層狀地基靜壓開(kāi)口管樁的擠土效應(yīng)研究*

李雨濃，張亞偉，劉亞輝，金帝成，韓 毅

(1 河北省土木工程綠色建造與智能運(yùn)維重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，秦皇島 066004；2 燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，秦皇島 066004；3 中交隧道局華中工程有限公司，武漢 430014)

0 引言

靜壓樁因環(huán)保省材、無(wú)噪聲、抗震性能良好、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工程中。沉樁過(guò)程中表層土體的隆起、樁周土體的側(cè)向擠壓和樁端土體的剪切勢(shì)必會(huì)對(duì)周?chē)h(huán)境和相鄰建筑物產(chǎn)生較大影響。在開(kāi)口樁的貫入過(guò)程中，擠土效應(yīng)和土塞效應(yīng)同時(shí)存在，使得樁周土體的變化更為復(fù)雜。因此，有必要對(duì)開(kāi)口樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行研究。

目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)此展開(kāi)了廣泛的研究。Cooke等[1]、Randolph等[2]、Gue[3]進(jìn)行了沉樁擠土模型試驗(yàn)研究，觀察了對(duì)稱(chēng)面上的位移場(chǎng)分布規(guī)律；孫曉東等[4]在飽和成層土中進(jìn)行了靜壓閉口樁模型進(jìn)行試驗(yàn)，總結(jié)了土體在水平方向和豎直方向的位移變化規(guī)律; 周航等[5]、雷華陽(yáng)等[6]研究了閉口管樁在沉樁過(guò)程中擠土的位移場(chǎng)變化規(guī)律和分布特征;周健等[7]以室內(nèi)模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立靜壓閉口樁顆粒流模型，揭示了樁周不同位置土體的變位規(guī)律;丁佩民等[8]通過(guò)采用閉口樁在砂土中的沉樁模型試驗(yàn),總結(jié)出了樁側(cè)周?chē)馏w相對(duì)密度的變化規(guī)律;周健等[9]、葉建忠等[10]通過(guò)離散元數(shù)值模擬研究，重點(diǎn)分析了靜力觸探或沉樁過(guò)程中砂土的位移運(yùn)動(dòng)規(guī)律及細(xì)觀結(jié)構(gòu)變化；李雨濃等[11]通過(guò)模型試驗(yàn)，研究了靜壓開(kāi)口樁和閉口樁在成層土體中的力學(xué)特性；張述濤[12]通過(guò)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及離散單元法數(shù)值模擬三種方法，對(duì)雙層地基中靜壓閉口樁的擠土效應(yīng)進(jìn)行了研究；劉俊偉等[13]采用源匯法和源源法解答得出了半無(wú)限體中開(kāi)口樁球孔擴(kuò)張產(chǎn)生的應(yīng)力場(chǎng)和位移場(chǎng)；黃生根等[14]基于彈塑性力學(xué)基本原理和柱形孔擴(kuò)張理論，研究了開(kāi)口管樁貫入過(guò)程中土塞效應(yīng)和擠土效應(yīng)的相互作用問(wèn)題。

綜上所述，盡管對(duì)于沉樁擠土效應(yīng)已經(jīng)開(kāi)展了諸多研究，但樁周土體的內(nèi)在機(jī)理和位移規(guī)律仍不是非常明確，并且目前很多學(xué)者的研究成果多數(shù)局限于均質(zhì)土層中閉口樁的分析研究，對(duì)于層狀地基中開(kāi)口管樁擠土效應(yīng)的研究相對(duì)較少。因此，本文對(duì)靜壓開(kāi)口管樁在均質(zhì)硬層和上硬下軟土體中的沉樁過(guò)程進(jìn)行了模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬，分析在不同工況下土顆粒位移的區(qū)別及分層界面處土顆粒位移的變化，研究土體位移在水平和深度方向的變化規(guī)律，揭示沉樁過(guò)程中樁周不同位置土體的位移模式，并通過(guò)特征點(diǎn)位移路徑分析土體細(xì)觀變化模式，進(jìn)一步明確開(kāi)口樁靜壓沉樁擠土效應(yīng)的內(nèi)在機(jī)理。

1 模型試驗(yàn)概述

模型箱由鋼板、鋼化玻璃拼接并焊接而成，尺寸為100cm(長(zhǎng))×60cm(寬)×100cm(高)。模型樁為開(kāi)口平頭的鋁制半模樁，樁長(zhǎng)80cm，外徑30mm，內(nèi)徑20mm，壓樁深度60cm。硬層土體采用粉細(xì)砂，顆粒粒徑大小為0.05～0.25mm，最大干密度1.525g/cm3，最小干密度1.418g/cm3，含水量w=0.185%,干密度ρd=1.50g/cm3，孔隙比e=0.793，相對(duì)密實(shí)度Dr=80%，屬密實(shí)狀態(tài)。軟層土體為50目高嶺土，重度18.5kN/m3，風(fēng)干含水量w=0.28%，孔隙比e=1.4。土體按5cm厚分層填鋪夯實(shí)，橫向上每隔一倍樁徑用不同顏色交替鋪設(shè)，以不同顏色交界處為標(biāo)記點(diǎn)，縱向上每隔5cm設(shè)一標(biāo)記層。壓樁速度為0.004 8m/s，壓樁時(shí)用數(shù)碼相機(jī)拍攝記錄位移變形標(biāo)記點(diǎn)，每隔4s采集一次圖片，并用圖像分析軟件對(duì)位移變化進(jìn)行分析。具體位移測(cè)點(diǎn)布置圖及照片如圖1所示。

圖1 位移測(cè)點(diǎn)布置圖及照片

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 沉樁過(guò)程位移場(chǎng)分析

圖2(a)為均質(zhì)硬層中樁貫入不同深度處位移場(chǎng)的變化情況，其中橫坐標(biāo)0點(diǎn)為樁中軸線，余同。由圖可知，表層土體受到剪切和擠壓作用而出現(xiàn)隆起，樁周土體與樁身呈一定角度斜向上運(yùn)動(dòng)，且角度隨著壓樁深度的增加而逐漸減小，樁端下部土體呈現(xiàn)豎直向下的運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)。總體來(lái)看，隨壓樁深度的增加，原本處于樁端位置的土體變?yōu)闃吨芡馏w，樁身對(duì)土體的擠壓和剪切作用更加強(qiáng)烈，從而使得位移方向沿徑向由斜向下轉(zhuǎn)變?yōu)樾毕蛏?。土顆粒豎向位移不斷減弱，樁周土大部分區(qū)域以徑向位移為主。圖2(b)給出了上硬下軟土體中樁貫入不同深度處位移場(chǎng)的變化情況。由圖可知，在貫樁初期，當(dāng)樁端距離下部軟層土體較遠(yuǎn)時(shí)，樁側(cè)土體的位移矢量和變化情況與均質(zhì)硬層土體類(lèi)似。但由于下部軟層土體的影響，表層土體隆起趨勢(shì)及影響范圍更小。隨著樁身深入土體，鄰近樁身的樁周土體位移方向繼續(xù)保持與樁法線方向呈一定角度向下，且漸變?yōu)樾毕蛏系内厔?shì)大大減弱，距樁身較遠(yuǎn)的樁周土體位移方向由斜向下轉(zhuǎn)變?yōu)樾毕蛏?，但與均質(zhì)硬層情況相比，轉(zhuǎn)變得更為緩慢，位于樁端下部土體的豎向位移比均質(zhì)硬層土體更加明顯，影響區(qū)域更大。當(dāng)樁貫入至軟硬分層界面處時(shí)，土塞閉合，此時(shí)土顆粒豎向運(yùn)動(dòng)明顯增強(qiáng)。當(dāng)樁端貫入軟層土體時(shí)，樁側(cè)周?chē)皹抖讼虏客馏w的豎向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)變得更加明顯，豎向位移增大。

圖2 試驗(yàn)的土體位移矢量圖

兩種地基中根據(jù)土體位移模式的不同，大致可將土體分為三個(gè)區(qū)域：以斜向上運(yùn)動(dòng)為主的淺表層區(qū)域；以徑向位移為主的樁側(cè)區(qū)域；以斜向下位移為主的樁端側(cè)向土體區(qū)域。在不同深度處及距樁不同距離處的土體位移矢量不盡相同，但呈現(xiàn)一定的規(guī)律：淺層土體隆起，樁周土體徑向位移與豎向位移同時(shí)存在并相互轉(zhuǎn)變，樁端附近的土體位移方向與樁法線方向呈一定角度向下，且越靠近樁軸線處，向下運(yùn)動(dòng)越明顯，直至完全轉(zhuǎn)化為豎向運(yùn)動(dòng)。

2.2 沉樁過(guò)程擠土效應(yīng)分析

2.2.1 土體徑向位移

圖3為沉樁過(guò)程中各階段樁周土體徑向位移等值線分布。由圖可知，在均質(zhì)硬層中，貫樁初期，土體徑向位移隨著樁深的增加而增加，當(dāng)樁貫入一定深度后，土體徑向位移變化極小，但徑向位移的影響范圍仍隨貫入深度增加而增加。上硬下軟土體徑向位移類(lèi)似于均質(zhì)硬土，但下部軟土的影響使其徑向位移的影響范圍比均質(zhì)硬土地基明顯要小。

圖3 試驗(yàn)的樁周土體徑向位移等值線圖/mm

在兩類(lèi)地基中，隨著樁的貫入，土體產(chǎn)生徑向位移的范圍逐漸增大，且樁周土體的徑向位移范圍大于樁端部分，但徑向位移量的增減變化不太明顯。隨著樁內(nèi)土塞密實(shí)度的增加，壓樁中后期與壓樁初期相比，土體徑向位移的影響范圍增加得更快。

選取距樁軸線2D(D為樁徑)處土顆粒位移為研究對(duì)象，以明確土體徑向位移沿深度的變化規(guī)律。

圖4給出了壓樁不同深度時(shí)土體徑向位移的變化情況。由圖可知，隨著樁的貫入，土體徑向位移稍有增加，但增量不大。壓樁結(jié)束后，均質(zhì)硬層土體中，樁頂和樁底土體徑向位移量及其增量都很小，土體徑向位移最大處約在樁身1/3深度處，且土體的徑向位移相差極小。與均質(zhì)硬層相比，上硬下軟土體中樁體處于上部硬土?xí)r，土體徑向位移量及其影響范圍比均質(zhì)硬層土體的小，樁下沉至軟硬土層交界處時(shí)土塞閉合，擠土效應(yīng)增強(qiáng)，土體徑向位移出現(xiàn)突變，并且隨著樁貫入軟土深度的增加，土體徑向位移明顯增大且比均質(zhì)硬土略大。

圖4 試驗(yàn)的距樁軸線2D處土體徑向位移

2.2.2 土體豎向位移

圖5給出了壓樁不同深度時(shí)土體豎向位移的變化情況，其中，樁軸線左側(cè)方向?yàn)樨?fù)，右側(cè)方向?yàn)檎Ｓ蓤D可見(jiàn)，在均質(zhì)硬土中，同一深度處土體的豎向位移隨樁貫入深度增加呈增大的趨勢(shì)。淺表層區(qū)域土體隆起明顯，且在隨后的樁貫入過(guò)程中，此段土體的豎向位移無(wú)明顯變化。上硬下軟土體表層土體僅有微小隆起，樁貫入上部硬土?xí)r，土體豎向位移不同于均質(zhì)硬層中產(chǎn)生的較大隆起，而是具有明顯豎直向下的趨勢(shì)；而當(dāng)樁貫入至軟硬土層交界處時(shí)，其土體豎向位移發(fā)生明顯突變，且隨樁的不斷貫入而逐漸增大。

圖5 試驗(yàn)的距樁軸線2D處土體豎向位移

圖6給出了沉樁過(guò)程各階段樁周土體豎向位移等值線圖。由圖可知，在均質(zhì)硬層中，土體豎向位移的影響范圍隨壓樁深度的增加而增大，表層土體有一定范圍的隆起，且隆起區(qū)域隨著樁的貫入而不斷增大。樁端處土體產(chǎn)生側(cè)向下位移，而樁周處土體逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)閺较蜻\(yùn)動(dòng)，且在樁端以下一定范圍內(nèi)，可以發(fā)現(xiàn)，豎向位移土體與徑向位移土體存在有明顯的分界線，即等值線或零值線。上硬下軟土體豎向位移的變化情況類(lèi)似于均質(zhì)硬層土體，區(qū)別是其表層土體隆起很小，并且土體豎向位移的影響范圍的變化速度大于均質(zhì)硬層土體，但土體豎向位移量小于均質(zhì)硬層土體。

圖6 試驗(yàn)的樁周土體豎向位移等值線圖/mm

3 沉樁過(guò)程顆粒流數(shù)值模擬

3.1 模型建立

考慮到邊界效應(yīng)以及顆粒數(shù)目和軟件計(jì)算能力等綜合因素的影響，建立二維模型，并設(shè)定模型箱尺寸為0.6m×1m。采用半徑R=0.015m的樁體模型，為保證樁內(nèi)外同時(shí)設(shè)置剛度及摩擦系數(shù)，一側(cè)樁身采用3段墻體組成，樁端墻體長(zhǎng)0.005m，樁身墻體長(zhǎng)0.8m。墻體設(shè)置參數(shù)如下：法向剛度kn=1.5×108N/m，剪切剛度ks=1.0×108N/m，顆粒間滑動(dòng)摩擦系數(shù)μ=1.0。土顆粒由模型內(nèi)圓盤(pán)組合形成橢圓顆粒，顆粒最大半徑Rmax=1.75mm，最小半徑Rmin=0.87mm，平均粒徑d50=2mm，不均勻系數(shù)d60/d10=1.275，顆粒半徑服從0-1分布，顆粒總數(shù)約為120 000個(gè)。相應(yīng)地基的土體細(xì)觀參數(shù)見(jiàn)表1。通過(guò)測(cè)量圈可追蹤不同區(qū)域土體變形模式與特點(diǎn)，故在箱體布置測(cè)量圈，橫向20列，縱向30排，計(jì)2 300個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)量圈兩兩相切，直徑為0.03m，即1倍樁徑。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果

3.2.1 模擬過(guò)程位移場(chǎng)分析

圖7為兩種土體的模擬位移矢量圖。由圖可知，在均質(zhì)硬層中貫樁初期，部分土體進(jìn)入樁內(nèi)形成土塞，此時(shí)僅樁端處土體側(cè)向下運(yùn)動(dòng)以及表層土體隆起較為明顯，樁周土體變形不明顯；隨著樁體繼續(xù)貫入，原本處于樁端的土體轉(zhuǎn)變?yōu)闃吨芡馏w，土體位移由斜向下變?yōu)閺较颍令w粒由向下擠壓轉(zhuǎn)變?yōu)閭?cè)向擠壓；當(dāng)樁體貫入深層時(shí)，樁端土體在豎向壓力作用下近似豎直向下運(yùn)動(dòng)，樁端樁側(cè)部位土體沿樁貫入方向以一定的角度側(cè)向下運(yùn)動(dòng)；而樁端以上部分土顆粒的位移與樁軸之間的夾角隨與樁端距離的加大而越來(lái)越大，并逐漸演變?yōu)閺较蛭灰?；若繼續(xù)沿樁身向上，則變?yōu)樾毕蛏线\(yùn)動(dòng)，宏觀表現(xiàn)為表層土體的隆起。

圖7 模擬的土體位移矢量圖

土層細(xì)觀參數(shù) 表1

上硬下軟土體沉樁初期，樁端及樁周土顆粒位移情況與在均質(zhì)硬層中的相似。隨樁體的繼續(xù)貫入，軟弱下臥層的影響逐漸明顯，其與均質(zhì)硬層的區(qū)別表現(xiàn)在：樁端土顆粒位移量逐漸增大，但位移方向與樁軸的夾角逐步變小，且直至在土層分界線處位移量達(dá)到最大。在沉樁后期樁端位移較大，影響范圍也較均質(zhì)硬層更廣。

圖8、圖9給出了兩種土體沉樁過(guò)程中土體徑向位移的變化情況。由圖可知，在均質(zhì)硬層中，土體徑向位移影響范圍隨樁貫入深度的增加逐漸擴(kuò)大，但位移增量變化緩慢，在后續(xù)壓樁過(guò)程中僅有微小的增大。上硬下軟土體淺層的土體位移變化模型與均質(zhì)硬層土體差別不大，其徑向位移在沉樁至土層分界線處時(shí)達(dá)到最大，并且在隨后的沉樁過(guò)程中，上部土體的徑向位移基本無(wú)變化。

圖8 模擬的土體徑向位移等值線/mm

圖9 模擬的距樁軸線2D處土體徑向位移

3.2.2 土體豎向位移

圖10、圖11給出了沉樁過(guò)程中土體豎向位移的變化情況。由圖可知，均質(zhì)硬層土體豎向位移與模型試驗(yàn)的結(jié)果一致，都顯現(xiàn)出了樁端下側(cè)土顆粒向上位移與向下位移的分界線的位置，且分界線與樁軸之間的角度大小關(guān)系也表現(xiàn)一致。對(duì)于上硬下軟土體，樁處于上部硬土中時(shí)土體豎向位移增長(zhǎng)迅速，并且樁端越接近分界面以下的軟層地基，則對(duì)硬層土體的緩沖就越為顯著，即土體豎向位移增速減緩。隨著樁的持續(xù)壓入，考慮到土體徑向位移，樁周土顆粒的位移模式由近似豎直向下變?yōu)樾毕蛳?，且位移方向與樁軸夾角逐漸變大，數(shù)值逐漸變小。

圖10 模擬的距樁軸線2D處土體豎向位移

圖11 模擬的土體豎向位移等值線/mm

3.3 特征點(diǎn)位移路徑分析

為了更加細(xì)致地研究不同土層在沉樁過(guò)程中的位移變化情況，選取不同位置處的控制點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)位置變化分析。特征點(diǎn)的位置分別位于距土體表面以下1.5R，5.5R，9.5R與距對(duì)稱(chēng)中心2R，3R，4R，5R，6R的交叉點(diǎn)處，其中R為樁半徑。圖12為在兩類(lèi)土層沉樁過(guò)程中特征點(diǎn)6個(gè)階段的位移路徑和最終位移變化圖。由圖可知，對(duì)于均質(zhì)硬層，隨沉樁深度的增加，樁內(nèi)土塞逐漸密實(shí)，樁側(cè)土顆粒的運(yùn)動(dòng)模式較為單一，并呈現(xiàn)出“J”狀；而上硬下軟雙層土體中的土顆粒運(yùn)動(dòng)類(lèi)型則相對(duì)復(fù)雜，由于同時(shí)受到土塞密實(shí)度變化與下部軟弱土層的雙重影響，土顆粒的運(yùn)動(dòng)模式近似呈現(xiàn)為“><”形，并且在距離對(duì)稱(chēng)中心2R處，運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生了改變；使得在土體表面以下9.5R處，距樁軸線不同距離處的位移變化差異明顯。

圖12 特征點(diǎn)位移路徑及最終位移變化圖

4 結(jié)論

(1)樁周土體受沉樁影響的區(qū)域可以劃分為3類(lèi)，分別是以斜向上位移為主的淺表層區(qū)域，以徑向位移為主的樁側(cè)區(qū)域和以斜向下位移為主的樁端側(cè)向土體區(qū)域。

(2)隨著樁的貫入，土體徑向位移影響范圍也隨之增大，但土體徑向位移量增加較小。壓樁結(jié)束后，土體徑向位移的最大值約在樁身1/3深度處。同一深度處土體的豎向位移量隨壓樁深度的增加而呈增大趨勢(shì)，并且其方向逐漸向徑向轉(zhuǎn)變。

(3)上硬下軟層狀土體具有更為復(fù)雜的響應(yīng)機(jī)制，表現(xiàn)在沉樁初期，其與均質(zhì)硬層土體的擠土位移模式近似，但隨著樁的持續(xù)壓入，由于受到下部軟弱土體的影響，使得土體徑向位移值迅速增大，并在軟硬土層交界處達(dá)最大值，此時(shí)樁周及樁端下部土體豎向運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)也更加明顯。

(4)均質(zhì)硬層土顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡呈現(xiàn)出“J”狀，上硬下軟雙層地基土顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡近似為“><”形。