陳祥彬 李利平

(1.麗水學(xué)院 工學(xué)院， 浙江 麗水 323000；2.麗水學(xué)院 工學(xué)院， 浙江 麗水 323000)

0 引言

小型預(yù)制樁基礎(chǔ)因?yàn)槠涫┕C(jī)具輕便、造價(jià)合理、穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)在我國的輸電桿塔基礎(chǔ)，擋土結(jié)構(gòu)和邊坡支護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛[1,2]。而小型預(yù)制樁的施工一般是使用氣錘、落錘或者柴油錘等施工機(jī)具將樁體錘擊或靜壓到持力層[3]。在這個過程中，樁體會對周圍的土體進(jìn)行擠壓，使土體中的壓力增加引起土體產(chǎn)生水平位移和豎向隆起，這種現(xiàn)象就是工程上常見的擠土效應(yīng)。對于預(yù)制樁的擠土效應(yīng)。一些學(xué)者[4]使用ABAQUS等軟件對其進(jìn)行研究，但是預(yù)制樁打樁過程中，周圍的土體力學(xué)機(jī)理較為復(fù)雜，軟件模擬的結(jié)果與實(shí)際情況存在較大的差異。而現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)雖然能夠最大限度的反映工程實(shí)際， 但由于受場地空間有限、工期緊張、儀器設(shè)備埋設(shè)困難、費(fèi)用較為昂貴等因素的限制, 不易得到可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)而無法被廣泛應(yīng)用[5]。因此越來越多學(xué)者都傾向于使用室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)來研究預(yù)制樁的擠土效應(yīng)[6,7]。為此通過采集麗水典型場地的粉土，完成了預(yù)制鋼樁的和預(yù)制群樁在錘擊過程中的擠土效應(yīng)研究。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 實(shí)驗(yàn)土體的制備極其參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)用土取自麗水某典型場地的粉土，土樣取回后攤晾干燥后破碎過篩。去除土體中的石子和其他塊狀雜質(zhì)。然后加水拌合后使用塑料薄膜覆蓋悶樣，使水分充分潤濕土體后分層填筑到模型箱中。然后使用紅磚作為堆載，對模型箱中的土樣進(jìn)行堆載固結(jié)。其物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)土體物理力學(xué)指標(biāo)

1.2 模型箱和模型樁設(shè)計(jì)

此次模型實(shí)驗(yàn)為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)模型箱的尺寸長×寬×高=1000mm×1000mm×900mm。四周采用不銹鋼槽做骨架，面板為 12mm厚的高強(qiáng)度防爆玻璃。實(shí)驗(yàn)用土設(shè)計(jì)裝填60cm厚，模型樁的東西兩側(cè)裝有支架用于支撐錘樁裝置和位移計(jì)，制作好模型箱如圖1所示。預(yù)制模型樁采用不銹鋼制作，樁長為60cm，幾何外形為方樁，共有15mm×15mm、20mm×20mm、25mm×25mm三種不同尺寸，樁端為平頭。錘擊前使用砂紙張打磨其表面，使預(yù)制樁與實(shí)驗(yàn)土體的接觸條件與實(shí)際相吻合。單樁樁位位于模型箱的中心，群樁采用 2×2布樁，樁距為 8cm（4d）。制作好模型樁如圖2所示。

圖1 模型箱示意圖

圖2 模型樁示意圖

1.3 壓樁裝置設(shè)計(jì)

使用不銹鋼在模型箱兩側(cè)設(shè)置支架然后支撐中間的支撐板，支撐板中間開孔，孔位與模型箱的中心對其?？紫抡辰覲VC管作為錘樁過程中的模型樁護(hù)筒，防止模型樁入土過程保持垂直姿態(tài)。具體設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 支撐架剖面圖

1.4 測量裝置設(shè)計(jì)

本次實(shí)驗(yàn)需要測量模型樁入土過程中土中的壓力變化和土表的隆起以及水平位移。其中土體中壓力采用土壓力盒子進(jìn)行測量。分兩層進(jìn)行埋設(shè)，第一層測點(diǎn)設(shè)計(jì)埋深為距離土體底面20cm,第二層設(shè)計(jì)埋設(shè)為距離土體底面 40cm。每層的測點(diǎn)均勻分布，具體為距離模型樁中心線的東西兩側(cè)每隔10cm設(shè)置一個測點(diǎn)，每個方向放置4個。土體的豎向隆起量和水平位移 使用位移計(jì)進(jìn)行測量，位移計(jì)型號如圖 4所示，由于位移計(jì)的測針容易刺入土體中的空隙中，因此在每個位移測量點(diǎn)下埋設(shè)硬質(zhì)泡沫塊，壓樁前將探針與泡沫塊接觸良好如圖5所示。

圖4 土體位移計(jì)

圖5 土體位移測量裝置圖

1.5 實(shí)驗(yàn)過程

本次實(shí)驗(yàn)先后完成了不同樁徑的模型樁擠土實(shí)驗(yàn)，測量了單樁入土?xí)r樁側(cè)土體內(nèi)部的壓力變化，并通過位移傳感器測量了表層土體的位移量。每錘入土體5cm記錄一次土體內(nèi)部的壓力數(shù)據(jù)，直到錘入50cm為止。由于土體表面的位移量比較微小，因此只記錄入土深度為50cm時(shí)的水平位移和豎向隆起量。單樁擠土實(shí)驗(yàn)完成后進(jìn)行了群樁擠土實(shí)驗(yàn)的研究，群樁擠土效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的過程的與單樁擠土效應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程基本一致，實(shí)驗(yàn)得到了模型樁入土過程中土側(cè)壓力隨模型樁入土深度變化曲線圖和土表位移盒徑向距離的關(guān)系曲線圖。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

2.1 土體表面隆起及水平位移分析

圖6和圖7分別給出了沉入不同樁徑單樁和沉入2×2群樁的土體表面的水平位移以及豎向隆起量與徑向距離（測點(diǎn)距離單樁中心線或距離群樁的幾何中心的距離）。從圖6中可以清楚的看到土體的表面位移隨徑向距離的增加而不斷減小而且樁徑越大水平位移越大。這是因?yàn)槟Ｐ蜆稊D壓土體產(chǎn)生的應(yīng)力在土中傳播時(shí)引起土體的塑性變形和彈性變形，其應(yīng)力能不斷的被土土吸收衰減，距離擠壓中心越遠(yuǎn)得到的能量越小，同時(shí)圖中還顯示 20mm樁徑的群樁擠土產(chǎn)生的最大水平位移約為沉入同等直徑單樁的2.2～2.7倍。圖7的規(guī)律與圖6的規(guī)律基本一致，隆起量隨著徑向距離的增加而減小，隨樁徑的增加而增加，最大豎向隆起位移約為沉入同等直徑單樁的 2～3倍。值得注意的是無論是單樁還是群樁擠土效應(yīng)產(chǎn)生的豎向隆起量均高于土體表面的水平位移。原因是因?yàn)槟Ｐ拖涞南潴w材料的彈性模量相比土體而言要大很多，基本可以認(rèn)為模型箱是一個剛體，其側(cè)壁約束了土體水平變形，而土體的豎向變形則沒有這種約束。

圖6 土體水平隆起與徑向距離變化曲線圖

圖7 土體豎向位移與徑向距離變化曲線圖

2.2 土體中土壓力變化分析

圖8 ～11給出了模型樁入土?xí)r，土壓力隨模型樁入土深度的變化曲線圖。由于土壓力盒分兩層兩個方向進(jìn)行埋設(shè)，故圖例中V20代表土壓力盒距離土體地面的距離為20cm，N20表示土壓力盒在南向埋設(shè)，距離樁體中心線的距離為20cm，故V20-N20的編號含義就是指土壓力盒埋設(shè)在模型樁的南向，距離土體底部的距離為 20cm,V20-W20則是指土壓力盒埋設(shè)在模型樁的北向，距離土體底部的距離為20cm。圖顯示每個測點(diǎn)的土壓力大小都隨著模型樁的入土深度的增加而增加。而且南北兩側(cè)的土壓力大小基本一致，且測點(diǎn)離模型樁中心線越近土壓力越大。這說明模型樁擠壓土體產(chǎn)生的應(yīng)力能是向四周均勻擴(kuò)散并逐漸衰減的。同時(shí)我們還注意到測點(diǎn)測到的土壓力隨著樁徑的增加而增加，說明樁徑越大擠土效應(yīng)越明顯。

圖8 15mm樁徑單樁入土過程中土壓力變化曲線圖

圖9 20mm樁徑單樁入土過程中土壓力變化曲線圖

圖10 25mm樁徑單樁入土過程中土壓力變化曲線圖

圖11 20mm樁徑群樁入土過程中土壓力變化曲線圖

圖 12～13給出了模型樁入土?xí)r土中壓力隨徑向距離的變化曲線，圖例中V20-R20表示土壓力計(jì)埋設(shè)在距離土體底面20cm處，模型樁的入土深度為20cm,由上文可知，模型樁擠壓土體產(chǎn)生的應(yīng)力能是向四周均勻擴(kuò)散并逐漸衰減的。因此圖 12～13中的土壓力值取東西兩側(cè)同等埋深，同等徑向距離的土壓力盒測量值的平均值。圖中可以更加清楚的看到土壓力隨著徑向距離和樁徑的增加而增加。圖12中模型樁只入土20cm時(shí)，不同樁徑的土壓力曲線距離靠的比較近，在模型樁入土40cm的時(shí)候，不同樁徑的土壓力曲線相離得比較明顯，這說明模型樁的擠土效應(yīng)隨樁徑的增加而增加的同時(shí)樁徑對擠土效應(yīng)的影響只有在模型樁入土到一定程度時(shí)才明顯的顯示出來。圖13是20mm樁徑群樁入土過程中土壓力變化曲線圖，圖中還將 20mm樁徑單樁入土過程中土壓力變化曲線繪制出來以便與群樁的曲線進(jìn)行對吧。群樁入土?xí)r的土壓力隨樁徑和徑向距離的變化規(guī)律與單樁基本一致，且群樁的最大土壓力值約為單樁最大土壓力值的1.5倍，這說明群樁比單樁的擠圖效應(yīng)更加明顯。

圖12 15、20、25mm樁徑單樁入土過程中土壓力變化曲線圖

圖13 20mm樁徑群樁入土過程中土壓力變化曲線圖

3 結(jié)語

本次實(shí)驗(yàn)通過采集麗水典型場地的粉土，完成了預(yù)制鋼樁的和預(yù)制群樁在錘擊過程中的擠土效應(yīng)研究。實(shí)驗(yàn)表明模型樁在沉樁過程中，擠土效應(yīng)隨著徑向距離的增加而衰減，離模型樁5cm處的擠土效應(yīng)達(dá)到最大值。東西兩側(cè)埋設(shè)的土壓力盒的測量數(shù)據(jù)基本一致即模型樁的擠土效應(yīng)向四周均勻擴(kuò)散并隨著距離的增加逐漸衰減。模型樁樁徑對擠土效應(yīng)的影響只有當(dāng)模型樁入土到一定深度的時(shí)候才能明顯的顯示出來。群樁的產(chǎn)生的土壓力約為同等樁徑單樁的1.5被，水平位移約為同等直徑單樁的2.2～2.7倍，土體表面的豎向隆起量約為同等直徑單樁2～3倍。即群樁的擠土效應(yīng)較為明顯，應(yīng)該著重考慮群樁的擠土效應(yīng)對工程的影響。