(zhuǎn)為下沉。樁入土在7～14 m的過程中，地表下沉最為明顯，之后地表下沉緩慢。

圖6還表明:在拔管之后的短時(shí)間內(nèi)地表隆起幾乎沒有變化，而不像超孔壓和土壓力短時(shí)間劇烈變化，說明樁周回土對地表隆起的影響具有明顯滯后性，土體的回?cái)D對地表的隆起是緩慢的起作用，而不是瞬時(shí)變化。這一點(diǎn)同樣可以從11月9日的數(shù)據(jù)得出結(jié)論，在拔管之后由于土體向樁回?cái)D，地表繼續(xù)下沉，下沉量甚至比整個(gè)沉樁過程還大，這是因?yàn)槌翗哆^程是由于沉管與樁周土的摩擦帶動(dòng)樁周土下沉，而拔管之后由于前述環(huán)形空隙的存在，土體回?cái)D彌補(bǔ)空隙造成地表下沉。

4 結(jié)論與建議

（1）超孔壓增量沿深度呈上小下大分布。在完成拔管的短時(shí)間內(nèi)各土層超孔壓迅速消散至接近初值。拔管之后幾天內(nèi)，深層土超孔壓增量甚至變?yōu)樨?fù)值。

（2）樁周土受到的擠壓應(yīng)力亦呈上小下大分布。沿徑向擠土應(yīng)力減小。完成拔管短時(shí)間內(nèi)各深度擠土應(yīng)力驟降且大部分土壓力增量變?yōu)樨?fù)值。

（3）在沉樁的過程中，當(dāng)樁尖到達(dá)某深度，該深度土體沿徑向向外移動(dòng)，之后樁尖遠(yuǎn)離該深度，該深度土體沿徑向向內(nèi)偏轉(zhuǎn)。拔管之后，土體回?cái)D，各深度土體均沿徑向向內(nèi)移動(dòng)。

（4）地表整體呈現(xiàn)下沉趨勢，隨徑向距離增加，地表下沉量變小。拔管之后，土體回?cái)D對地表隆起的影響具有滯后性。

（5）建議增加樁身底部套管的壁厚，樁身頂部和中部套裝壁厚可適當(dāng)減小。

（6）在混凝土強(qiáng)度達(dá)到28天強(qiáng)度之后，若在路堤填筑之前，上部需要建筑結(jié)構(gòu)物（如擋土墻），建議通過預(yù)壓加速樁周土體回?cái)D，然后再建筑結(jié)構(gòu)物。

［1］陳永輝，陳 龍，王新泉，等.塑料套管混凝土樁擠土效應(yīng)現(xiàn)場試驗(yàn)［J］.西北地震學(xué)報(bào)，2011，33［S1］:190－194.

［2］周火垚，施建勇.飽和軟黏土中足尺靜壓樁擠土效應(yīng)試驗(yàn)研究［J］.巖土力學(xué)，2009，30（11）:3291－3297.

［3］雷華陽，李 肖，陸培毅，等.管樁擠土效應(yīng)的現(xiàn)場試驗(yàn)和數(shù)值模擬［J］.巖土力學(xué)，2012，33（4）:1006－1012.

［4］彭劼.飽和粘土中沉樁的擠土效應(yīng)研究及其在樁基承載力計(jì)算中的應(yīng)用［D］.南京:河海大學(xué)，2000.

［5］王興龍，陳磊，竇丹若.打樁擠土的現(xiàn)場試驗(yàn)研究及土體位移的計(jì)算公式［J］.巖土力學(xué)，2003，24［S2］:175－179.

［6］唐世棟，何連生.軟土地基中單樁施工引起的超孔隙水壓力［J］.巖土力學(xué)，2002，23（6）:725－732.