基于透明土技術(shù)的開口管樁施工模擬

石林澤，易利軍，鄭金輝，齊昌廣(寧波大學(xué)，浙江 寧波 315211)

預(yù)應(yīng)力開口管樁相較于傳統(tǒng)實(shí)心樁，具有更好的承載力以及省料等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于房建，道路以及橋梁工程中。但開口管樁的施工機(jī)理比實(shí)心樁要復(fù)雜的多，因?yàn)闀a(chǎn)生“土塞效應(yīng)”，即在開口管樁的沉樁過程中，土體不斷進(jìn)入管樁內(nèi)腔最終形成土塞，土塞形式可分為完全閉塞，部分閉塞和完全不閉塞3類，具體見圖1，土塞形成過程可用圖2模擬。土塞的評價(jià)指標(biāo)主要包括土塞高度與管樁打入深度之比PLR(Plug length ratio，PLR=Hi/Li)和土塞高度增量與管樁打入深度增量之比IFR(Incremental fill ratio，IFR=ΔHi/ΔLi)。存在的土塞對土體變形以及承載力均會產(chǎn)生較大的影響。

圖1 開口管樁與閉口管樁(或?qū)嵭臉?的施工模式Fig.1 Installation modes of open-ended and close-ended piles: (a) partial plugging; (b) fully coring; (c) fully plugging

圖2 開口管樁的土塞形成Fig.2 Development of soil plug during open-ended pile installation

因此，為了弄清楚開口管樁施工過程中引起的土體變形和土塞效應(yīng)，國內(nèi)外眾多學(xué)者通過各種方法進(jìn)行了深入的研究。在土體變形方面，例如：聶重軍等[1]在考慮土塞效應(yīng)的前提下，利用圓孔擴(kuò)張理論，對預(yù)應(yīng)力混凝土管樁沉入飽和軟黏土過程中樁周土體的變形做了研究，但其只能預(yù)測出土體的徑向變形，無法給出土體縱向變形的解；羅戰(zhàn)友等[2]基于小變形假設(shè)，利用應(yīng)變路徑法得出的實(shí)心樁的土體位移場解表達(dá)式，引入其他參數(shù)，得到開口管樁的土體位移場解表達(dá)式，該解對樁身附近發(fā)生大變形的土體變形擬合效果不好；雷華陽[3]對管樁施工進(jìn)行了現(xiàn)場試驗(yàn)和有限元模擬，但通過埋設(shè)傳感器測得的土體變形具有離散性；Randolph等[4]在砂土中進(jìn)行了室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場測試以驗(yàn)證顆粒狀土塞可以產(chǎn)生更大的阻力。為了克服上述傳統(tǒng)試驗(yàn)對測量土體變形存在的缺陷性和對觀察土塞發(fā)展的局限性，基于Iskander等[5]提出的透明土技術(shù)的模型試驗(yàn)開始發(fā)展起來，曹兆虎[6]利用透明土和PIV技術(shù)對管樁的施工機(jī)理進(jìn)行了研究，但其試驗(yàn)忽略土塞的存在(雖然試驗(yàn)過程中依舊產(chǎn)生了土塞)，并未觀測到土塞的高度，存在一定的缺陷；Qi等[7]對擴(kuò)底樁打設(shè)和拔出時的土體變形做了模式試驗(yàn)研究；常規(guī)的樁打設(shè)引起的土體變形均視為軸對稱問題，曹兆虎[8]利用透明土模型試驗(yàn)對土體的三維變形特性進(jìn)行了研究；孔綱強(qiáng)[9～10]通過透明土室內(nèi)試驗(yàn)，研究了楔形樁在沉樁以及受水平荷載下的位移場。目前的透明土模型試驗(yàn)主要關(guān)注樁周土體的位移場[11～14]，對管樁土塞形成及發(fā)展并未涉及。

為了克服傳統(tǒng)巖土測試技術(shù)存在的土體變形測量不連續(xù)性以及透明土模型試驗(yàn)未觀測到的土塞發(fā)展的缺陷，本文擬通過整合透明土技術(shù)，利用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行開口管樁的施工模擬，不僅得到施工過程中樁周土體的位移場，還能觀測到土塞高度的變化以及土塞的變形情況，從而探究并完善開口管樁的施工機(jī)理和土塞形成發(fā)展規(guī)律。

1 可視化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 透明土

本實(shí)驗(yàn)采用的透明土，是Ezzein等研制得到的新型透明土，即由熔融石英混合Krystol40和Puretol7的混合液構(gòu)成。熔融石英粒徑分布見圖3。Krystol40和Puretol7根據(jù)1∶2.9的體積比進(jìn)行混合，配置得到的透明土折射率在20 ℃時穩(wěn)定在1.458。將配置完成的透明土通過圖4的對比檢測，可以看出本實(shí)驗(yàn)所配置的透明土透明性良好。

圖3 熔融石英的粒徑分布Fig.3 Particle size distribution of fused quartz

圖4 對51 mm厚的透明土模型進(jìn)行透明性檢測Fig.4 Transparency detection through 51 mm thick transparent soil model

1.2 開口管樁模型

實(shí)驗(yàn)所用的開口管樁模型通過透明有機(jī)材料“丙烯酸塑料”制成，模型樁的縱向尺寸約為20 cm，橫向尺寸見表1。此外，將模型管樁的樁端截面染黑，以便實(shí)驗(yàn)過程中觀測模型管樁的施工深度，具體見圖5。

表1 模型管樁的編號和尺寸Table 1 Number and size of open-ended pile model

圖5 不同編號的模型管樁在不同深度下的實(shí)驗(yàn)圖 Fig.5 Experimental pictures of pipe pile models with different numbers in different depths:(a) P0.5 at 8R; (b) P1.0 at 8R; (c) P2.0 at 6R; (d) P2.5 at 3.4R

1.3 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

模型槽的尺寸，長203 mm、寬51 mm、高114 mm，實(shí)驗(yàn)設(shè)備見圖6。氦氖型激光器前方放置線發(fā)生器，可將激光束投射為激光面，并從模型槽的側(cè)方射入至透明土模型中。模型管樁通過傳動器進(jìn)行靜壓，可準(zhǔn)確控制施工靜壓深度，單次施工靜壓深度為1.6 mm，各模型樁的施工深度見表2。由于采用的模型樁材料是透明的，因此可以觀測到開口管樁內(nèi)腔和樁外的全部位移場，有利于了解土塞的形成及土體的變形。

圖6 開口管樁透明土模型示意圖 Fig.6 Schematic drawing of open-ended pile model experiment in transparent soil: (a) Front view; (b) Top view

表2 各模型樁的信息Table 2 Information of each open-ended pile model

1.4 實(shí)驗(yàn)圖像處理

數(shù)字圖像的后處理采用的是White等[11]研發(fā)的Geo-PIV軟件，該軟件基于MATLAB自帶的模塊，結(jié)合PIV原理，以此分析數(shù)字圖像來測量和獲取變形位移場。其操作步驟和處理方法可借鑒文[12]3.3節(jié)所述的內(nèi)容。另外，模型槽和透明土的折射率對測試結(jié)果的影響，也可以參考文[12]進(jìn)行修正。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

P0.5開口管樁從0打設(shè)至8R過程中，經(jīng)歸一化處理后，各階段引起的土顆粒累積位移向量見圖7。圖7左下角示例向量的大小等于P0.5開口管樁的壁厚。根據(jù)圖7可得，隨著施工深度的增加，受樁施工影響的土體擾動區(qū)域變大，也就是說在樁施工的過程中，越來越多的土體發(fā)生了位移變形，例如，當(dāng)樁打設(shè)至2R時，擾動區(qū)域?yàn)闃吨行木€至4R處，而當(dāng)樁最終打設(shè)至8R時，其擾動區(qū)域早已擴(kuò)散至8R。

以樁周附近的土體為研究對象，易得樁端上部的土體主要受到斜向上的位移，這是因?yàn)槭軜扼w施工引起的剪切移動所致，且隨著樁施工深度的增加，傾斜的角度會減小，也就是說這部分土體主要發(fā)生豎向移動；樁端附近的土體主要受到水平向位移；樁端以下局部范圍內(nèi)的土體因受到樁的摩擦力而向下運(yùn)動，這與實(shí)心樁施工引起的土體位移相似。

圖7還可以清楚的觀測到土塞的存在，當(dāng)樁打設(shè)至2R時，土塞的高度略小于施工深度，因?yàn)榇藭r樁內(nèi)側(cè)摩阻力qsi偏小，無法阻止土體進(jìn)入管樁內(nèi)腔，而后隨著施工的持續(xù)進(jìn)行，qsi持續(xù)增大，IFR明顯減?。煌寥麅?nèi)部的土顆粒位移向量場基本是向下的，即形成了“被動拱”，這說明內(nèi)腔的側(cè)摩阻力較大，阻止了外部土體進(jìn)一步進(jìn)入；另外，可以看到：在形成土塞的初期，土塞并未隨樁體的施工而一同下降，而是在后期才隨著樁體貫入深度的增加而下降。

為了定量的描述樁周土體的變形，圖8給出了P0.5開口管樁施工至8R時，樁周土體的位移等值線圖(經(jīng)過歸一化處理)。由圖8(b)可得，大部分土顆粒受到了向上的位移，即表現(xiàn)為隆起現(xiàn)象，且距樁軸線越近，向上的位移量越大，這和實(shí)際工程觀測到的現(xiàn)象相符；根據(jù)圖8(a)，樁周土體受到的水平向位移，隨著距樁中心線距離的增大而減小，即樁施工產(chǎn)生的擾動隨樁軸向外逐漸減小。

圖9得到的結(jié)論與圖8類似，主要的區(qū)別在于土塞的高度，可以明顯看到，P1.0開口管樁施工過程中各階段的土塞高度均大于P0.5開口管樁，這應(yīng)該是由于樁外徑和壁厚的比值(R/w)不同導(dǎo)致的管樁內(nèi)腔摩阻力的不同引起的，因?yàn)镽/w小，即內(nèi)腔體積小，土塞更易受到剪切膨脹，引起更大的樁內(nèi)壁水平向壓力，即產(chǎn)生更大的側(cè)摩阻力。

圖7 P0.5開口管樁施工引起的累積位移向量 Fig.7 Cumulative displacement vectors caused by P0.5 open-ended installation:(a) to 2R; (b) to 4R; (c) to 6R; (d) to 8R

圖8 P0.5開口管樁在8R深度處經(jīng)外半徑R歸一化后的位移等值線圖 Fig.8 Contours of displacement normalized by outside radius R in depth of 8R for P0.5 open-ended pile: (a) Horizontal displacement contours; (b) Vertical displacement contours

圖9 P1.0開口管樁施工引起的累積位移向量 Fig.9 Cumulative displacement vectors caused by P1.0 open-ended pile installation: (a) to 2R; (b) to 4R; (c) to 6R; (d) to 8R

圖10的等值線趨勢與圖8類似，區(qū)別在于強(qiáng)度，開口管樁產(chǎn)生的擠土效應(yīng)明顯弱于P0.5開口管樁，這應(yīng)該是由于土塞效應(yīng)減小所致，因?yàn)檫M(jìn)入管樁內(nèi)腔的土體量增加，從而減弱了樁外側(cè)的擠土效應(yīng)。

圖11是P2.0、P2.0plus和P2.5開口管樁分別貫入至某一深度時的土顆粒累積位移向量圖，均為完全不閉塞的施工模式，圖11與圖7、圖9 最大的區(qū)別在于管樁內(nèi)腔的土塞以及樁周土體受擠土效應(yīng)影響的強(qiáng)度。圖7、圖9內(nèi)部土塞的土顆粒位移向量方向基本往下，而圖11觀測得到的土塞土顆粒位移向量比較雜亂，這是因?yàn)橥寥容^疏松的緣故，在圖11可以觀察到土塞土顆粒位移中性面，中性面上部的土顆粒向上運(yùn)動，中性面下部的土顆粒向下運(yùn)動，究其原因，應(yīng)該是中性面上部的土顆粒受到的側(cè)摩阻力相對而言較小，主要是受樁端向上的反力，因此表現(xiàn)為向上運(yùn)動，而中性面下部的土顆粒主要在側(cè)摩阻力作用下向下運(yùn)動；另外，內(nèi)徑大的管樁樁周土體受擠土效應(yīng)的影響明顯弱于內(nèi)徑小的開口管樁。

由表3可得，P0.5開口管樁在0～6R施工過程中，PLR和IFR均減小，這是由于樁側(cè)摩阻力持續(xù)增大所致，尤其是在2R～6R這段，土塞高度增量放緩，這是因?yàn)橥寥軘D壓，產(chǎn)生“被動拱”，6R～8R過程中，PLR和IFR均突然增大，根據(jù)Randolph的開口管樁樁端破壞機(jī)制以及PAIKOSKY的“拱效應(yīng)”機(jī)制，這應(yīng)該是由于樁端附近的“被動拱”土塞發(fā)生剪切破壞，即之前形成的土塞類似于一個空間拱形狀，空間拱受荷發(fā)生剪切破壞，樁端下部的土再次涌入管內(nèi)，直至形成一個新拱達(dá)到下一次平衡，也可以理解為樁端的承載力變大，克服了土塞的阻力，在下一次平衡前土塞會上移。值得注意的是，P0.5開口管樁在施工深度為6R附近的某個階段IFR值可能會出現(xiàn)等于0的情況，這不代表此時的施工模式為完全閉塞，而是樁內(nèi)側(cè)摩阻力極限狀態(tài)被破壞，摩阻力重新分布導(dǎo)致的瞬時現(xiàn)象。

表3 P0.5和P1.0的土塞程度Table 3 P0.5 and P1.0 of the degree of soil plugging

注：Li-施工深度；Hi-土塞高度。

P1.0開口管樁的PLR值逐漸減小，但I(xiàn)FR值變化稍有波動，這是新土體進(jìn)入內(nèi)腔伴隨原土塞的擠密過程導(dǎo)致的，因此，P1.0開口管樁從一開始的完全不閉塞狀態(tài)到后來的部分閉塞狀態(tài)，內(nèi)腔側(cè)摩阻力慢慢增大，IFR慢慢減小。

圖10 P1.0開口管樁在8R深度處經(jīng)外半徑R歸一化后的位移等值線圖 Fig.10 Contours of displacement normalized by outside radius R in depth of 8R for P1.0 open-ended pile: (a) Horizontal displacement contours; (b) Vertical displacement contours

圖11 打開口管樁引起的累積位移向量Fig.11 Cumulative displacement vectors caused open-ended pile penetration

由表4可得，PLR和IFR值均大于1，三樁均屬于完全不閉塞狀態(tài)，該結(jié)論與圖11觀測得到的結(jié)果是一致的；PLR、IFR>1，可以理解為r/w值大的開口管樁對樁周土體產(chǎn)生的擠土效應(yīng)較弱，從而導(dǎo)致樁壁下方大量的土進(jìn)入管樁內(nèi)腔，使土塞高度大于施工深度；另外可以得到隨著樁的施工，土塞土顆粒位移中性面位置相較于土塞高度而言一直在上升，也就是說隨著土塞高度的增加，土塞下部越來越多的土顆粒會向下運(yùn)動，說明土塞下部才是樁內(nèi)側(cè)摩阻力發(fā)揮的區(qū)域，樁內(nèi)側(cè)摩阻力由下至上逐漸發(fā)揮。

表4 P2.0、P2.0plus和P2.5的土塞程度Table 4 P2.0 ,P2.0plus and P2.5 of the degree of soil plugging

注：Li—施工深度；Hi—土塞高度；Di—中性點(diǎn)深度。

3 結(jié)論

(1)對比P0.5和P1.0開口管樁，分別打設(shè)至2R深度時，P0.5管樁對土體變形的影響擴(kuò)大至橫向6R處，而P1.0管樁為橫向3R處，隨著繼續(xù)施工至4R深度，P0.5管樁對土體變形的影響擴(kuò)大至橫向約10R處(根據(jù)圖形趨勢做出的合理推測)，而此時的P1.0管樁為橫向5R處，結(jié)合兩者的橫向截面尺寸考慮，可以得到：兩種不同截面尺寸的管樁施工引起的土體變形區(qū)域的橫向范圍與管樁的r/w值成反比，且每打設(shè)2R深度，橫向影響范圍擴(kuò)大67%。

(2)比較P0.5和P2.0管樁，當(dāng)外徑一定時，r/w比值大小與土塞高度成正比，r/w值相差150%時，土塞高度最大相差186%(以施工6R深度為例)；等比例擴(kuò)大樁徑和壁厚(保持樁徑與壁厚的比值不變)，即P2.0和P2.0plus，打設(shè)至相同的深度，土塞高度基本相同，也就是說土塞效應(yīng)和樁徑無關(guān)，和樁徑與壁厚的比值(r/w)有關(guān)。

(3)比較P0.5、P1.0、P2.0plus和P2.5，壁厚相同，以打設(shè)深度為3.4R為例，土塞高度分別為1.88R，3.05R，3.64R和4.1R。樁內(nèi)外徑比(R/r)減小33.3%時，土塞高度增大62.23%；R/r減小50%時，土塞高度增大93.62%；R/r減小53.3%時，土塞高度增大118.09%，即土塞高度變化量約為樁內(nèi)外徑比改變量的2倍。

(4)IFR值某一階段等于0的情況并不代表施工模式為完全閉塞，而是樁內(nèi)側(cè)摩阻力極限狀態(tài)被破壞，摩阻力重新分布導(dǎo)致的瞬時現(xiàn)象。