黏土中鋼管樁拔樁模型試驗(yàn)研究

孫亭亭 楊吉新* 張志華 楊竟南 張 璇 宋曉婷

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (長江水利委員會長江科學(xué)院2) 武漢 430010)

0 引 言

橋梁建設(shè)中，需要打設(shè)鋼管樁作為臨時支撐體系，待到橋梁上部結(jié)構(gòu)完成后再拆除臨時支撐，這就涉及到鋼管樁拔樁的問題.目前常采用水底切割的方式，切除河床上的鋼管樁，但這種方法施工難度大、安全系數(shù)低、造價成本高.為了能有效拔出施工時遺留的鋼管樁，國內(nèi)外諸多學(xué)者進(jìn)行了拔樁的研究工作.試驗(yàn)方面：Mosallanezhad等[1-2]通過開展普通樁和擴(kuò)底樁的多個室內(nèi)試驗(yàn)，研究了拔樁的力學(xué)性能，得到了擴(kuò)底樁的抗拔承載力大于普通樁.葛楠等[3-4]通過室內(nèi)試驗(yàn)對比了根式抗拔樁和普通抗拔樁在不同荷載等級下的樁身位移、軸力和摩阻力變化規(guī)律.在荷載傳遞機(jī)理方面：陳昌富等[5]通過建立樁-土傳遞模型，分析了抗拔樁在不同荷載下的樁體位移.劉梅等[6]研究了不同樁長的抗拔樁在不同地基中的破壞模式.Yao等[7]基于彈性力學(xué)理論和樁荷載傳遞原理，推導(dǎo)了考慮加固作用的群樁變形的非線性解析表達(dá)式，并驗(yàn)證了該方法的有效性.邱紅勝等[8]通過理論分析和數(shù)值模擬的方法分析了支盤式錨桿的承載力性能優(yōu)于普通錨桿.郭浩然等[9]通過改進(jìn)的樁-土荷載傳遞模型，對樁的軸力和側(cè)摩阻力進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，改進(jìn)的模型可以較好地反映樁的承載特性.

綜上所述，大多數(shù)學(xué)者主要是以抗拔樁作為研究基礎(chǔ)的，關(guān)于順利地將待拔樁拔出的研究較少，為了提高拔樁效率和資源的可持續(xù)使用，本文通過對室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，設(shè)置不同的待拔樁長度、直徑，來研究拔樁時待拔樁的受力狀態(tài)及拔樁過程中樁周圍土體的荷載傳遞規(guī)律.

1 拔樁模型試驗(yàn)

1.1 模型箱和測試系統(tǒng)

以湖北石首某大橋的拔樁工程項(xiàng)目作為研究背景[10-11]，采用縮尺試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍M拔樁過程，模型箱見圖1.模型箱由鋼板和角鋼制作而成，1.0 m×1.0 m×1.5 m(長×寬×高)，模型箱上部制作支架并安裝動滑輪和定滑輪，用鋼絲拉繩來連接待拔樁和加載裝置，加載裝置在模型箱左側(cè)面.模型箱正面安裝2塊透明鋼化玻璃，鋼化玻璃尺寸1.0 m×0.75 m.根據(jù)文獻(xiàn)[1-2]中，對周圍土體的影響區(qū)域在3D(樁徑)左右，選取試驗(yàn)樁樁徑范圍80～120 mm，待拔樁中心距離模型箱的距離為440 mm(3.7～6.2D)，滿足邊界效應(yīng)要求.

圖1 模型箱和測試系統(tǒng)

測試系統(tǒng)中主要有以下幾個部分：

1)應(yīng)變片 可以測出拔樁時樁身軸力變化情況，在樁身按照樁長等距離布置若干個.試驗(yàn)中采用的是120-3AA金屬應(yīng)變片，阻值：120 Ω，靈敏度：2.0 mV/V，基底尺寸：6.9 mm×3.9 mm，絲柵尺寸：3.0 mm×2.3 mm.

2)微型土壓力盒 主要用來測量土體中受力變化情況，布置在樁側(cè)土體中.本文試驗(yàn)采用的微型土壓力盒尺寸：28 mm×10 mm(直徑×厚度)，量程0～50 kPa，靈敏度≤0.1% FS，工作溫度-20～80 ℃.在試驗(yàn)之前，采用自制的鐵桶300 mm×100 mm(高度×直徑)[12]，將土壓力盒埋置在和試驗(yàn)土體相同密實(shí)度的土中，采用多級砝碼加載標(biāo)定土壓力盒系數(shù)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)和出廠標(biāo)定的結(jié)果僅有8%的誤差，所以，試驗(yàn)中直接采用土壓力盒的出廠標(biāo)定系數(shù)進(jìn)行計(jì)算.

3)動靜態(tài)應(yīng)變儀 選擇JM3841動靜態(tài)應(yīng)變儀(也稱為準(zhǔn)動態(tài)應(yīng)變儀)是一款支持靜態(tài)和低速動態(tài)應(yīng)變測試的高性能應(yīng)變儀，共有16個測試通道，特別適合測點(diǎn)分布相對分散的工程測試場合.

1.2 試驗(yàn)土體

由于試驗(yàn)中模型箱尺寸的限制，為了使得試驗(yàn)土的各項(xiàng)物理指標(biāo)(黏聚力、內(nèi)摩擦角和壓縮模量等)滿足要求.使用重塑后土體，并控制含水量.試驗(yàn)中黏土取自項(xiàng)目施工現(xiàn)場，黏土的物理性質(zhì)列于表1.重塑后的黏土樣品和土體的級配曲線，見圖2.

表1 試驗(yàn)土體物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖2 土樣和級配曲線

1.3 試驗(yàn)樁

選擇相同樁徑不同長度和不同長度相同樁徑的鋼管樁模擬待拔樁.為了更好的模擬施工現(xiàn)場的鋼管樁，采用普通鋼管作為樁身材料，樁身直徑80～120 mm、壁厚4 mm，試驗(yàn)時埋置深度80～120 mm，在樁身粘貼120-3AA金屬應(yīng)變片，樁端開孔與鋼絲繩連接，并進(jìn)一步連接到拔樁系統(tǒng)中.6種不同的待拔鋼管樁模型規(guī)格見表2，模型樁見圖3.

表2 待拔樁參數(shù)樁號埋置深度/cm直徑/mmDBZ180120DBZ2100120DBZ3120120DBZ412080DBZ512090DBZ6120100圖3 模型樁

1.4 試驗(yàn)方法和加載方式

試驗(yàn)中待拔樁均采用預(yù)埋的方法安裝，在分層填土?xí)r，當(dāng)模型箱內(nèi)的土到一定高度后，通過模型箱上部的型鋼支撐體系中的動滑輪、定滑輪和鋼絲繩共同配合，安裝待拔樁.由鋼絲繩連接待拔樁自然下垂，保證樁身軸線垂直，然后用“落雨法”填充土樣，并分層夯實(shí)、整平，同時在正立面散白色粉末，作為參考線.當(dāng)?shù)竭_(dá)預(yù)埋土壓力盒的高度時，將土壓力盒按照相應(yīng)位置埋入土中(拔樁示意圖和土壓力盒布置見圖4)，繼續(xù)重復(fù)上述步驟，直到達(dá)到設(shè)定高度.靜置12 h后進(jìn)場拔樁試驗(yàn).拔樁時主要通過模型箱上部的型鋼支撐體系進(jìn)行施加上拔荷載.為了保證每一級穩(wěn)定加載，在拔樁過程中，采用慢速維持荷載法進(jìn)行加載，在施加荷載后的第5，10，30和60 min，通過觀察樁體位移判斷加載情況.當(dāng)樁體位移達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)時，再進(jìn)行下一級加載，重復(fù)上述過程，直到待拔樁順利拔出.

圖4 拔樁示意圖和土壓力盒分布

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 荷載-位移曲線變化規(guī)律

對6種待拔樁分兩組進(jìn)行試驗(yàn)，得出了分別在相同長度下和相同直徑下的荷載-位移曲線見圖5.兩組待拔樁的荷載-位移表現(xiàn)出，在荷載較小時，兩組待拔樁的荷載-位移曲線表現(xiàn)為直線形式；荷載不斷增大，曲線斜率也隨著增大，由較小荷載時的緩變形式逐漸變的陡峭，并呈現(xiàn)出迅速變化的趨勢.樁周土體由開始的彈性階段變?yōu)樗苄噪A段，待拔樁和樁周土體接觸面的摩擦力被逐漸破壞，并不斷增長，最后伴隨著荷載的增加，待拔樁被緩慢拔出.通過觀察樁土接觸面的破壞情況，發(fā)現(xiàn)在上拔荷載較大時，待拔樁與土體出現(xiàn)分離，但是樁土沒有產(chǎn)生協(xié)同作用，還是樁土接觸面之間的摩擦力產(chǎn)生作用.所以，待拔樁在上拔荷載的作用下，先抵抗樁體自重，當(dāng)超出自重荷載時，繼續(xù)抵抗樁土接觸面之間的摩擦力，摩阻力破壞后樁土之間產(chǎn)生滑移，最后把待拔樁拔出.

圖5 荷載-位移曲線

6根待拔樁的極限承載能力見圖6，由圖6可知:DBZ1最容易拔出，在上拔力為748.2 N時可以順利拔出；DBZ3最不易拔出，在上拔力為1 205.6 N時可以順利拔出.上拔力隨著待拔樁長度和樁徑增加而增大.在上拔荷載的作用下，荷載沿著樁身向下傳遞，在樁土接觸面表現(xiàn)為剛開始樁側(cè)土和樁身一起運(yùn)動，最后樁側(cè)土形成剪切破壞，從而使得待拔樁順利拔出.可以看出與樁長、樁徑和加載等級有關(guān).

圖6 各種試驗(yàn)條件下的極限上拔力

2.2 樁身軸力分布

對6根待拔樁進(jìn)行軸力測試，等直徑不同長度下的樁身軸力分布曲線見圖7，等長度不同樁徑下的樁身軸力分布曲線見圖8.根據(jù)待拔樁情況對每根樁進(jìn)行分級加載，在整個拔樁過程中，樁身軸力隨著深度呈現(xiàn)線性分布顯示出逐漸減小的趨勢，這和文獻(xiàn)[12]中的分布規(guī)律一致.在樁頂軸力最大，樁底部軸力為0，這和工程背景中鋼管樁用作臨時支撐的情形一致，待拔樁作為摩擦樁承擔(dān)臨時荷載，要想順利拔出待拔樁必須克服樁體自重和樁土之間的摩阻力.

圖7 等直徑不同長度下的樁身軸力分布曲線

圖8 等長度不同樁徑下的樁身軸力分布曲線

對于等直徑不同長度的待拔樁來說，長度每增加20 cm，樁身軸力相對增加26%，除了克服樁身自重以外還要克服樁側(cè)土的摩阻力，埋深越深樁側(cè)土的摩阻力越大.在3根不同長度的待拔樁中，每一根樁的軸力分布曲線都是從樁頂沿樁身逐漸減小，一直到樁底處減小為0.在較小荷載的加載中，曲線曲率變化不明顯，主要是因?yàn)樯习魏奢d在沿樁身傳遞過程中受到樁側(cè)土的制約，隨著荷載等級的加大，軸力曲線曲率發(fā)生較明顯的變化，說明加載力在不斷克服樁側(cè)土的摩阻力，上拔荷載可以不斷傳遞到樁底.

在等長度不同樁徑的軸力曲線分布中，可以看出，樁徑為80 mm的DBZ4所需的拔樁力最小，樁徑為100 mm的DBZ6所需的拔樁力最大；樁徑每增加10 mm，樁身軸力相對增加16%.樁徑越大和土體的接觸面積越大，在拔樁時上拔荷載的傳遞越緩慢，對于分級加載中和等直徑下不同樁長顯示同樣的規(guī)律性.可以看出樁體軸力傳遞與樁長埋深和樁側(cè)土接觸密切相關(guān)，在上拔荷載的作用下，除了樁身承擔(dān)荷載以外，樁側(cè)土也分擔(dān)很大一部分，主要是通過觀察樁側(cè)土壓力的變化情況來判斷拔樁時土體承擔(dān)的荷載效應(yīng).

2.3 拔樁時土壓力變化

為了詳細(xì)了解拔樁時樁側(cè)土體變化，選擇試驗(yàn)樁中直徑最大的DBZ6和長度最長的DBZ3作為研究對象，在待拔樁周圍布置土壓力盒測試的數(shù)據(jù)觀察土體受力變化情況.圖1和圖4的試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭校跇秱?cè)布置5個土壓力盒，從上到下編號依次為1～5.分別考慮在臨近樁側(cè)、1倍的樁徑處和2倍的樁徑處三種不同位置處的土壓力變化情況.

2.3.1臨近樁側(cè)

在圖4的拔樁系統(tǒng)中，測試拔樁時樁側(cè)土體受力變化.測試結(jié)果見圖9.

圖9 臨近樁側(cè)土受力變化

結(jié)果表明:樁端下部土體受力最小，并沿著樁身向上不斷增大，在最上部的土壓力盒檢測出來的土體受力最大.對比圖9 a)～b)可知：

1)當(dāng)位移在0～5 mm時，有明顯的折點(diǎn)，樁側(cè)的土壓力基本呈現(xiàn)直線增長，5～12 mm時，增長速率減慢，位移在12 mm之后增長更加緩慢；說明在產(chǎn)生較大位移時樁土之間出現(xiàn)了變形不協(xié)同，所有在最后階段土壓力增長變緩.

2)在位移為5 mm出現(xiàn)折點(diǎn)時，DBZ6最下部的壓力平均為0.245 kPa，最上部的壓力平均為2.264 kPa；對于DBZ3最下部的壓力平均為0.281 kPa，最上部的壓力平均為2.603 kPa.可以看出，在相同長度下樁徑越大，在上拔荷載的作用下產(chǎn)生位移時，樁側(cè)土的壓力越大.

3)在樁體位移為20 mm時，DBZ6中樁側(cè)土壓力最大值為4.413 kPa，DBZ3中樁側(cè)土壓力最大值為4.846 kPa，DBZ3比DBZ6的壓力效應(yīng)增加約10%；這是由于土體在荷載傳遞中是顆粒與顆粒之間的傳遞，散粒體之間的傳播效應(yīng)不像連續(xù)體是連續(xù)傳播，顆粒之間傳遞效應(yīng)向周圍發(fā)散傳遞.

2.3.21倍樁徑處

圖10為距離待拔樁1D處的土壓力盒受力變化情況.由圖10可知，顯示和臨近樁側(cè)的曲線變化規(guī)律一致，但是在相同的拔樁位移下，土壓力較樁側(cè)的數(shù)值明顯減小.當(dāng)在折點(diǎn)5 mm處時，DBZ6樁上端最大壓力為1.412 kPa，較臨近樁側(cè)減小了67%；DBZ3樁上端最大壓力為1.511 kPa，較臨近樁側(cè)減小了69%；在樁體位移為20 mm時，DBZ6中樁側(cè)土壓力最大值為2.641 kPa，DBZ3中樁側(cè)土壓力最大值為2.904 kPa.因?yàn)镈BZ3樁徑比DBZ6大，顆粒傳遞路徑增加，DBZ3減小的幅度比DBZ6要大.

圖10 1倍樁徑處土受力變化

2.3.32倍樁徑處

圖11為距離待拔樁2D處的土壓力盒受力變化情況.由圖11可知，當(dāng)在折點(diǎn)5 mm處時，2根試驗(yàn)樁的數(shù)值依然在減小，其中最下部的土壓力盒測試到的數(shù)值最小.通過和1D處的數(shù)值比較，DBZ6最下部的土壓力由0.182 kPa減小到0.128 kPa，DBZ3最下部的土壓力由0.201 kPa減小到0.137 kPa；DBZ6樁上端最大壓力由1.412 kPa減小到0.950 kPa，DBZ3最下部的土壓力由1.551 kPa減小到1.026 kPa.在樁體位移為20 mm時，DBZ6中樁側(cè)土壓力最大值由2.641 kPa減小到1.762 kPa；DBZ3中樁側(cè)土壓力最大值由2.904 kPa減小到1.905 kPa.

綜上所述，可以看出沿樁長分布的土體應(yīng)力，隨著拔樁位移的增加，土體應(yīng)力不斷增大，前期增長較快，后期增長幅度緩慢；底部壓力最小，上部壓力最大，且變化的比較均勻.在上拔過程中，待拔樁需要克服樁土之間的摩擦力，樁側(cè)土摩擦力破壞后，樁土之間的變形出現(xiàn)不協(xié)同，最后位移較大處土壓力增加緩慢.但是由于本文研究的拔樁位移比較小，待拔樁只產(chǎn)生了較小的位移.在顆粒之間的黏聚力的作用下，拔樁后的空隙處不會很快被填充上，導(dǎo)致測試的最下部的土體應(yīng)力較小，而上部土體在拔樁過程中，土體一直處于被壓縮的狀態(tài)，并隨著拔樁位移的增加土體顆粒之間相互擠壓，慢慢呈現(xiàn)以待拔樁為中心的“上拱”的趨勢.土壓力數(shù)值以待拔樁為中心往四周散開，離樁越遠(yuǎn)土壓力越小，樁端下部土體受力最小，并沿著樁身向上不斷增大，最后呈現(xiàn)“倒錐形”.在試驗(yàn)中，樁底部土壓力數(shù)值很小，但是在樁頂區(qū)域依然有較大的土壓力存在.

3 結(jié) 論

1)當(dāng)上拔荷載較小時，待拔樁的荷載-位移曲線表現(xiàn)為直線形式；隨著上拔荷載不斷增大，曲線斜率也隨著增大，由較小荷載時的緩變形式逐漸變的陡峭，并呈現(xiàn)出迅速變化的趨勢.各樁所需上拔荷載，隨著樁徑和樁長的增加而增大.

2)對于等樁徑不同長度的待拔樁，長度每增加20 cm，樁身軸力相對增加26%，埋深越深樁側(cè)土的摩阻力越大；等長度不同樁徑的待拔樁，樁徑每增加10 mm，樁身軸力相對增加16%，樁體軸力傳遞與樁長埋深和樁側(cè)土接觸密切相關(guān).

3)在拔樁時樁側(cè)土壓力在拔樁位移5 mm時出現(xiàn)折點(diǎn)，在位移20 mm時DBZ3比DBZ6的壓力效應(yīng)增加約10%；隨著拔樁位移的增加，土體應(yīng)力不斷增大，前期增長較快，后期增長幅度緩慢.

4)通過對比臨近樁側(cè)、1倍樁徑處和2倍樁徑處的土壓力數(shù)值，可以看出，土壓力數(shù)值以待拔樁為中心往四周散開，離樁越遠(yuǎn)土壓力越小，樁端下部土體受力最小，并沿著樁身向上不斷增大，最后呈現(xiàn)“倒錐形”.