王永洪，馬加驍，張明義，桑松魁，白曉宇，楊蘇春

（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）

目前，靜壓樁樁土界面處土體抗剪強(qiáng)度的研究已成為諸多學(xué)者關(guān)注的焦點(diǎn)[1-4]。同時(shí)，學(xué)者們也對(duì)靜壓樁貫入過程中樁周土體塑性區(qū)和彈性區(qū)中引起的總徑向土壓力和孔隙水壓力變化規(guī)律進(jìn)行了研究，但樁土界面處土體相比樁周塑性區(qū)和彈性區(qū)土體產(chǎn)生更大的徑向位移，土體強(qiáng)度處于極限破壞狀態(tài)，受力狀態(tài)與塑性區(qū)和彈性區(qū)不同，所以，樁土界面總徑向土壓力有待深入研究。目前，主要通過試驗(yàn)和理論2種手段對(duì)總徑向土壓力進(jìn)行研究。

試驗(yàn)研究主要通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn)2種方式進(jìn)行分析。人們?cè)跇吨懿煌疃忍幒途嚯x樁不同間距處埋設(shè)土壓力傳感器，分析樁端貫入不同測(cè)量面處土壓力的變化規(guī)律[5-7]。唐世棟等[8]在樁周埋設(shè)土壓力傳感器，探討了單樁貫入過程中對(duì)周圍土體中產(chǎn)生側(cè)壓力增量的變化規(guī)律和分布情況。張忠苗等[9]將土壓力傳感器安裝于樁端，通過現(xiàn)場(chǎng)靜壓開口管樁，分析了貫入過程中樁周土體中土壓力的分布情況，發(fā)現(xiàn)樁周土體中的總徑向土壓力隨貫入深度呈先增大后減小的趨勢(shì)。DOHERTY等[10]通過在黏性土中靜壓開口管樁和閉口管樁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，分析了貫入過程中不同樁端形式對(duì)樁側(cè)總徑向土壓力和孔隙水壓力的分布特征的影響。陸燁等[11]通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了砂土中靜壓樁的沉樁過程，基于DIC 技術(shù)對(duì)樁周土體位移與相應(yīng)的土壓力變化規(guī)律進(jìn)行分析。張宇超等[12]將土壓力盒埋設(shè)于樁身周圍，開展了室內(nèi)模型試驗(yàn)，探討了沉樁過程引起的徑向土壓力的變化規(guī)律，并且發(fā)現(xiàn)錘擊沉樁和靜壓沉樁引起的變化規(guī)律相似。以上研究均是對(duì)樁周土體在徑向方向樁側(cè)土壓力進(jìn)行探討，但未考慮隨樁身貫入不同深度處樁土界面總徑向土壓力的變化規(guī)律。李雨濃等[13]采用離心原理，開展了不同離心場(chǎng)下的模型試驗(yàn)，用模型樁嵌入式安裝土壓力傳感器測(cè)量徑向壓力，認(rèn)為樁端的相對(duì)高度對(duì)徑向壓力的發(fā)展有較大影響，樁側(cè)總徑向土壓力存在退化現(xiàn)象，試驗(yàn)僅對(duì)均質(zhì)黏土中樁側(cè)總徑向土壓力進(jìn)行探討，而未對(duì)層狀土中樁側(cè)總徑向土壓力隨貫入深度的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

理論研究主要依據(jù)球（圓）孔擴(kuò)張理論，將沉樁過程模擬成一系列球孔的連續(xù)擴(kuò)張，分析靜壓樁貫入過程中樁周土體中徑向土壓力和孔隙水壓力增量的變化規(guī)律[15-17]。李鏡培等[18]開展了飽和黏性土中靜壓沉樁離心模型試驗(yàn)，并結(jié)合球孔擴(kuò)張理論，通過模型試驗(yàn)和理論對(duì)比分析，獲得了靜壓樁貫入過程中總徑向土壓力的變化規(guī)律。李林等[19]基于柱孔擴(kuò)張理論，考慮K0固結(jié)特性和應(yīng)力歷史因素推導(dǎo)出了K0固結(jié)飽和黏性土中柱孔擴(kuò)張彈塑性解，但只考慮了孔周應(yīng)力隨徑向的變化規(guī)律，而未解答隨深度分布的規(guī)律。張亞國等[20]通過開展離心模型試驗(yàn)以及對(duì)已有的圓孔擴(kuò)張理論進(jìn)行修正，提出了相應(yīng)的沉樁擠土模型，試驗(yàn)表明樁周土體總應(yīng)力和超孔壓變化主要由距樁的水平距離和埋深控制。LI等[21]基于修正的劍橋模型，考慮到圓孔擴(kuò)張周圍土體的三維力學(xué)特性，采用變化應(yīng)力張量法推導(dǎo)出了基于SMP 準(zhǔn)則的圓孔不排水?dāng)U張的近似解析解，但僅能分析孔周應(yīng)力隨徑向的變化規(guī)律。張鵬遠(yuǎn)等[22]通過球孔塑性區(qū)土體的受力特征，得到了飽和黏性土中球孔擴(kuò)張問題的屈服準(zhǔn)則，利用該準(zhǔn)則得出了飽和土體球孔擴(kuò)樁問題的總應(yīng)力場(chǎng)，并結(jié)合有效應(yīng)力原理推導(dǎo)出了有效應(yīng)力場(chǎng)。可見，人們通過理論研究探討了樁周土體中不同區(qū)域內(nèi)總徑向土壓力的分布規(guī)律，但未考慮沉樁過程中樁土界面剪切引起的總徑向土壓力退化問題，同時(shí)，沉樁過程中不同深度處樁土界面總徑向土壓力隨貫入深度的變化規(guī)律也有待進(jìn)一步探究。

綜上所述，目前對(duì)黏性土中靜壓樁沉樁過程樁周土體總徑向土壓力的研究中，主要通過理論以及易于控制變量的室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)樁土相互作用進(jìn)行研究；已有現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)大多將傳感器埋置于樁周土體中，而樁土界面處的土壓力和樁周的土壓力存在較大差異。現(xiàn)有研究主要分析了樁周土體塑性區(qū)和彈性區(qū)內(nèi)徑向土壓力的變化規(guī)律，探討了樁側(cè)總徑向土壓力沿徑向方向上的分布規(guī)律，而對(duì)樁土界面處樁側(cè)總徑向土壓力沿深度上的變化規(guī)律探討較少。

為此，本文作者在PHC 管樁樁身安裝硅壓阻式土壓力傳感器，進(jìn)行靜壓樁沉樁過程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，探討貫入過程中樁土界面處樁側(cè)總徑向土壓力的變化規(guī)律，對(duì)沉樁過程中樁土界面處樁側(cè)總徑向土壓力沿深度方向上的變化規(guī)律進(jìn)行分析，揭示層狀土中靜壓樁貫入過程中樁土界面受力特性。同時(shí)，采用土的極限平衡理論與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的手段對(duì)靜壓樁貫入過程中樁土界面總徑向土壓力進(jìn)行探討，從理論上分析樁土界面受力特性。研究結(jié)果可為工程中靜壓樁貫入特性以及承載能力的分析和預(yù)估提供參考。

1 試驗(yàn)方案

1.1 工程概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于山東東營市河口區(qū)湖濱路以西、河興路以北。地貌單元屬于黃河三角洲沖積平原地貌，表層覆蓋厚度為0.9～5.3 m 的回填土，場(chǎng)地內(nèi)主要分布粉質(zhì)黏土層和粉土層。地下水位埋深為0.30～3.00 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘探揭露，場(chǎng)地土層分布情況如表1所示。

表1 土層性質(zhì)參數(shù)表Table 1 Soil property parameter table

1.2 試驗(yàn)設(shè)置

試驗(yàn)采用PHC-A400（95）型預(yù)應(yīng)力混凝土管樁作為試驗(yàn)樁，樁長(zhǎng)為12 m。采用硅壓阻式土壓力傳感器監(jiān)測(cè)沉樁過程中樁土界面處總徑向土壓力，其主要性能指標(biāo)如表2所示。試驗(yàn)樁上設(shè)置6個(gè)測(cè)量斷面，從樁端分別按照1D，2D，4D，8D和12D（D為樁身直徑，D=40 cm）的間距分布，傳感器布置示意圖見圖1。樁端處傳感器的中心距樁端的距離為0.5D，從而避免了樁端端頭板對(duì)傳感器的影響。

表2 硅壓阻式傳感器性能指標(biāo)Table 2 Performance indicators of silicon piezoresistive sensor

圖1 傳感器安裝示意圖Fig.1 Sensor installation diagram

傳感器安裝之前，首先在樁身定位，然后用開孔器在樁身上開傳感器安裝孔，在開孔時(shí)首先用12 mm 的開孔器將樁壁鉆透，再用直徑為20 mm的開孔器進(jìn)行擴(kuò)孔，深度為20 mm，在孔內(nèi)形成臺(tái)狀。開孔完畢之后，按照孔洞位置布置傳感器，其后在傳感器四周和孔壁四周涂抹環(huán)氧樹脂膠將其固定在樁身表面，同時(shí)控制傳感器的高度與樁表面齊平。為提高環(huán)氧樹脂膠的黏結(jié)強(qiáng)度，需等待環(huán)氧樹脂膠固化24 h，不得過早沉樁。此外，試驗(yàn)之前，所采用傳感器均經(jīng)過精確標(biāo)定。

壓樁機(jī)械采用680 t 液壓靜力壓樁機(jī)，最大行程為1.8 m，沉樁速度為1.8～3.0 m/min。在每個(gè)行程開始前均用水平尺測(cè)量樁身的垂直度，確保壓樁過程中樁身垂直貫入土體，從而提高測(cè)量數(shù)據(jù)的精確度。本次試驗(yàn)貫入速度較慢且在每個(gè)行程中均以恒定速度貫入，與錘擊打入樁相比，此次貫入屬于穩(wěn)態(tài)貫入，所以，沉樁過程中不考慮壓樁力對(duì)樁身的沖擊作用。在沉樁過程中，以樁長(zhǎng)作為終壓控制標(biāo)準(zhǔn)。

選用CF3820 高速靜態(tài)信號(hào)測(cè)試分析儀讀取測(cè)量數(shù)據(jù)，可實(shí)現(xiàn)6通道同時(shí)動(dòng)態(tài)采集，采集頻率為100 Hz。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 樁土界面總徑向土壓力

通過對(duì)試驗(yàn)樁PJ1樁身安裝的硅壓阻式土壓力傳感器監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及貫入過程中傳感器的入土深度，繪制出沉樁過程中樁土界面處樁側(cè)總徑向土壓力隨傳感器入土深度的變化曲線，如圖2所示。

圖2 樁側(cè)總徑向土壓力隨傳感器入土深度變化曲線Fig.2 Variation curves of total radial earth pressure on pile side with depth of sensor

由圖2可以看出：隨貫入深度逐漸增加，1～6號(hào)傳感器的樁側(cè)總徑向土壓力逐漸增大，增大幅度隨土層的變化而變化；在粉質(zhì)黏土夾層與粉質(zhì)黏土層交界處，1 號(hào)與2 號(hào)傳感器所測(cè)總徑向土壓力出現(xiàn)突增的現(xiàn)象，且1號(hào)傳感器測(cè)得的總徑向土壓力突增最明顯，在10.7 m 時(shí)其增幅為43.37%，而2～6號(hào)傳感器土壓力突增現(xiàn)象逐漸減弱，總徑向土壓力逐漸減小。這是因?yàn)椋?）粉土密實(shí)性較好，樁在粉土層貫入時(shí)，樁身與土體緊密接觸，使傳感器剛貫入粉土層時(shí)出現(xiàn)壓力突增現(xiàn)象。2）1號(hào)傳感器靠近樁端，所測(cè)總徑向土壓力為樁端剛剛破土?xí)r產(chǎn)生的總徑向土壓力，而2～6號(hào)傳感器所測(cè)的總徑向土壓力為經(jīng)過了不同剪切距離之后的壓力，剪切距離越大，樁身與土體之間的接觸越不密實(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力釋放越多，從而壓力突增現(xiàn)象逐漸減弱。當(dāng)各傳感器由粉土層貫入粉質(zhì)黏土層時(shí)，各傳感器的總徑向土壓力出現(xiàn)減小的趨勢(shì)，以1號(hào)傳感器為例，當(dāng)貫入深度為3.9 m時(shí)，總徑向土壓力由145.7 kN減小到135.9 kN，并且在粉質(zhì)黏土層中貫入時(shí)總徑向土壓力增幅較小。這是因?yàn)榕c粉土相比，粉質(zhì)黏土的密實(shí)性較差，樁身與粉質(zhì)黏土之間接觸遠(yuǎn)比樁身與粉土之間的緊密程度小，從而使總徑向土壓力減小。

從以上分析可以看出：總徑向土壓力的變化與土層性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)樁身由軟土層（粉質(zhì)黏土）貫入硬土層（粉土）時(shí)，樁側(cè)總徑向土壓力出現(xiàn)突增現(xiàn)象；當(dāng)樁身由硬土層（粉土）貫入軟土層（粉質(zhì)黏土）時(shí)，樁側(cè)總徑向土壓力出現(xiàn)減小趨勢(shì)，這與李雨濃等[14]的研究結(jié)果相符。由此可知，樁側(cè)總徑向土壓力與土的軟硬程度密切相關(guān)。

2.2 不同土層樁土界面總徑向土壓力退化效應(yīng)

由圖2可知：隨樁身貫入，在同一深度處的樁側(cè)總徑向土壓力逐漸減小，距樁端越遠(yuǎn)的傳感器在同一貫入深度處測(cè)得的樁側(cè)總徑向土壓力減小，這與LEHANE等[23-24]的研究結(jié)果一致。側(cè)摩阻力的形成機(jī)理也進(jìn)一步驗(yàn)證了樁側(cè)摩阻力的退化現(xiàn)象?？梢钥闯觯陬A(yù)估或計(jì)算沉樁過程中樁側(cè)摩阻力時(shí)，為避免估算值過大，應(yīng)考慮樁的長(zhǎng)度效應(yīng)。

根據(jù)試驗(yàn)所得的總徑向土壓力，可以得到不同土層中相鄰兩傳感器之間樁側(cè)總徑向土壓力的平均退化幅度，如圖3所示。

圖3 各土層相鄰傳感器總徑向壓力平均退化幅度Fig.3 Average radial deformation degradation of adjacent sensors in each soil layer

由圖3可以看出：1～2 號(hào)傳感器之間總徑向土壓力的平均退化幅度最大，最大退化幅度約為32.01%。而其他傳感器之間的退化幅度較小，退化幅度為0～8%。這表明沉樁過程中樁端破土之后，初始剪切破壞對(duì)總徑向土壓力的應(yīng)力釋放和總徑向土壓力的退化影響最大，此時(shí)，總徑向土壓力的退化現(xiàn)象最明顯。之后，隨樁身貫入，樁土界面土體為重塑土，強(qiáng)度大幅降低，在樁土界面不斷發(fā)生剪切情況下，總徑向土壓力不斷減小，但樁土界面重塑土的強(qiáng)度逐漸減低，退化幅度也逐漸減小。由此可知，同一深度處，在沉樁初期，樁側(cè)總徑向土壓力退化較明顯，而隨樁身的不斷貫入，退化幅度減小。這與李雨濃等[13]所得結(jié)果一致。

經(jīng)過進(jìn)一步分析，硬土層（粉土層）的總徑向土壓力退化幅度明顯比軟土層（粉質(zhì)黏土）的大，退化幅度最大相差14.22%。這說明在樁土界面不斷發(fā)生剪切作用下，硬土層比軟土層更容易使總徑向土壓力退化，這是因?yàn)檐浲翆油临|(zhì)較軟，在上覆土重的作用下，樁土界面不斷發(fā)生剪切作用，軟土與樁身接觸較緊密，而在硬土層中，土體的自立性較軟土層強(qiáng)。在樁體貫入過程中，樁身對(duì)樁周硬土層不斷施加剪切作用，同一深度處硬土層與樁身之間的接觸程度逐漸降低，所以，硬土層中總徑向土壓力退化幅度明顯比軟土層中的幅度大。其中粉質(zhì)黏土（夾）的總徑向土壓力變化規(guī)律與其他土層的變化規(guī)律不同，主要是本層為夾層土性的不確定因素較多，使本層的總徑向土壓力變化規(guī)律不明顯。

3 樁土界面徑向土壓力理論分析

球（圓）孔擴(kuò)樁理論適用于分析樁側(cè)徑向土壓力隨水平距離的變化規(guī)律，而無法反映隨沉樁的進(jìn)行樁側(cè)徑向土壓力沿深度方向的變化，即不能展現(xiàn)深度變化對(duì)樁側(cè)徑向土壓力的影響。在樁身貫入過程中，靠近樁身的土體發(fā)生塑性（破壞）變形和較大位移，鑒于此，樁土界面處的徑向土壓力可根據(jù)極限平衡理論進(jìn)行分析。將土體視為服從Mohr-Coulomb 屈服準(zhǔn)則的理想彈塑性土體。在沉樁之前，土體單元的最大主應(yīng)力為上覆土體自重應(yīng)力σz=∑γh，最小主應(yīng)力為側(cè)壓力στ=K0∑γh。沉樁結(jié)束后，由于樁身的擠土作用樁身附近土體發(fā)生較大的水平位移，土體強(qiáng)度達(dá)到極限，此時(shí)，土體單元的最大主應(yīng)力為側(cè)向壓力，最小主應(yīng)力為豎向應(yīng)力。根據(jù)土體的極限平衡理論以及應(yīng)力圓可得出沉樁前后土體應(yīng)力的變化[25]，如圖4所示，圖4中，σ1為最大主應(yīng)力，σ3為最小主應(yīng)力。

圖4 土體單元應(yīng)力圓應(yīng)力變化Fig.4 Stress variation of soil unit stress circle

由極限平衡理論的樁側(cè)土壓力隨深度的變化規(guī)律，可知總徑向土壓力σr和上覆土體自重應(yīng)力σz分別為

式中：γ為土體重度；h為土層厚度；φ為土的內(nèi)摩擦角；c為土的黏聚力。

3.1 樁土界面總徑向土壓力試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值比較

通過極限平衡理論以及根據(jù)式（1）和現(xiàn)場(chǎng)工程勘察報(bào)告提供的各土層物理參數(shù)，計(jì)算得到樁土界面總徑向土壓力隨貫入深度的變化。1號(hào)傳感器位于樁端，所測(cè)的徑向土壓力為樁端剛破土?xí)r的樁側(cè)總徑向土壓力。所以，采用樁端1號(hào)傳感器測(cè)得的總徑向土壓力與極限平衡理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖5所示。

圖5 總徑向土壓力與理論值對(duì)比Fig.5 Total radial earth pressure value versus theoretical value

由圖5可以看出：在貫入初期，試驗(yàn)值隨貫入深度的增幅比理論計(jì)算值的增幅大，這主要是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中由于壓樁機(jī)的自身重力較大，在地表產(chǎn)生較大的附加荷載，從而使貫入初期試驗(yàn)值略大，壓裝機(jī)械的自身重力對(duì)樁側(cè)總徑向土壓力的影響深度為2～3 m。在同層土中，總徑向土壓力的理論計(jì)算值隨深度增加近似呈線性增長(zhǎng)，而現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)曲線即使在同層土中總徑向土壓力隨深度增加出現(xiàn)細(xì)小增長(zhǎng)。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行理論計(jì)算時(shí)，同層土中的各參數(shù)取值相同；而現(xiàn)場(chǎng)土壓力的實(shí)測(cè)曲線受現(xiàn)場(chǎng)土層局部不均勻等因素的影響，相同土層中總徑向土壓力存在一定的波動(dòng)，但這并不影響整體規(guī)律的分析和研究。

在粉質(zhì)黏土層，樁側(cè)總徑向壓力試驗(yàn)值與理論計(jì)算值變化規(guī)律吻合較好，而在粉土層理論計(jì)算值與試驗(yàn)值存在一定的偏差。當(dāng)貫入深度為6.4 m 時(shí)，總徑向土壓力理論計(jì)算值為284.08 kN，總徑向土壓力試驗(yàn)值為183.51 kN，理論計(jì)算值約為試驗(yàn)值的1.55 倍；在10.9 m 時(shí)，總徑向土壓力理論計(jì)算值為450.07 kN，總徑向土壓力試驗(yàn)值為262.70 kN，理論計(jì)算值約為試驗(yàn)值的1.71 倍。這是因?yàn)榉弁恋臐B透性較大，當(dāng)樁端在粉土層破土貫入時(shí)極易形成孔隙水消散通道，這與張忠苗等[9]研究的結(jié)果一致。而采用極限平衡理論計(jì)算總徑向壓力時(shí)未考慮孔隙水的消散，致使在粉土層時(shí)理論計(jì)算值與試驗(yàn)值存在偏差。粉質(zhì)黏土中由于土的滲透性較小，孔隙水較難消散，所以，在粉質(zhì)黏土層理論計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

從整體的曲線變化趨勢(shì)可以看出，極限平衡理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值變化規(guī)律基本一致，可以采用極限平衡理論分析樁側(cè)總徑向土壓力沿深度方向的變化規(guī)律[25]。

3.2 考慮孔隙水消散的樁土界面總徑向土壓力理論計(jì)算方法

由3.1 中分析可知，由于粉土的滲透性較大，易使孔隙水消散，致使現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)的總徑向土壓力增幅比理論值的增幅小?，F(xiàn)將1號(hào)傳感器貫入⑤和⑦粉土層時(shí)的實(shí)測(cè)值與極限平衡理論計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，見表3。因?yàn)棰诜弁翆邮軌貉b機(jī)自重等多種因素的影響，故本次只對(duì)⑤和⑦粉土層進(jìn)行分析。

表3 粉土層中實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值的比較Table 3 Comparisons of measured values and theoretical calculations in silty soil

由表3可知：當(dāng)樁身貫入⑤和⑦粉土層時(shí)，樁土界面處總徑向土壓力實(shí)測(cè)值分別是理論計(jì)算值的69.07%～80.76%和66.28%～82.33%。從圖5可知粉土的透水性大，孔隙水易消散。由于⑤和⑦土層的孔隙比相近，在⑤和⑦粉土層中超孔壓消散的幅度基本相同。

將樁土界面總徑向土壓力實(shí)測(cè)值與極限平衡理論計(jì)算值之比稱為超孔壓消散系數(shù)。粉土中孔隙水的消散對(duì)總徑向土壓力的影響較大，根據(jù)以上分析，可以將式（1）修正為

式中：ψ為超孔壓消散系數(shù)（土層位于水位線以上時(shí)取1），取值范圍為0.7～0.8。

黏土中總徑向土壓力為

經(jīng)超孔壓消散系數(shù)修正之后的極限平衡理論計(jì)算值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值對(duì)比，如圖6所示。

圖6 總徑向土壓力實(shí)測(cè)值與理論修正值對(duì)比Fig.6 Comparison of measured values and theoretical corrections of total radial earth pressure

從圖6可以看出：考慮了孔隙水消散的極限平衡理論修正后公式得到的沉樁過程中樁土界面總徑向土壓力隨貫入深度的變化規(guī)律與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值變化規(guī)律極其相似。在粉質(zhì)黏土層，總徑向土壓力現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值比理論計(jì)算值略小，理論值約為實(shí)測(cè)值的1.1倍，說明在黏土層也存在孔隙水小幅度消散，但實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值相差較小，并不影響整體規(guī)律的研究。以上分析表明，采用考慮了孔隙水消散修正后的極限平衡理論公式適合用于分析或估算粉土與粉質(zhì)黏土互層中樁端剛剛破土?xí)r樁土界面總徑向土壓力。

3.3 同時(shí)考慮孔隙水消散和剪切破壞樁土界面總徑向土壓力退化的理論計(jì)算方法

在靜壓樁貫入過程中，樁土之間不斷發(fā)生剪切作用，樁土界面不斷產(chǎn)生應(yīng)力釋放。由圖2可知，不同位置傳感器貫入同一深度時(shí)，徑向土壓力出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象。目前，當(dāng)采用球（圓）孔理論或極限平衡理論公式計(jì)算或估算沉樁過程中樁土界面總徑向土壓力時(shí)，均未考慮貫入過程中徑向土壓力的退化現(xiàn)象即樁長(zhǎng)效應(yīng)，這必然會(huì)使樁土界面總徑向土壓力偏大。

沉樁過程中樁土界面不斷發(fā)生剪切破壞，由于土性不同土的物理參數(shù)不同，樁土界面也展現(xiàn)出不同的總徑向土壓力退化型式。本文計(jì)算了樁身不同位置即不同H/D（H為測(cè)量面距樁端的距離；D為樁身直徑）處傳感器分別在粉土和黏土層中貫入過程中的實(shí)測(cè)值ps與極限平衡理論計(jì)算值pu比值的均值η。η表征不同位置傳感器分別貫入粉土層和粉質(zhì)黏土層時(shí)總徑向土壓力的退化程度，稱為剪切退化程度參數(shù)。將粉土和黏性土中的剪切退化程度參數(shù)η通過擬合分別建立了與H/D的關(guān)系式，如圖7所示。

由圖7可見：黏土和粉土中樁土界面處總徑向壓力的剪切退化程度參數(shù)隨樁土界面的不同剪切距離（剪切程度不同），均呈冪函數(shù)關(guān)系[26]。土性不同退化系數(shù)也不同，在黏土中剪切退化系數(shù)為0.12，在粉土中剪切退化系數(shù)為0.19。這表明在粉土中隨樁身的貫入樁土界面處總徑向土壓力的退化幅度比黏性土中的退化幅度大，這與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中各傳感器之間得到的總徑向土壓力退化規(guī)律一致。

圖7 η隨H/D的變化Fig.7 Variations of η with H/D

依據(jù)黏土中和粉土中退化程度參數(shù)關(guān)系式對(duì)總徑向土壓力的極限平衡理論計(jì)算公式進(jìn)行二次修正。計(jì)算公式考慮到樁土界面循環(huán)剪切作用引起的樁側(cè)總徑向土壓力的退化效應(yīng)，得到在不同剪切程度下總徑向土壓力的極限平衡理論計(jì)算公式，將式（3）和式（4）進(jìn)行二次修正。

粉土中樁側(cè)總徑向土壓力在不同剪切程度下的計(jì)算公式為

式中：η=0.77（H/D）-0.12。

黏土中樁側(cè)總徑向土壓力在不同剪切程度下的計(jì)算公式為

式中：η=0.75（H/D）-0.19。

根據(jù)式（5）和式（6），可得到與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相應(yīng)傳感器貫入過程中樁土界面總徑向土壓力。圖8所示為樁側(cè)總徑向土壓力分別與極限平衡理論公式二次修正前后對(duì)比曲線。

由圖8可以看出：未考慮剪切破壞對(duì)總徑向土壓力退化的影響時(shí)，樁土界面總徑向土壓力實(shí)測(cè)值與理論計(jì)算值相差較大，在沉樁結(jié)束時(shí)，2～5號(hào)傳感器樁土界面總徑向土壓力實(shí)測(cè)值與相應(yīng)深度處理論計(jì)算值的比值分別為74.94%，67.11%，61.87%和53.81%。這說明樁身貫入時(shí)樁土界面剪切破壞對(duì)總徑向土壓力的影響較大，在估算貫入過程中不同深度處樁側(cè)總徑向土壓力時(shí)，樁土界面剪切破壞不容忽視。同時(shí)，考慮了孔隙水消散和剪切破壞引起總徑向土壓力退化的理論修正值與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值吻合度較高，兩者的變化規(guī)律和數(shù)值基本相同。這說明采用極限平衡理論對(duì)貫入過程中不同位置處的樁側(cè)總徑向土壓力進(jìn)行估算時(shí)，若不考慮貫入過程中徑向土壓力的退化現(xiàn)象，即樁長(zhǎng)效應(yīng)，必然會(huì)使樁側(cè)總徑向土壓力偏大。采用修正后的公式提高了對(duì)沉樁過程中樁土界面總徑向土壓力估算的準(zhǔn)確性，從而也對(duì)靜壓樁沉樁過程中樁側(cè)摩阻力的預(yù)估更加準(zhǔn)確，這提高了對(duì)靜壓樁壓樁力和沉樁結(jié)束后承載力估算的準(zhǔn)確性。

圖8 樁側(cè)總徑向土壓力實(shí)測(cè)值與理論值對(duì)比圖Fig.8 Comparisons of measured and theoretical values of total radial earth pressure on pile side

4 結(jié)論

1）沉樁過程中引起的總徑向土壓力隨貫入深度增加逐漸增大。當(dāng)樁身由軟土層貫入硬土層時(shí)，樁側(cè)總徑向土壓力出現(xiàn)突增現(xiàn)象；當(dāng)樁身由硬土層貫入軟土層時(shí)，樁側(cè)總徑向土壓力呈減小趨勢(shì)，這說明樁側(cè)總徑向土壓力與土層性質(zhì)密切相關(guān)。

2）在沉樁過程中同一貫入深度，隨樁身的貫入，樁側(cè)總徑向土壓力存在明顯的退化現(xiàn)象。在沉樁初期，同一深度下樁側(cè)總徑向土壓力退化最明顯，而隨著樁身的不斷貫入，退化現(xiàn)象變得越來越不明顯。樁側(cè)總徑向土壓力在硬土層的退化幅度比在軟土層的退化幅度大。

3）極限平衡理論適合分析樁端處總徑向土壓力沿深度方向上的變化規(guī)律。在粉土中計(jì)算樁土界面總徑向土壓力時(shí)，需考慮孔隙水消散的影響，進(jìn)行超孔壓消散系數(shù)的修正，超孔壓消散系數(shù)為0.7～0.8。

4）當(dāng)采用極限平衡理論分析沿樁長(zhǎng)方向不同深度的總徑向土壓力時(shí)，在粉土中需同時(shí)考慮孔隙水消散和不同剪切程度（H/D）對(duì)徑向土壓力退化的影響，剪切退化系數(shù)為0.19；在粉質(zhì)黏土中考慮不同剪切程度（H/D）對(duì)徑向土壓力退化的影響，剪切退化系數(shù)為0.12。極限平衡理論公式經(jīng)過二次修正后樁側(cè)總徑向土壓力計(jì)算值與試驗(yàn)值相吻合。所以，在采用極限平衡理論計(jì)算樁側(cè)總徑向土壓力時(shí)，應(yīng)考慮樁長(zhǎng)效應(yīng)，以免對(duì)樁側(cè)總徑向土壓力估算過大。