沉樁方式及樁型對湛江組結構性黏土中單樁承載力時效性的影響

陳東升， 周標和， 吳春燕， 湯 斌

(桂林理工大學廣西巖土力學與工程重點實驗室， 桂林 541004)

近年來由于北部灣地區(qū)開發(fā)，一批國家重點工業(yè)項目坐落于廣東省湛江市東海島沿岸。這些項目中建(構)筑物的基礎形式大多采用樁基礎。以寶鋼湛江鋼鐵項目為例，其基礎形式均采用管樁基礎，埋深30～60 m。東海島沿岸地區(qū)廣泛分布著湛江組結構性黏土，因其特有的工程性質，處在該土層中的樁基極限承載力在不同時間段呈現出較大的差異。具體表現為沉樁初期承載力較低，而沉樁結束后其承載力并非一成不變，而是隨著時間的增長逐漸提高，表現出明顯的時效性。在湛江組結構性黏土層中進行樁基工程實踐時，如果能夠合理利用樁基承載力增加的時效性，在保證工程安全的前提下就可以降低工程成本。

20世紀初期Wendel首次發(fā)現樁基承載力隨時間而改變的現象并稱之為時效性，之后中外學者對其展開了深入研究。目前針對樁基時效性現象的研究手段主要有以下4種。

(1)理論分析法。王家濤等[1]基于球孔擴張理論計算不同時間的樁側極限摩阻力和樁端阻力，進而得出不同休止期靜壓樁極限承載力。李桂寶等[2]從荷載傳遞角度分析得出了軟土中預制樁不同休止期樁身不同部位的側摩阻力及樁土相對位移的變壞規(guī)律。曹權等[3]以有效應力理論為基礎，在考慮了多層土中各個土層剛度指數對固結指數的影響，以及固結系數對孔隙水壓力消散規(guī)律的影響后得出了單樁樁側摩阻力時效性理論解。李靜培等[4]基于總應力法推導出黏土地層中靜壓樁時變承載力解析解。李颯等[5]總結131根樁的實測數據提出以恢復速率作為極限承載力恢復指標并建立了恢復速率與時間的關系。

(2)數值模擬法。趙健利等[6]利用Abaqus有限元分析軟件基于薄層單元法模擬單樁的擠土效應，結果顯示單樁施工的有效影響范圍為5倍樁徑，豎向為2倍樁長。吳曾偉[7]應用大型分析軟件GTS設置，摩擦單元對樁-土進行三維有限元模擬，結果表明接觸面最終剪力、剪切模量、樁端彈簧剛度以及土體彈性模量對單樁豎向荷載作用下的Q-S曲線影響顯著。付冬[8]運用Abaqus軟件對6根不同樁長的承載力形狀進行模擬計算，得出不同樁長的Q-S曲線均為陡降型，有明顯拐點。馮志焱等[9]采用三維數值模擬分析了樁周土在固結過程中的孔隙水壓力、樁端阻力、樁側摩阻力與單樁承載力的變化規(guī)律。

(3)模型實驗法。胡永強等[10]對樁土接觸界面滑動摩擦機制進行研究，結果表明，樁土接觸面由濕摩擦轉變?yōu)楦赡Σ?，樁側摩阻力提高。梁越等[11]通過改進直剪實驗研究鋼-土剪切特性，結果表明，隨著預壓時間的增長，土體摩擦角、黏聚力呈現增大的趨勢，一段時間后趨于穩(wěn)定。湯斌等[12]對湛江組結構性黏土中模型試驗分析結果表明湛江組結構性黏土中樁基時效性明顯，在沉樁15 d以內增長顯著。

(4)原位實驗法。蔡偉群等[13]對江西地區(qū)部分試樁進行多次復打檢測，單樁豎向極限承載力前期增長較快，4～8 d增長40%，后期增長緩慢。張明義等[14]對砂土及風化砂巖中抗拔樁承載力分析，認為泥漿護壁是導致單樁承載力時效性明顯的主要原因。左宏亮等[15]對哈爾濱地區(qū)某工程預應力管樁進行哥實復壓實驗發(fā)現其承載力在短時間內有很大提高，在間隔10 d左右增長50%。鐘世心等[16]對現場試樁進行承載力分析認為擠土效應并非是決定鋼管樁承載力時效性的關鍵因素，沉樁時對樁周土體擾動越小，承載力增長率越小。董春暉等[17]對山東濰坊地區(qū)工程試樁進行復壓實驗，認為沉樁結束13 d后樁側摩阻力時效性發(fā)揮主要作用。以上研究表明，沉樁結束后樁基的承載力并不是穩(wěn)定不變的，而是隨時間的變化逐漸呈現增加的趨勢，樁土作用機制和樁基承載性狀具有明顯時效性并且存在地區(qū)差異和地層差異。但是承載力的增長幅度和速率受沉樁方式、樁的類型以及土體結構、物理力學性質等因素影響，它們之間的作用過程和方式以及對承載力的影響機理仍不被人們所完全掌握。

理論分析、數值模擬都是建立在理想化模型基礎之上的并不能有效地、全面地反映現場復雜的實際情況。室內模型實驗雖有相似理論做指導，可以貼近工程實際，但是室內模型實驗針對的基本都是擾動土或者重塑土，同樣很難反映現場的實際土層，模型樁多以鋼管、鋁管、PVC管制作，而工程實際基本是鋼混樁，因此樁土間摩擦存在差異。目前現場原位實驗多以工程試樁為基礎對同一根樁進行多次復壓法。采用此方法首先面臨的問題就是實驗場地是否均勻。并且所有試樁是否在同一土層有待考究，其次對同一根試樁進行多次復壓，勢必會對樁周土產生重復擾動，土體將會產生累計損傷。實驗所得承載力很可能低于實際承載力。最后工程試樁往往穿越土層較多，不是單層土，因此很難確定是哪層土對承載力時效性貢獻起決定性因素，并且實驗數據單一，存在偶然性?；谝陨喜蛔?，現以廣東省湛江市一處具有典型湛江組黏土地層為地基，進行單樁原位靜載試驗，探討湛江組結構性黏土中單樁時效性與沉樁方式、樁型的關系，為實際工程設計，施工等提供理論指導和技術支持。

1 單樁原位靜載試驗

1.1 試驗場地概況

通過已有區(qū)域地質資料及工程地質調查，在廣東省湛江市東海島寶鋼湛江鋼鐵廠選取長約100 m、寬約10 m的空地進行勘察、鉆探、取樣。對其進行土體的物理力學性質試驗，試驗結果如表1所示。

表1 試驗場地土體參數Table 1 Soil parameters of test site

1.2 單樁承載力時效性原位靜載試驗

1.2.1 模型樁

試驗采用的模型樁為鋼筋混凝土樁。在試驗現場布置不同沉樁方式、不同樁型的模型樁，共4組，每組7根。模型樁設計參數如表2所示。

表2 模型樁設計參數Table 2 Model pile design parameters

1.2.2 試驗裝置

反力裝置由長3.5 m、寬1.2 m、高0.5 m支架，1.8 m長、8 t地錨鉆4根，1 m橫梁兩根，以及鏈接裝置2個組成。加載裝置由10 t液壓千斤頂以及在千斤頂和模型樁之間設置的一根長1 m的傳力柱進行加載，由BHR-4型重力傳感器及配套數字測力儀控制荷載分級。沉降觀測由加載點兩側對稱放置的數顯千分表提供。千分表放在基準梁上。樁周土孔隙水壓力監(jiān)測由12個XB-140型振弦式孔隙水壓力計，以及XB-180型振弦式多功能讀數儀完成。試驗裝置如圖1所示。

圖1 試驗裝置Fig.1 Test equipment

1.2.3 單樁原位靜載試驗

(1)沉樁前準備。在場地勘察過程發(fā)現，場地表層500 mm以上土層由于降雨、暴曬等原因已經硬化、風化失去天然狀態(tài)，為了避免試驗中裸露土層受到類似影響，本試驗將模型樁穿過上覆1 m土層，在確定樁位后，首先人工開挖深度1 m左右孔洞，埋設直徑160 mm PVC管，管外回填，模型樁從PVC管內沉入預定深度。

(2)孔隙水壓力計埋設。在確定樁位及1 600 mm PVC管埋設完成之后，在距離PVC管100 mm即1倍樁徑處用洛陽鏟開孔。埋設孔隙水壓力計?？紫端畨毫τ嬄裨O安裝嚴格按照《孔隙水壓力測試規(guī)程》(CECS 55—93)執(zhí)行。埋設完成后每天進行監(jiān)測。

(3)沉樁?？紫端畨毫τ嬄裨O一周后開始沉樁，先將模型樁豎立在160 mm PVC管內，由DYLC履帶式靜探車壓入預定深度。DYLC履帶式靜探車可以同時完成靜壓、振動兩種方式沉樁。并且可以保證模型樁垂直壓入指定深度完成沉樁。

(4)單樁原位靜載試驗。沉樁結束后0、1、3、7、14、28 d對各組模型樁進行靜載試驗，靜載試驗采用慢速荷載維持法，靜載試驗操作步驟按照廣東省標準《建筑地基基礎設計規(guī)范》(DBJ 15-31—2016)單樁豎向抗壓靜載荷試驗要點執(zhí)行。

(5)數據處理。試驗數據計算、分類、處理以及繪圖可由Excel、Origin2016制圖軟件輔助完成。單樁豎向極限承載力通過Q-S曲線確定?？紫端畨毫Π词?1)計算。

(1)

式(1)中：u為孔隙水壓力，kPa；k為振弦式孔隙水壓力計靈敏度，kPa/Hz；f0為孔隙水壓力計在零壓時的頻率，Hz；fi為孔隙水壓力計在測量時的頻率，Hz。

2 試驗結果及分析

2.1 單樁豎向極限承載力隨時間的變化規(guī)律

運用Excel畫出各組模型樁的Q-S曲線，其極限承載力取Q-S曲線上發(fā)生明顯陡降的起始點所對應的荷載值為單樁豎向極限承載力。比較0 d時單樁豎向極限承載力與其承載力預估值，可以得到試樁在沉入初期承載力的損失百分比，比較28 d時單樁豎向極限承載力與其0 d時單樁豎向極限承載力值，可以得到試樁在整個休止期承載力的增長百分比，各組模型樁在不同休止期的豎向極限承載力及損失百分比和增長百分比如表3所示。

由表3可以看出，各組模型樁在沉樁后0 d，極限承載力均大幅度低于預估承載力，沉樁方式相同的情況下，極限承載力損失最大的是靜壓方樁，為41%，最小的是靜壓管樁，為30%。樁型相同的情況下，單樁豎向極限承載力損失為振動沉樁34%，靜壓沉樁32%。承載力損失的主要原因是：一方面來源于沉樁過程中引起樁周土孔隙水壓力上升，有效應力減??；另一方面主要來源于沉樁過程中對樁周土體的擾動。28 d時單樁豎向極限承載力均低于承載力預估值，原因是：①以工程實際對模型樁極限承載力進行預估，可能造成預估結果偏大；②湛江組結構性黏土具有明顯觸變性，沉樁過程中，樁周土受到擾動損失的強度尚未恢復；③湛江組黏土具有明顯的結構性，沉樁過程中對樁周土體造成結構性損傷，土體部分結構強度無法恢復。故28 d時其極限承載力均低于承載力預估值。由表3還可以看出，隨著休止時間的增加各組模型樁的極限承載力均有不同幅度的恢復。恢復幅度最大的靜壓圓樁，為27%，恢復最小的振動圓樁，為16%。不同模型樁的增長幅度如圖2所示。

表3 實測不同休止期單樁豎向極限承載力及損失百分比和增長百分比Table 3 Measured vertical ultimate bearing capacity, loss percentage and increase percentage of single pile at different resting periods

由圖2可以看出，各組模型單樁豎向極限承載力均隨休止時間的增加而逐漸增大。且單樁豎向極限承載力增大的速率表現為前期(0～7 d)增長快，后期(7～28 d)增長慢。

圖2 各組模型樁極限承載力增長幅度Fig.2 Growth of ultimate bearing capacity of each group of model piles

模型樁的沉入方式及樁型不同，其豎向極限承載力增大的速率和幅度也不同。當沉入方式相同時，圓樁的豎向極限承載力增大的速率和幅度最大，管樁次之，方樁最??；當樁型相同時，靜壓樁的豎向極限承載力增大的速率和幅度比振動樁大。

影響單樁承載力時效性主要因素有樁端土的壓密、土殼效應、孔隙水壓力的消散導致樁周土體再固結、黏土觸變性。樁端土的壓密和土殼效應這兩種因素的本質都是增加了樁端阻力。已有研究表明在沉樁23 h后樁端阻力基本不在增加而是維持在一個穩(wěn)定值[17]，因此這兩種因素受時間影響較小?？紫端畨毫Φ南е聵吨芡馏w再固結和黏土觸變性這兩種因素受時間影響明顯。圖3所示為各組模型樁孔隙水壓力消散規(guī)律。從圖3可以看出，各組模型樁孔隙水壓力在7 d時基本消散完成，在0～7 d時單樁豎向極限承載力增長主要是孔隙水壓力的消散引起，所以增長快，孔隙水壓力消散規(guī)律與單樁 豎向極限承載力增長規(guī)律基本吻合。在7～28 d時單樁豎向極限承載力增長主要由湛江組結構性黏土的觸變性引起，因為觸變過程是復雜且緩慢的，所以增長緩慢。

圖3 各組模型樁孔隙水壓力消散規(guī)律Fig.3 Dissipation law of pore water pressure of model piles in each group

2.2 承載力時效性經驗公式

單樁豎向極限承載力隨時間的變化規(guī)律可以用經驗公式表示，根據工程經驗、工程試樁資料統(tǒng)計分析，在同一土質情況下，考慮時間效應的預制樁沉樁后任意間歇時刻單樁豎向極限承載力可以用經驗公式[18]表示為

Qut=Qu0+α(1+lgt)(Qumax-Qu0)

(2)

式(2)中：Qut為任意間歇時刻單樁豎向極限承載力，kN；Qu0為沉樁后初始時刻的單樁豎向極限承載力，kN；Qumax為單樁沉樁后試驗周期內最大極限承載力，kN；α為時效性系數；t為休止時間。

引入過度算子β=α(1+lgt)，通過式(2)建立β與t的關系曲線，將β與t的關系曲線轉換為關于t的對數坐標形式，通過Origin2016軟件進行擬合，Qut、Qu0、Qumax均可通過樁基靜載試驗獲得，因此只要確定時效性相關系數α，即可得出適用湛江組結構性黏土中單樁任意間歇時刻極限承載力計算公式。進行自定義函數擬合，求出α，分別為：靜壓圓樁α=0.209 9，振動圓樁α=0.185 9，靜壓管樁α=0.224 1，靜壓方樁α=0.227 8。時效性系數α與沉樁方式、樁型密切相關。將α代入式(2)，得到適用于湛江組結構性黏土中不同沉樁方式、不同樁型情況下的經驗公式，如表4所示。

采用文獻[12]中兩組試驗數據對表4中經驗公式進行驗證。表5所示為單樁極限承載力實測值與計算值對比，結果顯示，對于湛江組結構性黏土中樁基時效性而言，該公式雖然可以明確地指出不同沉樁方式、不同樁型對單樁承載力時效性系數影響顯著。不同沉樁方式、不同樁型的單樁承載力時效性應采用不同時效性系數下的經驗公式表述。但此經驗公式用于對湛江組結構性黏土中樁基任意時刻承載力的預估均偏于保守，有待進一步完善提高。

表4 不同沉樁方式、樁型情況下承載力時效性經驗公式Table 4 Empirical formula of bearing capacity timeliness under different pile sinking modes and pile types

表5 單樁極限承載力實測值與計算值對比Table 5 Comparison of measured and calculated ultimate bearing capacity of single pile

2.3 沉樁方式及樁型對樁基承載力時效性的影響

為了定量表示不同沉樁方式、不同樁型情況下湛江組結構性黏土中單樁承載力時效性恢復的規(guī)律，引入承載力增長率[19]。定義承載力增長率為

(3)

式(3)中：Qt為沉樁后t時刻樁基極限承載力，kN；Q0為沉樁后初始時刻樁基極限承載力，kN。

承載力增長率越大說明沉樁后單樁承載力恢復越好，時效性越明顯。

圖4、圖5分別為圓樁靜壓、振動沉樁時的承載力增長率和孔隙水壓力與休止時間的關系，圓樁、管樁、方樁靜壓沉樁時承載力增長率和孔隙水壓力與休止時間的關系。

圖4 圓樁靜壓、振動沉樁時的承載力增長率和孔隙水壓力與休止時間的關系Fig.4 Relationship between bearing capacity growth rate and pore water pressure and resting time under static pressure and vibration driving of circular pile

圖5 圓樁、管樁、方樁靜壓沉樁時承載力增長率和孔隙水壓力與休止時間的關系Fig.5 relationship between bearing capacity growth rate and pore water pressure and resting time of static pile sinking for round pile, pipe pile and square pile

由圖4可知，在樁型和休止時間相同的情況下，靜壓樁和振動樁的單樁豎向承載力增長率均隨孔隙水壓力的消散逐漸增大。且沉樁后0～7 d，孔隙水壓力消散快，單樁豎向極限承載力增長率大，7～28 d，孔隙水壓力消散緩慢，單樁豎向極限承載力增長率小。7 d時孔隙水壓力消散基本完成，單樁豎向承載力由快速增長轉變?yōu)榫徛鲩L。

在樁型和休止時間相同的情況下，靜壓樁承載力增長率一直高于振動樁承載力增長率。且靜壓沉樁時產生的孔隙水壓力高于振動沉樁時產生的孔隙水壓力。靜壓樁，0～7 d承載力增長率為16.18%，7～28 d承載力增長率僅為8.19%。0～7 d孔隙水壓力消散值為4.23 kPa，7～28 d孔隙水壓力消散值僅為0.70 kPa。振動樁，0～7 d承載力增長率為7.52%，7～28 d承載力增長率僅為7.83%。0～7 d孔隙水壓力消散值為3.60 kPa，7～28 d孔隙水壓力消散值為0.12 kPa。由此可見，沉樁方式對湛江組結構性黏土中樁基承載力時效性影響顯著。靜壓樁承載時效性大于振動樁承載力時效性。

由圖5可以看出，相同沉樁方式和休止時間情況下，不同樁型的單樁豎向承載力增長率均隨著孔隙水壓力的消散逐漸增大。但是圓樁豎向承載力增長率、孔隙水壓力消散值均高于管樁高于方樁，而方樁和管樁的豎向承載力增長率、孔隙水壓力消散值幾乎相同。

在沉樁方式和休止時間相同的情況下，圓樁承載力增長率最大，管樁次之，方樁最小。圓樁，0～7 d承載力增長率為16.18%，7～28 d承載力增長率僅為8.19%；0～7 d孔隙水壓力消散值為4.23 kPa，7～28 d孔隙水壓力消散值為0.70 kPa。管樁，0～7 d承載力增長率為14.04%，7～28 d承載力增長率僅為5.74%；0～7 d孔隙水壓力消散值為3.54 kPa，7～28 d孔隙水壓力消散值為0.63 kPa。方樁，0～7 d承載力增長率為13.24%，7～28 d承載力增長率僅為5.99%；0～7 d孔隙水壓力消散值為3.58 kPa，7～28 d孔隙水壓力消散值為0.32 kPa。由此可見，不同樁型的模型樁影響了沉樁后孔隙水壓力的消散規(guī)律，進而影響了湛江組結構性黏土中樁基承載力時效性。具體表現為，圓樁對時效性影響最為顯著，管樁次之，方樁影響最小。分析認為，湛江組結構性黏土中單樁豎向極限承載力時效性性主要來源；另一面湛江組結構性黏土具有明顯的觸變性，沉樁后受擾動的樁周土體強度恢復。承載力提高。方樁由于擠土效果低于管樁、圓樁，由此推測沉樁過程中對樁周土擾動也較小，因此樁周土觸變作用發(fā)揮不明顯對單樁承載力時效性的影響也就較小；一方面沉樁后孔隙水壓力的消散；由圖5可知，方樁由于擠土效果不明顯產生的孔隙水壓力也最低。因此方樁雖然側面積最大，承載力高，但是對樁基時效性的影響卻最小。

3 結論

(1)湛江組結構性黏土中單樁豎向極限承載力均隨休止時間的增加而逐漸增大，且單樁豎向極限承載力增大的速率表現為前期(0～7 d)增長快，后期(7～28 d)增長慢。

(2)孔隙水壓力消散規(guī)律與單樁豎向極限承載力增長規(guī)律基本吻合。在0～7 d，孔隙水壓力消散快，單樁豎向極限承載增長迅速，7 d后由于孔隙水壓力消散基本完成，在7～28 d，單樁豎向極限承載力增長主要由湛江組結構性黏土的觸變性引起。

(3)湛江組結構性黏土中單樁承載力時效性可以用經驗公式表述，在同一均質土層中不同沉樁方式、不同樁型的承載力時效性采用不同的時效性相關系數α計算。但此經驗公式用于對湛江組結構性黏土中樁基任意時刻承載力值的預估均其值均偏于保守有待進一步完善提高。

(4)不同沉樁方式對單樁承載力時效性影響差別較大，當樁型相同時，靜壓樁的豎向極限承載力增大的速率和幅度比振動樁大。28 d時，靜壓沉樁承載力增長率(25.69%)，明顯高于振動沉樁承載力增長率(15.95%)。

(5)單樁豎向極限承載力時效性與樁型有關，當沉入方式相同時，圓樁的豎向極限承載力增大的速率和幅度最大，管樁次之，方樁最??；沉樁后28 d時，圓樁承載力增長率(25.69%)>管樁承載力增長率(20.58%)>方樁承載力增長率(19.61%)。