基于樁土界面應(yīng)力測試的開閉口樁靜力沉樁室內(nèi)試驗(yàn)對比研究

王永洪，張明義，劉雪穎，白曉宇，桑松魁，管金萍

(1.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島，266033；2.山東省高等學(xué)校藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)工程建設(shè)與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東青島，266033)

樁土界面的應(yīng)力特性對靜壓沉樁效果和長期承載力有重要影響，靜壓沉樁引起的樁土界面超靜孔隙壓力和土壓力的變化具有重要意義[1?2]。研究者大多采用理論方法對靜壓PHC 管樁貫入時(shí)引起的土壓力和孔隙水壓力變化進(jìn)行研究。CAO等[3?5]基于圓孔擴(kuò)張理論對沉樁過程中的樁側(cè)壓力、超孔壓及樁側(cè)土體位移進(jìn)行了研究，獲得了不同條件下的土壓力、孔隙水壓力及樁周淺層土體位移。TEHRANI等[6?7]通過考慮表面粗糙度和巖土抗拉模量，進(jìn)一步對圓孔擴(kuò)張理論在樁身阻力及樁土作用的理論解答進(jìn)行了修正，獲得了樁側(cè)土壓力沿徑向和深度的變化規(guī)律。BALIGH 等[8?10]考慮了深度對土體位移的影響和樁貫入過程的連續(xù)性，采用應(yīng)變路徑法對沉樁機(jī)理進(jìn)行了研究。然而，理論公式往往無法完全模擬實(shí)際工程的真實(shí)受力情況，因此，通過理論研究方法獲得的樁周超孔隙水壓力和土壓力的分布難以得到推廣。

國內(nèi)外許多學(xué)者通過現(xiàn)場試驗(yàn)的方式，測量了在黏性土中沉樁過程的超孔隙水壓力與土壓力的變化規(guī)律。HWANG等[11]在現(xiàn)場足尺樁樁周布設(shè)傳感器，監(jiān)測了沉樁過程中孔隙水壓力和土壓力的動(dòng)態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)隨著樁軸距離變大，超孔壓減小，樁身側(cè)壓力隨著長徑比增加而逐漸減小。PESTANA 等[12]對沉樁過程中孔隙水壓力和土體位移進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)樁端距離傳感器位置越近，超孔壓和土壓力越大。唐世棟等[13?14]通過現(xiàn)場試驗(yàn)測定了樁側(cè)土體不同深度處的超孔隙水壓力與土壓力。周火垚等[15]針對飽和軟黏土地基，現(xiàn)場實(shí)測了距樁軸不同距離的孔隙水壓力、側(cè)向位移及地面隆起。張忠苗等[16]根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測的靜壓沉樁過程中樁周土壓力和超孔隙水壓力，獲得了有效徑向土壓力隨沉樁深度的動(dòng)態(tài)變化。通過現(xiàn)場試驗(yàn)實(shí)測靜壓樁施工引起的超孔壓和土壓力對樁基施工具有指導(dǎo)作用。

靜壓樁沉樁引起的超孔壓和土壓力在樁周土體和樁土界面不同。BOND等[17?18]全面精準(zhǔn)測試了沉樁和靜載過程的樁土界面孔隙水壓力和有效徑向應(yīng)力。LEHANE[19]通過現(xiàn)場實(shí)測發(fā)現(xiàn)：在同一貫入深度、不同位置處的樁土界面土壓力隨著h/B(h為傳感器距離樁端距離；B為樁身直徑)增加而減小。葉真華等[20]通過室內(nèi)試驗(yàn)研究了不同持力層下的樁基承載性狀，對比分析了不同樁端持力層的樁身軸力和樁側(cè)摩阻力分布規(guī)律，并獲得了樁側(cè)土壓力增量與側(cè)摩阻“折減”的相關(guān)性。李雨濃等[21]通過離心模型試驗(yàn)獲得了貫入、靜置及加載全過程的樁土界面徑向應(yīng)力。深入研究黏性土沉樁過程中樁土界面超孔隙水壓力與土壓力的變化具有重要意義。

因此，準(zhǔn)確測得靜壓樁貫入引起的樁土界面土壓力，根據(jù)靜力沉樁過程中樁土界面有效土壓力的變化規(guī)律判定樁土之間的貼緊程度，有利于深入研究飽和黏性土中靜力沉樁的力學(xué)機(jī)制。目前，人們對黏性土中沉樁過程中樁土界面處的有效土壓力的研究較少，特別是關(guān)于開口樁和閉口樁的研究更少。因此，為了研究靜壓沉樁引起的樁土界面超靜孔隙壓力和土壓力的變化規(guī)律，本文作者通過研制安裝界面?zhèn)鞲衅鞯拈_口模型樁和閉口模型樁，開展了黏性土中的開口樁和閉口樁樁土界面超孔壓和土壓力的靜力沉樁室內(nèi)試驗(yàn)，獲得了開口樁和閉口樁靜力沉樁引起的樁土界面超孔壓和土壓力的變化規(guī)律、以及樁土之間貼緊程度與沉樁引起的超孔壓和土壓力的相關(guān)性。

1 試驗(yàn)方案

1.1 模型箱和地基制備

模型試驗(yàn)在青島理工大學(xué)實(shí)驗(yàn)室大尺度模型箱中開展[22]。大比例模型試驗(yàn)裝置如圖1所示。試驗(yàn)所用的黏性土屬于粉質(zhì)黏土層，將現(xiàn)場土樣通過烘干、粉碎、過篩和灑水使土體固結(jié)[23]。制備后的地基土基本物理指標(biāo)見表1。

1.2 模型樁

對閉口模型樁TP1和開口模型樁TP2進(jìn)行靜力壓樁室內(nèi)試驗(yàn)，模型樁的設(shè)計(jì)選擇采用鋁制材料制作模型樁，彈性模量為72 GPa，泊松比為0.3。根據(jù)相似理論，模型樁TP1 和TP2 的樁長均為1 m，外徑均為140 mm，內(nèi)徑均為100 mm。TP1為圓管單壁模型管樁，樁端安裝與樁身直徑相等的平板。為了有效監(jiān)測樁身內(nèi)壁土塞阻力，研制了雙壁開口模型管樁TP2[24]，為了滿足微型傳感器的安裝空間，避免進(jìn)入管樁內(nèi)部的土體損壞傳感器，內(nèi)、外管之間空隙為20 mm。

1.3 傳感器布置

在樁頂加載平臺放置溫度自補(bǔ)償光纖光柵土壓力傳感器，測試沉樁過程中沉樁阻力的變化情況，采用FS2200RM自動(dòng)采集壓樁過程中光纖光柵傳感器數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)保存。采用CF3820 高速靜態(tài)信號測試分析儀實(shí)時(shí)采集樁土界面土壓力和孔隙水壓力。為直接測量樁土界面處的徑向土壓力與孔隙水壓力，在模型樁樁身開孔嵌入式安裝硅壓阻式壓力傳感器，傳感器具體參數(shù)見表2。

對量程為0～500 kPa的硅壓阻式傳感器進(jìn)行測試，根據(jù)傳感器的靜態(tài)特性技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算硅壓阻式壓力傳感器的主要性能參數(shù)，結(jié)果表明：傳感器在0～500 kPa量程范圍內(nèi)線性良好；硅壓阻式土壓力傳感器的靈敏度為3.495 mV/V，硅壓阻式孔隙水壓力傳感器的靈敏度為2.972 mV/V，在整個(gè)壓力測試范圍內(nèi)，硅壓阻式土壓力和孔隙水壓力傳感器的零點(diǎn)輸出電壓分別為3.99 mV 和4.33 mV，零點(diǎn)輸出很小，這說明所制備的多晶硅膜壓敏電阻較匹配。

圖1 大比例模型試驗(yàn)裝置Fig.1 Large proportion model test devices

表1 地基土物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil

表2 硅壓阻式壓力傳感器參數(shù)Table 2 Silicon piezoresistive pressure sensor parameter

硅壓阻式土壓力傳感器和孔隙水壓力傳感器均安裝在同一水平截面上且安裝方法相同，具體安裝步驟如下。

1)開孔并焊接圓柱套管。在樁身安裝傳感器的位置開設(shè)直徑為20 mm 的圓孔，在開孔處焊接直徑為20 mm、高度為10 mm的圓柱套管。

2)傳感器安裝及穿線。將傳感器側(cè)面均勻涂抹環(huán)氧樹脂后放入圓柱套管內(nèi)，并確保傳感器表面與樁身表面齊平，待環(huán)氧樹脂凝固后涂抹704膠密封防水。傳感器的數(shù)據(jù)線通過內(nèi)、外管之間的空隙，在靠近樁頂處的預(yù)留出線口內(nèi)引出。

3)在模型樁表面安裝6 個(gè)不同間距的土壓力、孔隙水壓力傳感器，距離樁端分別為50，100，200，400，600 和900 mm，從樁端到樁頂，傳感器編號依次為1～6 號，分別對應(yīng)h/L=1/20，1/10，1/5，2/5，3/5 和9/10(h為傳感器距樁端高度，L為模型樁樁長)。

4)數(shù)據(jù)采集。采用CF3820高速靜態(tài)信號測試分析儀測試傳感器的成活率，傳感器全部激活，并實(shí)現(xiàn)貫入過程實(shí)時(shí)采集。在進(jìn)行試驗(yàn)之前，將孔隙水壓力傳感器表面的透水石用水浸潤、飽和，以便沉樁時(shí)能夠準(zhǔn)確迅速地測量樁土界面的孔隙水壓力。

1.4 沉樁試驗(yàn)方案

分別對1 根閉口樁和1 根開口樁進(jìn)行沉樁試驗(yàn)，沉樁過程加卸載次數(shù)為1 次，沉樁深度為900 mm，沉樁速度為300 mm/min。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 沉樁過程中壓樁力

在沉樁過程中，采用溫度自補(bǔ)償壓力傳感器，根據(jù)壓樁過程中的總波長差及溫度波長差得到壓樁力。壓樁力計(jì)算公式如下：

式中：F為壓樁力，kN；ΔλB為波長差，nm；Kε為靈敏度系數(shù)，nm/MPa；Ap為樁身截面積，m2。

沉樁過程中壓樁力隨貫入深度變化曲線如圖2所示。從圖2可以看出：試驗(yàn)樁TP1與TP2的壓樁力隨貫入深度的變化規(guī)律相似，但TP1的壓樁力較大，沉樁結(jié)束時(shí)，TP1 的壓樁力比TP2 的高15.8%，這是因?yàn)門P2 是開口管樁，在沉樁過程中會有土塞形成，產(chǎn)生的沉樁阻力較小，使得壓樁力較??；隨著樁身的不斷貫入，土塞逐漸趨于閉塞，開口樁的受力狀態(tài)逐漸與閉口管樁的受力狀態(tài)相似。

圖2 開口樁和閉口樁壓樁力Fig.2 Pile driving pressure of open-end and close-end piles

2.2 開口管樁TP2的土塞分析

在沉樁過程中，開口管樁會產(chǎn)生土塞效應(yīng)。土塞效應(yīng)根據(jù)閉塞程度分為不完全閉塞和完全閉塞，其中，不完全閉塞又分完全不閉塞和部分閉塞。開口管樁的沉樁機(jī)理與閉口管樁及實(shí)心樁的沉樁機(jī)理不同，當(dāng)土塞不完全閉塞時(shí)，土塞下的阻力小于開口管樁樁壁下的阻力，壓樁力為樁側(cè)摩阻力(包括內(nèi)外兩側(cè))、樁壁下的阻力以及土塞下阻力之和；當(dāng)土塞完全閉塞時(shí)，土塞端下的阻力和樁壁下的阻力共同組成樁端阻力，此時(shí)，壓樁力為樁端阻力與樁外側(cè)摩阻力之和。

在土塞形成過程中，土塞與內(nèi)壁發(fā)生相對位移產(chǎn)生摩阻力，因此，壓樁力發(fā)展較快，隨著貫入深度的增大，土塞逐漸趨向于閉塞狀態(tài)，內(nèi)管的側(cè)摩阻力增長逐漸減小，使得TP2的壓樁增長緩慢。雖然土塞基本閉塞的開口樁受力狀態(tài)與閉口樁的受力狀態(tài)相似，但不能與閉口樁的受力狀態(tài)完全一致，因此，與試驗(yàn)樁TP1相比，TP2的壓樁力較小，在沉樁過程中會產(chǎn)生土塞，沉樁結(jié)束后土塞基本閉塞，經(jīng)過休止期后土塞與樁壁黏結(jié)更加緊密，樁周土體也逐漸固結(jié)恢復(fù)，與閉口樁的受力狀態(tài)更為相似，因此，兩者經(jīng)過休止期后承載力的發(fā)展程度會趨于一致。

試驗(yàn)樁TP2是開口樁，在沉樁過程中，土體不斷涌入管內(nèi)形成土塞，擠土效應(yīng)較弱。隨著貫入深度不斷增加，土塞逐漸趨向閉塞，當(dāng)沉樁深度到達(dá)0.5倍樁長時(shí)，土塞基本閉塞，其受力狀態(tài)與閉口管樁的逐漸趨向一致，擠土效應(yīng)逐漸增大。沉樁結(jié)束時(shí)，TP2 的壓樁力與試驗(yàn)樁TP1 的相差8.96%。

2.3 樁土界面超孔隙水壓力結(jié)果分析

利用硅壓阻式孔隙水壓力傳感器直接測量孔隙水壓力，超孔隙水壓力為總孔隙水壓力與靜水壓力之差：

式中，uc為超孔隙水壓力，kPa；u為總孔隙水壓力，kPa；ua為靜水壓力，kPa。

超孔隙水壓力隨貫入深度的變化規(guī)律如圖3所示。由圖3可見：在不同貫入深度下，超孔隙水壓力隨深度的增大而逐漸增大，且增大趨勢先近似呈直線變化，隨后，在樁端處，超孔隙水壓力有突增的趨勢。其原因是地基土為軟土，在沉樁過程中，由于土體不斷受到擾動(dòng)和擠壓，容易產(chǎn)生過大的孔隙水壓力，而樁端土體受到的擾動(dòng)最大，致使樁端處超孔隙水壓力隨深度增大較快，這與朱向榮等[25]的研究結(jié)果相符。在相同深度下，深度越大，超孔隙水壓力越小，原因在于，深度越大，摩擦次數(shù)增多，土體不斷被擾動(dòng)，在樁側(cè)徑向土壓力逐漸被釋放，導(dǎo)致超孔隙水壓力越小。

比較試驗(yàn)樁TP1和TP2超孔隙水壓力的變化趨勢可得：隨著深度增加，試驗(yàn)樁TP1超孔隙水壓力產(chǎn)生地較快。其原因是試驗(yàn)樁TP1為閉口樁，在沉樁過程中擠土效應(yīng)較明顯，對土體的擾動(dòng)程度較大，徑向變形較大，致使試驗(yàn)樁TP1的超孔隙水壓力增加速度較快。由于試驗(yàn)樁TP1 的擠土效應(yīng)比TP2的擠土效應(yīng)更加明顯，在沉樁過程中，試驗(yàn)樁TP1 的超孔隙水壓力比TP2 的超孔隙水壓力大1.04～1.24倍。

圖3 沉樁過程中TP1和TP2超孔隙水壓力分布Fig.3 Excess pore water pressure distribution diagrams of test piles TP1 and TP2 during sinking process

2.4 樁土界面土壓力結(jié)果分析

樁土界面處土壓力隨貫入深度的變化如圖4所示。從圖4可以看出：試驗(yàn)樁TP1和TP2樁土界面處土壓力隨貫入深度的變化規(guī)律基本一致，當(dāng)沉樁到某一深度時(shí)，均是先隨深度的增加近似呈直線增大，之后靠近樁端處土壓力增長變快。其原因是，在靠近樁端處，土體的擾動(dòng)程度最大，產(chǎn)生的擠土效應(yīng)最強(qiáng)，且樁端處存在擠密區(qū)，在擠密區(qū)的范圍內(nèi)，上覆土重較大，樁土實(shí)際接觸面積最大，從而導(dǎo)致樁土界面土壓力最大，且增長的速度也最快。在同一貫入深度時(shí)，深度越大，樁土界面土壓力越小，即出現(xiàn)土壓力“退化”現(xiàn)象，這主要是因?yàn)樨炄肷疃仍黾?，樁土不斷被剪切，摩擦的次?shù)逐漸增多，樁土之間出現(xiàn)泥漿水膜，使得樁土界面土壓力釋放，因此，深度越大，樁土界面土壓力越小。

圖4 沉樁過程中TP1和TP2樁土界面土壓力分布Fig.4 Distribution of soil pressure of test piles TP1 and TP2 during sinking process

從圖4還可以看出：相比于試驗(yàn)樁TP2，試驗(yàn)樁TP1的樁土界面土壓力較大，試驗(yàn)樁TP1最大土壓力比TP2的最大土壓力大13.1%。這是因?yàn)樵囼?yàn)樁TP1是閉口樁，其擠土效應(yīng)比同直徑開口樁TP2的擠土效應(yīng)更明顯，對土體的擾動(dòng)也較大，樁身與樁側(cè)土體的接觸面積較大，導(dǎo)致試驗(yàn)樁TP1樁土界面土壓力較大。

2.5 樁土界面有效土壓力結(jié)果分析

樁土界面有效土壓力由以下公式計(jì)算得到：

式中，σ′為有效土壓力，kPa；σ為總土壓力，kPa；μc為超孔隙水壓力，kPa。

圖5所示為樁土界面有效土壓力隨深度的變化規(guī)律。由圖5可知：樁土界面有效土壓力與樁土界面土壓力隨深度的變化曲線相似，均是在各沉樁深度下隨貫入深度增加而逐漸增大，且在樁端處由于擠土效應(yīng)較強(qiáng)，樁土界面有效土壓力增長速度變快；在同一深度處，樁土界面有效土壓力也發(fā)生“退化”現(xiàn)象。樁土界面處的有效土壓力是樁土界面處土壓力的重要部分。樁土界面處有效土壓力的退化是樁側(cè)摩阻力退化的主要原因。

因?yàn)槌紫端畨毫εc樁土界面處的土壓力之比很小，所以，試樁TP1的樁土界面處的有效土壓力大于試樁TP2的有效土壓力。由于試驗(yàn)樁TP1為閉口樁，在整個(gè)沉樁過程中，TP1的樁土界面有效土壓力比TP2的樁土界面高1.7%～23.7%。

圖5 沉樁過程中TP1和TP2樁土界面有效土壓力分布Fig.5 Distribution of effective lateral earth pressure of test piles TP1 and TP2 during sinking process

2.6 樁土界面貼緊系數(shù)分析

樁土界面貼緊系數(shù)表示樁土之間的貼緊程度，貼緊系數(shù)等于樁土界面有效土壓力P′與水平自重應(yīng)力σcx之比：

式中，tc為樁土界面貼緊系數(shù)，tc=0 時(shí)，樁土之間脫空，tc>1時(shí)，由于擠土效應(yīng)，有效土壓力大于原有的水平自重應(yīng)力。

由式(4)可以看出：樁土界面有效土壓力越大，樁土界面貼緊系數(shù)越大，樁土之間的貼緊程度越高，即樁土實(shí)際接觸面積越大。

圖6所示為各傳感器位置處的樁土界面貼緊系數(shù)隨貫入深度的變化趨勢。由圖6可知：在不同沉樁深度下，隨著貫入深度的增大，貼緊系數(shù)逐漸增大，且在較大深度處其值均大于1，其原因是隨著深度的增大，土體的擠土效應(yīng)逐漸增大，樁土界面有效土壓力增大的速度逐漸加快，其值逐漸高于水平自重應(yīng)力，且高出的幅值隨深度逐漸增大，因此，樁土界面貼緊系數(shù)隨著貫入深度呈增大趨勢，從而說明樁土界面有效土壓力越大樁土之間貼緊得越緊密，樁土之間的實(shí)際接觸面積越大，表現(xiàn)為樁側(cè)摩阻力逐漸增大。從圖6還可以發(fā)現(xiàn)：在同一深度處，深度越大，貼緊系數(shù)越小。其原因是隨著沉樁深度的增加，樁土被剪切、摩擦的次數(shù)增多，樁側(cè)應(yīng)力逐漸被釋放，樁土界面有效土壓力減小，使得樁土界面貼緊系數(shù)隨沉樁深度的增大而減小，樁土之間貼緊程度減弱，表現(xiàn)為樁側(cè)摩阻力在同一深度處出現(xiàn)“退化”現(xiàn)象。

3 結(jié)論

1)在不同沉樁深度下，開閉口樁的樁土界面超孔隙水壓力、土壓力及有效土壓力均沿貫入深度逐漸增大，增大趨勢先近似呈直線變化，隨后在樁端處有突增的現(xiàn)象，閉口樁擠土效應(yīng)比開口樁的擠土效應(yīng)更加明顯。

2)在同一貫入深度處，深度越深，開口樁和閉口樁的樁土界面超孔隙水壓力、土壓力及有效土壓力均越小，即出現(xiàn)了“側(cè)壓力退化”現(xiàn)象，開口樁和閉口樁的“退化”現(xiàn)象相差不大。

3)隨著貫入深度的增大，樁土界面貼緊系數(shù)逐漸增大，貫入深度較大處貼緊系數(shù)均大于1，樁土之間貼緊程度增強(qiáng)。在同一深度處，深度越大，貼緊系數(shù)越小，樁土之間貼緊程度減弱。