姚貝貝 潘春風(fēng) 趙利蘋

（鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院 土木建筑學(xué)院，河南 鄭州450007）

管樁出現(xiàn)以后因其具有承載力高、適應(yīng)各種土層、施工文明等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于建筑、公路、鐵路等行業(yè)。管樁復(fù)合地基承載力、處置效果都與其受力特性相關(guān)，對管樁的設(shè)計和工程應(yīng)用具有重要指導(dǎo)作用，是巖土行業(yè)的熱點問題。

施峰[1]通過精細靜載荷試驗研究了管樁的荷載傳遞機理、分析了側(cè)阻力和端阻力的變化，實測了壓樁力與入土深度之間的關(guān)系。雷金波[2]進行了帶帽管樁控沉疏樁復(fù)合地基的現(xiàn)場試驗、建立了帶帽控沉疏樁復(fù)合地基荷載- 沉降計算模型并提出了復(fù)合地基復(fù)合樁土應(yīng)力比等新概念，為管樁復(fù)合地基理論研究提供了合理的依據(jù)。邢皓楓[3]以某實際工程為依托研究了PHC管樁在不同級別荷載下樁身沿深度的受力分布特征，發(fā)現(xiàn)管樁側(cè)阻力的分布特征與樁埋置深度有關(guān)，并提出了單樁承載力修正公式。用該公式求得管樁單樁承載力與靜載試驗結(jié)果較為復(fù)合，證實了修正公式的合理性。孫志亮[4]進行了靜壓預(yù)應(yīng)力管樁的荷載傳遞試驗，實測數(shù)據(jù)顯示樁側(cè)土體材料發(fā)揮極限側(cè)阻力后會出現(xiàn)應(yīng)變軟化，側(cè)阻力隨深度的增加而增大，極限端阻力則存在一定取值范圍，其極限發(fā)揮所需樁端沉降約為樁端直徑的5%-10%。陳小庭[5]應(yīng)用土壓力盒監(jiān)控了4 種褥墊層的軟基管樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力，對土壓應(yīng)力及樁土應(yīng)力比的時效性等特性進行了分析，試驗數(shù)據(jù)表明以樁土應(yīng)力比峰值點為分界點，樁土應(yīng)力協(xié)調(diào)可以分為兩個階段。律文田[6]展開的靜載荷試驗在樁頂、樁端及土層分界面處埋設(shè)了應(yīng)變計，分析了軸力和樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律；以有限元法對軟土地區(qū)的PHC 管樁進行了模擬，模擬結(jié)果與實測結(jié)果變化趨勢一致。陸陽[7]通過數(shù)值模擬分析了土塞效應(yīng)、管樁長徑比對單樁承載力的影響，發(fā)現(xiàn)土塞效應(yīng)擴散了樁端荷載、提高了單樁承載力；通過對比分析靜載荷試驗結(jié)果和現(xiàn)行規(guī)范計算值，給出了西安地區(qū)管樁承載力修正系數(shù)。涂濤[8]應(yīng)用ANSYS 軟件分析了管樁的傳力機制及變形性狀，分析了影響管樁承載性能的各種因素，為管樁的可行性與經(jīng)濟性提供了參考依據(jù)。錢峰[9]通過靜壓沉樁模型試驗?zāi)M了預(yù)制混凝土樁的施工過程，監(jiān)測了孔壓、樁側(cè)土壓力、地面隆起與管樁的貫入深度之間的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)當(dāng)樁端到達土中一點上方0.8d 時該處的水壓達到最大值。張明義[10]將光纖傳感器開槽預(yù)埋入管樁樁身，進行了模型試樁承載性能對比試驗，研究了壓樁力、樁端阻力、樁側(cè)摩阻力及樁身軸力的發(fā)展規(guī)律。研究結(jié)果表明：壓樁力、樁端阻力等荷載均隨著沉樁深度的增加呈增長趨勢、樁身軸力逐漸遞減。

管樁受力特性的研究手段有靜載試驗、模型試驗、有限元模擬計算和理論分析等。當(dāng)無法展開靜載試驗時，能夠更加真實的反映巖土性質(zhì)和樁土相互關(guān)系的模型試驗就顯得極為重要。但常規(guī)模型試驗通常需要進行縮尺，導(dǎo)致應(yīng)力等比例縮小，不能反映原應(yīng)力水平。土工離心模型試驗通過離心力補償應(yīng)力損失，可以實現(xiàn)模型與原型應(yīng)力狀態(tài)相同，是理想的管樁復(fù)合地基受力特性研究手段。

本文在前人的研究基礎(chǔ)上，通過離心模型試驗重點研究樁身軸力、樁側(cè)摩阻力和樁土應(yīng)力比等受力特性，為管樁復(fù)合地基的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗設(shè)計

為研究管樁復(fù)合地基受力特性，構(gòu)建管樁復(fù)合地基應(yīng)力場，模擬管樁在拓寬路基中的應(yīng)用，應(yīng)用光纖布拉格光柵傳感器監(jiān)測樁身應(yīng)力、應(yīng)用土壓力盒監(jiān)測樁間土受荷，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)研究管樁復(fù)合地基的受力特性。

1.1 試驗方案

試驗采用TLJ-3 土工離心機：有效半徑是2 米，最大容量是60gt，模型箱的長寬高分別為740mm、560mm 和460mm，共40 個監(jiān)測通道可監(jiān)測應(yīng)變、電壓和溫度和2 個光纖通道。試驗過程模擬管樁復(fù)合地基在高速公路改擴建工程中的應(yīng)用。路堤寬12米，填方高度10 米，坡度1：1.2，拓寬8 米。地基深度14 米，上層黏土4 米，中層粉質(zhì)砂土5 米，下層粉質(zhì)黏性土5 米。管樁外徑600mm，長8 米。模型比n=60，試驗方案如圖1 所示。

圖1 管樁復(fù)合地基模型試驗示意圖

1.2 樁的模擬

管樁原型的直徑為600mm，按照模型相似比模型樁的直徑應(yīng)為10mm，只能采用力學(xué)性質(zhì)相似的材料制作模型。管樁變形的控制因素是其彈性模量，根據(jù)離心模型試驗相似率，彈性模量的相似常數(shù)為1，因此可以選擇彈性模型與管樁相似的材料制作管樁模型。據(jù)此選擇10mm 后的薄壁不銹鋼鋼管制作管樁模型。

1.3 模型土的制備

當(dāng)采用工程實際場地的土進行模型試驗，可得到與原型土體相同的性狀，因此在離心模型試驗中原型縮小了n 倍但是土顆粒的粒徑不變。帶來的問題是當(dāng)土顆粒尺寸相比模型過大時，土體不滿足連續(xù)性假定，即出現(xiàn)粒徑效應(yīng)。研究表明當(dāng)土顆粒平均粒徑小于結(jié)構(gòu)尺寸的1/30 時粒徑效應(yīng)帶來的誤差可以忽略，因此一般情況下細粒土不存在顆粒效應(yīng)。

地基土采用原型土進行模型。第一層粘性土的有效粒徑小于0.002，限制粒徑0.02，不存在粒徑效應(yīng)。不均勻系數(shù)大于10，為級配良好土。土層其他參數(shù)見表1。經(jīng)擊實試驗確定最佳含水量13.9%，最大干密度1.83g/cm3。由于試驗主要變量為地基沉降，在試驗前取風(fēng)干土樣按照最佳含水量和最大干密度控制填土密實度。

表1 試驗土樣物理指標(biāo)

第二層砂土天然孔隙比e=0.73，干密度ρd=1.45g/cm3，飽和密度ρsat=1.65g/cm3，通過落雨法配置。經(jīng)過計算需要標(biāo)準(zhǔn)砂48.6kg。根據(jù)相對密度標(biāo)定曲線確定當(dāng)密實度為60%時落距應(yīng)為55cm。制備過程如下：烘干模型砂，準(zhǔn)備漏頭、軟管、砂桶等設(shè)備，漏頭高度設(shè)定為55cm，放置模型箱，分6 層澆砂，每層14cm共84cm。

1.4 樁身應(yīng)變監(jiān)測

電阻式應(yīng)變片是土工試驗中最常見的應(yīng)變監(jiān)測元件，價格低廉測量方便，每個應(yīng)變片都需要一根導(dǎo)線連接應(yīng)變儀以測試數(shù)據(jù)。根據(jù)模型比計算模型樁的直徑只有10mm，粘貼12 個5mm×21mm 的應(yīng)變片后顯然會對管樁模型的應(yīng)變產(chǎn)生影響。光纖布拉格光柵傳感器出現(xiàn)以后在土工試驗中有很多應(yīng)用，其優(yōu)點是直徑小、質(zhì)量輕、可以實現(xiàn)準(zhǔn)分布式測量，只需要一根裸光纖就可以測量若干個測試點的應(yīng)變。因此本次試驗采用光纖布拉格光柵傳感器監(jiān)測管樁模型的應(yīng)變。

由于裸光纖僅有250μm 左右在試驗中較易損壞，因此采用裸光纖布拉格光柵傳感器測量管樁模型的重點在于傳感器的封裝保護。傳感器封裝在管樁模型上以后應(yīng)能準(zhǔn)確測量其應(yīng)變同時不應(yīng)在試驗過程中損壞。封裝采用如下方式：首先在管樁模型表面開1mm 左右的槽，將光纖傳感器沿管樁方向平直的放入槽中，最后使用環(huán)氧樹脂膠將光纖粘貼在槽內(nèi)。環(huán)氧樹脂膠應(yīng)充滿開槽但不突出管樁模型表面、膠內(nèi)不應(yīng)有起泡。傳感器的布置如圖2 所示。

1.5 土壓力監(jiān)測

測試土壓力的目的是為了確定單樁復(fù)合地基、兩樁復(fù)合地基在上部填土荷載作用下不同深度土壓力分布，確定單樁復(fù)合地基、兩樁復(fù)合地基承受上部填土荷載時，樁和樁間土各自承擔(dān)的荷載、樁土應(yīng)力比及其變化規(guī)律。

圖2 光纖Bragg 光柵傳感器布置方案

土壓力的測量采用箔式微型土壓力盒，其特點是輸出靈敏度高、工作性能穩(wěn)定、體積小、質(zhì)量輕、比較適合在模型試驗中應(yīng)用。試驗采用的土壓力盒直徑為11mm，厚度為4.2mm，量程0.1-5.0MPa，非線性誤差≤0.5%FS，重復(fù)性誤差≤0.5%FS，接橋方式為全橋。

土壓力盒的布置根據(jù)試驗具體情況進行，如圖3 所示。當(dāng)管樁采用3 倍樁間距時布設(shè)3 個壓力盒，相鄰的兩根管樁樁頂布設(shè)2 個，管樁中間位置布設(shè)1 個。當(dāng)管樁采用4 倍樁間距時布設(shè)4 個壓力盒，相鄰的兩根管樁樁頂埋設(shè)2 個，樁間布設(shè)2 個；當(dāng)管樁采用6 倍樁間距時布設(shè)5 個壓力盒，相鄰的2 根管樁頂埋設(shè)2 個，樁間土埋設(shè)3 個。

圖3 土壓力盒布置圖

土壓力盒的埋設(shè)步驟如下：

a.當(dāng)填土到達指定高度時，在土壓力盒埋設(shè)位置成孔。

b.清除孔底浮土，在孔底放置一定厚度的細砂并搗實，保證細砂頂面水平。

c.埋設(shè)土壓力盒，采用細土回填并搗實。

d.對每一個土壓力盒編號，并測試其初始值。

e.在試驗中每間隔一定時間進行讀數(shù)。

1.6 試驗步驟

試驗?zāi)M管樁在高速公路改擴建工程中的應(yīng)用。試驗首先填筑地基與老路堤，運行相當(dāng)于實際時間8 年后停機，利用管樁模型對地基進行處理后在老路堤上開挖臺階并填筑拓寬路堤。拓寬路堤填筑完成后上機運行相當(dāng)于實際時間3 年后試驗結(jié)束，在拓寬路堤運行過程中通過光纖傳感器監(jiān)測樁身應(yīng)變、通過土壓力盒監(jiān)測樁頂及樁間土應(yīng)力，通過試驗結(jié)果分析管樁復(fù)合地基受力特性。為對比不同樁間距的管樁復(fù)合地基的受力特性，試驗共進行3 組，樁間距分別為3d、4d 和6d。試驗過程如圖4 和圖5 所示。

圖4 試驗過程（老路堤填筑后）

圖5 試驗過程（壓樁過程）

2 試驗結(jié)果

2.1 樁身軸力

樁身軸力變化如圖6 所示。從圖中可以看出在管樁受力的不同時期其軸力分布規(guī)律基本相同：在樁的上部1/4 樁長范圍內(nèi)軸力從樁頂開始向下逐漸增大，在1/4 樁長處達到峰值，之后開始逐漸降低，直至樁底降到最低。從樁身軸力的變化曲線可以看出樁間土的壓縮主要發(fā)生在樁的上部1/4 范圍內(nèi)：土的壓縮產(chǎn)生摩阻力導(dǎo)致樁身軸力增加。從不同樁間距的復(fù)合地基樁身軸力分布圖可以看出樁間距對樁身軸力的分布規(guī)律并影響，樁間距不同時樁身軸力分布規(guī)律基本相同。但是樁間距對樁身軸力的最大值有較大影響：3 倍樁間距時樁身軸力最大值約700kN，4 倍樁間距時樁身軸力最大值降到了650kN，6 倍樁間距時樁身軸力最大值約600kN?？梢姌堕g距不同主要影響樁和樁間土承擔(dān)的荷載比例，樁間距越大樁間土承擔(dān)荷載越大，樁承擔(dān)荷載越小，樁土應(yīng)力比越小。

圖6 管樁樁身軸力曲線

樁間距對樁身應(yīng)力大小較大影響：從圖中可以看出隨著樁間距的增加，3.0d、4.0d、6.0d 樁間距管樁樁身應(yīng)力峰值分別為1150kPa、1020kPa、923kPa。樁頂和樁頂部分的應(yīng)力也有不同程度的降低。

2.2 樁側(cè)摩阻力

通過監(jiān)測拓寬路基運營過程中管樁樁身應(yīng)變，不同樁間距管樁樁側(cè)摩阻力如圖7 所示。從圖中可以看出管樁樁側(cè)摩阻力由上部負摩阻力沿深度逐漸向下發(fā)展為正摩阻力：樁身上部1/5 范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力為向下的負摩阻力，下部4/5 范圍為向上的正摩阻力，即樁側(cè)摩阻力為零的深度約為樁長的1/5 處。樁身下部樁側(cè)摩阻力隨著深度的增加逐漸增加，直至樁端，說明在上部填土荷載作用下樁側(cè)摩阻力得到了全長發(fā)揮，管樁受力應(yīng)為摩擦樁。管樁上部出現(xiàn)負摩阻力的原因是管樁模量遠比樁周土體模量大，在上部荷載作用下樁間土先于管樁壓縮變形，荷載經(jīng)上部褥墊層調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移到管樁上，管樁經(jīng)過向上刺入褥墊層或者向下刺入持力層將荷載再次轉(zhuǎn)移到樁間土。通過褥墊層對荷載的調(diào)節(jié)作用達到樁土共同作用。與普通管樁相比，帶帽管樁樁帽面積比樁體面積大得多，樁頂刺入量很小，樁間土的荷載分擔(dān)比例大。

圖7 管樁樁身摩阻力

2.3 管樁復(fù)合地基樁土應(yīng)力比

樁土應(yīng)力比能夠反映樁和樁間土的共同作用特性,是復(fù)合地基的重要指標(biāo)之一[11],對地基沉降計算和地基承載力驗算都十分重要[12]。合理的復(fù)合地基,既要安全可靠,滿足使用要求,又要能夠控制成本。因此在設(shè)計復(fù)合地基時,就必須從工程實際出發(fā),把天然地基可資利用的潛力發(fā)揮到適當(dāng)?shù)某潭?使樁土各自的負荷水平達到合理的分擔(dān)。帶帽管樁樁土應(yīng)力比曲線如圖8 所示。從圖中可以看出隨著時間的增加樁土應(yīng)力比不斷增大, 在工后150 天左右基本穩(wěn)定。工后200 天3.0d、4.0d、6.0d 樁間距復(fù)合地基樁土應(yīng)力比分別為17.7、15.2、13.1。從圖中可以看出帶帽管樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比較一般的復(fù)合地基大。從圖9 所示樁間距與樁土應(yīng)力比的關(guān)系曲線可以看出樁間距越大,樁土應(yīng)力比越大,而且這種趨勢隨著時間的增加不斷增大。這是因為隨著樁間距的增加,單位面積上的管樁數(shù)量降低,每根管樁承擔(dān)的荷載增加,導(dǎo)致樁土應(yīng)力比的增加。

圖8 復(fù)合地基樁土應(yīng)力比

圖9 樁間距與樁土應(yīng)力比關(guān)系曲線

樁土應(yīng)力比曲線是樁和土承擔(dān)荷載比例在褥墊層作用下不斷調(diào)整的反映。樁土應(yīng)力比曲線前期不斷增長，說明管樁在褥墊層調(diào)節(jié)作用下承擔(dān)荷載不斷在增加。在樁土分擔(dān)的荷載達到穩(wěn)定的狀態(tài)后樁土應(yīng)力比曲線開始穩(wěn)定。對比一般復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比曲線可以看出帶帽管樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比沒有明顯的峰值，也沒有出現(xiàn)明顯的上下波動。這說明由于樁帽的存在，帶帽管樁向上刺入褥墊層的量較小，導(dǎo)致管樁承擔(dān)了更多的荷載。從帶帽管樁樁土應(yīng)力比曲線規(guī)律來看，帶帽管樁不是典型的復(fù)合地基，介于樁基礎(chǔ)和復(fù)合地基之間的地基處理形式。

3 結(jié)論

通過對拓寬路基離心模型試驗中管樁樁身應(yīng)變及土壓力的監(jiān)測，分析了管樁復(fù)合地基中管樁的受力特性，得到如下結(jié)論：

3.1 在路基運營過程中樁身軸力隨著深度的增加逐漸增大，達到峰值后逐漸降低，峰值點出現(xiàn)在樁身1/4 長度處。

3.2 管樁上部約1/5 樁身為負摩阻力，向下逐漸發(fā)展為正摩阻力且隨著是深度的增加逐漸增大。

3.3 管樁復(fù)合地基的樁土應(yīng)力比與一般的復(fù)合地基大，且樁間距越大，樁土應(yīng)力比越大。