劉漢龍，金 輝，丁選明，李 健

（1. 河南大學 巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室，南京 210098；2. 河海大學 巖土工程科學研究所，南京 210098；3. 江蘇省交通規(guī)劃設計院，南京 210000）

1 引 言

樁基分為擠土型樁和非擠土型樁兩種，其中擠土類樁的擠土效應所造成的影響主要表現(xiàn)在以下幾個方面：（1）沉樁時，由于樁周土層被壓密并擠開，使土體產(chǎn)生垂直方向的隆起和水平方向的位移，可能造成近鄰已壓入的樁產(chǎn)生上浮，樁端被“懸空”，使樁的承載力達不到設計要求；造成樁位偏移和樁身翹曲折斷等質(zhì)量事故；可使相鄰建筑物和市政設施的發(fā)生不均勻變形以致?lián)p壞。（2）壓樁過程中孔隙水壓力升高，造成土體破壞，未破壞的土體也會因孔隙水壓力的不斷傳播和消散而蠕變，也導致土體的垂直隆起和水平方向的位移。

學者對擠土效應的研究包括：（1）數(shù)值分析方法。Mabsout等[1]建立了非線性有限元模型，模擬了預鉆孔對于樁擠土效應的影響，并與非預鉆孔沉入時樁的擠土效應進行對比；羅戰(zhàn)友等[2]采用合適的土體屈服準則及有限變形理論，通過在樁-土界面設置接觸以及在樁頂施加位移荷載，建立了符合壓樁實際的有限元模型，利用得到的有限元模型模擬了沉樁產(chǎn)生的擠土位移場，討論樁-土界面不同摩擦情況對沉樁產(chǎn)生位移場的影響。（2）理論分析方法。Randolph等[3]將平面應變條件進行周對稱簡化，探討沉樁對于樁周土強度變化和含水率變化的問題；Vesic[4]提出了無限土體中利用球形或者圓柱形擴張理論，研究沉樁擠土效應的一種通用方法；劉裕華等[5]基于圓孔擴張理論對預制管樁的擠土效應進行彈塑性分析，得到塑性區(qū)半徑、土體位移等解析表達式，也對實際工程中常遇到的土塞效應對該理論應用的影響進行了討論；高子坤等[6]應用變分原理推導沉樁擠土位移、應變和應力場解答。（3）試驗研究。費康[7]開展了現(xiàn)澆大直徑薄壁管樁（PCC）擠土效應研究，得出PCC樁存在部分擠土效應，樁的幾何特征是控制擠土效應的關(guān)鍵因素。

以上研究都針對圓形截面或環(huán)形截面樁展開，但現(xiàn)澆X形樁作為一種異形截面樁，沉樁擠土效應規(guī)律不同于常規(guī)圓形截面樁。過去對現(xiàn)澆X形樁的研究主要在截面特性[8－9]、豎向承載特性[10]、樁-土荷載傳遞規(guī)律[11]等方面，目前尚無針對X形樁沉樁擠土效應的研究。

本文結(jié)合長江四橋接線段軟基處理工程，分別在試驗樁周圍埋設土壓力計，孔壓計和測斜管進行現(xiàn)場試驗，對現(xiàn)澆X形混凝土樁沉樁過程產(chǎn)生的擠土應力進行分析。

2 工程概況

南京長江第四大橋接線工程位于南京市六合區(qū)龍袍鎮(zhèn)，屬于典型長江中下游軟土地區(qū)，沿線地區(qū)分布著大量淤泥及淤泥質(zhì)黏性土，根據(jù)地質(zhì)資料（見表 1），北接線 K9+764～K9+870段為一般公路段，路基分布有①1層軟土分布，為灰色流塑狀態(tài)淤泥質(zhì)（粉質(zhì)）黏土、淤泥，高壓縮性，低抗剪強度。軟土埋深淺，厚度不均，局部可厚達22～23 m，壓縮性高，強度低，土質(zhì)較差。該路段為公路拼寬段且存在箱涵及其過渡段，應嚴防新路基與老路基之間的不均勻沉降。原設計方案為濕噴樁處理方案，濕噴樁屬于柔性樁，施工時需保證水泥漿液與土層混合均勻，施工過程控制需要非常嚴格，且施工后質(zhì)量檢測費用較高。擬采用新處理方法：現(xiàn)澆X形混凝土樁屬于剛性樁，且施工質(zhì)量容易控制，檢測費用低，適用于該路段軟基處理。通過技術(shù)經(jīng)濟比較，最后改用現(xiàn)澆X形混凝土樁處理方案。圖1為現(xiàn)場試驗場地CPT測試結(jié)果。該路段軟基采用梅花形布樁形式，樁間距為 2.2 m。樁尺寸如圖 2所示。圖中，虛線為等截面圓形樁和等周長圓形樁示例。

表1 現(xiàn)場試驗場地土性參數(shù)表Table1 Soil parameters in field test site

圖1 現(xiàn)場試驗場地土性CPT測試結(jié)果Fig.1 Results of CPT tests for field test site

圖2 試驗樁尺寸Fig.2 Size of the test pile

3 現(xiàn)場試驗儀器埋設和測點布置

試驗樁樁長 12 m（位于 K9+848.3～K9+888.3路段內(nèi)），外包圓直徑 D為 0.611 m，開弧間距為0.120 m，開弧角度為130o，分別在其開弧方向和凹弧方向布置測點，沉樁前后分別進行測試，比較沉樁前后各監(jiān)測儀器讀數(shù)的變化。

試驗儀器的埋設位置：①距離施打樁中心1.0、2.0、3.5 m處各埋設1根距離樁頂15 m的測斜管。②距離施打樁中心1.0、2.0、3.5 m處設置觀測孔，在6 m和9 m處埋各設1支孔隙水壓力計。③距離施打樁中心1.0、2.0、3.5 m處成孔，在3、6 m處垂直埋設土壓力盒，受力面對準樁心。具體布置如圖3所示。

埋設不同深度的孔壓計時，為了防止同一孔中不同深度孔壓計由于水壓串孔而測不準，第一個孔壓計埋設完成后，會填埋泥球?qū)⒖讐河嫲。诳淄庠O置了1個固定點，將需要露出的導線長度固定在1根木樁上，從而保證孔壓計在指定位置。然后再向孔內(nèi)填砂，保證孔壓計的位置不會發(fā)生變化或者嚴重的串孔現(xiàn)象。

為保證土壓力盒的手里面正對樁中心，采用 2根鋼筋焊接在土壓力盒的兩邊；為了防止在埋入過程中土壓力盒上移，在土壓力盒的上下邊同樣焊接了2條固定鋼筋。此外，將土壓力盒與焊接的鋼筋用膠帶再次固定，保持鋼筋的相交平面與土壓力盒的手里面相互平行，便于在埋入土壓力盒的過程中保證土壓力盒能夠正對樁中心，具體埋設方法如圖4所示。

圖3 現(xiàn)場試驗儀器布置圖(單位：m)Fig.3 Arrangement of facilities (umit: m)

圖4 土壓力盒固定方法Fig.4 Fixed method of earth pressure cell

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 水平位移變化規(guī)律分析

圖5為鄰樁沉入深層水平位移變化圖。由圖可見，距離樁中心1.0 m（1倍樁徑）、2.0 m（3倍樁徑）、3.5 m（5倍樁徑）處測點最大水平位移在樁頂，分別為2.64、2.17、1.14 mm，土體的最大位移產(chǎn)生于樁端，隨著深度的增加，土體的側(cè)向位移呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢，符合一般樁的變化規(guī)律。

圖5 前排樁沉入水平位移變化圖Fig.5 Changes of submergence horizontal displacement (front pile)

圖6為試驗樁測斜管深層水平位移變化圖。由圖可見，距離樁中心 1.0、2.0、3.5 m 處測點的樁頂水平位移分別為 28.91、20.82、4.33 mm。對于2.0 m和3.5 m處的測點，最大位移產(chǎn)生于樁頂，但對于1.0 m處的測點，最大位移并不產(chǎn)生于樁頂，而是產(chǎn)生于距離樁頂1.5 m處的測點，最大位移為29.06 mm。總體分析，土體的深層水平位移隨著深度的增加基本呈現(xiàn)減小的趨勢，且距離樁中心越近，由沉樁引起的土體的水平位移越大，1.0 m處水平最大位移沒有在樁頂出現(xiàn)的原因可能是由于現(xiàn)場鄰樁施工或者場地條件造成的影響。對于3.5 m（5倍樁徑）處測點的最大水平位移值為4.33 mm，可以忽略不計，此處小于圓形樁的6倍樁徑。此處也可以看出，現(xiàn)場試驗的樁間距為2.2 m，鄰樁的施工會對本次試驗的測試結(jié)果產(chǎn)生一定的影響。

圖6 試驗樁沉入水平位移變化圖Fig.6 Changes of submergence horizontal displacement (test pile)

4.2 側(cè)向土壓力分布規(guī)律分析

圖7為試驗樁沉入后同一深度但不同方向各個測點的土壓力變化。由圖 7(a)可見，深度為 3.0 m測點處，測得尖角方向距離樁中心1.0、2.0、3.5 m處的沉樁前后的土壓力變化值分別為 27、19、12 kPa，凹弧方向的則分別為26、4、8 kPa。由圖7(b)可見，在深度為3.0 m測點處，測得尖角方向距離樁中心1.0、2.0、3.5 m處的土壓力變化值分別為34、29、22 kPa，凹弧方向的則分別為 33、8、9 kPa。分析可知，同一深度距離樁中心越近，樁身沉入所產(chǎn)生的側(cè)向擠土壓力也就越大，此外，尖角方向所受到的側(cè)向土壓力要大于凹弧方向所受到的側(cè)向土壓力。

圖7 不同方向土壓力對比圖Fig.7 Comparisons of earth pressures in different directions

圖8為同一方向下不同深度土壓力的變化。由圖可見，隨著中心距地增加，側(cè)向土壓力增加的幅度越來越小，并且隨著深度的逐漸增加，土壓力的變化也越大，即在同一方向處6 m深度處側(cè)向土壓力的變化大于3 m深度處土壓力的變化。

4.3 孔隙水壓力規(guī)律分析

圖8 不同深度土壓力對比圖Fig.8 Comparisons of earth pressures in different depths

圖9 沉樁孔隙水壓力變化圖Fig.9 Comparisons of earth pressures in different depths (concavity)

圖9為試驗樁打入時孔隙水壓力的變化。由圖可見，在深度為6 m測點處測得尖角方向距離樁中心1.0、2.0、3.5 m處的沉樁前后孔隙水壓力變化值分別為29、18、13 kPa，在深度為6 m測點處測得尖角方向距離樁中心1.0、2.0、3.5 m處的孔隙水壓力變化值分別為18、13、4 kPa。分析可知，孔隙水壓力也呈現(xiàn)增加的趨勢，但是，隨著中心距的增加，變化的幅度也越來越小，且6 m處的孔壓變化大于9 m處的孔壓變化。由圖9亦可見，隨著試驗樁的沉入，樁周圍的孔隙水壓力將增加，隨著中心距的增加，這種增加的幅度也將隨之減小，凹弧方向的孔壓增加要小于尖角方向孔壓的增加，深度越深孔壓的增加也就越大。另外，樁周圍的孔隙水壓力也增加，試驗樁打入時，深度越深，孔隙水壓力的增加也就越小。

5 結(jié) 論

（1）現(xiàn)澆X形樁的最大水平位移發(fā)生在地表附近，隨著深度的增加，土體的水平位移逐漸減小，距離樁中心越近，產(chǎn)生的水平位移也越大。試驗結(jié)果表明，距離5倍樁徑以上距離產(chǎn)生水平位移可以忽略不計，即X形樁擠土半徑為5倍樁徑，小于常規(guī)圓形樁的6倍樁徑。

（2）擠土壓力隨著樁中心距的增加，逐漸減小，在不同方向處（尖角方向和凹弧方向），所產(chǎn)生的擠土壓力大小并不相同，尖角方向的擠土壓力大于凹弧方向的擠土壓力。

（3）孔隙水壓力隨著深度的增加逐漸減小，離樁越近，樁沉入時產(chǎn)生的孔隙水壓力越大。

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