管樁復(fù)合地基受力特性離心模型試驗(yàn)研究

姚貝貝 潘春風(fēng) 趙利蘋

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州450007）

管樁出現(xiàn)以后因其具有承載力高、適應(yīng)各種土層、施工文明等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于建筑、公路、鐵路等行業(yè)。管樁復(fù)合地基承載力、處置效果都與其受力特性相關(guān)，對(duì)管樁的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有重要指導(dǎo)作用，是巖土行業(yè)的熱點(diǎn)問(wèn)題。

施峰[1]通過(guò)精細(xì)靜載荷試驗(yàn)研究了管樁的荷載傳遞機(jī)理、分析了側(cè)阻力和端阻力的變化，實(shí)測(cè)了壓樁力與入土深度之間的關(guān)系。雷金波[2]進(jìn)行了帶帽管樁控沉疏樁復(fù)合地基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、建立了帶帽控沉疏樁復(fù)合地基荷載- 沉降計(jì)算模型并提出了復(fù)合地基復(fù)合樁土應(yīng)力比等新概念，為管樁復(fù)合地基理論研究提供了合理的依據(jù)。邢皓楓[3]以某實(shí)際工程為依托研究了PHC管樁在不同級(jí)別荷載下樁身沿深度的受力分布特征，發(fā)現(xiàn)管樁側(cè)阻力的分布特征與樁埋置深度有關(guān)，并提出了單樁承載力修正公式。用該公式求得管樁單樁承載力與靜載試驗(yàn)結(jié)果較為復(fù)合，證實(shí)了修正公式的合理性。孫志亮[4]進(jìn)行了靜壓預(yù)應(yīng)力管樁的荷載傳遞試驗(yàn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示樁側(cè)土體材料發(fā)揮極限側(cè)阻力后會(huì)出現(xiàn)應(yīng)變軟化，側(cè)阻力隨深度的增加而增大，極限端阻力則存在一定取值范圍，其極限發(fā)揮所需樁端沉降約為樁端直徑的5%-10%。陳小庭[5]應(yīng)用土壓力盒監(jiān)控了4 種褥墊層的軟基管樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力，對(duì)土壓應(yīng)力及樁土應(yīng)力比的時(shí)效性等特性進(jìn)行了分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明以樁土應(yīng)力比峰值點(diǎn)為分界點(diǎn)，樁土應(yīng)力協(xié)調(diào)可以分為兩個(gè)階段。律文田[6]展開(kāi)的靜載荷試驗(yàn)在樁頂、樁端及土層分界面處埋設(shè)了應(yīng)變計(jì)，分析了軸力和樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律；以有限元法對(duì)軟土地區(qū)的PHC 管樁進(jìn)行了模擬，模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果變化趨勢(shì)一致。陸陽(yáng)[7]通過(guò)數(shù)值模擬分析了土塞效應(yīng)、管樁長(zhǎng)徑比對(duì)單樁承載力的影響，發(fā)現(xiàn)土塞效應(yīng)擴(kuò)散了樁端荷載、提高了單樁承載力；通過(guò)對(duì)比分析靜載荷試驗(yàn)結(jié)果和現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算值，給出了西安地區(qū)管樁承載力修正系數(shù)。涂濤[8]應(yīng)用ANSYS 軟件分析了管樁的傳力機(jī)制及變形性狀，分析了影響管樁承載性能的各種因素，為管樁的可行性與經(jīng)濟(jì)性提供了參考依據(jù)。錢峰[9]通過(guò)靜壓沉樁模型試驗(yàn)?zāi)M了預(yù)制混凝土樁的施工過(guò)程，監(jiān)測(cè)了孔壓、樁側(cè)土壓力、地面隆起與管樁的貫入深度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)樁端到達(dá)土中一點(diǎn)上方0.8d 時(shí)該處的水壓達(dá)到最大值。張明義[10]將光纖傳感器開(kāi)槽預(yù)埋入管樁樁身，進(jìn)行了模型試樁承載性能對(duì)比試驗(yàn)，研究了壓樁力、樁端阻力、樁側(cè)摩阻力及樁身軸力的發(fā)展規(guī)律。研究結(jié)果表明：壓樁力、樁端阻力等荷載均隨著沉樁深度的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì)、樁身軸力逐漸遞減。

管樁受力特性的研究手段有靜載試驗(yàn)、模型試驗(yàn)、有限元模擬計(jì)算和理論分析等。當(dāng)無(wú)法展開(kāi)靜載試驗(yàn)時(shí)，能夠更加真實(shí)的反映巖土性質(zhì)和樁土相互關(guān)系的模型試驗(yàn)就顯得極為重要。但常規(guī)模型試驗(yàn)通常需要進(jìn)行縮尺，導(dǎo)致應(yīng)力等比例縮小，不能反映原應(yīng)力水平。土工離心模型試驗(yàn)通過(guò)離心力補(bǔ)償應(yīng)力損失，可以實(shí)現(xiàn)模型與原型應(yīng)力狀態(tài)相同，是理想的管樁復(fù)合地基受力特性研究手段。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，通過(guò)離心模型試驗(yàn)重點(diǎn)研究樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和樁土應(yīng)力比等受力特性，為管樁復(fù)合地基的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究管樁復(fù)合地基受力特性，構(gòu)建管樁復(fù)合地基應(yīng)力場(chǎng)，模擬管樁在拓寬路基中的應(yīng)用，應(yīng)用光纖布拉格光柵傳感器監(jiān)測(cè)樁身應(yīng)力、應(yīng)用土壓力盒監(jiān)測(cè)樁間土受荷，根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)研究管樁復(fù)合地基的受力特性。

1.1 試驗(yàn)方案

試驗(yàn)采用TLJ-3 土工離心機(jī)：有效半徑是2 米，最大容量是60gt，模型箱的長(zhǎng)寬高分別為740mm、560mm 和460mm，共40 個(gè)監(jiān)測(cè)通道可監(jiān)測(cè)應(yīng)變、電壓和溫度和2 個(gè)光纖通道。試驗(yàn)過(guò)程模擬管樁復(fù)合地基在高速公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用。路堤寬12米，填方高度10 米，坡度1：1.2，拓寬8 米。地基深度14 米，上層黏土4 米，中層粉質(zhì)砂土5 米，下層粉質(zhì)黏性土5 米。管樁外徑600mm，長(zhǎng)8 米。模型比n=60，試驗(yàn)方案如圖1 所示。

圖1 管樁復(fù)合地基模型試驗(yàn)示意圖

1.2 樁的模擬

管樁原型的直徑為600mm，按照模型相似比模型樁的直徑應(yīng)為10mm，只能采用力學(xué)性質(zhì)相似的材料制作模型。管樁變形的控制因素是其彈性模量，根據(jù)離心模型試驗(yàn)相似率，彈性模量的相似常數(shù)為1，因此可以選擇彈性模型與管樁相似的材料制作管樁模型。據(jù)此選擇10mm 后的薄壁不銹鋼鋼管制作管樁模型。

1.3 模型土的制備

當(dāng)采用工程實(shí)際場(chǎng)地的土進(jìn)行模型試驗(yàn)，可得到與原型土體相同的性狀，因此在離心模型試驗(yàn)中原型縮小了n 倍但是土顆粒的粒徑不變。帶來(lái)的問(wèn)題是當(dāng)土顆粒尺寸相比模型過(guò)大時(shí)，土體不滿足連續(xù)性假定，即出現(xiàn)粒徑效應(yīng)。研究表明當(dāng)土顆粒平均粒徑小于結(jié)構(gòu)尺寸的1/30 時(shí)粒徑效應(yīng)帶來(lái)的誤差可以忽略，因此一般情況下細(xì)粒土不存在顆粒效應(yīng)。

地基土采用原型土進(jìn)行模型。第一層粘性土的有效粒徑小于0.002，限制粒徑0.02，不存在粒徑效應(yīng)。不均勻系數(shù)大于10，為級(jí)配良好土。土層其他參數(shù)見(jiàn)表1。經(jīng)擊實(shí)試驗(yàn)確定最佳含水量13.9%，最大干密度1.83g/cm3。由于試驗(yàn)主要變量為地基沉降，在試驗(yàn)前取風(fēng)干土樣按照最佳含水量和最大干密度控制填土密實(shí)度。

表1 試驗(yàn)土樣物理指標(biāo)

第二層砂土天然孔隙比e=0.73，干密度ρd=1.45g/cm3，飽和密度ρsat=1.65g/cm3，通過(guò)落雨法配置。經(jīng)過(guò)計(jì)算需要標(biāo)準(zhǔn)砂48.6kg。根據(jù)相對(duì)密度標(biāo)定曲線確定當(dāng)密實(shí)度為60%時(shí)落距應(yīng)為55cm。制備過(guò)程如下：烘干模型砂，準(zhǔn)備漏頭、軟管、砂桶等設(shè)備，漏頭高度設(shè)定為55cm，放置模型箱，分6 層澆砂，每層14cm共84cm。

1.4 樁身應(yīng)變監(jiān)測(cè)

電阻式應(yīng)變片是土工試驗(yàn)中最常見(jiàn)的應(yīng)變監(jiān)測(cè)元件，價(jià)格低廉測(cè)量方便，每個(gè)應(yīng)變片都需要一根導(dǎo)線連接應(yīng)變儀以測(cè)試數(shù)據(jù)。根據(jù)模型比計(jì)算模型樁的直徑只有10mm，粘貼12 個(gè)5mm×21mm 的應(yīng)變片后顯然會(huì)對(duì)管樁模型的應(yīng)變產(chǎn)生影響。光纖布拉格光柵傳感器出現(xiàn)以后在土工試驗(yàn)中有很多應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是直徑小、質(zhì)量輕、可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)分布式測(cè)量，只需要一根裸光纖就可以測(cè)量若干個(gè)測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)變。因此本次試驗(yàn)采用光纖布拉格光柵傳感器監(jiān)測(cè)管樁模型的應(yīng)變。

由于裸光纖僅有250μm 左右在試驗(yàn)中較易損壞，因此采用裸光纖布拉格光柵傳感器測(cè)量管樁模型的重點(diǎn)在于傳感器的封裝保護(hù)。傳感器封裝在管樁模型上以后應(yīng)能準(zhǔn)確測(cè)量其應(yīng)變同時(shí)不應(yīng)在試驗(yàn)過(guò)程中損壞。封裝采用如下方式：首先在管樁模型表面開(kāi)1mm 左右的槽，將光纖傳感器沿管樁方向平直的放入槽中，最后使用環(huán)氧樹(shù)脂膠將光纖粘貼在槽內(nèi)。環(huán)氧樹(shù)脂膠應(yīng)充滿開(kāi)槽但不突出管樁模型表面、膠內(nèi)不應(yīng)有起泡。傳感器的布置如圖2 所示。

1.5 土壓力監(jiān)測(cè)

測(cè)試土壓力的目的是為了確定單樁復(fù)合地基、兩樁復(fù)合地基在上部填土荷載作用下不同深度土壓力分布，確定單樁復(fù)合地基、兩樁復(fù)合地基承受上部填土荷載時(shí)，樁和樁間土各自承擔(dān)的荷載、樁土應(yīng)力比及其變化規(guī)律。

圖2 光纖Bragg 光柵傳感器布置方案

土壓力的測(cè)量采用箔式微型土壓力盒，其特點(diǎn)是輸出靈敏度高、工作性能穩(wěn)定、體積小、質(zhì)量輕、比較適合在模型試驗(yàn)中應(yīng)用。試驗(yàn)采用的土壓力盒直徑為11mm，厚度為4.2mm，量程0.1-5.0MPa，非線性誤差≤0.5%FS，重復(fù)性誤差≤0.5%FS，接橋方式為全橋。

土壓力盒的布置根據(jù)試驗(yàn)具體情況進(jìn)行，如圖3 所示。當(dāng)管樁采用3 倍樁間距時(shí)布設(shè)3 個(gè)壓力盒，相鄰的兩根管樁樁頂布設(shè)2 個(gè)，管樁中間位置布設(shè)1 個(gè)。當(dāng)管樁采用4 倍樁間距時(shí)布設(shè)4 個(gè)壓力盒，相鄰的兩根管樁樁頂埋設(shè)2 個(gè)，樁間布設(shè)2 個(gè)；當(dāng)管樁采用6 倍樁間距時(shí)布設(shè)5 個(gè)壓力盒，相鄰的2 根管樁頂埋設(shè)2 個(gè)，樁間土埋設(shè)3 個(gè)。

圖3 土壓力盒布置圖

土壓力盒的埋設(shè)步驟如下：

a.當(dāng)填土到達(dá)指定高度時(shí)，在土壓力盒埋設(shè)位置成孔。

b.清除孔底浮土，在孔底放置一定厚度的細(xì)砂并搗實(shí)，保證細(xì)砂頂面水平。

c.埋設(shè)土壓力盒，采用細(xì)土回填并搗實(shí)。

d.對(duì)每一個(gè)土壓力盒編號(hào)，并測(cè)試其初始值。

e.在試驗(yàn)中每間隔一定時(shí)間進(jìn)行讀數(shù)。

1.6 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)?zāi)M管樁在高速公路改擴(kuò)建工程中的應(yīng)用。試驗(yàn)首先填筑地基與老路堤，運(yùn)行相當(dāng)于實(shí)際時(shí)間8 年后停機(jī)，利用管樁模型對(duì)地基進(jìn)行處理后在老路堤上開(kāi)挖臺(tái)階并填筑拓寬路堤。拓寬路堤填筑完成后上機(jī)運(yùn)行相當(dāng)于實(shí)際時(shí)間3 年后試驗(yàn)結(jié)束，在拓寬路堤運(yùn)行過(guò)程中通過(guò)光纖傳感器監(jiān)測(cè)樁身應(yīng)變、通過(guò)土壓力盒監(jiān)測(cè)樁頂及樁間土應(yīng)力，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果分析管樁復(fù)合地基受力特性。為對(duì)比不同樁間距的管樁復(fù)合地基的受力特性，試驗(yàn)共進(jìn)行3 組，樁間距分別為3d、4d 和6d。試驗(yàn)過(guò)程如圖4 和圖5 所示。

圖4 試驗(yàn)過(guò)程（老路堤填筑后）

圖5 試驗(yàn)過(guò)程（壓樁過(guò)程）

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 樁身軸力

樁身軸力變化如圖6 所示。從圖中可以看出在管樁受力的不同時(shí)期其軸力分布規(guī)律基本相同：在樁的上部1/4 樁長(zhǎng)范圍內(nèi)軸力從樁頂開(kāi)始向下逐漸增大，在1/4 樁長(zhǎng)處達(dá)到峰值，之后開(kāi)始逐漸降低，直至樁底降到最低。從樁身軸力的變化曲線可以看出樁間土的壓縮主要發(fā)生在樁的上部1/4 范圍內(nèi)：土的壓縮產(chǎn)生摩阻力導(dǎo)致樁身軸力增加。從不同樁間距的復(fù)合地基樁身軸力分布圖可以看出樁間距對(duì)樁身軸力的分布規(guī)律并影響，樁間距不同時(shí)樁身軸力分布規(guī)律基本相同。但是樁間距對(duì)樁身軸力的最大值有較大影響：3 倍樁間距時(shí)樁身軸力最大值約700kN，4 倍樁間距時(shí)樁身軸力最大值降到了650kN，6 倍樁間距時(shí)樁身軸力最大值約600kN?？梢?jiàn)樁間距不同主要影響樁和樁間土承擔(dān)的荷載比例，樁間距越大樁間土承擔(dān)荷載越大，樁承擔(dān)荷載越小，樁土應(yīng)力比越小。

圖6 管樁樁身軸力曲線

樁間距對(duì)樁身應(yīng)力大小較大影響：從圖中可以看出隨著樁間距的增加，3.0d、4.0d、6.0d 樁間距管樁樁身應(yīng)力峰值分別為1150kPa、1020kPa、923kPa。樁頂和樁頂部分的應(yīng)力也有不同程度的降低。

2.2 樁側(cè)摩阻力

通過(guò)監(jiān)測(cè)拓寬路基運(yùn)營(yíng)過(guò)程中管樁樁身應(yīng)變，不同樁間距管樁樁側(cè)摩阻力如圖7 所示。從圖中可以看出管樁樁側(cè)摩阻力由上部負(fù)摩阻力沿深度逐漸向下發(fā)展為正摩阻力：樁身上部1/5 范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力為向下的負(fù)摩阻力，下部4/5 范圍為向上的正摩阻力，即樁側(cè)摩阻力為零的深度約為樁長(zhǎng)的1/5 處。樁身下部樁側(cè)摩阻力隨著深度的增加逐漸增加，直至樁端，說(shuō)明在上部填土荷載作用下樁側(cè)摩阻力得到了全長(zhǎng)發(fā)揮，管樁受力應(yīng)為摩擦樁。管樁上部出現(xiàn)負(fù)摩阻力的原因是管樁模量遠(yuǎn)比樁周土體模量大，在上部荷載作用下樁間土先于管樁壓縮變形，荷載經(jīng)上部褥墊層調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移到管樁上，管樁經(jīng)過(guò)向上刺入褥墊層或者向下刺入持力層將荷載再次轉(zhuǎn)移到樁間土。通過(guò)褥墊層對(duì)荷載的調(diào)節(jié)作用達(dá)到樁土共同作用。與普通管樁相比，帶帽管樁樁帽面積比樁體面積大得多，樁頂刺入量很小，樁間土的荷載分擔(dān)比例大。

圖7 管樁樁身摩阻力

2.3 管樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比

樁土應(yīng)力比能夠反映樁和樁間土的共同作用特性,是復(fù)合地基的重要指標(biāo)之一[11],對(duì)地基沉降計(jì)算和地基承載力驗(yàn)算都十分重要[12]。合理的復(fù)合地基,既要安全可靠,滿足使用要求,又要能夠控制成本。因此在設(shè)計(jì)復(fù)合地基時(shí),就必須從工程實(shí)際出發(fā),把天然地基可資利用的潛力發(fā)揮到適當(dāng)?shù)某潭?使樁土各自的負(fù)荷水平達(dá)到合理的分擔(dān)。帶帽管樁樁土應(yīng)力比曲線如圖8 所示。從圖中可以看出隨著時(shí)間的增加樁土應(yīng)力比不斷增大, 在工后150 天左右基本穩(wěn)定。工后200 天3.0d、4.0d、6.0d 樁間距復(fù)合地基樁土應(yīng)力比分別為17.7、15.2、13.1。從圖中可以看出帶帽管樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比較一般的復(fù)合地基大。從圖9 所示樁間距與樁土應(yīng)力比的關(guān)系曲線可以看出樁間距越大,樁土應(yīng)力比越大,而且這種趨勢(shì)隨著時(shí)間的增加不斷增大。這是因?yàn)殡S著樁間距的增加,單位面積上的管樁數(shù)量降低,每根管樁承擔(dān)的荷載增加,導(dǎo)致樁土應(yīng)力比的增加。

圖8 復(fù)合地基樁土應(yīng)力比

圖9 樁間距與樁土應(yīng)力比關(guān)系曲線

樁土應(yīng)力比曲線是樁和土承擔(dān)荷載比例在褥墊層作用下不斷調(diào)整的反映。樁土應(yīng)力比曲線前期不斷增長(zhǎng)，說(shuō)明管樁在褥墊層調(diào)節(jié)作用下承擔(dān)荷載不斷在增加。在樁土分擔(dān)的荷載達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)后樁土應(yīng)力比曲線開(kāi)始穩(wěn)定。對(duì)比一般復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比曲線可以看出帶帽管樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比沒(méi)有明顯的峰值，也沒(méi)有出現(xiàn)明顯的上下波動(dòng)。這說(shuō)明由于樁帽的存在，帶帽管樁向上刺入褥墊層的量較小，導(dǎo)致管樁承擔(dān)了更多的荷載。從帶帽管樁樁土應(yīng)力比曲線規(guī)律來(lái)看，帶帽管樁不是典型的復(fù)合地基，介于樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基之間的地基處理形式。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)拓寬路基離心模型試驗(yàn)中管樁樁身應(yīng)變及土壓力的監(jiān)測(cè)，分析了管樁復(fù)合地基中管樁的受力特性，得到如下結(jié)論：

3.1 在路基運(yùn)營(yíng)過(guò)程中樁身軸力隨著深度的增加逐漸增大，達(dá)到峰值后逐漸降低，峰值點(diǎn)出現(xiàn)在樁身1/4 長(zhǎng)度處。

3.2 管樁上部約1/5 樁身為負(fù)摩阻力，向下逐漸發(fā)展為正摩阻力且隨著是深度的增加逐漸增大。

3.3 管樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比與一般的復(fù)合地基大，且樁間距越大，樁土應(yīng)力比越大。