馬加驍 雷向麗 王永洪 桑松魁 苗德滋

(青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院1) 青島 266033) (青島理工大學(xué)工程質(zhì)量檢測(cè)鑒定中心2) 青島 266033)(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3) 青島 266033)

0 引 言

近些年來(lái)，人們將兩種或兩種以上不同樁型、不同長(zhǎng)度的樁組合起來(lái)用于實(shí)際工程中，已經(jīng)產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和社會(huì)效應(yīng).針對(duì)長(zhǎng)短樁之間的相互作用、承載性能差異性、荷載傳遞機(jī)制等方面的研究方興未艾，同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)黏性土地基中樁側(cè)摩阻力與樁長(zhǎng)之間的關(guān)系等問(wèn)題的研究.

目前，學(xué)者們從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、室內(nèi)試驗(yàn)并結(jié)合數(shù)值模擬等方面的研究取得了很多成果.現(xiàn)場(chǎng)方面，郭院成等[1]結(jié)合鄭州某高速公路試驗(yàn)段進(jìn)行了多組長(zhǎng)短樁復(fù)合地基承載能力試驗(yàn)并利用有限元軟件進(jìn)行了數(shù)值模擬.李波等[2]在高速公路段現(xiàn)場(chǎng)開展了路堤填筑過(guò)程及堆載預(yù)壓期內(nèi)長(zhǎng)短組合樁的樁土應(yīng)力比，并利用三維有限元法對(duì)其加固機(jī)理進(jìn)行拓展研究.室內(nèi)模型試驗(yàn)方面，馬天忠等[3]針對(duì)黃土地區(qū)長(zhǎng)短組合樁、邊樁與角樁的承載性能差異性及變形特性進(jìn)行了對(duì)比.朱小軍等[4]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)長(zhǎng)短樁承載性狀發(fā)揮狀況、樁身側(cè)摩阻力分布狀況進(jìn)行了研究.現(xiàn)場(chǎng)方面，寇海磊等[5]對(duì)五根開口PHC管樁貫入成層土地基的力學(xué)機(jī)制和貫入機(jī)理進(jìn)行了研究.李林等[6]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)PHC管樁和預(yù)制方樁中埋設(shè)鋼筋應(yīng)力計(jì)對(duì)沉樁過(guò)程樁身受力狀態(tài)進(jìn)行了研究.蔣躍楠等[7]通過(guò)公式推導(dǎo)并結(jié)合離心模型試驗(yàn)對(duì)靜壓過(guò)程沉樁阻力進(jìn)行分析研究.繼之皓等[8]采用有機(jī)玻璃管質(zhì)樁身模擬了砂土和分層土中的靜力壓樁.

對(duì)于長(zhǎng)短組合樁、靜壓樁試驗(yàn)在測(cè)試元件選擇上，大多采用樁身黏貼應(yīng)變片的傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)[9]，也有部分學(xué)者使用光纖光柵進(jìn)行試驗(yàn)[10-11].本文采用青島某住宅工程現(xiàn)場(chǎng)粉質(zhì)黏土層，通過(guò)自行設(shè)計(jì)的增敏微型光纖光柵傳感裝置對(duì)靜力沉樁過(guò)程不同長(zhǎng)度的閉口管樁承載特性進(jìn)行了探討，并采用自行研發(fā)的輪輻式壓力傳感裝置將樁側(cè)摩阻力和樁端阻力成功分離，試驗(yàn)結(jié)果可為類似的室內(nèi)模型試驗(yàn)提供借鑒，并對(duì)實(shí)際工程提供理論指導(dǎo).

1 試驗(yàn)準(zhǔn)備

1.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要包括加載系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、模型箱.其中，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的FS2200RM光纖光柵解調(diào)儀精度為2 pm，可通過(guò)接收和解調(diào)壓力傳感器反射回來(lái)的光譜信號(hào)，可采集沉樁過(guò)程中的壓樁力、樁身軸力；DH3816N靜態(tài)應(yīng)變采集儀主要采集樁端阻力.試驗(yàn)所用模型箱是由鋼板焊成，其尺寸為3 m×3 m×2 m(長(zhǎng)×寬×高)，為便于觀察沉樁過(guò)程，正面采用鋼化玻璃.

1.2 地基土的制作

室內(nèi)模型試驗(yàn)所用的土樣取自青島某住宅工程現(xiàn)場(chǎng)粉質(zhì)黏土層，現(xiàn)場(chǎng)地基土見圖1.該層土樣呈灰褐色～灰色，介于流塑～軟塑狀態(tài)，無(wú)搖振反應(yīng)，且局部混雜約10%粉砂或夾薄層粉砂，含多量有機(jī)質(zhì)、貝殼碎屑及腐殖質(zhì)，有腥臭味.

土樣運(yùn)至實(shí)驗(yàn)室后，根據(jù)文獻(xiàn)[12]進(jìn)行一系列土工試驗(yàn)制備重塑土樣，并在土樣表面灑水、覆蓋多層薄膜，靜置3 d后，正式進(jìn)行壓樁試驗(yàn).其具體相關(guān)的物理力學(xué)參數(shù)見表1.

1.3 模型樁

本次室內(nèi)試驗(yàn)共進(jìn)行了兩根鋁制材料模型樁的靜力壓樁試驗(yàn)，模型尺寸是根據(jù)相似原理、模型槽深度，以及制作工藝進(jìn)而確定的.其中因E1管樁需在樁端安裝輪輻傳感器，故安裝完畢后的總長(zhǎng)度為1 200 mm；兩種管樁均通過(guò)內(nèi)六角螺栓與管樁樁端相連，保證了兩者連接的緊密性，模型管樁具體參數(shù)見表2.

表2 模型管樁參數(shù)表

2 室內(nèi)靜力沉樁試驗(yàn)

2.1 光纖光柵傳感器的布設(shè)

本次試驗(yàn)中的模型樁E1，E2均刻槽粘貼了六個(gè)FBG傳感器.具體安裝流程為：①在外管表面開了一條2 mm×2 mm(寬度×深度)的淺槽;②FBG傳感器安裝前使酒精和棉球?qū)惭b槽擦洗干凈;③FBG傳感器沿沿樁頂下密上疏式依次編號(hào)1#～6#.其中試樁E1因在樁端安裝有輪輻式壓力傳感器，故1#傳感器到樁端的距離為25 cm，其余間距均與試樁E2相同;④FBG傳感器在安裝時(shí)，用棉棒分別夾住光纖光柵兩端，先用704膠粘貼一端，為擴(kuò)大量程，需移動(dòng)未膠結(jié)的另一端進(jìn)行預(yù)拉伸，當(dāng)波長(zhǎng)增長(zhǎng)2 nm左右時(shí)，停止預(yù)拉伸，用膠水粘結(jié)固定自由端感器間距，見圖2;⑤FBG傳感器全部安裝結(jié)束后，F(xiàn)BG傳感器的F接頭使用酒精和棉球?qū)⑵洳料锤蓛?，連接FS2200RM光纖光柵解調(diào)儀檢測(cè)其成活率，待其成活率滿足要求后使用環(huán)氧樹脂膠進(jìn)行封裝，使其表面與樁身表面齊平.其中，F(xiàn)BG傳感器的部分具體參數(shù)見表3.

圖2 FBG傳感器布設(shè)圖(單位：cm)

表3 增敏微型FBG傳感器參數(shù)表

2.2 樁位的選擇

依據(jù)文獻(xiàn)[13]的基樁的最小中心距為4倍樁徑的規(guī)定，本次試驗(yàn)的兩組模型管樁均布置在模型箱的中心位置，可忽略邊界效應(yīng).

2.3 試驗(yàn)過(guò)程

具體步驟如下：①通過(guò)電控系統(tǒng)將加載橫梁上的液壓千斤頂移動(dòng)到指定樁位;②打開系統(tǒng)主機(jī)，通過(guò)油泵控制千斤頂上升到一定高度，將試樁直立放到待壓樁位，使用磁性盒式水平尺檢查樁身垂直度;③待確定管樁直立后，再次通過(guò)系統(tǒng)主機(jī)控制油泵進(jìn)行加壓，使液壓千斤頂緩慢勻速下降直至將要接觸管樁樁頂時(shí)停止加壓;④將每個(gè)FBG傳感器、輪輻式壓力傳感器的傳輸線依次與其對(duì)應(yīng)的采集儀器連接;⑤待確認(rèn)連接無(wú)誤且參數(shù)調(diào)整完畢后，正式進(jìn)行壓樁試驗(yàn)前進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;⑥整個(gè)沉樁過(guò)程分兩次完成，中間一次停頓以增加千斤頂?shù)南侣涓叨?其中試樁E1,E2的沉樁深度分別為1 100,900 mm，沉樁速度約為300 mm/min.過(guò)程圖見圖3～4.

圖3 安裝完成后的 輪輻壓力傳感器

圖4 靜力沉 樁過(guò)程

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 沉樁過(guò)程壓樁力分析

靜力沉樁過(guò)程，壓樁力主要由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力組成，通過(guò)樁頂壓力傳感器監(jiān)測(cè)得到沉樁過(guò)程的壓樁力為

(1)

式中：F為壓樁力，kN；ΔλB為波長(zhǎng)差，nm；Kε為靈敏度系數(shù)，pm/×10-6；A為樁身橫截面面積，mm2.

繪制出的各試樁整個(gè)沉樁過(guò)程的壓樁力隨沉樁深度的變化曲線，見圖5.

圖5 靜力沉樁過(guò)程壓樁力變化

由圖5可知，試驗(yàn)的兩根試樁的壓樁力均隨著沉樁深度的增加近似呈線性增大趨勢(shì)，當(dāng)沉樁深度小于22 cm時(shí)，試樁E2的壓樁力大于試樁E1；當(dāng)沉樁深度達(dá)到22 cm時(shí)，試樁E1的壓樁力逐漸接近試樁E2，此時(shí)兩根試樁的壓樁力分別為1.386和1.325 kN；當(dāng)沉樁深度超過(guò)22 cm時(shí)，試樁E1的壓樁力反而大于試樁E2的壓樁力；當(dāng)沉樁深度超過(guò)50 cm時(shí)，兩根試樁的壓樁力增長(zhǎng)速率均降低；隨著貫入深度的增加，當(dāng)沉樁深度超過(guò)60 cm時(shí)，兩根試樁的壓樁力出現(xiàn)等值增長(zhǎng)直至試樁E2沉樁結(jié)束.試樁E1總體樁長(zhǎng)為1 200 mm，沉樁深度為1 100 mm，其最終壓樁力為3.298 kN，比試樁E2的壓樁力2.938 kN高出12%；分析原因是試樁E1樁長(zhǎng)大，與土接觸的表面積較大，受到樁周圍土體施加的側(cè)向壓力大，從而總側(cè)摩阻增大，導(dǎo)致壓樁力也就大.

3.2 沉樁過(guò)程樁端阻力分析

靜力沉樁過(guò)程中樁端阻力的監(jiān)測(cè)方法：試樁E1由樁端安裝的可旋轉(zhuǎn)式輪輻壓力傳感器直接測(cè)的，而試樁E2主要通過(guò)靠近樁端的1#傳感器測(cè)量得到.繪制出的各試樁樁端阻力隨沉樁深度的曲線見圖6.

圖6 靜力沉樁過(guò)程樁端阻力變化

由圖6可知，在整個(gè)靜力沉樁過(guò)程中，兩根試樁的樁端阻力均隨著沉樁深度的增加呈逐漸增長(zhǎng)的趨勢(shì).且當(dāng)沉樁深度小于10 cm時(shí)，試樁E2的樁端阻力略大于試樁E1；分析認(rèn)為：試樁E1樁端裝有20 cm的輪輻壓力傳感器，沉樁初期，傳感器未能全部進(jìn)入土層，因而樁端阻力較小，試樁E2末端FBG傳感器距樁端5 mm，最先測(cè)得樁端阻力.當(dāng)沉樁深度大于10 cm時(shí)，隨著沉樁的進(jìn)行試樁E1的樁端阻力始終大于試樁E2的樁端阻力.分析認(rèn)為：相同外徑的試樁E1，E2，試樁E1的樁長(zhǎng)較大，入土深度大，對(duì)樁周土的擠密作用強(qiáng)烈，受到土的自重應(yīng)力大，因而樁端阻力大.在沉樁深度90 cm范圍內(nèi)，試樁E1、試樁E2的樁端阻力變化趨勢(shì)相近，當(dāng)兩根試樁均沉樁結(jié)束時(shí)，試樁E1的樁端阻力為2.054 kN，占?jí)簶读Φ?2.3%，試樁E2的樁端阻力為1.747 kN，占?jí)簶读Φ?9.5%，且試樁E1的樁端阻力比試樁E2的大18%，說(shuō)明2根試樁的端承力較好.

3.3 沉樁過(guò)程樁側(cè)摩阻力分析

試樁E1，E2靜力沉樁樁側(cè)摩阻力通過(guò)式(2)～(4)換算，求得各試樁的總樁側(cè)摩阻力隨沉樁深度的變化曲線見圖7.

ΔλB=(1-Pe)λBΔε=KεΔε

(2)

式中：ΔλB為波長(zhǎng)差，nm；Pe為光柵有效彈光系數(shù)；λB為光線光柵中心波長(zhǎng)，nm；Δε為應(yīng)變變化值；Kε為靈敏度系數(shù)， pm/×10-6.

沉樁過(guò)程中的樁身軸力N的表達(dá)式為

Ni=EcΔεAp

(3)

式中：Ni為第i個(gè)FBG傳感器位置的樁身軸力,kN；Ec為樁身混凝土彈性模量，MPa；Ap為樁身橫截面面積，mm2.

靜力沉樁過(guò)程中的樁側(cè)單位摩阻力的表達(dá)式為

Qi=Ni-Ni+1Qi=Ni-Ni+1

(4)

式中：Qi為第i截面的側(cè)摩阻力，kN.

圖7 試樁總側(cè)摩阻力分布

由圖7可知，試樁E1，E2的總樁側(cè)摩阻力均隨沉樁深度的增加逐漸增大.分析認(rèn)為：隨著沉樁深度的增加，樁周土的側(cè)壓力逐漸增大，從而表現(xiàn)為樁側(cè)摩阻力的增大.在相同的沉樁深度處，試樁E2的總樁側(cè)摩阻力大于試樁E1.分析原因可能是試樁E1下端安裝20 cm的輪輻壓力傳感器，沉樁初期對(duì)樁周土體擾動(dòng)大且樁端20 cm范圍未裝FBG傳感器，使得試樁E1總樁側(cè)摩阻力讀數(shù)小，隨著沉樁過(guò)程的進(jìn)行，試樁E1由于樁長(zhǎng)較大，對(duì)樁周土擾動(dòng)比E2大，因而總側(cè)摩阻較小.2根試樁的樁側(cè)摩阻力在沉樁深度10 cm范圍內(nèi)數(shù)值很小，均小于0.1 kN.這主要是因?yàn)闇\層土體在沉樁過(guò)程中因樁身晃動(dòng)比較強(qiáng)烈，使得樁-土之間產(chǎn)生一定的空隙，接觸不緊密，致使淺部土體總樁側(cè)摩阻力較小的現(xiàn)象.當(dāng)沉樁深度超過(guò)50 cm時(shí)，兩試樁的總側(cè)摩阻力增速變緩但樁側(cè)摩阻力仍然呈增長(zhǎng)趨勢(shì).停止壓樁時(shí)，試樁E1的最大側(cè)摩阻力值比試樁E2高出27.7%左右，分析原因：試樁E1和E2的直徑相同，且同為閉口管樁，但試樁E1的貫入深度大于試樁E2的貫入深度，所以試樁E1總的側(cè)壓力大，最終總側(cè)摩阻也大.

3.4 試樁樁身軸力結(jié)果分析

通過(guò)式(1)、式(2)可以得到兩根試樁在整個(gè)靜力壓樁過(guò)程中的樁身軸力分布曲線，見圖8.

圖8 各試樁樁身軸力對(duì)比分析圖

由圖8可知，試樁E1，E2的樁身軸力分布規(guī)律相似，均隨著樁貫入深度的增加，樁身軸力逐漸減小，與傳統(tǒng)結(jié)論相一致.這主要是隨著沉樁的進(jìn)行，樁側(cè)摩阻力自上而下逐漸發(fā)揮所致.具體來(lái)講，在同一貫入深度處，隨著沉樁深度的逐漸增加，樁周土的側(cè)壓力逐漸增大，從而使樁-土間的摩阻力增大，且越靠近管樁下部，樁側(cè)摩阻力越大，軸力的減小幅度越大，曲線斜率越小.另外，還可見試樁E2在埋設(shè)深度范圍內(nèi)樁身軸力減小程度較試樁E1均勻，這與樁側(cè)摩阻力有關(guān).初始貫入時(shí)，樁身軸力差別較小，此時(shí)樁端土體剛出現(xiàn)塑性變形；當(dāng)貫入60 cm時(shí)的外管軸力突然增大，說(shuō)明此時(shí)擠土作用強(qiáng)烈，樁端土體對(duì)其反作用較大；當(dāng)貫入80 cm時(shí)，軸力增加較小，可能是已經(jīng)發(fā)生塑性變形的部分土體發(fā)生彈性恢復(fù)；貫入110 cm時(shí)的外管軸力增大特別顯著，說(shuō)明土體重新排布擠密，使地基發(fā)生硬化現(xiàn)象，承載力極速提升.

在最大貫入深度處，試樁E1樁身軸力為2.174 kN，試樁E2軸力為1.747 kN，試樁E1比試樁E2大24%；即樁長(zhǎng)每增加10 cm，軸力增加0.12 kN，說(shuō)明樁長(zhǎng)對(duì)軸力的增加效果很明顯.

3.5 試樁樁側(cè)單位摩阻力結(jié)果分析

假定樁側(cè)摩阻力沿管樁樁身均勻分布，根據(jù)式(5)可以得到各試樁在同一貫入深度處的樁側(cè)單位摩阻力隨沉樁深度的分布曲線，見圖9.

靜力沉樁過(guò)程中的樁側(cè)單位摩阻力的表達(dá)式為

(5)

式中：qi為第i截面單位側(cè)摩阻力，kPa；u為樁的周長(zhǎng)，m；li為第i與i+1截面之間的距離，m；D為樁徑，m.

圖9 各試樁樁身單位側(cè)摩阻力分布圖

通過(guò)比較圖9各試樁樁身單位側(cè)摩阻力分布圖中同一沉樁深度處的單位側(cè)摩阻力分布可以發(fā)現(xiàn)，隨著貫入深度的增加，同一沉樁深度處的單位側(cè)摩阻力逐漸減小，即側(cè)摩阻力存在“退化效應(yīng)”.分析認(rèn)為：貫入深度越大，上部土層的擾動(dòng)程度遠(yuǎn)大于下層土層，使得樁與土的接觸空隙增大，導(dǎo)致樁側(cè)摩阻力逐漸減少.另一個(gè)原因是樁入土之前，樁身相對(duì)粗糙度較大；入土之后,由于細(xì)顆粒填充樁身的凸凹表面使相對(duì)粗糙減少，致使摩擦角的減小，從而樁側(cè)摩阻退化.此外，試樁E1，E2貫入深度從10 到90 cm的過(guò)程中，管樁下端兩傳感器之間的單位側(cè)摩阻力總體上逐漸變大，現(xiàn)象較為明顯.其原因是管樁下端兩傳感器之間的距離位于樁端，在沉樁過(guò)程中一直處于樁周土的擠壓之中，貫入深度越大，擠壓越強(qiáng)烈，水平側(cè)壓力越大，樁-土接觸越牢固，從而單位側(cè)摩阻力的增大.通過(guò)對(duì)比最大貫入深度處各試樁樁身單位側(cè)摩阻力的分布，發(fā)現(xiàn)試樁E1的數(shù)值為5.328 kN，試樁E2的數(shù)值為5.687 kN，試樁E2的外管單位側(cè)摩阻力比試樁E1的大7%，但總體差值較少，說(shuō)明樁長(zhǎng)對(duì)樁側(cè)單位側(cè)摩阻力影響不大.

3.6 沉樁過(guò)程受力性狀分析

為全面研究分析兩根模型管樁在靜力沉樁過(guò)程中總的受力狀態(tài)，繪制出的各試樁沉樁過(guò)程荷載曲線(見圖10)，由此得到沉樁結(jié)束時(shí)各試樁端阻比、側(cè)阻比見表4.

圖10 各試樁沉樁全過(guò)程荷載曲線

表4 沉樁結(jié)束時(shí)樁端阻力、樁側(cè)阻力占?jí)簶读Φ陌俜直?/p>

由圖10可知，靜力沉樁過(guò)程中試樁E1，E2的整體荷載曲線變化相近，但在數(shù)值上兩試樁有一定差異，說(shuō)明樁長(zhǎng)的不同并未改變沉樁過(guò)程荷載傳遞規(guī)律，但因試樁E1的端阻力由輪輻壓力傳感器監(jiān)測(cè)，而試樁E2端阻力是近似取值于1#FBG傳感器，故兩者在數(shù)值尤其是端阻力取值有一定差異.

由表4可知，靜力沉樁過(guò)程中，試樁E1的壓樁力、樁端阻力、樁側(cè)摩阻力均大于試樁E2，說(shuō)明樁長(zhǎng)越大，承載能力越好.結(jié)果表明：黏性土中的靜力壓樁，試樁E1端阻力比側(cè)摩阻為1.65∶1，試樁E2為1.47∶1.

4 結(jié) 論

1) 兩根不同樁長(zhǎng)的試樁壓樁力、樁端阻力、樁側(cè)摩阻力均隨著沉樁深度的增加近似呈線性增大趨勢(shì)；沉樁結(jié)束時(shí)，試樁E1的終壓力比試樁E2高出12%.試樁E1的樁端阻力為2.054 kN，試樁E2的樁端阻力為1.747 kN，試樁長(zhǎng)的比試樁短的樁端阻力大18%，即樁長(zhǎng)每增加10 cm，樁端阻力增加0.15 kN；總側(cè)摩阻力方面，試樁E1比試樁E2高出27.7%，說(shuō)明樁長(zhǎng)的增加可顯著提高側(cè)摩阻的發(fā)揮.

2) 試樁E1，E2的樁身軸力分布規(guī)律相似，不同貫入深度下，樁側(cè)摩阻力自上而下逐漸發(fā)揮，樁身軸力隨沉樁深度不斷遞減且軸力的分布曲線的斜率逐漸減??；在最大貫入深度：試樁E1外管軸力為2.174 kN，試樁E2軸力為1.747 kN，試樁E1比試樁E2大24%，即樁長(zhǎng)每增加10 cm，軸力增加0.12 kN.

3) 隨著貫入深度的增加，同一沉樁深度處的單位側(cè)摩阻力逐漸減小，即側(cè)摩阻力存在“退化效應(yīng)”.

4) 2根模型試樁在黏性土中的靜力壓樁過(guò)程，樁端阻力占比均超過(guò)50%，即樁端阻力承擔(dān)了大部分的壓樁力.