雙層高嶺黏土中沉樁特性模型試驗(yàn)

李雨濃， Lehane B M

1.燕山大學(xué)建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004 2.西澳大學(xué)土木工程與資源學(xué)院，澳大利亞 珀斯 6009

0 引言

目前，巖土工程界諸多國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)、不同重力場(chǎng)下離心機(jī)模型試驗(yàn)以及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)靜壓樁在砂土中沉樁機(jī)理的認(rèn)識(shí)和研究取得了重大的進(jìn)展和突破。Lehane等[1]在干砂中進(jìn)行了開(kāi)口管樁沉樁大型模型試驗(yàn)，研究了樁周土體應(yīng)力、樁徑和管樁壁厚度對(duì)管樁力學(xué)性狀的影響。丁佩民等[2]在砂土中進(jìn)行了大型沉樁模型試驗(yàn)，研究了砂土相對(duì)密度變化對(duì)其內(nèi)摩擦角及鄧肯雙曲線彈性模型參數(shù)的影響。周健等[3]從樁端周圍土體位移場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)、孔隙率變化場(chǎng)等角度，對(duì)砂土中樁端阻力隨位移發(fā)揮的內(nèi)在機(jī)理進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究。Nicola等[4]通過(guò)離心模型試驗(yàn)研究了貫入砂土中管樁的力學(xué)性狀以及土塞性狀。Lehane等[5]在正常固結(jié)砂土中進(jìn)行了閉口鋼方樁的離心模型貫入試驗(yàn)，通過(guò)實(shí)施貫入樁體的破壞性靜載試驗(yàn)，研究了沉樁方法、應(yīng)力水平以及樁截面縱橫比對(duì)試驗(yàn)中樁側(cè)水平有效應(yīng)力增大的影響。劉清秉等[6]在砂土中進(jìn)行了離心機(jī)試驗(yàn)，研究了砂土顆粒形狀對(duì)土體抗剪強(qiáng)度及樁端阻力的影響。

然而，近些年來(lái)對(duì)黏土中同等程度靜壓樁沉樁理論的研究則相對(duì)較少。Eide等[7]在深層沉積的正常固結(jié)黏土中進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)貫樁試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樁基承載力會(huì)隨時(shí)間增加而增大，分析原因主要是樁周超孔隙水壓力消散引起的。Cooke等[8]通過(guò)在硬質(zhì)黏土中進(jìn)行了一系列模型壓樁試驗(yàn)，研究了樁土荷載的傳力機(jī)制。Bond等[9]在高固結(jié)比的黏土中進(jìn)行了貫樁試驗(yàn)，分析了樁在貫入過(guò)程、土體和孔隙水壓力穩(wěn)定過(guò)程以及加載過(guò)程中樁土接觸面處有效應(yīng)力的變化情況。張明義等[10]在不同的現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了兩組靜力壓樁試驗(yàn)，探討了樁的沉樁特性，并認(rèn)為當(dāng)樁端進(jìn)入堅(jiān)硬土層時(shí)，在樁端和樁身中存在著殘余應(yīng)力。Pestana等[11]通過(guò)大量的實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)和室內(nèi)沉樁試驗(yàn)研究，分析了樁在貫入過(guò)程中及之后土體總應(yīng)力以及超孔隙水壓力的變化情況。Doherty等[12]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜壓沉樁試驗(yàn)，對(duì)不同樁型在貫入過(guò)程、靜置穩(wěn)定過(guò)程以及加載過(guò)程中樁的徑向總應(yīng)力、孔隙水壓力和荷載分布情況進(jìn)行了詳細(xì)研究。Kou等[13]通過(guò)在黏土場(chǎng)地進(jìn)行了開(kāi)口管樁的靜壓沉樁試驗(yàn)，對(duì)樁在貫入過(guò)程及貫樁后樁周土體剪切破壞區(qū)域的物理特征進(jìn)行了分析研究。Gavin等[14]在黏土中做了一系列的現(xiàn)場(chǎng)壓樁試驗(yàn)，分析了不同沉樁方法對(duì)樁側(cè)摩阻力發(fā)展變化的影響。

通過(guò)以上研究分析可以看出，近些年巖土學(xué)術(shù)界鮮有針對(duì)分層黏土在地基中樁連續(xù)貫入過(guò)程中的特性進(jìn)行的研究。一方面由于在砂土中進(jìn)行模型試驗(yàn)周期短、易操作，而黏土固結(jié)時(shí)間長(zhǎng)，孔隙水消散存在固結(jié)時(shí)效性等原因加大了黏土中試驗(yàn)的難度；另一方面在實(shí)際工程現(xiàn)場(chǎng)中由于地基的成層性，又不存在均質(zhì)的樁側(cè)土體、樁端土體的情況。因此考慮到樁基實(shí)際工作特點(diǎn)，本文通過(guò)在層狀高嶺黏土地基中采用室內(nèi)1g重力場(chǎng)情況下的模型試驗(yàn)，對(duì)比分析了成層黏土中徑向總應(yīng)力(σr)在沉樁過(guò)程中的變化規(guī)律，并揭示了層狀黏土中靜壓樁的沉樁特性以及不同樁型沉樁終壓力與樁承載力之間的關(guān)系。借此成果希望能夠?qū)o壓樁在黏土中的沉樁機(jī)理研究方面做出一定的補(bǔ)充。

1 試驗(yàn)方案

1.1 壓樁系統(tǒng)

試驗(yàn)采用UWA(西澳大學(xué))的梁式離心機(jī)壓樁系統(tǒng)，在1g黏土中進(jìn)行了靜力壓樁試驗(yàn)，壓裝系統(tǒng)見(jiàn)圖1。

圖1 1g重力場(chǎng)下梁式離心機(jī)壓樁系統(tǒng)Fig.1 Pile-jacking system of beam centrifuge at 1g-level foundation in UWA

1.2 土樣制備

試驗(yàn)土樣采用UWA高嶺黏土，根據(jù)研究要求分別預(yù)制了均質(zhì)軟質(zhì)黏土和上硬下軟雙層黏土兩種地基。試驗(yàn)前，軟質(zhì)黏土及硬質(zhì)黏土分別用150 kPa和600 kPa壓力進(jìn)行預(yù)壓固結(jié)。試驗(yàn)時(shí)將制備好的土樣放置到特定的土樣盒中，土盒尺寸長(zhǎng)258 mm、寬163 mm、高160 mm，兩種類型地基土埋置深度均為150 mm，雙層黏土中上部硬質(zhì)黏土高90 mm，下部軟質(zhì)黏土高60 mm。

1.3 模型樁

本文試驗(yàn)采用的模型樁為邊長(zhǎng)(B)9.0 mm、長(zhǎng)(L)185.0 mm的不銹鋼閉口樁。模型樁兩側(cè)距離樁端不同高度處共安裝6個(gè)直徑為6 mm的土壓力傳感器(B1,B2,B3,B4,F1,F2)，它們被鑲嵌在樁體表面與樁體平面水平，用于量測(cè)樁身不同位置(h/B=1，3，6，12；h為土壓力傳感器距樁端的距離)處的徑向總壓力 (σr)。這些土壓力傳感器最大量程可達(dá)到750 kPa。圖2為方底模型樁的詳細(xì)結(jié)構(gòu)圖。

此外，試驗(yàn)還采用了直徑(D)為9.5 mm，L為215.0 mm的圓底閉口鋼樁，見(jiàn)圖3。該模型樁底安置了端阻力的測(cè)試元件，可觀察樁端阻力的變化情況。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)在1g重力場(chǎng)情況下分別進(jìn)行了T-bar觸探試驗(yàn)、靜壓沉樁試驗(yàn)和樁靜載荷試驗(yàn)。T-bar尺寸D為50.0 mm、L為30.0 cm，結(jié)構(gòu)可見(jiàn)圖4。

試驗(yàn)時(shí)T-bar和模型樁分別以1.0 mm/s和0.5 mm/s的速率勻速貫入黏土樣130 mm深度處。此外，以0.01 mm/s速率對(duì)方形樁和圓底樁分別進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和壓縮試驗(yàn)，最大位移均為2 mm。

圖5為T-bar分別在均質(zhì)軟質(zhì)黏土和雙層黏土中貫入測(cè)試得到的不排水剪切強(qiáng)度(su)。本次試驗(yàn)T-bar在穩(wěn)定階段所受到的土體抵抗力與該點(diǎn)土體的強(qiáng)度比值取Nkt= 10.5[15-16]。

由圖5a可見(jiàn)，T-bar在貫入均質(zhì)軟質(zhì)黏土?xí)r，土體不排水強(qiáng)度先隨深度增加，到達(dá)一定深度后幾乎保持恒定值15 kPa左右。而對(duì)于雙層黏土，由圖5b可見(jiàn)，T-bar貫入在硬層黏土?xí)r，土體su值明顯大于均質(zhì)的軟層黏土，且在距離土層分界面15 mm處土體su值迅速減??；在貫入下部軟質(zhì)黏土層一定深度時(shí)土體su值幾乎無(wú)變化，并且數(shù)值上與均質(zhì)軟質(zhì)黏土同等深度處的不排水剪切強(qiáng)度接近。

圖2 模型樁身應(yīng)變片布置圖Fig.2 Instrumented model pile

圖4 T-bar 觸探儀Fig.4 T-bar penetrometer

a.均質(zhì)軟質(zhì)黏土；b.上硬下軟雙層黏土。圖5 T-bar試驗(yàn)測(cè)得的土體不排水強(qiáng)度Fig.5 Undrained shear strength by T-bar tests

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 貫入過(guò)程徑向總應(yīng)力分析

本次模型試驗(yàn)由于在1g情況下進(jìn)行，隨著時(shí)間的推移黏土將發(fā)生軟化效應(yīng)，故對(duì)于1g試驗(yàn)貫樁后的應(yīng)力變化數(shù)據(jù)不做討論。圖6為方形樁分別在1g情況下均質(zhì)黏土及雙層黏土貫入過(guò)程中徑向總應(yīng)力的變化曲線。

由圖6b可以看出：在硬質(zhì)黏土層中沉樁時(shí)，徑向總應(yīng)力明顯大于下覆軟質(zhì)黏土，但是，結(jié)合圖5b可知，在硬質(zhì)黏土層中σr/su值要小于在軟質(zhì)黏土的情況；隨著h/B的增加，同一深度處徑向總應(yīng)力逐漸減小，與一般試驗(yàn)位移樁的觀測(cè)結(jié)果一致。此外，盡管雙層黏土中存在上覆硬質(zhì)黏土，但當(dāng)樁貫入下覆軟質(zhì)黏土?xí)r，樁身不同位置處徑向總應(yīng)力變化幾乎與同等深度均質(zhì)軟質(zhì)黏土?xí)r的應(yīng)力值相同；可見(jiàn)對(duì)于雙層黏土，樁貫入到下層軟質(zhì)黏土?xí)r，上層硬質(zhì)黏土并沒(méi)有影響樁在下部軟質(zhì)黏土中徑向總應(yīng)力的變化。

a.均質(zhì)軟質(zhì)黏土；b.上硬下軟雙層黏土。圖6 1 g試驗(yàn)壓樁過(guò)程中徑向總應(yīng)力Fig.6 Lateral total stresses during pile installation at 1g

2.2 貫入過(guò)程力學(xué)特性分析

由試驗(yàn)直徑為9.5 mm的圓底模型樁貫入黏土中測(cè)得的沉樁阻力及端阻力曲線見(jiàn)圖7。

由圖7a可見(jiàn)，在均質(zhì)黏土中沉樁時(shí)：1)沉樁阻力隨貫入深度的增加而線性增加，樁端阻力則先增大后減小，當(dāng)樁貫入一定深度時(shí)端阻力變化較小且逐漸趨向恒定值。2)在沉樁過(guò)程中，樁入土深度較淺時(shí)，樁端阻力占沉樁阻力的比例較大，但隨著樁貫入深度的增加，樁端阻力占沉樁阻力的比例明顯減??；這主要是因?yàn)樵诔翗哆^(guò)程中樁側(cè)摩阻力逐漸被發(fā)揮，且隨著深度的增加而增大，樁側(cè)摩阻力所占沉樁阻力的比例也明顯大于樁端阻力所占比例，在整個(gè)沉樁過(guò)程中起著顯著的作用。

而在雙層黏土(圖7b)中沉樁時(shí)可發(fā)現(xiàn)：1)沉樁阻力并不一定隨樁入土深度的增加而累計(jì)增大，而是會(huì)隨著樁端處土體的軟硬程度不同而變化。當(dāng)樁從較硬土層穿越到較軟土層時(shí)，距離分界面以上2D左右深度處，沉樁阻力隨深度增加的幅度明顯減??；這主要也是因?yàn)橄赂草^軟土層的存在使得來(lái)自樁端向下穿越?jīng)_剪土體產(chǎn)生的阻力急劇降低所致。2)對(duì)比均質(zhì)軟質(zhì)黏土樁端阻力，當(dāng)樁貫入到下覆較軟土層時(shí)，端阻力逐漸減小，并在距離分界面以下2D左右范圍以外趨向接近均質(zhì)黏土層同等深度處的樁端阻力；可見(jiàn)對(duì)于同一土層而言，當(dāng)樁超過(guò)土層分界面以下一定影響范圍后，樁端阻力并不受相鄰?fù)翆有再|(zhì)的影響。3)隨著樁貫入深度的增加，樁側(cè)摩阻力占沉樁阻力的比例逐漸增大，在整個(gè)沉樁阻力中發(fā)揮主要的作用。

2.3 靜力壓樁承載力分析

由上述研究可知，一般在黏土中沉樁，當(dāng)超過(guò)一定貫入深度時(shí)，樁側(cè)摩阻力所占沉樁阻力的比例明顯大于樁端阻力比值。就本試驗(yàn)兩組地基類型來(lái)說(shuō)，壓樁結(jié)束后樁側(cè)摩阻力分別占各自終壓力的80%和90%，可見(jiàn)樁側(cè)摩阻力在承載力方面也必承擔(dān)主要的作用。

此外，黏土中樁端阻力變化與一般常用的貫入測(cè)試儀器(例如T-bar、單橋CPT)貫入特征有一定的相似性，可通過(guò)這些測(cè)試結(jié)果進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)預(yù)估，而問(wèn)題的關(guān)鍵是極限樁側(cè)摩阻力的確定，它不僅占承載力的主要部分，而且會(huì)隨土層類型的不同而呈現(xiàn)不同程度的增長(zhǎng)。

因此，考慮到上述問(wèn)題，本文主要從樁側(cè)摩阻力方面入手研究靜壓樁在黏土中的沉樁特性，并以探究其終壓力與樁側(cè)摩阻力之間的關(guān)系。

圖8為不同樁型在均質(zhì)黏土及雙層黏土沉樁時(shí)樁側(cè)摩阻力(Qs)及樁端承載力(Qp)與樁端位移的關(guān)系曲線。在1g條件下進(jìn)行了4組試驗(yàn)，終壓力(Pu)與極限摩阻力(Qsu)的關(guān)系見(jiàn)表1。

a.均質(zhì)軟質(zhì)黏土；b.上硬下軟雙層黏土。圖7 壓樁過(guò)程中沉樁阻力及端阻力曲線Fig.7 Curves of penetration resistance and end resistance during pile installation

a.均質(zhì)軟質(zhì)黏土；b.上硬下軟雙層黏土。圖8 樁側(cè)摩阻力與樁端位移曲線Fig.8 Curves of shaft resistance and pile end displacement

表1 試驗(yàn)終壓力與極限摩阻力

注：1.單層地基；2.雙層地基；s.方底樁；c.圓底樁。

由試驗(yàn)結(jié)果可知，壓樁后隨著時(shí)間的推移，單樁承載力顯著提高，且增長(zhǎng)主要來(lái)源于樁側(cè)摩阻力的增加，樁端阻力對(duì)承載力時(shí)效的影響較小。本次試驗(yàn)極限側(cè)摩承載力均大于壓樁終壓力，最小幅度為1.09倍。分析其主要原因在于：1)黏性土的觸變時(shí)效。沉樁期間，黏土受擾動(dòng)而使得強(qiáng)度降低，但隨時(shí)間推移土體建立了新的結(jié)構(gòu)，使損失的強(qiáng)度逐漸恢復(fù)。2)固結(jié)時(shí)效。沉樁結(jié)束后，隨著樁周土體水分的排出，沉樁過(guò)程中引起的超孔隙水壓力逐漸消散，土的有效應(yīng)力隨之增大，同時(shí)樁側(cè)土體在自重應(yīng)力和擠壓應(yīng)力的共同作用下固結(jié)，土體密實(shí)度也逐漸增大，這使得土體強(qiáng)度逐漸恢復(fù)甚至超過(guò)其原始強(qiáng)度。3)樁周部分土體受豎向剪切和徑向擠壓而發(fā)生重塑。樁在貫入過(guò)程中，樁周土體形成了如圖9所示的3個(gè)區(qū)域。

Ⅰ.重塑區(qū) ； Ⅱ.過(guò)渡區(qū) ； Ⅲ.非擾動(dòng)區(qū)。圖9 靜壓樁塑性區(qū)剖面示意圖Fig.9 Plastic zone profile of jacked pile

重塑區(qū)內(nèi)土體的總應(yīng)力最大，隨著時(shí)間的推移，超孔隙水壓力逐步消散，土中有效應(yīng)力逐漸增大，剪切強(qiáng)度逐漸恢復(fù)并提高，最終大于外圍土體剪切強(qiáng)度，在樁表面形成了一層“硬殼”，即相當(dāng)增加了樁體產(chǎn)生側(cè)摩承載力的表面積，與樁共同作用，提高了樁側(cè)摩阻力。

3 結(jié)論與建議

1)對(duì)于雙層1g黏土試驗(yàn)，當(dāng)樁貫入到下層軟質(zhì)黏土?xí)r，樁側(cè)徑向總應(yīng)力變化幾乎與同等深度處均質(zhì)軟質(zhì)黏土中徑總向應(yīng)力變化相同，可見(jiàn)上覆硬質(zhì)黏土對(duì)下部軟質(zhì)黏土力學(xué)性質(zhì)影響較小。

2)在黏土中沉樁時(shí)，隨著樁貫入深度的增加，樁側(cè)摩阻力占沉樁阻力的比例逐漸增大，在整個(gè)沉樁阻力中發(fā)揮主要的作用。此外，對(duì)于同一土層而言，當(dāng)樁超過(guò)土層分界面以下一定影響范圍后樁端阻力并不受相鄰?fù)翆有再|(zhì)的影響。

3)黏土中沉樁終壓力與樁側(cè)阻力的對(duì)比研究表明，壓樁后隨著時(shí)間的推移，單樁承載力均不同程度地提高，且增長(zhǎng)主要來(lái)源于樁側(cè)摩阻力的增長(zhǎng)，樁端阻力對(duì)承載力時(shí)效的影響較小。