靜壓楔形樁沉樁效應(yīng)模型試驗研究

張可能，何杰, ，劉杰，吳有平，李冰

(1. 中南大學 地球科學與信息物理學院，湖南 長沙，410083；2. 湖南工業(yè)大學 土木工程學院，湖南 株洲，412007)

靜力壓樁因具有無噪音、無振動、無沖擊力、施工應(yīng)力小等優(yōu)點而得到了廣泛應(yīng)用。但是，靜壓樁屬于擠土樁，其沉樁過程中產(chǎn)生的土體豎向和水平位移可能對臨近建筑物帶來不良影響，為此，國內(nèi)外研究人員針對靜壓樁的沉樁效應(yīng)開展了一系列有益的研究，如：徐建平等[1?2]通過模型試驗獲得了土體側(cè)向位移、孔隙壓力、地面隆起隨壓樁過程變化的規(guī)律；Vesic[3]采用圓孔擴張理論分析靜力壓樁過程中的擠土效應(yīng)問題；Carter等[4?9]在此基礎(chǔ)上針對實際情況研究了靜壓沉樁的沉樁效應(yīng)，并得到了一系列有益的理論分析成果。由于壓樁過程的復(fù)雜性，對于這些現(xiàn)象的理論計算分析不能較好地反映實際情況，有一些研究人員采用有限元方法對靜壓圓柱形孔的內(nèi)壁位移、樁周土體的應(yīng)力場、位移場等進行了計算分析[10?19]。目前，靜力壓樁的沉樁效應(yīng)研究主要目標是傳統(tǒng)的等截面樁，沒有涉及靜壓楔形樁的沉樁效應(yīng)。在工程中，楔形樁一般采用預(yù)制樁，其施工方法以靜壓法居多。它巧妙地利用了樁的楔形側(cè)壁，強化了樁與土體之間的相互作用，其承載能力的提高主要是靠傾斜的側(cè)壁對樁周土產(chǎn)生擠壓作用獲得，因此，對楔形樁在沉樁過程中的擠土效應(yīng)進行研究很有必要。為提高楔形樁的利用水平，使其在軟土地基加固中推廣應(yīng)用，本文作者基于室內(nèi)模型試驗結(jié)果，討論靜壓楔形樁的沉樁效應(yīng)。

1 模型試驗

模型試驗在長×寬×高為 3.0 m×6.0 m×3.0 m的基坑中進行，基坑內(nèi)分層填筑黏性土，土的主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 土的物理力學參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of soil

為了探討楔形樁靜壓沉樁時的擠土效應(yīng)，同時研究等截面樁與楔形樁在擠土效應(yīng)方面的差異，本試驗采用4個不同截面的木樁進行對比試驗，木樁的尺寸如表2所示。

壓樁的加載系統(tǒng)如圖1所示。在沉樁過程中，淺層樁周土的位移由布設(shè)在地表的監(jiān)測點表示，監(jiān)測點沿樁徑向的距離分別為距樁身軸線1.0d(d代表平均樁徑)，2.0d，3.0d，4.5d，6.0d 和 7.5d(如圖2 所示)。

在靜力沉樁過程中，嚴格按照國家標準《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》執(zhí)行。由千分表與T2精密光學經(jīng)緯儀(下稱經(jīng)緯儀)聯(lián)合測定地表豎向位移，由經(jīng)緯儀測定地表徑向位移，壓力傳感器測定沉樁壓力，每壓完1節(jié)樁(20 cm)分別讀取各儀器儀表的數(shù)值。經(jīng)緯儀監(jiān)測的各監(jiān)測點采用長 1 cm的大頭針穿上長×寬約0.5 cm×0.5 cm的白色泡沫塑料做成位移觀測標記，觀測時以大頭針頭部的移動為準。千分表監(jiān)測的各監(jiān)測點采用長×寬為0.5 cm×0.5 cm的玻璃做成位移觀測標記。

表2 模型樁的尺寸Table 2 Size of model pile

圖1 試驗裝置示意圖Fig.1 Installation of experimental equipments

圖2 測點布置示意圖Fig.2 Sketches of survey points

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 豎向位移分析

對經(jīng)緯儀、千分表的豎向位移讀數(shù)進行歸一化處理，得到不同沉樁深度下地面豎向位移，如圖3所示。由圖3可看出：(1) 地表豎向位移隨樁入土深度的增加而不斷增加；(2) 距離樁中心(1.0～2.0)d范圍內(nèi)的地表土沒有出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，而是土被“拽入”地表水平面以下，且隨著沉樁深度的增加，樁周土的下沉量越大；(3) 距離樁中心越遠，地表豎向位移越小，且減小的幅度也逐漸減小。

等截面樁在沉樁過程中，其地表豎向位具有如下特點(見圖3(a))：(1) 距離樁中心(1.0～2.0)d范圍內(nèi)的地表土隨沉樁深度的增加而不斷下沉，當樁體被壓到預(yù)定位置時，在距離樁中心1.0d處達到最大沉降值，其最大沉降量為3.81 mm，約為樁徑的5.08%；(2) 樁周土表在沉樁過程中，在2.0d以外的地表土出現(xiàn)隆起，且隆起的“峰值”出現(xiàn)在3.0d處，最大隆起量出現(xiàn)在沉樁的第1階段(0～20 cm)，最大隆起量為0.763 mm，約為樁徑的1.02%；(3) 隨著沉樁深度的增加，距離樁中心各監(jiān)測點所產(chǎn)生的位移差很小，且在6.0d以外的樁周土表基本沒因沉樁產(chǎn)生的豎向位移，即等截面樁因靜力沉樁使地表出現(xiàn)豎向位移的影響范圍約為6倍樁徑之內(nèi)。

楔形樁在沉樁過程中，其地表豎向位移表現(xiàn)出如下特點(見圖3(b)～(d))：(1) 樁周土表均隨沉樁深度的增加而不斷下沉，地表最大沉降量出現(xiàn)在1倍平均樁徑處，且隨著楔角增大，樁周土表的沉降越大，樁周土表的最大沉降量為平均樁徑的5.78%～9.45%；(2) 隨著距離樁中心距離的增大，地表沉降的隨減速率隨楔角的增大而不斷增大，且沉樁的影響范圍隨楔角的增大而不斷增大。

2.2 徑向位移分析

對經(jīng)緯儀所監(jiān)測的徑向位移讀數(shù)進行整理，得到不同沉樁深度下地面徑向位移的情況，如圖4所示。

從圖4可看出：樁周土表的徑向位移趨勢與圖3所示的樁周土表豎向位移趨勢基本相同，距離樁中心(1.0～2.0)d范圍內(nèi)的地表土沒有因為沉樁遠離樁中心，而是被“拉向”樁中心；距離樁中心越遠，地表豎向位移量越小，且減小的幅度也逐漸減小。

等截面樁在沉樁過程中，其地表徑向位移表現(xiàn)出如下特點(見圖4(a))：(1) 距離樁中心約2.0d內(nèi)的地表土隨沉樁深度的增加而不斷向樁中心移動，但每級位移的差值很小，在距離樁中心1.0d處的位移最大，其最大位移為1.668 mm，約為樁徑的2.22%；(2) 樁周土表在沉樁過程中，在約2.0d以外的地表土開始出現(xiàn)背離樁中心的位移，且最大位移量約出現(xiàn)在3.2倍樁徑處，當樁體被壓到預(yù)定位置時，最大位移為 0.77 mm，約為樁徑的1.03%；(3) 隨著沉樁深度的增加，距離樁中心各監(jiān)測點所產(chǎn)生的位移差很小，且在6.0d以外的樁周土表基本沒因沉樁產(chǎn)生徑向位移，即等截面樁因靜力沉樁使地表出現(xiàn)徑向位移的影響范圍約為6倍樁徑以內(nèi)。

圖3 地表豎向位移曲線Fig.3 Curves of vertical displacement on ground

圖4 地表徑向位移曲線Fig.4 Curves of radial displacement on ground

楔形樁在沉樁過程中，地表徑向位移表現(xiàn)出如下特點(見圖4(b)～(d))：(1) 楔形樁的樁周土表均隨沉樁深度的增加而不斷向樁中心移動，地表最大位移出現(xiàn)在約1倍樁徑處，且隨著楔角增大，樁周土表的徑向位移越大，樁周土表的最大徑向位移為平均樁徑的0.92%～2.04%；(2) 隨著距離樁中心距離的增大，地表徑向位移的衰減速率隨楔角的增大而不斷增大，且沉樁的影響范圍隨楔角的增大而不斷增大。

對比圖3和圖4可以看出：楔形樁在沉樁過程中對樁周土的擠土效應(yīng)與等截面樁的不一樣：(1) 隨著沉樁深度的增加，在2倍樁徑以內(nèi)的等截面樁樁周土表不斷下沉，且不斷向樁中心靠攏，但2倍樁徑以外的樁周土表因沉樁而隆起遠離樁中心；楔形樁周土始終處于受壓狀態(tài)，隨著沉樁深度的增加，樁周土表不斷下沉，且不斷向樁中心靠攏；(2) 楔形樁樁周土地表的位移比等截面樁的位移要大，并且隨著楔角的增加，其位移越大；(3) 隨著距離樁中心距離的增大，楔形樁樁周土地表位移的衰減速率比等截面樁的快，且隨著楔角的增加，衰減速率增加。這說明楔形樁在靜壓過程中對周圍土體的擠土效應(yīng)比等截面樁的明顯。

2.3 沉樁深度與貫入力的關(guān)系

對壓力傳感器所監(jiān)測的沉樁壓力讀數(shù)進行整理，沉樁壓力與沉樁深度的關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出：(1) 在沉樁初始階段所需的沉樁壓力增長很快，當沉樁深度達到約0.3 m時，所需的沉樁壓力出現(xiàn)拐點，此后，所需沉樁壓力緩慢增加；(2) 楔形樁所需沉樁壓力隨沉樁深度的增加而不斷增加，且楔角越大的楔形樁所需沉樁壓力的增加速率越大；(3) 各樁被壓到預(yù)定位置時，楔形樁所需的沉樁壓力要比等截面樁的大，且楔角越大的楔形樁所需的沉樁壓力越大。

圖5 沉樁壓力?沉樁深度關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between piling pressure and piling depth

3 結(jié)論

(1) 在沉樁過程中，等截面樁周土表面的豎向位移并不是始終出現(xiàn)隆起，徑向位移也不是始終遠離樁中心：距離樁中心約2倍樁徑內(nèi)的土的豎向位移隨沉樁深度的增加而不斷增加，最大沉降出現(xiàn)在1倍樁徑處，約為樁徑的5.08%；在2.0d范圍以外的地表土出現(xiàn)隆起，最大隆起出現(xiàn)在3倍樁徑處，最大隆起量約為樁徑的1.02%；距離樁中心約2倍樁徑范圍內(nèi)的土的徑向位移指向樁中心，但每級沉樁的徑向位移差很小，最大徑向位移約為樁徑的2.22%；在約2.0d范圍以外的地表土出現(xiàn)背離樁中心的徑向位移，其最大位移出現(xiàn)在3倍樁徑處，最大位移約為樁徑的1.03%。

(2) 在相同地質(zhì)條件下，楔形樁周土的豎向位移隨沉樁深度、楔角的增大而不斷往下增大，最大沉降出現(xiàn)在 1倍平均樁徑處，最大沉降量為平均樁徑的5.78%～9.45%；楔形樁周土的徑向位置也隨沉樁深度、楔角的增大而不斷靠近樁中心，其最大徑向位移也出現(xiàn)在 1倍平均樁徑處，最大徑向位移為平均樁徑的0.92%～2.04%。

(3) 等截面樁沉樁所需的沉樁壓力在初始階段迅速增加，在沉樁深度達到0.3 m后，所需沉樁壓力迅速減小，且隨沉樁深度的增加而緩慢增加；楔形樁沉樁所需的沉樁壓力隨樁深度、楔角的增大而不斷增大，且增加的速率越大。

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