高速公路改擴(kuò)建管樁施工土塞效應(yīng)及工藝優(yōu)化

張新勝,李 輝,李吉元

（阿拉善盟交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心巴彥浩特公路養(yǎng)護(hù)工區(qū),內(nèi)蒙古 阿拉善 750306）

0 引言

開口管樁憑借自身承載性能優(yōu)越、工藝簡單、施工便捷、減少工后沉降效果好等一系列優(yōu)勢，在高速公路改擴(kuò)建中的地基處理工程中得到廣泛應(yīng)用[1]。但開口管樁在貫入地基時會產(chǎn)生土塞效應(yīng)，部分樁端土進(jìn)入管樁內(nèi)形成土塞，會對管樁的承載力造成直接影響，不利于改擴(kuò)建工程地基整體承載性能的發(fā)揮?；诖耍撐闹饕槍Ω咚俟犯臄U(kuò)建管樁施工的土塞效應(yīng)和施工工藝展開探究，對于管樁施工工藝的優(yōu)化具有十分重要的參考價值。

1 工程概況

以某高速公路改擴(kuò)建工程項目為例，該工程所處區(qū)域為黃河沖積平原區(qū)，所選試驗場地土層自上而下10 m范圍內(nèi)分別為粉質(zhì)黏土、粉土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。結(jié)合試驗場地的實際地質(zhì)情況，復(fù)合地基承載性能以及施工便捷程度，在實際施工過程中選擇使用預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁，并采用錘擊法將管樁打入地基之中。預(yù)應(yīng)力混凝土薄壁管樁樁徑40 cm，樁壁6 cm，樁身混凝土強(qiáng)度為C60，樁身長度依照上覆路基的荷載情況，確定選擇9 m 和10 m 兩種樁身長度。

2 高速公路改擴(kuò)建管樁施工數(shù)值模型

選用PFC 顆粒流程序構(gòu)建高速公路改擴(kuò)建管樁施工的數(shù)值模型，PFC 能夠?qū)崿F(xiàn)對顆粒體模型的分析，從微觀角度對研究對象的力學(xué)行為和特性進(jìn)行模擬。在長寬為6 m×5 m 的二維空間內(nèi)，以0.15 的初始孔隙率生成級配符合均勻分布、粒徑為14~28 mm 的土體顆粒試樣[2]。通過施加重力加速度，使土體顆粒沉積，并在時步循環(huán)的作用下形成平衡狀態(tài)的顆粒流模型?；诖?，利用計算機(jī)編制控制指令，將豎向大于5 m 的顆粒與頂面墻體進(jìn)行刪除，構(gòu)建開口模型。之后，清零顆粒在橫縱坐標(biāo)上的速度與位移，避免后續(xù)施工壓樁的影響。選用兩段矩形墻體對管樁進(jìn)行模擬，矩形寬度為管壁厚度，兩段墻體的內(nèi)距離則是管樁的內(nèi)徑[3]。為清晰觀測顆粒的位移情況，采用FISH 函數(shù)進(jìn)行染色，最終得到的分層染色顆粒流模型如圖1 所示。

圖1 分層染色顆粒流模型

為增強(qiáng)模型和現(xiàn)實情況之間的適配性，管樁和土體顆粒的力學(xué)參數(shù)如表1 所示。

表1 模型顆粒的力學(xué)參數(shù)

3 基于土塞效應(yīng)的管樁承載特性分析

3.1 土塞效應(yīng)對管樁垂直承載性能的影響

管樁施工過程中產(chǎn)生的土塞會影響管樁的垂直承載力和荷載的傳遞。管樁垂直承載力的組成由管樁內(nèi)外壁和土體之間的摩阻力與端阻力組成，而管樁荷載傳遞則包括管樁內(nèi)外壁與其環(huán)形底面三個方面[4]。管樁垂直承載力Q的計算公式如下：

式中，Qu——管樁所能承受的極限承載力；Qs——管樁外壁和土體之間的極限摩阻力；Qi——管樁內(nèi)部和土體之間的側(cè)摩阻力，也就是土塞效應(yīng)的值；Qp——管樁的極限端阻力。

考慮管樁施工過程中，土塞高度與密實程度、管樁與土體之間的側(cè)摩阻力均處在動態(tài)變化之中，管樁垂直承載力計算的重難點(diǎn)就是對土塞效應(yīng)值的計算。

3.2 土塞效應(yīng)值的分析

管樁內(nèi)側(cè)摩阻力變化如圖2 所示。管樁施工過程中，管樁內(nèi)側(cè)摩阻力隨樁土相對位移的增加而先減小，再迅速增大到最大值，最后減小到某一固定值。

圖2 管樁內(nèi)側(cè)摩阻力變化狀態(tài)

分析管樁內(nèi)側(cè)摩阻力變化現(xiàn)象的原因，當(dāng)管樁貫入地基的深度較小時，內(nèi)側(cè)摩阻力相對較小，土塞效應(yīng)值不會發(fā)生明顯變化。但隨著貫入深度的持續(xù)加深，管樁底部出現(xiàn)大量土體顆粒，致使土塞增高，管樁內(nèi)壁的土體之間的摩擦接觸面積變大，土塞密實度增強(qiáng)，從而導(dǎo)致管樁內(nèi)側(cè)摩阻力快速增長，并在達(dá)到最大之后逐漸縮減至某一定值。也就是說土塞效應(yīng)值會在經(jīng)歷最大值后出現(xiàn)一個明顯的衰減階段，此階段中管樁內(nèi)側(cè)摩阻力遞減，這一現(xiàn)象正是“側(cè)阻退化”現(xiàn)象[5]。

3.3 不同參數(shù)對土塞效應(yīng)的影響

在不考慮管樁貫入深度的情況下，探究不同參數(shù)對管樁施工中土塞效應(yīng)的影響，分析不同參數(shù)與土塞效應(yīng)之間的關(guān)系。

（1）樁壁摩擦系數(shù)。樁壁摩擦系數(shù)較大的管樁，其土塞效應(yīng)值都要比樁壁摩擦系數(shù)小的管樁大。保持貫入深度不變，樁壁摩擦系數(shù)較小的管樁，其土塞高度要大于樁壁摩擦系數(shù)大的管樁，但側(cè)摩阻力并非僅受樁內(nèi)壁和土體顆粒接觸面積的影響，土塞密實度和樁—土交界面的粗糙程度同樣有所影響。樁壁摩擦系數(shù)大的管樁，樁—土交界面的粗糙程度和土塞密實度同樣較高，所以樁壁摩擦系數(shù)較大管樁的土塞效應(yīng)值也更大。同時，隨著樁壁摩擦系數(shù)的增加，土塞效應(yīng)值的增幅逐漸減小。分析原因，雖然樁—土交界面的粗糙程度和土塞密實度有所增加，但土塞高度相繼也發(fā)生明顯變化，樁內(nèi)壁和土體之間的接觸面積有所減少。由此，管樁施工中可采用增大樁壁粗糙程度的方式，增大土塞效應(yīng)值，進(jìn)而提高管樁的垂直承載性能，實現(xiàn)更好的加固。

（2）沉樁速率。沉樁速率較大的管樁，其土塞效應(yīng)值均要大于沉樁速率小的管樁。管樁施工時，如果沉樁速率較大，樁壁會對土體顆粒進(jìn)行更快速的剪切破壞，樁壁和土塞顆粒之間的摩擦阻力更大。同時，隨沉樁速率的持續(xù)增大，土塞效應(yīng)值的增幅逐漸減小，但幅度并不明顯。分析原因，在管樁施工中，雖然沉樁速率增加，但這一改變并不會導(dǎo)致土塞高度發(fā)生改變，樁壁和土體之間的摩擦增大并不顯著。

（3）管樁徑厚比。徑厚比較大的管樁，其土塞效應(yīng)值均要大于徑厚比小的管樁。徑厚比較大的管樁在貫入深度達(dá)到3.5 m 時，所形成的土塞高度要明顯大于徑厚比小的管樁，樁壁和土體的接觸面積增加，致使樁內(nèi)側(cè)摩阻力增加。同時，隨著徑厚比的持續(xù)增加，土塞效應(yīng)值的增幅逐漸減小。分析原因，雖然隨著管樁徑厚比的增加，樁內(nèi)壁和土塞顆粒的接觸面積增加，但在沉樁過程中形成土塞效應(yīng)卻相繼減弱。由此，在實際施工中可保持管樁壁厚不變，通過管樁內(nèi)徑的增加實現(xiàn)土塞效應(yīng)值的增大，從而增強(qiáng)管樁的垂直承載性能。

4 基于土塞效應(yīng)的管樁施工工藝優(yōu)化

4.1 土塞效應(yīng)下的管樁施工參數(shù)優(yōu)化

構(gòu)建開口管樁加固地基的數(shù)值模型，引入土塞效應(yīng)，采用控制變量法，在表2 所示的參數(shù)取值下對管樁施工參數(shù)予以優(yōu)化，優(yōu)化目標(biāo)從承載力和經(jīng)濟(jì)性兩方面確定。

表2 管樁施工參數(shù)取值表

管樁的承載力主要表現(xiàn)為垂直承載力，而垂直承載力的本質(zhì)則是管樁內(nèi)側(cè)摩阻力[6]。由此，利用PFC2D 軟件計算管樁內(nèi)側(cè)摩阻力F。

從經(jīng)濟(jì)性角度分析，管樁造價P的計算公式如下所示：

式中，P——價格函數(shù)；m——管樁單價，取值為855 元/m3；n——管樁的截面積（m2）；h——管樁高度，取值為3 m。

由此綜合兩個維度確定管樁施工工藝的優(yōu)化效果評價函數(shù)E，如下所示：

式中，α——管樁承載性能權(quán)值，取值范圍在0~1；Fmax——管樁承載性能最佳時的承載力最大值；Pmin——經(jīng)濟(jì)性最佳時的成本最低值。

基于上述構(gòu)建的施工工藝優(yōu)化評價函數(shù)，分別對管樁內(nèi)徑和摩擦系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

針對管樁內(nèi)徑而言，在兼顧承載性能和經(jīng)濟(jì)性的條件下，管樁內(nèi)徑對函數(shù)E數(shù)值的影響呈指數(shù)增長，且在內(nèi)徑為300 mm 的位置處，函數(shù)E出現(xiàn)拐點(diǎn)，評價函數(shù)數(shù)值增長速率有所緩慢。分析原因，當(dāng)管樁內(nèi)徑為300 mm 時，管樁施工會出現(xiàn)土塞現(xiàn)象，管樁和土塞之間的側(cè)摩阻力較大。同時隨內(nèi)徑的增大，土塞高度及其與樁壁的接觸面積均增加，但土塞的致密程度相對較低。在此綜合影響下管樁與土塞之間的側(cè)摩阻力增加逐漸緩慢。故此，將最優(yōu)的管樁內(nèi)徑確定為30 cm。

針對管樁摩擦系數(shù)而言，同樣在兼顧承載性能和經(jīng)濟(jì)性的條件下，摩擦系數(shù)對函數(shù)E數(shù)值的影響呈指數(shù)增長。當(dāng)摩擦系數(shù)在0.1~0.5 范圍內(nèi)時，摩擦系數(shù)影響下的函數(shù)E數(shù)值增速明顯。而在摩擦系數(shù)為1.0 時，函數(shù)E出現(xiàn)拐點(diǎn)，評價函數(shù)數(shù)值增長速率放緩。采取同上原理，綜合分析后將管樁最優(yōu)的摩擦系數(shù)確定在1.0。

4.2 施工工藝優(yōu)化方案實施

通過對高速公路改擴(kuò)建管樁施工工藝參數(shù)的優(yōu)化后，在選擇的試驗場地實施優(yōu)化后的管樁施工工藝方案。施工過程中監(jiān)測管樁錘擊貫入地基的土塞數(shù)據(jù)，并通過靜載試驗，探究總錘擊次數(shù)、平均沉樁速率、土塞高度等參數(shù)對管樁施工土塞率的影響，計算公式如下：

土塞率=土塞高度/管樁貫入深度 （4）

靜載試驗由油壓千斤頂提供荷載，加載裝置確定為壓重平臺反力裝置，加載方式采用慢速維持荷載法，每級卸載均為加載的2 倍。試驗中最大荷載為400 kN，單樁承載力設(shè)計為200 kN。

（1）總錘擊次數(shù)與土塞率的關(guān)系。工程中使用9 m和10 m 兩種長度的管樁，無論哪種長度的管樁，土塞率都隨總錘擊次數(shù)的增加而逐漸減小，且9 m 管樁的土塞率更小。同時，在不同的錘擊能下，總錘擊次數(shù)的增多會導(dǎo)致管樁土塞率呈現(xiàn)遞減趨勢，且前期減幅較小，后期逐漸增大。由此可見，在管樁施工中，總錘擊次數(shù)越多，管樁土塞率越小。但從現(xiàn)場施工情況來看，錘擊能較小的樁機(jī)在打樁過程中具有較多的總錘擊次數(shù)。所以，為了更好地提升高速公路改擴(kuò)建工程地基的承載性能，可在確保施工進(jìn)度的條件下盡可能地選擇錘擊能更小的樁機(jī)，從而降低管樁施工的土塞率，提高土塞密實程度，以提升管樁的承載性能。

（2）平均沉樁速率與土塞率的關(guān)系。管樁施工過程中，管樁的土塞率會隨著平均沉樁速率的增加而逐漸增長，且10 m 管樁的土塞率更高。同時，土塞率隨平均沉樁速率增加表現(xiàn)出的增長趨勢，前期增幅較大，后期逐漸減小。因此，在實際工程管樁施工中，應(yīng)盡量選擇錘擊能較小的樁機(jī)，從而盡可能降低管樁施工的平均沉樁速率，從而降低土塞率，以提高管樁承載性能。

（3）土塞高度與土塞率的關(guān)系。針對土塞高度較小的管樁而言，考慮樁內(nèi)土塞的體積較小，施工過程中排出的周圍土體積較大，樁內(nèi)土塞體積和排出周圍土體積的比值就會越小，產(chǎn)生的土塞效應(yīng)相繼愈加明顯。土塞高度和土塞率之間呈線性正相關(guān)關(guān)系，土塞高度越大，管樁的土塞率也就越大，且這一關(guān)系不會受到錘擊能大小的影響。同時，土塞率的增加會導(dǎo)致樁頂累積沉降量與回彈量相繼增大。隨著管樁施工中土塞高度的增加，管樁的擠土效應(yīng)愈不明顯，被排開的周圍土體積越小，最終導(dǎo)致管樁樁頂?shù)睦鄯e沉降量增加。并且土塞率的增大也會使樁內(nèi)側(cè)和土體的接觸面積增加，卸荷后在樁內(nèi)土體的回彈作用下，樁頂回彈量有所增加，但其在樁身回彈量中的占比較小。因此，在實際工程中，可適當(dāng)增大管樁土塞的閉塞程度，從而實現(xiàn)樁頂累積沉降量與回彈量的減少，進(jìn)而提高單樁的承載力與穩(wěn)定性。

5 結(jié)語

目前，有關(guān)高速公路改擴(kuò)建工程中管樁施工土塞效應(yīng)及管樁承載性能的研究尚未形成統(tǒng)一的理論規(guī)范。該文通過深入研究，發(fā)現(xiàn)土塞效應(yīng)對管樁垂直承載性能有著顯著影響，需要準(zhǔn)確分析管樁施工中土塞效應(yīng)的發(fā)生過程和受力機(jī)制，探究不同因素對土塞效應(yīng)的影響規(guī)律，才能更好地實現(xiàn)對管樁施工工藝的優(yōu)化。由此，利用顆粒流程序?qū)軜妒┕みM(jìn)行數(shù)值模擬，探究管樁施工過程中土塞效應(yīng)在不同因素下的變化情況。并在承載性能和經(jīng)濟(jì)性雙目標(biāo)評價函數(shù)的基礎(chǔ)上，對管樁施工工藝進(jìn)行優(yōu)化，制定出最佳的管樁施工設(shè)計參數(shù)選擇方案。