基于模型試驗(yàn)的樁周土壓力

張宇超,陸 燁

擠土樁在施工過程中會對周圍環(huán)境產(chǎn)生較大影響.嚴(yán)重的擠土效應(yīng)會引起周圍道路路面損壞、水管爆裂、邊坡失穩(wěn)等一系列問題[1-2].已有的針對擠土效應(yīng)的研究主要集中于靜壓沉樁.Vesic[3]、黃院雄等[4]結(jié)合源-匯理論,許清俠[5]、唐世棟[6]基于理論解析解對靜壓沉樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行了研究.羅戰(zhàn)友[7]基于數(shù)值模擬對靜壓沉樁的擠土效應(yīng)以及靜壓沉樁對樁周環(huán)境(管線等構(gòu)筑物)的影響進(jìn)行了研究.李富榮等[8]、Yang等[9]、卞立民等[10]、White等[11]、Rockhill等[12]基于模型試驗(yàn)或現(xiàn)場實(shí)測對靜壓沉樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行了研究.從目前的實(shí)踐情況來看,靜壓沉樁雖然具有無振動、低噪音的優(yōu)勢,但是其壓樁所用的液壓機(jī)需要占據(jù)較大空間,而且施工費(fèi)用較高,因此在某些情況下錘擊沉樁的使用不可避免.然而相關(guān)錘擊沉樁擠土效應(yīng)的研究并不多見.Gavin等[13]通過現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單調(diào)荷載作用下錘擊沉樁的樁周徑向土壓力明顯大于循環(huán)荷載作用.

本工作通過模型試驗(yàn)主要研究了以下幾點(diǎn):沉樁過程中徑向土壓力的變化規(guī)律;測點(diǎn)達(dá)到徑向土壓力峰值時樁端和測點(diǎn)的相對位置關(guān)系;徑向土壓力峰值隨深度的變化規(guī)律.通過對徑向土壓力的研究能在一定程度上對兩種沉樁模式的擠土效應(yīng)進(jìn)行預(yù)估與判斷,減少擠土效應(yīng)對周圍環(huán)境的影響,因此具有十分重要的工程意義.

1 試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)儀器

整套試驗(yàn)設(shè)備由以下幾個部分組成:模型箱(見圖1(a))、微型土壓力盒、液壓千斤頂、穿心錘、導(dǎo)桿、墊塊.模型箱為鋼制,長、寬、高都為1 m,模型箱上裝有反力架,如圖1所示.由于Vesic[3]的研究發(fā)現(xiàn),在沉樁過程中,周圍土體10D(其中D為模型樁直徑,距離從樁周算起)范圍外均不受影響,而3D范圍內(nèi)土體受影響最大,所以本試驗(yàn)主要研究5D范圍內(nèi)的擠土效應(yīng).為了完整記錄整個沉樁過程中不同深度處徑向土壓力的變化情況,微型土壓力盒的布置形式如圖1(b)和(c)所示.微型土壓力盒與數(shù)據(jù)采集器相連.為捕捉沉樁過程徑向土壓力變化情況,設(shè)置采樣頻率為100 Hz.本試驗(yàn)所采用的模型樁為圓形截面,內(nèi)徑為36 mm,外徑為40 mm.錘擊樁荷載通過固定于反力架上的穿心錘來施加,穿心錘重3.3 kg,落距為0.8 m.為減輕錘擊荷載對樁帽的損壞,在穿心錘與樁帽之間加入橡膠墊塊.

圖1 測點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of the instrumentations

1.2 試驗(yàn)砂

本試驗(yàn)所用土樣為普通建筑用砂.通過篩分試驗(yàn)可以測定試驗(yàn)砂的Cu值為1.59,Cc值為0.86,為級配不良砂.試驗(yàn)砂的重度為16.5 kN/m3,含水率為2%,形狀為次圓形至次角形,直剪試驗(yàn)測得的剪切角約為38°.試驗(yàn)時采用落雨法分層鋪設(shè).每次鋪設(shè)完畢后,根據(jù)圖1布設(shè)土壓力盒.當(dāng)模型箱內(nèi)土樣制備完成后,采用微型靜力觸探儀(cone penetration test,CPT)對土樣進(jìn)行測定,測得樁尖摩阻力平均值為0.87 MPa,樁身摩阻力值為0.85 kPa,摩阻比小于1%,砂土密實(shí)度介于極松與疏松之間.靜力觸探試驗(yàn)結(jié)束后,施加靜力荷載將模型樁壓入約100 mm土層深處,使其垂直地嵌固于試驗(yàn)砂中,然后根據(jù)試驗(yàn)要求施加錘擊荷載.

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

本次錘擊沉樁由3組試驗(yàn)組成,采用的錘擊數(shù)分別為80,82,79擊.為比較不同沉樁方式對徑向土壓力的影響,本試驗(yàn)結(jié)果將與前期靜壓沉樁模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較.前期靜壓沉樁模型試驗(yàn)所采用的模型樁、模型箱以及試驗(yàn)砂都與本試驗(yàn)一致.此外,靜壓沉樁砂樣也采用同樣方式進(jìn)行制備,通過微型靜力觸探儀測得樁尖摩阻力平均值為0.70 MPa,樁身摩阻力值為0.86 kPa,與本試驗(yàn)砂樣制備結(jié)果較為一致.

2.1 沉樁過程中徑向土壓力變化規(guī)律

圖2和3為沉樁過程中徑向土壓力的變化規(guī)律,其中125,250,375,500,550 mm均為離砂表面距離.隨著樁被打入土體中,在樁側(cè)1D處埋深為125～500 mm的測點(diǎn)值依次達(dá)到峰值.由于沉樁深度為550 mm左右,因此在550 mm處的測值不能判斷是否已經(jīng)達(dá)到峰值.在樁尖下沉尚未達(dá)到測點(diǎn)深度時,徑向土壓力急劇增加直到峰值.當(dāng)樁尖繼續(xù)下沉到測點(diǎn)以下時,該深度處的測點(diǎn)值又逐漸減小,最終達(dá)到穩(wěn)定值.無論是錘擊沉樁還是靜壓沉樁,距離樁周徑向1D處,埋深越深處所監(jiān)測到的徑向土壓力的峰值也越大.在距離樁身表面3D處,沉樁過程引起的徑向土壓力變化規(guī)律與1D處類似,但所測得的峰值應(yīng)力要小于1D處.徑向土壓力隨徑向距離的增加急劇減小,到距樁周5D處,土壓力已降到1D處數(shù)值的10%水平以下.對比圖2和3可以發(fā)現(xiàn),錘擊沉樁的樁周土壓力曲線波動較大,測點(diǎn)離樁越近,埋深越深,波動的幅度就越明顯,而相應(yīng)測點(diǎn)處的靜壓沉樁樁周土壓力曲線比較平緩.究其原因,是因?yàn)樵阱N擊沉樁過程中,樁尖產(chǎn)生的P波與S波向四周發(fā)散,使樁尖包圍的土體在能量傳遞的過程中瞬間液化,并在沉樁的瞬時,土壓力盒感觸到的壓力會急劇減小.而對于靜壓沉樁,由于壓樁時的荷載施加較為緩慢,所以沉樁曲線較為平滑.此外,由于錘擊沉樁過程是一個動力過程,所以測得的是較為復(fù)雜的動土壓力,且其在整個沉樁過程完成以后會很快消散;而靜壓沉樁荷載具有單一性、持續(xù)性等特點(diǎn),樁周徑向土壓力的變化過程比較平穩(wěn),沉樁完成后土壓力消散較慢.

圖2 錘擊沉樁過程中,距離樁身表面1D,3D,5D處的徑向土壓力Fig.2 Radial stress of impact-driven pile at distance 1D,3D,5D from the pile

圖3 靜壓沉樁過程中,距離樁身表面1D,3D,5D處的徑向土壓力Fig.3 Radial stress of press-in pile at distance 1D,3D,5D from the pile

為了進(jìn)一步比較兩種沉樁方式所引起徑向土壓力的變化,表1列出了徑向土壓力隨徑向距離和豎向深度變化的數(shù)值.可以看出,在相同測點(diǎn)處,靜壓沉樁的徑向土壓力均大于錘擊沉樁,而且在1D處靜壓沉樁的數(shù)值大于錘擊沉樁樁周土壓力一倍以上.這可能是因?yàn)樵趫A錐形樁尖的下沉過程中,不斷地將錘擊能量轉(zhuǎn)換為P波與S波,并以球形方式向四周輻射;而已經(jīng)沉入土體的樁身在錘擊能量的作用下會產(chǎn)生豎向剪切波,以環(huán)形方式向外輻射;這三種波匯合形成的合成波會使級配不良砂發(fā)生液化現(xiàn)象,大大降低測點(diǎn)處土體的剪切剛度,進(jìn)而降低儀器監(jiān)測到的徑向土壓力數(shù)值.但是在實(shí)際工程中,地質(zhì)條件往往較為復(fù)雜,涉及成層土、水等情況,而且錘擊能量的差異也會影響徑向土壓力數(shù)值.因此,本試驗(yàn)結(jié)果只能對特定土質(zhì)條件有參考價值.

表1 徑向峰值土壓力比較Table 1 Comparisons of peak radial stress

2.2 徑向土壓力達(dá)到峰值時測點(diǎn)和樁尖的相對位置

從圖2和3中可以發(fā)現(xiàn),無論是錘擊沉樁還是靜壓沉樁,徑向土壓力達(dá)到峰值的深度與樁入土的深度有差異.因此,表2列出了所有測點(diǎn)達(dá)到峰值時相應(yīng)的樁尖貫入深度位置.可以看出,對于埋深為550 mm的測點(diǎn),錘擊沉樁1D和5D、靜壓沉樁3D和5D處的峰值點(diǎn)無法判斷,其他所有的測點(diǎn)都在樁端下沉還未達(dá)到測點(diǎn)時就已經(jīng)達(dá)到徑向土壓力峰值.

表2 錘擊沉樁與靜壓沉樁樁周測點(diǎn)徑向土壓力達(dá)到峰值時相應(yīng)的樁體貫入深度Fig.2 Penetration depth of the impact-driven pile and press-in pile when the radial stress reaches its peak mm

進(jìn)一步分析表2數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),錘擊沉樁在3D范圍以內(nèi)距離樁身表面較近處,這種提前達(dá)到峰值的現(xiàn)象比較遲;距離樁身表面較遠(yuǎn)處,這種提前現(xiàn)象相對較早.圖4和5為徑向土壓力達(dá)到峰值時,沉樁所達(dá)到深度沿徑向的軌跡,其中的橫坐標(biāo)(r/D)表示測點(diǎn)到樁軸線的徑向距離,縱坐標(biāo)(h/D)表示樁尖貫入深度與測點(diǎn)埋深的相對位置,h為樁尖貫入深度與相應(yīng)測點(diǎn)埋深的差值.當(dāng)樁端下沉還在測點(diǎn)以上時,h/D＜0;當(dāng)樁端下沉到恰好與測點(diǎn)在一個水平線時,h/D=0;當(dāng)樁端下沉到測點(diǎn)以下時,h/D＞0.比較分析圖4和5可知:離樁越近,靜壓沉樁的提前現(xiàn)象較早,而錘擊沉樁的提前現(xiàn)象較遲;離樁較遠(yuǎn)處,由于測點(diǎn)較少,兩種沉樁方式的提前現(xiàn)象的快慢程度無法比較.由于錐形樁尖在下沉過程中會向兩邊排土,靜壓沉樁時的排土過程較為緩慢、穩(wěn)定,砂土骨架能夠充分接觸,因此提前現(xiàn)象較早,而錘擊沉樁是一個復(fù)雜的動力過程,由于沉樁的速度較快,距離樁身較近處的砂土尚未反應(yīng)就被剪切破壞,因此提前現(xiàn)象較遲.在距離樁身較遠(yuǎn)處,雖然在3D處會達(dá)到峰值,但由于試驗(yàn)條件的限制,無法在5D以外布設(shè)測點(diǎn),不能得出距離樁身較遠(yuǎn)處的較明顯的徑向土壓力變化規(guī)律.

圖4 錘擊沉樁達(dá)到峰值時,樁尖與測點(diǎn)的相對位置Fig.4 Relative positions of the pile tip and sensors for the impact-driven piles

2.3 徑向土壓力峰值沿沉樁深度的分布

由于在沉樁過程中會產(chǎn)生巨大的側(cè)向擠壓應(yīng)力,而小孔擴(kuò)張理論中假定小孔是無限長的,因此該理論結(jié)果只能反映出土壓力在徑向的分布規(guī)律,不能反映沿深度方向的變化規(guī)律.本工作進(jìn)一步研究了兩種沉樁工藝所產(chǎn)生的徑向土壓力峰值沿沉樁深度方向的變化規(guī)律.圖6和7為離樁身表面不同距離處所測得的錘擊沉樁、靜壓沉樁徑向土壓力峰值沿深度的分布.可以看出,兩種沉樁模式的徑向土壓力均隨著深度增加而呈近似線性增長.

圖5 靜壓沉樁達(dá)到峰值時,樁尖與測點(diǎn)的相對位置Fig.5 Relative positions of the pile tip and the sensors for the press-in piles

圖6 錘擊沉樁徑向土壓力峰值沿深度方向的變化Fig.6 Peak radial stress versus depth for the impact-driven piles

圖7 靜壓沉樁徑向土壓力峰值沿深度方向的變化Fig.7 Peak radial stress versus depth for the press-in piles

由于徑向土壓力的絕對值本身受到徑向距離的影響,所以其值與圖6和7中所擬合的直線的斜率直接相關(guān).為了剔除這種因素的影響而單純地考慮徑向距離與土壓力峰值沿深度增加的速率之間的關(guān)系,先將各測點(diǎn)峰值土壓力單位化.將離砂表面深度為125 mm處的徑向土壓力峰值取為“1.0”,并對其他各點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的縮放.表3為根據(jù)表1將各測點(diǎn)徑向土壓力峰值縮放后的值.根據(jù)表3可以線性擬合出徑向土壓力峰值沿深度的變化規(guī)律.將擬合得到的增長速率值用平滑的曲線連接(見圖8),發(fā)現(xiàn)徑向土壓力的峰值沿深度發(fā)展的速率與徑向距離有關(guān).兩種沉樁模式徑向土壓力沿深度方向增長的速率大約在3D處可以達(dá)到峰值,靜壓沉樁沿深度方向的速率發(fā)展變化值均大于錘擊沉樁相同測點(diǎn)處的數(shù)值.

表3 單位化后徑向峰值土壓力比較Table 3 Comparisons of the unit-based peak radial stress

圖8 兩種沉樁方式側(cè)向土壓力峰值沿深度的增長速率與徑向分布的關(guān)系Fig.8 Distributions of peak radial stress growth rate versus r/D during both installation process

3 結(jié)論

本工作通過模型試驗(yàn)研究了錘擊沉樁與靜壓沉樁樁周徑向5D范圍內(nèi)徑向土壓力的產(chǎn)生與發(fā)展規(guī)律,得到以下結(jié)論.

(1)在沉樁過程中,樁尖在測點(diǎn)埋深處以上位置時,測點(diǎn)處的徑向土壓力已經(jīng)達(dá)到峰值,即樁側(cè)土體達(dá)到徑向土壓力的峰值時會有“提前現(xiàn)象”.

(2)兩種沉樁模式徑向土壓力峰值沿深度方向呈近似線性增長,但是靜壓沉樁沿深度方向的速率發(fā)展變化值均大于錘擊沉樁相同測點(diǎn)處的數(shù)值.

(3)不同沉樁方式引起的擠土效應(yīng)程度不同.由本試驗(yàn)可知,靜壓沉樁在級配不良砂中的擠土效應(yīng)大于錘擊沉樁.這是由于靜壓沉樁過程中樁周土壓力相較于錘擊沉樁消散比較緩慢.

(4)本試驗(yàn)完整記錄了錘擊沉樁過程中的擠土效應(yīng),初步探討了錘擊沉樁過程中土壓力的發(fā)展規(guī)律,具有一定的工程實(shí)用價值.