樁長對樁與樁相互作用影響的試驗(yàn)研究

張 帥1，肖昭然，趙憲強(qiáng)3,4，蔣敏敏

(1.鄭州市軌道交通有限公司，鄭州 450002； 2.河南工業(yè)大學(xué) 土木建筑學(xué)院，鄭州 450001； 3.南京水利科學(xué)研究院 巖土工程研究所，南京 210029； 4.河海大學(xué) 土木與交通學(xué)院，南京 210098)

1 研究背景

靜壓樁是樁基礎(chǔ)的一種，為預(yù)制樁體，其成樁質(zhì)量易于控制，環(huán)境污染小，無噪音污染，利于市區(qū)施工，符合當(dāng)下節(jié)能減排和保護(hù)環(huán)境的潮流，因此越來越受到基礎(chǔ)工程設(shè)計(jì)人員的關(guān)注。但是，靜壓樁在沉入過程中對其周邊土體產(chǎn)生沖剪破壞，沉樁產(chǎn)生的強(qiáng)擾動不利于鄰近樁體的承載性能。由于靜壓沉樁過程中持續(xù)產(chǎn)生擾動，樁長對樁與樁之間相互作用的影響較大，因此，分析沉樁過程中的壓樁端阻力、卸除頂壓后的樁周土壓力以及樁體承載力特性與樁長的關(guān)系，有利于揭示樁與樁的相互作用機(jī)理。

Mokwa[1]對群樁效應(yīng)進(jìn)行了研究，提出了樁間距是影響群樁效應(yīng)的主要因素。唐世棟等[2]通過現(xiàn)場實(shí)測與理論分析對沉樁過程中樁周土體位移機(jī)理進(jìn)行分析，得出了樁側(cè)阻力、樁體軸力和變形的變化規(guī)律。王濤等[3]基于模型試驗(yàn)、現(xiàn)場實(shí)測和理論分析對樁-土-樁的相互作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明彈性理論解需依據(jù)現(xiàn)場實(shí)測和模型試驗(yàn)進(jìn)行修正，可獲得合理結(jié)果。張建新等[4]通過模型試驗(yàn)對群樁沉樁擠土效應(yīng)的微結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，得到了沉樁引起的樁周土體密實(shí)度、孔隙率和土體結(jié)構(gòu)的變化規(guī)律。周健等[5]基于室內(nèi)模型試驗(yàn)與離散單元數(shù)值模擬對樁土相關(guān)特性進(jìn)行分析，得到了樁間距以及承臺剛度與群樁工作特性的關(guān)系。張建新等[6]基于模型試驗(yàn)對群樁沉入過程中引起的土體變形進(jìn)行分析，得到了沉樁引起的土體位移變化規(guī)律。高志堯等[7]基于壓、拔試驗(yàn)，通過分析樁身軸力、樁體位移、樁頂荷載以及樁端阻力的試驗(yàn)結(jié)果，得到了群樁效應(yīng)隨樁間距變化規(guī)律。戚玉亮等[8]采用振動臺模型試驗(yàn)得到了土-樁-結(jié)構(gòu)體系在振動下的相互作用規(guī)律和結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)機(jī)理。此外，許多研究人員[9-15]均對靜壓樁承載力特性進(jìn)行了相關(guān)研究。但對雙樁先、后沉樁過程中的端阻力、卸除頂壓后的樁周土壓力和承載力特性的關(guān)聯(lián)研究較少。

為明確樁長對靜壓沉樁全過程中樁與樁之間相互作用產(chǎn)生影響的機(jī)理，本文采用模型試驗(yàn)樁和界面膜式微型土壓力盒，較好地實(shí)現(xiàn)了動態(tài)測量，獲得了雙樁沉樁過程中壓樁端阻力和不同階段卸除頂壓后的樁周土壓力與樁長和壓樁順序之間的關(guān)系，以及卸除頂壓前、后的樁周土壓力與經(jīng)典土壓力理論計(jì)算值之間的關(guān)系。本文基于室內(nèi)模型試驗(yàn)，在中密實(shí)砂土中以2倍樁徑為間距沉入雙樁，研究3種不同樁長(本文樁長定義為沉樁過程完成后沉入的總長度)，2根樁先、后沉樁過程中的壓樁端阻力變化、卸除頂壓后的樁周土壓力以及樁體承載力特性。

2 試驗(yàn)裝置和方案

2.1 靜力壓樁裝置

室內(nèi)模型試驗(yàn)在自行研制的靜力壓樁試驗(yàn)系統(tǒng)中進(jìn)行[16]，該系統(tǒng)包括：模型試驗(yàn)砂箱、壓樁加載裝置、模型試驗(yàn)樁和量測系統(tǒng)。模型試驗(yàn)砂箱的內(nèi)部尺寸為1 m×1 m×1.35 m，模型樁與模型箱邊界的間距為0.4 m，約為8D(D為樁徑，D=50 mm)，該間距基本可以消除邊界效應(yīng)；壓樁加載裝置采用的是電動缸加載，最大加荷量為30 kN，壓樁最大行程1 m；加載端設(shè)置有振弦式壓力傳感器，用于測量壓樁力，其量程為20 kN，精度為0.01 kN。靜力壓樁試驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 靜力壓樁裝置Fig.1 Equipment for pile jacking

2.2 模型樁的制作

2根模型樁均采用鋁合金制成，樁身嵌入微型土壓力盒。樁端設(shè)置端阻力傳感器，端阻力傳感器量程20 kN，精度0.01 kN。模型試驗(yàn)樁的有效樁長0.75 m，樁徑0.05 m，樁體壁厚0.005 m，樁尖角為45°，彈性模量為6.5 GPa，泊松比為0.33。鑲嵌微型土壓力盒的模型樁如圖2所示。

圖2 鑲嵌微型土壓力盒的模型樁Fig.2 Model pile equipped with miniature earth pressure box

樁身土壓力盒的布置與測量：2根模型樁的樁身均布置了BW型微型土壓力盒，壓力盒外徑1.1 cm，厚度0.48 cm，量程200～400 kPa，土壓力盒分布在7個截面上(自下而上依次為A—G)，每個截面8個土壓力盒。土壓力盒量程及布置如圖3所示。

圖3 微型土壓力盒量程及布置Fig.3 Layout of miniature earth pressure boxes

2.3 試驗(yàn)砂

試驗(yàn)用砂為煙臺萊州標(biāo)準(zhǔn)砂，該砂的內(nèi)摩擦角φ為28°。粒徑>0.3 mm、粒徑(0.15，0.30] mm、粒徑[0.075，0.15] mm、粒徑<0.075 mm的砂分別占總質(zhì)量的16.7%，32.5%，43.5%，7.3%。平均粒徑d50為0.16 mm，不均勻系數(shù)Cu為1.452，曲率系數(shù)Cc為1.035。最大與最小干密度分別為1.53 g/cm3和1.25 g/cm3；最大與最小孔隙比分別為0.855和0.528。試驗(yàn)配置的砂樣重度為14 kN/m3，相對密度為0.72，試驗(yàn)時分層攤鋪，控制每層質(zhì)量，保證試驗(yàn)砂密實(shí)度均一，砂樣填裝完成后靜置10 d后再進(jìn)行壓樁試驗(yàn)。

2.4 試驗(yàn)方案

以2倍的樁徑為間距和0.1 mm/s的沉樁速度，將樁長L分別為600，500，400 mm(沉樁過程完成后沉入的總長度)的樁體沉入砂土地基中，沉樁完成后靜置1 h，然后以0.01 mm/s的速度卸除頂壓，研究2根樁依次沉入過程中，壓樁端阻力、卸除頂壓后的樁周土壓力以及承載力特性與樁長的關(guān)系。試驗(yàn)中先沉入1#樁，再沉入2#樁，樁體靜壓過程如圖4所示。

圖4 壓樁過程Fig.4 Process of jacking double piles

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 壓樁端阻力

圖5為沉樁過程中壓樁端阻力變化。

圖5 沉樁過程中壓樁端阻力變化Fig.5 Change of pile tip resistance during pile sinking

由圖5(a)可知，均質(zhì)砂土中1#樁體(先沉樁)和2#樁體(后沉樁)的端阻力均隨沉樁深度(指沉樁過程中沉入的深度)增大而近似線性增大。樁長不同時，在相同沉樁深度位置，1#樁和2#樁的壓樁端阻力相差均在5%以內(nèi)。2#樁的壓樁端阻力比1#樁大，在沉樁深度為200～550 mm之間2#樁的壓樁端阻力明顯高于1#樁體，表明樁體沉入過程中的壓樁端阻力不僅與沉樁深度有關(guān)，還受沉樁順序影響。樁長增大，1#樁體和2#樁體的最大壓樁端阻力增大的幅度均逐漸降低，當(dāng)樁長為600 mm時2#樁體的壓樁端阻力約比1#樁體高0.2%，即1#樁體和2#樁體的壓樁端阻力基本達(dá)到極值，與周健等[17]在室內(nèi)模型試驗(yàn)中得到的端阻力的結(jié)論基本一致，即存在臨界深度并且在臨界深度之前壓樁端阻力隨沉樁深度的增加而近似呈線性增長。

由圖5(b)可知，2#樁體沉入過程中的壓樁端阻力整體上比1#樁體的大。受擠土作用的影響，0～100 mm深度范圍內(nèi),2#樁體的壓樁端阻力小于1#樁體;在50 mm深度位置降低的幅度最大，約為15%;而100～600 mm深度范圍內(nèi),隨著深度的增加，2#樁體的壓樁端阻力相對1#樁體的壓樁端阻力增大的幅度為先增大后降低;在深度300 mm處出現(xiàn)折點(diǎn)，此時壓樁端阻力增長幅度最大，約為30%，隨后其增量和增幅均隨深度的增加而降低;在600 mm深度處,2#樁體壓樁端阻力約比1#樁體高0.2%，即此時沉入過程中的壓樁端阻力基本達(dá)到極值。

圖6 卸除頂壓后的樁周平均土壓力Fig.6 Average earth pressure of piles after unloading

3.2 樁周土壓力

圖6為卸除頂壓后的樁周平均土壓力。

圖6(a)為2#樁沉入前1#樁的樁周土壓力與卸除頂壓后2#樁的樁周土壓力。試驗(yàn)結(jié)果表明，1#樁和2#樁的樁周土壓力均隨土壓力盒埋深的增加而逐漸增大，同等埋深處卻隨樁長的增加而降低。此外，相同樁長下，2#樁的樁周土壓力平均比1#樁高10%左右。在0～200 mm深度范圍內(nèi)1#樁和2#樁的樁周平均土壓力均隨土壓力盒埋深增加而逐漸趨近主動土壓力(甚至大于主動土壓力)；同時同等埋深處土壓力盒測得的土壓力隨樁長的增大而降低，并且樁長相差越大降低幅度也越大，其中200 mm深度處1#樁的樁周土壓力分別約為主動土壓力的102%，90%，75%，并隨樁長增大而降低。而2#樁的樁周土壓力分別約為主動土壓力的112%，104%，87%，亦隨樁長增大而降低。在200～500 mm深度范圍內(nèi)，1#樁和2#樁的樁周土壓力均逐漸趨近于被動土壓力，隨土壓力盒埋深增加而愈趨近，其中300 mm深度處，隨樁長的增大，1#樁的樁周土壓力分別約為被動土壓力的31%，29%，18%，2#樁的樁周土壓力分別約為被動土壓力的35%，33%，20%，與1#樁隨樁長的變化趨勢基本一致；400 mm深度處1#樁的樁周土壓力分別約為被動土壓力的31%(樁長500 mm)，26%(樁長600 mm)，而2#樁體測得樁周土壓力分別約為被動土壓力的35%(樁長500 mm)，30%(樁長600 mm)；500 mm深度處1#樁的樁周土壓力約為被動土壓力的92%(樁長600 mm)，2#樁體測得樁周土壓力約為被動土壓力的99%(樁長600 mm)。究其原因，樁體持續(xù)貫入對樁周土體產(chǎn)生影響，隨樁長增大，“樁土摩擦疲勞效應(yīng)”愈顯著，因而1#樁和2#樁的樁周土壓力均隨土壓力盒埋深的增大而增大，但隨樁長的增加，同深度位置的樁周土壓力卻逐漸降低，樁長相差越大，降幅也越大。這與周健等[5]、Heerema[18]和Dejong等[19]的試驗(yàn)結(jié)論一致。

圖6(b)為2#樁卸除頂壓后1#樁的樁周土壓力隨土壓力盒埋深和樁長不同的變化情況。試驗(yàn)結(jié)果表明，卸除頂壓1#樁的樁周土壓力均隨土壓力盒埋深的增加而增大，但隨樁長增加，同等深度位置的樁周土壓力卻逐漸降低，當(dāng)樁長相差越大時，樁周土壓力降低幅度越明顯。0～300 mm深度范圍內(nèi)，1#樁的樁周土壓力隨土壓力盒埋深的增加逐漸趨近于被動土壓力，這一變化趨勢卻隨樁長的減小而愈顯著，其中200 mm深度位置的樁周土壓力隨樁長的增大而降低，分別約為被動土壓力的55%，43%，24%。在300～500 mm深度范圍內(nèi)，1#樁的樁周土壓力隨土壓力埋深的增加而大于被動土壓力，但相同深度位置的樁周土壓力隨樁長的增加而降低，其中300 mm深度位置的樁周土壓力分別約為被動土壓力的105%，62%，41%，亦隨樁長的增大而降低；而在400 mm深度位置的樁周土壓力分別約為被動土壓力的117%(樁長500 mm)，76%(樁長600 mm)；但500 mm深度位置的樁周土壓力卻約為被動土壓力的240%(樁長600 mm)。這一變化與2#樁沉入前1#樁的樁周土壓力和卸除頂壓后2#樁的樁周土壓力基本一致，并且樁長和土壓力盒埋深均相同時，2#樁體卸除頂壓后1#樁的樁周土壓力總體約為2#樁的2～3倍。

3.3 承載力特性

在樁體壓入后，測試樁長為400 mm的雙樁系統(tǒng)和500,600 mm樁長的1#樁體單樁靜力承載力，靜載試驗(yàn)過程中取沉降25 mm處的承載力值作為本次試驗(yàn)的樁體極限承載力討論值，并與2種不同樁長單樁試驗(yàn)的極限承載力進(jìn)行對比分析。

由圖7可知，單樁和2根樁沉入試驗(yàn)過程中，單樁試驗(yàn)的極限承載力隨樁長的增加而提高，并且其極限承載力略小于沉樁終壓力，這與韓選江[20]在現(xiàn)場試驗(yàn)中得到的結(jié)論基本一致。而雙樁試驗(yàn)中，2#樁沉入引起的擠土作用使得1#樁體的承載力略低于單樁沉入時的承載力(本次試驗(yàn)中樁長為600 mm和500 mm時1#樁與單樁試驗(yàn)的極限承載力比分別為0.98和0.95)，比單樁試驗(yàn)時低5%左右。不考慮樁間土作用下，樁長400 mm時雙樁系統(tǒng)的極限承載力基本等于2倍的單樁極限承載力，驗(yàn)證了工程中同等沉樁速度和間距等條件下，通過測定單樁試樁評價群樁工作特性的合理性。

圖7 荷載-沉降曲線Fig.7 Load-settlement curves

4 結(jié) 論

(1)兩根樁先、后沉入過程中的壓樁端阻力主要受沉樁深度和沉樁順序影響，后沉入樁(2#樁)的端阻力整體上比先沉入樁(1#樁)的高，在300 mm深度處達(dá)到最大增幅，約為30%，隨后其增量和增幅均逐漸降低，在600 mm深度位置端阻力基本達(dá)到極值，此時后沉入樁的端阻力僅比先沉入樁高0.2%左右。但不同樁長的先沉樁和后沉樁在沉入過程中的壓樁端阻力均隨沉樁深度的增大而近似呈線性增大。

(2)由于先沉入樁的擠土作用，后沉入樁的樁周土壓力總體比其沉入前的先沉入樁高10%左右。同時樁周土壓力均隨土壓力盒埋深增加而非線性增大，并逐漸趨近于被動土壓力。受“摩擦疲勞”效應(yīng)影響，相同埋深處的樁周土壓力隨樁長增加而降低，并且降幅隨樁長差增大而增大。

(3)由于后沉入樁擠土作用的影響，后沉入樁卸除頂壓后先沉入樁的樁周土壓力總體為后沉入樁的2～3倍，且先沉入樁的樁周土壓力隨土壓力盒埋深增大而逐漸趨近于被動土壓力。但3種不同樁長在土壓力盒埋深相同位置先沉入樁的樁周土壓力隨樁長的增加而降低，并且樁長差越大，降低的幅度也越大。

(4)由于擠土效應(yīng)和樁與樁之間相互作用的影響，先沉入樁的極限承載力略低于單樁沉入時的承載力，比單樁試驗(yàn)時低5%左右，樁越長其承載力降幅越小。不考慮樁間土的高承臺雙樁系統(tǒng)極限承載力約為單樁試驗(yàn)時的2倍，驗(yàn)證了工程中通過單樁試樁評價群樁承載力特性的合理性。