淺圓倉砂土地基中靜壓單樁沉樁和承載力特性研究

劉海軍,肖昭然*,趙憲強

1.河南工業(yè)大學 土木工程學院, 河南 鄭州 450001 2.南京水利科學研究院 巖土工程研究所, 江蘇 南京 210029 3.河海大學 土木與交通學院, 江蘇 南京 210024

淺圓倉是我國糧食儲存的主要倉型[1],為鋼筋混凝土圓形結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)受力好[2],施工周期短[3],倉體的防水、隔熱氣密、通風和密閉等[4]性能易于控制。這些特點極大提高了糧庫的儲糧效益和節(jié)能降耗[5],為我國糧食儲藏和中轉(zhuǎn)的新型倉型。

目前,淺圓倉樁基礎(chǔ)施工常采用靜壓樁處理。針對靜壓樁沉樁和承載力特性,國內(nèi)外相關(guān)人員做了大量研究。Lehane等[6]采用離心模型試驗對正常固結(jié)砂土地基中的樁體承載力進行了分析,得到荷載作用下樁側(cè)壓力的變化對中小型樁的樁側(cè)摩阻力影響較大的結(jié)論。肖昭然等[7]通過分析樁側(cè)摩阻力和樁周土剪切位移相互關(guān)系,建立了樁周土的位移和應力的解析式。周健等[8]采用室內(nèi)模型試驗和顆粒流數(shù)值模擬密實砂中靜壓樁沉樁過程,明確了隨著貫入深度增加沉樁端阻力趨于穩(wěn)定,并存在沉樁端阻力臨界深度。馬哲等[9]基于顆粒流軟件對不同樁尖角的沉樁過程中沉樁端阻力、側(cè)摩阻力和壓樁力進行了分析。呂清顯等[10]采用模型試驗方式研究了砂土中靜壓樁沉樁速度對沉樁特性的影響。黃凱等[11]利用單橋靜力觸探的方式對靜壓樁沉樁阻力進行了分析,建立了綜合修正系數(shù)的靜壓樁沉樁阻力估算方法。Lim等[12-13]通過對不同地下水位和砂土條件下的靜壓樁抗剪承載力與承載力時效性的研究,認為樁側(cè)摩阻力增加與沉樁剪切過程中側(cè)向應力增加有關(guān)。趙憲強等[14]對靜壓樁沉樁終壓樁力和承載力的關(guān)系進行了分析,明確靜壓樁沉樁終壓樁力與承載力具有一致性,且黏性土和砂性土中靜壓沉樁機理存在差異。劉勇等[15]通過模型試驗研究了樁長對沉樁特性和承載力特性的影響,認為單樁的極限承載力主要受樁長影響,且基本與沉樁終壓樁力一致。

因此,靜壓沉樁過程中壓樁力、沉樁端阻力、樁周土體相對密度變化和孔隙水壓力變化,以及沉樁完成后的樁周側(cè)壓力分布等均對明確靜壓樁的沉樁機理和承載力特性具有顯著影響。作者采用室內(nèi)大型模型試驗的方式,還原了砂土地基中靜壓樁的沉樁、靜載過程,考慮了不同樁長、樁尖角度變化的影響,分析了壓樁力、沉樁端阻力、樁周側(cè)壓力和樁體承載力變化規(guī)律,為實際設(shè)計施工提供了理論依據(jù)。

1 試驗裝置和方案

1.1 靜力壓樁裝置設(shè)計

自行研制了大型土工試驗裝置進行靜力壓樁試驗,裝置設(shè)備包含：剪切砂箱、豎向加載裝置和多向加載裝置3個部分。剪切砂箱內(nèi)部凈尺寸為3 m×2 m×2 m(長×寬×高)。豎向加載裝置的電動缸額定荷載為5 t(可超量程至6.5 t),電動缸最大加荷速率為100 mm/min,最小加荷速率為0.001 mm/min,電動缸伸縮桿最大行程為1 m,有效行程為0.05～0.95 m。導軌立柱用于安裝傳感器加載平臺,確保加載過程中電動缸伸縮桿不發(fā)生失穩(wěn)破壞。加載平臺上安裝有輪輻式拉壓傳感器,其量程為5 t,精度為0.01 kN。

1.2 模型樁的制作

模型樁材質(zhì)為6061鋁合金,其彈性模量68.9 GPa,泊松比0.33,樁長1 200 mm(不含樁尖和送樁器),壁厚5 mm,外徑40 mm。模型樁在樁身設(shè)置了微型土壓力盒,量程為300 kPa,厚度4.8 mm,直徑12 mm。此外,為了得到靜壓沉樁和靜載荷過程中的樁端阻力,在模型樁的樁端設(shè)置了端阻計。端阻計的量程為20 kN,精度為0.01 kN(模型樁傳感器布置如圖1所示)。

注：傳感器包括土壓力盒和端阻計等。右側(cè)1、2、3、4指每個橫截面上布置4個土壓力盒。圖1 模型樁傳感器布置示意圖Fig.1 Schematic diagram of the sensor layout of the model pile

1.3 試驗砂樣

模型試驗所用砂土為標準砂,砂土平均粒徑0.39 mm,不均勻系數(shù)5.11,曲率系數(shù)1.17,內(nèi)摩擦角35°,SiO2含量96.5%,最大、最小干密度分別為1.87、1.50 g/cm3,比重2.63,最大、最小孔隙比0.86、0.53。砂土地基采用砂雨法制備,通過改變裝置中出砂口孔徑、孔心間距和落距來制備不同相對密度的砂土地基。本研究為了得到相對密度為0.75的砂土地基,出砂口孔徑設(shè)為6 mm、孔心間距為15 mm,落距為40 cm。制備土樣完成后靜置7 d,再進行靜壓樁模型試驗。

1.4 試驗方案

試驗采用分段方式沉樁,先沉入600 mm,連接加長桿再沉入600 mm。采用水平儀對樁體垂直度校正,模型樁頂與壓力傳感器之間放置有球鉸以確保樁頂受到均勻豎向力。采用控制電動缸的伸縮桿伸長進行沉降速度控制,本試驗中沉樁速率為0.2 mm/s,沉樁完成后靜置24 h后再進行靜載荷試驗。沉樁過程中進行壓樁力和沉樁端阻力的數(shù)據(jù)采集,沉樁完成后進行樁周側(cè)壓力的數(shù)據(jù)采集,并取埋深相同位置4個土壓力盒測量的平均值作為試驗值。

沉樁完成后,進行柱式傳感器和位移計安裝,其中位移計的量程為100 mm、精度0.01 mm。靜載荷試驗中同時測量樁頂荷載和樁頂位移。采用分級加荷的方式進行靜載荷試驗,每級荷載2 kN,加荷時間5 min。沉降觀測為每級加載后間隔1、1、3 min各測讀一次,每次測讀值記入試驗記錄表。沉降相對穩(wěn)定標準為間隔時間的沉降不超過0.1 mm,并連續(xù)出現(xiàn)兩次,認為已達到相對穩(wěn)定,可加下一級荷載。當出現(xiàn)以下情況之一時,即終止靜載荷試驗的加載：沉降急驟增大,荷載-沉降曲線出現(xiàn)陡降段;某級荷載作用下,樁體呈現(xiàn)位移破壞,且加載裝置的控制臺顯示達不到設(shè)計加載值。靜壓單樁試驗方案：樁長120 (30D) cm,樁尖角分別為45°、60°、100°、120°,取砂高度160 cm;樁尖角45°,樁長60 (15D)、80 (20D)、100 (25D)、120 (30D)cm(D為模型樁的直徑),取砂高度160 cm。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 壓樁力分析

由圖2(a)可知,樁長相同樁尖角度不同時,沉樁深度為0～10D范圍內(nèi)樁尖角度差異引起壓樁力差異不明顯,而當沉樁深度大于10D時,隨著沉樁深度增加其差異逐漸增大。這是由于沉樁深度小于10D時壓樁力較小,樁尖角度變化對壓樁力影響也相對較小。隨著沉樁深度增加,樁尖角度影響逐漸增強,差異較為顯著。同時,隨著樁尖角度的增加,沉樁終壓樁力逐漸增大。其中,樁尖角度為45°、60°、120°和180°時,其對應的沉樁終壓樁力分別為4.01、4.21、4.42、4.74 kN,最大相差18%。

由圖2(b)可知,樁尖角度相同樁長不同時,隨著樁長增加沉樁終壓樁力呈非線性增大,但相同沉樁深度范圍內(nèi)壓樁力與樁長無關(guān)。其中,樁長分別為15D、20D、25D和30D時,其對應的沉樁終壓樁力分別為2.28、2.97、3.68、3.93 kN。與樁長15D的沉樁終壓樁力相比,樁長分別為20D、25D和30D的沉樁終壓樁力依次增長了30%、61%和72%,說明隨樁長增加壓樁力增幅逐漸降低,這是由于隨著沉樁深度增加沉樁端阻力基本達到極值,而樁側(cè)摩阻力增幅較低導致的。

圖2 單樁沉樁時壓樁力變化曲線Fig.2 Variation curve of pile pressing force during single pile driving

此外,不同樁尖角度、不同樁長的壓樁力隨沉樁深度增加而具有一定波動性,這是由于制樣過程中土層控制空間分布不均勻?qū)е?但其影響相對較小可忽略。

2.2 沉樁端阻力分析

由圖3可知,沉樁端阻力均隨沉樁深度增加而呈非線性增大,且其與樁長無關(guān),這與壓樁力變化規(guī)律相一致。由圖3(a)可知,樁長相同樁尖角度不同時,沉樁深度為0～8D范圍內(nèi)樁尖角度差異引起沉樁端阻力差異不明顯,而當沉樁深度大于8D時,則隨著沉樁深度增加其差異逐漸增大。這是由于沉樁深度小于8D時沉樁端阻力相對較小,樁尖角度對沉樁端阻力影響也相對較小。樁尖角度對沉樁端阻力影響隨著沉樁深度增加而增強,且隨著樁尖角度的增加,沉樁終端阻力逐漸增大。樁尖角為45°、60°、120°和180°時沉樁終端阻力分別為2.58、2.80、3.01、3.32 kN,且分別為沉樁終壓力的64%、67%、68%和70%,說明樁尖角度越大則沉樁終端阻力也越大,且其占沉樁終壓樁力的比例也越大。

由圖3(b)可知,樁尖角度相同樁長不同時,隨著樁長增加沉樁終端阻力呈非線性增大,但沉樁深度相同時沉樁端阻力基本無差異。其中,樁長分別為15D、20D、25D和30D時沉樁終端阻力分別為1.81、2.37、2.54、2.66 kN,說明樁長越長則沉樁終端阻力也越大。與樁長15D時相比,樁長分別為20D、25D和30D的沉樁終端阻力依次增長了31%、40%和47%,說明隨樁長增加沉樁終端阻力增幅逐漸降低,即沉樁端阻力存在極值。同時,樁長由25D提高至30D時沉樁終端阻力僅增長5%,而樁長由15D提高至20D和20D提高至25D沉樁終端阻力分別增長31%和7%,故沉樁深度為25D時其達到極值。此外,樁長分別為15D、20D、25D和30D時沉樁終端阻力分別占沉樁終壓樁力的79%、80%、70%和68%,顯然樁長越短沉樁終端阻力占其終壓樁力的比例越大。

圖3 單樁沉樁時沉樁端阻力變化曲線Fig.3 Variation curve of pile end resistance during single pile driving

綜上分析可知,當沉樁深度達25D時沉樁端阻力達到臨界值,再增加沉樁深度沉樁端阻力增幅顯著降低,即沉樁深度為25D時沉樁端阻力達到極值這一趨勢越明顯。

2.3 樁周側(cè)壓力分析

計算主動土壓力、靜止土壓力和被動土壓力：

p0=γh(0.95-sinφ),

式中：pa為主動土壓力,kPa;p0為靜止土壓力,pp為被動土壓力,kPa;γ為土體重度,kN/m3;h為土層深度,m;φ為無黏性土的內(nèi)摩擦角,(°)。

由圖4可知,不同樁尖角度、不同樁長沉樁完成后的樁周側(cè)壓力均隨埋深增加而呈非線性增大,且逐漸趨近于被動土壓力。這主要是由于沉樁擠土作用導致樁周土體密實度發(fā)生變化,而計算過程中仍以壓樁前的土體重度和摩擦角進行計算,顯然嚴重低估了土體重度和內(nèi)摩擦角。同時,沉樁引起土體破壞導致樁周土體變形處于被動土壓力狀態(tài),而沉樁完成后隨著樁周土體逐漸趨于靜止土壓力狀態(tài),故利用朗肯被動土壓力將高估樁周側(cè)壓力。實測的樁周側(cè)壓力呈現(xiàn)高于靜止土壓力而又低于被動土壓力的狀態(tài),實質(zhì)是樁周土體相對密度改變的結(jié)果。

圖4(a)表明,樁長相同而樁尖角度不同時相同埋深位置的樁周側(cè)壓力基本一致,且其最大相差僅12%,說明樁尖角度對樁周側(cè)壓力基本無影響。圖4(b)呈現(xiàn)了樁尖角度相同而樁長不同時,相同埋深位置的樁周側(cè)壓力逐漸降低。其中,與樁長15D相比,土壓力盒埋深7.5D時隨著樁長增加樁周側(cè)壓力依次降低4%、22%和35%;土壓力盒埋深12.5D時隨著樁長增加樁周側(cè)壓力分別降低7%、18%和25%。因而,樁長越長則“樁周側(cè)壓力退化”現(xiàn)象也越明顯,這與周健等[8]、王永洪等[16]在試驗中得到的規(guī)律相一致。同時,隨樁長增大樁周側(cè)壓力逐漸趨近于被動土壓力,其中埋深為27.5D時,樁周側(cè)壓力高達被動土壓力的42%。

圖4 單樁沉樁時沉樁完成后的樁周側(cè)壓力分布曲線Fig.4 Lateral pressure distribution curve of the pile circumference after the pile driving is completed when the single pile is driven

2.4 樁體極限承載力特性分析

圖5為樁體承載力取陡降點對應的荷載值。圖5表明不同樁尖角度、不同樁長的樁體荷載-沉降曲線均呈陡降形。由圖5(a)可知,樁長相同樁尖角度不同時,隨樁尖角度增加樁體承載力逐漸增大。其中,樁尖角分別為45°、60°、120°和180°時樁體極限承載力分別為4.18、4.35、4.56、4.99 kN,與其對應的位移分別為3.29、3.23、3.27、3.46 mm,其極限承載力最大相差19%,而位移僅相差7%,說明樁尖角度對其極限承載力具有顯著影響,而對位移基本無影響。同時,樁尖角為45°、60°、120°、180°的樁體極限承載力分別為沉樁終壓樁力的1.04倍、1.03倍、1.03倍和1.05倍,說明樁體極限承載力與沉樁終壓樁力相比,其與樁尖角度無關(guān),且約為沉樁終壓樁力的1.04倍。

圖5(b)表明,樁尖角度相同而樁長不同時,樁體極限承載力隨樁長增加而非線性增大,其中樁長分別為15D、20D、25D、30D時極限承載力分別為2.35、2.99、3.90、4.11 kN,與其對應的位移分別為3.41、3.58、3.64、3.58 mm,進一步說明樁長對極限承載力影響較為顯著,而對位移無影響。同時,與樁長15D時相比,樁長分別為20D、25D和30D時極限承載力分別提高了27%、66%和75%。此外,樁長15D、20D、25D、30D的極限承載力分別為沉樁終壓樁力的1.04倍、1.01倍、1.06倍和1.05倍,其平均值為沉樁終壓樁力的1.04倍,故樁體極限承載力為沉樁終壓樁力的1.04倍,這與張帥等[17]、劉海軍等[18]、肖昭然等[19]和曹明明等[20]得到的結(jié)論相一致。

圖5 單樁沉樁時荷載-沉降變化曲線Fig.5 Load-settlement curve of single pile is driven

3 結(jié)論

靜壓樁的單樁沉樁終壓樁力、沉樁端阻力均隨著樁尖角度和樁長的增大而增大,且樁長對其影響較大。沉樁端阻力占沉樁終壓樁力的比例隨著樁尖角度增加而增大,并隨樁長增加而減小,且存在極值深度25D。靜壓樁沉樁完成后的樁周側(cè)壓力隨深度增加而逐漸趨近于被動土壓力,其中埋深27.5D處達被動土壓力的42%。樁尖角度對樁周側(cè)壓力基本無影響,樁長對樁周側(cè)壓力影響較大,且相同埋深位置的樁周側(cè)壓力隨著樁長增加存在“退化”現(xiàn)象。靜壓單樁承載力隨著樁尖角和樁長的增加而增大,且其最大增幅分別為19%和75%,但當樁長大于25D時極限承載力增幅降低。同時,明確了不同樁尖角、不同樁長的樁體極限承載力均為沉樁終壓樁力的1.04倍,且其對應的沉降為3.23～3.64 mm。