紅粘土地層閉口管樁上浮模型試驗研究

王家全，張　昊，劉壘雷，彭　泰

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西柳州545006)

?

紅粘土地層閉口管樁上浮模型試驗研究

王家全，張昊，劉壘雷，彭泰

(廣西科技大學(xué)土木建筑工程學(xué)院， 廣西柳州545006)

摘要：為研究紅粘土上硬下軟地層中管樁上浮問題，對3組不同樁徑的閉口管樁進行室內(nèi)沉樁模型試驗，分析單樁、群樁上浮量的變化規(guī)律和紅粘土地層管樁上浮的機理。結(jié)果表明：靜壓單樁的樁身上浮量主要由樁頂卸荷回彈變形引起，樁徑越大則回彈變形越大，但單樁上浮量遠(yuǎn)小于群樁引起的上浮量。沉樁過程中，鄰樁上浮量并不隨樁的貫入深度的增加而均勻持續(xù)增長，管樁壓入上部硬塑土層對鄰樁上浮的影響大于壓入下部可塑土層對鄰樁上浮的影響。在紅粘土軟硬土層交界處一定范圍內(nèi)，樁上浮的增長趨勢會出現(xiàn)短暫的休止情況。

關(guān)鍵詞：紅粘土地層；管樁；樁上浮；模型試驗

0引言

管樁在靜力壓樁過程出現(xiàn)樁身上浮的現(xiàn)象十分普遍[1-6]，這對施工的進度控制和質(zhì)量控制都產(chǎn)生了不利的影響。工程界對這一現(xiàn)象十分關(guān)注。馬時冬[7]通過分析幾個PHC管樁施工的工程實例，認(rèn)為管樁的使用不該盲目地推廣。國內(nèi)外學(xué)者結(jié)合大量工程實例對上浮原因進行了分析，并認(rèn)為樁上浮過程中樁周土體產(chǎn)生垂直隆起和水平方向的位移，而導(dǎo)致樁身上浮的主要原因就是擠土效應(yīng)[8-11]。張旭輝等[12]通過實際工程介紹了PHC管樁的上浮現(xiàn)象，分析樁在飽和軟粘土、密實砂土地基中發(fā)生上浮的原因，同時提出相應(yīng)的預(yù)防處理措施。賈志剛等[13]對駐馬店某工程管樁靜壓施工過程中土體的深層位移與超孔隙水壓力的變化進行了監(jiān)測。朱奎等[14]對溫州某工程樁施工時樁上浮現(xiàn)象進行了系統(tǒng)的試驗研究，強調(diào)孔隙水壓力也是樁上浮的一個重要影響因素，并通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)樁上浮與施工距離、施工順序密切相關(guān)，并且樁的日施工數(shù)量越多，上浮量越大。

由于工程地質(zhì)條件的復(fù)雜多變性，管樁上浮時樁周土體變形情況也不完全相同。近年來，管樁在紅粘土地層得到了廣泛應(yīng)用，紅粘土管樁施工的上浮問題在許多典型的紅粘土管樁工程中頻頻發(fā)生，但現(xiàn)在對其上浮的機理較少涉及。本文通過室內(nèi)閉口管樁模型試驗，模擬靜壓管樁的沉樁過程，分析典型紅粘土上硬下軟地層中單樁及群樁上浮機理，旨在為紅粘土管樁工程設(shè)計施工提供參考。

1模型試驗設(shè)計

1.1模型箱和模型樁

管樁壓樁試驗均在模型箱中完成。該模型箱以角鋼作為骨架，正視面和左視面采用12 mm厚透明鋼化玻璃以便于觀測，其余部位均采用厚6 mm鋼板焊接，具體尺寸為100 cm(長)×70 cm(寬)×130 cm(高)。

管樁模型采用圓形鋁管制作，底部采用平底閉口型。A、B、C模型樁的樁徑分別為2.5 cm、4.0 cm、5.5 cm，試驗樁長130 cm，沉樁深度110 cm。沉樁前將模型樁表面用砂紙打磨，使樁身與土體間的摩擦與實際情況基本吻合，此外，在模型箱正視面玻璃上均勻涂抹凡士林，以減少在半模樁在沉入過程中模型樁截面與玻璃面之間因接觸而產(chǎn)生的摩擦力。

1.2試驗土樣制備與選取

本次試驗土樣取自柳州市某施工現(xiàn)場的典型紅粘土地層，對土體烘干后碾碎過2 mm篩孔，然后配制與現(xiàn)場原狀土相符的含水量，最后分層填筑。具體做法：以30 cm厚為一個填筑周期，每層填筑高度嚴(yán)格控制在10 cm，采用底面積為20 cm×10 cm、質(zhì)量20 kg的砝碼從距離土層表面約40 cm處自由下落進行擊實，確保土層壓實均勻。每個填筑周期結(jié)束后，采用重物堆載法靜壓固結(jié)2 d，然后再繼續(xù)下一層的填筑工作。為更好模擬實際紅粘土地質(zhì)上硬下軟的典型情況并與現(xiàn)場土層情況一致，試驗土層上部選取含水率35%的硬塑紅粘土，厚度約75 cm；下部選用含水率45%的可塑紅粘土，厚度約35 cm。用水泥紅粘土模擬基巖作為樁端持力層，厚度為10 cm。通過相關(guān)試驗確定其抗壓強度為1.8 MPa，滿足模擬試驗強度要求。

1.3壓樁加載裝置

采用反力架和千斤頂作為沉樁加載方式，圖1為沉樁加載裝置。試驗1次壓樁行程設(shè)計為10 cm，以2 cm/min等速率沉入土體，分11次靜壓加載達到持力層。每根樁壓樁結(jié)束后，在樁頂架設(shè)百分表，觀察后續(xù)樁不斷壓入過程中百分表數(shù)值的變化情況，以監(jiān)測樁頂上浮量。圖2為沉樁模型及量測裝置圖。

圖1試驗加載裝置

Fig.1Test press device

圖2量測裝置圖

Fig.2Test monitor device

1.4試驗工況流程

由于群樁壓樁數(shù)量較多，本試驗規(guī)定3種管徑模型樁按直徑由小到大依次分為A、B、C 3類，分別對應(yīng)樁徑2.5 cm、4.0 cm、5.5 cm，壓樁順序以阿拉伯?dāng)?shù)字表示，樁間距取為3倍樁徑，根據(jù)對稱性，同時為了便于觀測，緊貼有機玻璃面一側(cè)采用半模樁。試驗具體流程按圖3(a)所示，進行靜壓單樁試驗和靜壓群樁試驗，分別記錄整理出每根樁在后續(xù)樁壓入過程中上浮量的變化情況。圖3(b)中的圓點、半圓點分別代表本次試驗中的全模樁和半模樁。

(a) 試驗過程

(b) 壓樁順序

圖3壓樁試驗流程

Fig.3Test procedure

2試驗結(jié)果與分析

2.1靜壓單樁上浮分析

圖4　三種直徑單樁靜壓結(jié)束后1 h累計上浮量變化Fig.4　The cumulative floating curve of three diameter single pile after static pressure 1 hour

圖4反映了3種不同直徑模型單樁靜壓結(jié)束1 h內(nèi)樁身累計上浮量變化情況?？梢?，A1#、B1#、C1#樁在卸荷后約15 min內(nèi)，樁身上浮量迅速達到最大值，而后上浮趨于穩(wěn)定。這主要是，一方面，由于在卸載初期，樁身受壓所積累的部分彈性變形在短時間內(nèi)快速恢復(fù)，由此導(dǎo)致樁頂上浮監(jiān)測量增加，之后樁周土對樁身的約束力發(fā)揮作用，使得樁身變形恢復(fù)不能完全發(fā)揮出來，上浮量開始趨于穩(wěn)定而不再增加；另一方面,單樁壓入土體時，樁周土產(chǎn)生的附加應(yīng)力能較快消散，殘余的擠土應(yīng)力較小，不存在擠土上浮現(xiàn)象。通過比較可容易發(fā)現(xiàn)，樁徑越大，樁身回彈量也就越大，相應(yīng)樁頂上浮量的監(jiān)測值也越大。結(jié)合沉樁荷載大小分析，推測這種現(xiàn)象可能是由于沉樁過程中樁徑越大，沉樁受到的荷載阻力越大，其樁體本身變形量也較大，所存儲的回彈勢能也較大，因此，沉樁結(jié)樁頂卸荷后，回彈也較為充分。

2.2靜壓群樁上浮分析

圖5為模擬A、B、C共3種樁徑群樁靜壓施工時各單樁累計的上浮量隨著后續(xù)壓入樁沉入深度變化的曲線，圖中斜率越大，說明上浮量增長越快。

(a) A#群樁

(c) C#群樁

①取1#樁為分析目標(biāo)樁進行分析。在2#、3#樁壓入過程中，1#樁展現(xiàn)出上浮趨勢，2#樁壓入后，1#樁上浮量很小，3#樁的壓入與已壓入的2#樁一起形成了“頂檔”作用，使得1#樁樁頂上浮量明顯增大；而隨著4#、5#、6#樁的依次不斷壓入，2#～6#樁共同對1#樁逐漸形成了“包圍圈”，在這個階段，擠土效應(yīng)影響逐漸增大，1#目標(biāo)樁上浮量迅速增加；當(dāng)7#、8#、9#樁依次壓入時，1#樁樁頂上浮量的增長開始放緩，究其原因，一方面是4#、5#、6#樁起到了一個“遮簾”作用，另一方面，7#、8#、9#樁與目標(biāo)樁之間間距較大(≥6倍樁間距)，對1#目標(biāo)樁產(chǎn)生的擠土上浮影響較弱。最終A1#、B1#、C1#樁累計上浮量分別為0.39 mm、0.70 mm、1.09 mm。

②取2#樁為目標(biāo)樁進行分析。3#樁壓入后，1#樁的存在產(chǎn)生了“遮簾效應(yīng)”，2#樁上浮量較小，從圖5(b)可知，4#、5#、6#樁與2#樁間距逐漸增大，它們依次壓入時對2#樁產(chǎn)生的擠土上浮作用也逐漸減弱，相應(yīng)的2#樁上浮量增長幅度也呈先大后??；同樣地，由于存在先壓入樁(4#、5#、6#)的遮簾作用和自身樁間距較大等因素，7#、8#、9#樁壓入過程中，2#樁上浮量增長較少。A2#、B2#、C2#樁累計上浮量分別為0.34 mm、0.50 mm、0.68 mm。

③取3#樁為目標(biāo)樁進行分析。3#樁位于角樁位置，盡管4#、5#、6#樁與3#樁的間距逐漸縮小，對3#樁擠土作用越來越大，但始終無法像對1#樁一樣形成包圍之勢，產(chǎn)生的擠土附加作用會快速消散，因而3#樁在這個過程中雖有上浮，但數(shù)量較??；同樣原理，7#、8#、9#的壓入對3#樁的上浮貢獻也有限。最終A3#、B3#、C3#樁累計上浮量分別為0.32 mm、0.39 mm、0.63 mm。

④取4#樁上浮分析。由于先壓入樁的擠土作用，模型箱內(nèi)土體擠壓沿樁周向外擴散，此時，鄰樁5#樁的壓入使得4#樁的上浮量迅速增加且較大；間距相對稍遠(yuǎn)的6#樁壓入所引起的4#樁上浮量增長量稍小一點；7#樁壓入后與之前壓入的2#、5#樁一起形成了“大半包圍圈”，此時4#樁上浮增量達到峰值；8#、9#樁與4#樁間距逐漸擴大，依次壓入時對4#樁上浮量影響逐漸變?nèi)?，上浮增長量變慢。最終，A4#、B4#、C4#樁累計上浮量分別為0.54 mm、0.69 mm、1.15 mm。

⑤取5#樁上浮分析。5#樁位于整個模擬壓樁面的中心位置， 6#、7#、8#、9#樁的陸續(xù)沉入，與先壓入樁一起組成了一個大的“包圍圈”，使得5#樁上浮量迅速增大，與其他樁相比，其累計上浮量始終為最大。最終A5#、B5#、C5#樁累計上浮量分別為0.45 mm、0.75 mm、1.26 mm。

⑥取6#樁上浮分析。6#樁與4#樁上浮變化規(guī)律類似，7#、8#、9#樁與6#樁的間距逐漸縮小，它們依次壓入后產(chǎn)生的擠土作用也越來越大，又形成了“大半包圍”，6#樁上浮量增長速度和增長量都大于4#樁。最終A6#、B6#、C6#樁累計上浮量分別為0.37 mm、0.51 mm、0.81 mm。

⑦取7#樁上浮分析。7#樁為角樁，樁周土的附加應(yīng)力能較大程度地向四周擴散，故在8#、9#沉樁時7#樁樁身上浮有限。A7#、B7#、C7#樁累計上浮量分別為0.08 mm、0.22 mm、0.81 mm。

⑧取8#樁上浮分析。8#樁處于群樁最外邊緣中間位置，屬邊樁。其后只有9#樁壓入對其周圍土體產(chǎn)生擠壓，其上浮量變化較小。最終A8#、B8#、C8#樁累計上浮量分別為0.04 mm、0.08 mm、0.29 mm。

⑨取9#樁上浮分析。該樁為角樁，且屬于群樁中最后一根壓入樁，其上浮量主要由樁身卸載后的回彈變形所引起，監(jiān)測到的上浮量值非常小。A9#、B9#、C9#樁累計上浮量分別為0.01 mm、0.03 mm、0.04 mm。

圖6為在群樁壓樁結(jié)束靜置約5 min時，將每根樁壓樁完畢后的起始標(biāo)高與整個群樁壓樁結(jié)束時測得的樁頂標(biāo)高的差值整理得到樁上浮量等值線圖。如圖3(b)所示，用實心圓點在圖中標(biāo)出9根樁位置。從圖6中可以看出，在同一個壓樁位置雖然單個樁體上浮量不相同，但總體呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，即以群樁中間部位樁體上浮量達到最大值，并向四周樁位逐漸減小，邊樁的上浮量要大于角樁的。如中間樁A5#、B5#、C5#樁最終累計上浮量分別為0.45 mm、0.75 mm、1.25 mm，邊樁最終A6#、B6#、C6#樁累計上浮量分別為0.36 mm、0.51 mm、0.81 mm，角樁A7#、B7#、C7#樁累計上浮量分別為0.08 mm、0.22 mm、0.29 mm。這與張忠苗等[15]在軟土地基現(xiàn)場試驗中所得結(jié)論基本相吻合。

(a) A#群樁　

3紅粘土地層中管樁上浮的機理及特征規(guī)律

從宏觀的角度分析，樁管樁上浮過程中樁周土體產(chǎn)生垂直隆起和水平方向的位移，地下水的存在而產(chǎn)生的孔隙水壓力也是樁上浮的一個重要因素[6]。由于本次試驗所用土層為非飽和的紅粘土，盡管在壓樁過程中可能會產(chǎn)生一定的超孔隙水壓力，但對樁體產(chǎn)生的向上浮力可以不做考慮。以下僅從擠土效應(yīng)角度出發(fā)并結(jié)合紅粘土地層這一工況，以第一根壓入樁做為固定目標(biāo)樁，對樁體上浮的機理及特征規(guī)律進行討論。

圖7為3組靜力壓樁試驗分別以A1#、B1#、C1#為目標(biāo)樁所監(jiān)測得到的樁頂凈上浮量隨后續(xù)每根樁沉樁深度的變化曲線，每根樁對目標(biāo)樁凈上浮量的貢獻值之和即為該目標(biāo)樁最終累計上浮量。可以看出，3根目標(biāo)樁雖然樁徑不同，但呈現(xiàn)出的規(guī)律大致相同。

以B1#樁上浮分析為例。B2#樁壓入前10 cm，B1#樁幾乎沒有上浮，可認(rèn)為其凈上浮量為零，壓入20～60 cm，目標(biāo)樁上浮量開始表現(xiàn)出明顯上升趨勢，在壓入到約60～90 cm時，上浮量增長趨于平緩，隨后壓入到90～100 cm段又有明顯增加，當(dāng)進入100～110 cm土層時，上浮量幾乎不再增長而保持恒定。究其原因主要是，在B2#樁壓入深度較淺時其沉樁擠土作用很小，隨著B2#在硬塑層壓入深度的增加，對目標(biāo)樁的擠土效應(yīng)明顯增大；當(dāng)接近壓入到軟硬土界面處時，由于紅粘土層上硬下軟的特征，樁端下部部分硬塑層土體可以輕易地被擠入軟塑層中，導(dǎo)致這一壓樁時段擠土效應(yīng)相對減弱，目標(biāo)樁上浮量也因此增長緩慢；在壓入至90～100 cm時，擠土作用重新加強，目標(biāo)樁上浮量又出現(xiàn)了明顯增長；隨后，擠土效應(yīng)慢慢減弱，因此，最后10 cm壓樁段，目標(biāo)樁上浮逐漸停止。最終B2#樁對目標(biāo)樁的影響凈上浮量為0.10 mm。B3#樁壓入時，由于在另一側(cè)對稱位置的B2#樁起到了“頂檔”的作用，隨著在硬塑層土入土深度增加，目標(biāo)樁上浮增大，與B2#樁相類似，當(dāng)B3#樁接近軟硬土層界面時，目標(biāo)樁上浮量變化不大，進入90～100cm時，上浮增長量又迅速增加，最終B3#樁對目標(biāo)樁的影響凈上浮量為0.08 mm。B4#、B5#、B6#依次壓入逐漸對目標(biāo)樁形成“包圍”，隨著入土深度的增加，從硬塑層到可塑層，目標(biāo)樁樁身上浮速度先增大后減小，最終B4#、B5#、B6#對目標(biāo)樁凈上浮量的影響均較大，分別有0.11 mm、0.13 mm、0.15 mm；B7#、B8#、B9#壓入過程中由于存在先壓入樁(B4#、B5#、B6#)遮簾作用，隨著它們壓入深度的增加，目標(biāo)樁樁身上浮增加并不明顯，上浮量較小，最終B7#、B8#、B9#對目標(biāo)樁影響凈上浮量分別為0.06 mm、0.04 mm、0.03 mm。

(a) A1#樁

(b) B1#樁

(c) C1#樁

4結(jié)論

①靜壓單根樁時樁周土應(yīng)力消散較快，土體擠壓而產(chǎn)生的應(yīng)力較小，樁身上浮量主要由樁頂卸荷后回彈變形引起，且樁徑越大，樁身回彈變形也越大，但是上浮量在數(shù)值上的反應(yīng)非常小。

②在同種地質(zhì)條件下，群樁靜力壓樁過程中，當(dāng)樁距離相同時，樁徑越大，樁身上浮量越大；先壓入樁的樁身上浮量隨后壓入樁的依次壓入而逐漸累積，先壓入樁更易被后壓入樁影響?？傮w來說，前者上浮量一般較后者大。根據(jù)樁位劃分，通常中間樁的上浮量大于邊樁的，邊樁的上浮量要大于角樁的。

③管樁沉樁時，應(yīng)鼓勵采用隔樁跳打方式，以減少群樁上浮危害；同時，應(yīng)由中心向四周沉樁，以減小擠土效應(yīng)對樁體上浮的影響。

④沉樁過程中，鄰樁上浮量并不隨樁的貫入深度的增加而均勻持續(xù)增長。由于紅粘土地層具有上硬下軟的特征，管樁靜壓過程中對鄰樁上浮的影響通常表現(xiàn)為壓入上部硬塑土層大于壓入下部可塑土層。這一發(fā)現(xiàn)有別于其他土層的研究結(jié)果[14]。特別地，在軟硬土層交界處一定范圍內(nèi)，樁上浮的增長趨勢會出現(xiàn)短暫的休止情況。

參考文獻：

[1]YANG J, THAM L G, LEE P K, et al.Observed performance of long steel H-piles jacked into sandy soils[J]. Journal of geotechnical and geoenvironmental engineering, 2006, 132(1): 24-35.

[2]SAGASETA C, WHITTLE A J.Prediction of ground movements due to pile driving in clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127(1): 55-66.

[3]張忠苗, 辛公鋒, 俞洪良, 等.軟土地基管樁擠土浮樁與處理方法研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2006, 28(5): 549-552.

[4]張忠苗, 張乾青，賀靜漪，等.浙江某高層預(yù)應(yīng)力管樁偏位和上浮處理實例分析[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(9):2919-2924.

[5]高文生, 劉金礪, 趙曉光,等.關(guān)于預(yù)應(yīng)力混凝土管樁工程應(yīng)用中的幾點認(rèn)識[J]. 巖土力學(xué), 2015, (S2):610-616.

[6]周曉龍, 蕭凡, 廖紅,等.軟土地區(qū)預(yù)應(yīng)力管樁施工質(zhì)量事故分析及處理[J]. 工業(yè)建筑, 2015,45(10).191-195.

[7]馬時冬.關(guān)于預(yù)應(yīng)力高強混凝土管樁的樁體上浮問題[J]. 工業(yè)建筑, 2003, 33(3): 78-80.

[8]厲見芬, 高凱, 郭俊立.某高層大廈主樓群樁上浮原因剖析及處理對策[J]. 常州工學(xué)院學(xué)報, 2012, 25(3): 19-22.

[9]張朝輝.某住宅樓工程預(yù)應(yīng)力管樁上浮原因分析及處理措施[J]. 工程質(zhì)量, 2011, 29(10): 72-74.

[10]賈媛媛, 路軍富, 趙冉, 等.豎向荷載作用下大直徑鋼管樁承載力特性分析[J]. 廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2012, 37(4): 744-750.

[11]張海霞.靜壓樁沉樁擠土效應(yīng)分析[D]. 廣州：華南理工大學(xué),2010.

[12]張旭輝, 王耀禧.PHC 管樁上浮現(xiàn)象以及處理預(yù)防[J]. 工程地球物理學(xué)報, 2006, 3(4): 315-319.

[13]賈志剛.管樁擠土效應(yīng)環(huán)境監(jiān)測與分析[J]. 長江科學(xué)院院報, 2015,32(1):92-96.

[14]朱奎, 魏綱, 徐日慶.軟土地基預(yù)制樁施工時樁上浮現(xiàn)象研究[J]. 巖土力學(xué), 2010, 31(5): 1564-1568.

[15]張忠苗, 辛公鋒, 俞洪良, 等.軟土地基管樁擠土浮樁與處理方法研究[J]. 巖土工程學(xué)報, 2006, 28(5): 549-552.

(責(zé)任編輯唐漢民裴潤梅)

Model test research on close-end pipe pile floating in red clay geology

WANG Jia-quan, ZHANG Hao, LIU Lei-lei, PENG Tai

(College of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006, China)

Abstract:To study the floating of pipe pile in the stratum that is soft in upper part and hard in lower part, three groups of indoor pile-sinking model tests were carried out on close-end pipe piles of different diameters, and floating mechanism and values of single pile and pile group were analyzed. Results show that the flotation of static pressure pile is mainly caused by the springback deformation of unloading, and the larger the pile diameter is, the larger the springback deformation will be. But the floatation amount of single pile is far less than that of pile group. In the pile-sinking process, the floatation amount of adjacent pile does not increases uniformly with the increase of pile penetration depth, and the influence of pipe pile penetrating into the upper and harder layer of plastic soil on adjacent pile floatation is larger than that of pipe pile penetrating into the bottom layer of plastic soil. In a certain range near the junction of hard and soft soil in red clay, the floating growth would temporarily stop.

Key words:red clay geology; pipe pile; pile floatation; model test

中圖分類號：TU473

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1001-7445(2016)02-324-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0324

通訊作者：王家全(1981—)，男，廣西南寧人，廣西科技大學(xué)教授，博士；E-mail：wjquan1999@163.com。

基金項目：廣西自然科學(xué)基金資助項目(2015GXNSFAA139270，2015GXNSFAA139257)；廣西科技大學(xué)博士基金項目(院科博1011)；廣西研究生教育創(chuàng)新計劃項目(YCSZ2014200)

收稿日期：2015-07-31；

修訂日期：2015-12-14

引文格式：王家全，張昊，劉壘雷，等.紅粘土地層閉口管樁上浮模型試驗研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2016，41(2)：324-331