王晨， 光洪峰， 呂偉

（青島理工大學(xué)，山東 青島 266033）

0 引言

預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土管樁（PHC管樁）由流水線生產(chǎn)，因具有強(qiáng)度高、施工便捷、造價低等優(yōu)點(diǎn)，近年來被廣泛應(yīng)用于各類工程。

預(yù)制管樁以開口形式居多，這就導(dǎo)致在管樁打入土層時，樁端土體穩(wěn)態(tài)被破壞部分土體進(jìn)入管樁內(nèi)部，這部分土體就是土塞。研究證明土塞效應(yīng)對PHC管樁的承載性能有著重要影響。Brucy等［1］通過試驗研究了土塞的形成過程，發(fā)現(xiàn)隨著貫入深度的增加，土塞高度逐漸小于管樁入土深度。Paik等［2］通過模型試驗研究了在打入過程中土塞高度增長與管樁貫入深度增量的比值對管樁承載能力的影響。朱合華等［3］通過現(xiàn)場試驗研究了土塞的發(fā)展規(guī)律。張忠苗等［4］通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)試驗研究了不同土層條件下的土塞特性，發(fā)現(xiàn)土體強(qiáng)度與土塞高度成正比，地基土的軟硬結(jié)構(gòu)對土塞的發(fā)展有顯著的影響。

文中依托淄博某公路樁基工程，將FBG傳感技術(shù)應(yīng)用于PHC管樁現(xiàn)場打入試驗中，并根據(jù)現(xiàn)場錘擊沉樁記錄的試驗數(shù)據(jù)，研究了打樁過程錘擊數(shù)與地基土的相互作用以及土塞的發(fā)展規(guī)律。

1 試驗方案

1.1 試驗場地概況

試驗位于山東省淄博市某公路樁基工程施工現(xiàn)場，屬沖洪積平原地貌，場區(qū)地基土在勘察范圍內(nèi)分為7個地質(zhì)層，地表土為素填土，前20m地層為粉土及粉質(zhì)黏土，20m深度以下為砂土層，地下水埋深為0.4～2.0m，樁基持力層選擇細(xì)砂層，其土層分布及參數(shù)如表1所示。

表1 土層參數(shù)

1.2 試驗樁制備及傳感器安裝

試驗樁總長43m，樁徑800mm，壁厚130mm，C80混凝土，樁端形式為開口管樁，分三節(jié)制備，長度分別為15、13、15m，編號依次設(shè)置為PS1、PS2、PS3，各節(jié)采用電焊連接。各節(jié)管樁參數(shù)如表2所示。

表2 試驗樁參數(shù)

PHC管樁不同于鋼管樁的制備，其生產(chǎn)工藝包括鋼筋籠張拉、混凝土灌注、高速離心成型以及高溫養(yǎng)護(hù)，如圖1所示，高速離心成型和高溫養(yǎng)護(hù)對預(yù)埋監(jiān)測元件的存活都是極大的挑戰(zhàn)。因此，如何提高管樁生產(chǎn)時傳感器的存活率是試驗的關(guān)鍵。

圖1 PHC管樁生產(chǎn)工藝

最終選用光纖光柵埋入式傳感器進(jìn)行試驗，該傳感器具有耐高溫、性能穩(wěn)定、實(shí)時監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。試驗是將FBG傳感器埋設(shè)入管樁內(nèi)部，分兩組對稱綁扎在鋼筋籠上，對稱綁扎是為了防止在打入過程中的可能存在的偏心受壓對數(shù)據(jù)的影響，取兩側(cè)傳感器數(shù)據(jù)的平均值作為最終應(yīng)變值。為了進(jìn)一步提高FBG傳感器的存活率，采用pvc管對FBG傳感器進(jìn)行保護(hù)，綁扎過程如圖2所示。三節(jié)試樁傳感器的布置示意如圖3所示。

圖2 FBG傳感器的安裝

圖3 FBG傳感器布置圖（單位：m）

2 數(shù)據(jù)分析

2.1 每米錘擊數(shù)隨打入深度的變化規(guī)律

試驗記錄了3根管樁的打入錘擊數(shù)，錘擊數(shù)隨打入深度的變化曲線如圖4所示。

圖4 錘擊數(shù)隨打入深度的變化曲線

圖4中可知，3根樁的錘擊數(shù)變化趨勢基本相同。前20m地基土主要為粉土及粉質(zhì)黏土，土體強(qiáng)度較低，錘擊數(shù)小。當(dāng)樁端進(jìn)入砂土層時，其每米錘擊數(shù)大幅增加，試驗樁在34m深度處錘擊數(shù)達(dá)到最大，最大錘擊數(shù)為272錘/m，而對照樁2在36m深度處達(dá)到最大，最大錘擊數(shù)為467錘/m。其中對照樁1在貫入32m深度時樁身被打裂，沉樁終止?？芍狿HC管樁沉樁的每米錘擊數(shù)可以反映出地基土的強(qiáng)度。

試驗樁在深度28m處，錘擊數(shù)先增大后減小，說明該處土體強(qiáng)度先升高后降低，而鄰近的兩根對照樁卻沒有出現(xiàn)這種現(xiàn)象，原因是試驗樁在貫入該深度時由于天氣原因，停錘了幾小時，而兩根對照樁樁均為連續(xù)打樁直至完成沉樁，故沒有出現(xiàn)上述現(xiàn)象?？梢杂猛亮W(xué)的有效應(yīng)力原理［5］來解釋，外荷載作用下，土中應(yīng)力被土骨架和土中水氣共同承擔(dān)，但只有通過土顆粒接觸傳遞的有效應(yīng)力才會使土產(chǎn)生變形，具有抗剪強(qiáng)度，而通過孔隙中的水氣傳遞的孔隙壓力對土的強(qiáng)度和變形沒有貢獻(xiàn)。

對于飽和土體，在打樁等振動作用下，土顆粒被擠密，使得孔隙水壓力增大，土顆粒間有效應(yīng)力減小，致使土體強(qiáng)度降低；反之，施工完成后，土體強(qiáng)度會得到恢復(fù)，進(jìn)而影響側(cè)摩阻力和樁端阻力，樁體承載力隨時間的推移不斷增長［6］，眾多的實(shí)測數(shù)據(jù)及理論分析也可以證明這一點(diǎn)。這個過程的原理如下：

式中，βK為超孔隙水壓力轉(zhuǎn)化為有效應(yīng)力的比值。

在連續(xù)打樁過程中超孔隙水壓力的累積使得土體強(qiáng)度降低；停錘后，打樁積累的孔隙水壓力釋放，土體強(qiáng)度得到恢復(fù)甚至提升，故而錘擊數(shù)變大；之后隨著打樁的進(jìn)行，超孔隙水壓力再次積累，錘擊數(shù)變小，這與劉潤等［7］的研究相符。由此可知連續(xù)的打樁會使孔隙水壓力一直處于較高的水平，利于沉樁。

2.2 土塞性狀

土塞特性可由土塞高度L、土塞率P和土塞增長率I來評測，公式如下所示：

式中，H為試樁入土深度；dL和dH為土塞高度和試樁入土深度的單位變化量。

從式中可以看出，P=0代表未形成土塞，試樁等同于閉口管樁；P=1代表試樁內(nèi)土塞高度等于試樁入土深度；I=0代表隨入土深度的增加試樁內(nèi)土塞高度未增長，樁體處于完全閉塞狀態(tài)；I=1代表樁體處于完全非閉塞狀態(tài)。

2.2.1 土塞高度的變化規(guī)律

土塞高度的發(fā)展曲線如圖5所示。從圖中可以看出，土塞高度隨著樁體打入深度的增加而增大。3根試樁的土塞發(fā)展規(guī)律也基本相同，在打入深度在10～25m時，對照樁1的土塞高度發(fā)展曲線較另外兩根試樁來說變化幅度較大，這應(yīng)與該處土層的軟硬程度有關(guān)；在深度32m處，對照樁1樁身被打裂，土塞高度為13m，在沉貫結(jié)束入土深度43m時，試驗樁土塞高度為19.8m，對照樁2土塞高度為18.7m。

圖5 土塞高度隨打入深度的變化曲線

2.2.2 土塞率的變化規(guī)律

土塞率隨打入深度的變化曲線如圖6所示。隨著打入深度的增加，土塞率呈現(xiàn)先減小后略微增大的趨勢。在20m深度處各試樁土塞率達(dá)到最小，試驗樁、對照樁1與對照樁2的最小值分別為42%、34.5%與40%。結(jié)合土質(zhì)分析，隨著打樁的進(jìn)行，土塞高度不斷增加，土塞與管樁內(nèi)側(cè)摩阻力與土塞自重不斷增大，這就導(dǎo)致土塞增長需要克服的阻力增大，土塞率不斷減小，同時，在15～20m深度內(nèi)，上部粉土層較硬，下部粉質(zhì)黏土層較軟，這種土層結(jié)構(gòu)更易造成閉塞現(xiàn)象，會進(jìn)一步阻礙土塞的增長；在20m深度后土塞率又逐漸增大，原因是樁端貫入砂土層后，上層粉質(zhì)土下層砂土的土層結(jié)構(gòu)促進(jìn)了土塞的發(fā)展，這與張忠苗等人的結(jié)論相符。在沉貫完成后，試驗樁的土塞率為46%，對照樁1與對照樁2的土塞率分別為40.6%與43.6%。

圖6 土塞率隨打入深度的變化曲線

2.2.3 土塞增長率的變化規(guī)律

土塞增長率隨打入深度的變化曲線如圖7所示。從該圖能更直觀的看出土塞增長速率的變化情況，在20m深度內(nèi)，土塞增長率不斷降低，這與土塞受力、上硬下軟的土層結(jié)構(gòu)有關(guān)，試驗樁、對照樁1與對照樁2的最小土塞增長率分別為22%、8%與22%。在20～30m深度范圍內(nèi)，土塞增長率不斷增大，這與上軟下硬的土層結(jié)構(gòu)有關(guān)，3根試樁的土塞率分別提高到了52.5%、52%與48.3%。之后隨著打入深度的增加，土塞增長率又呈現(xiàn)減小趨勢，這與打入初期土塞增長率減小的原因相同，可以從土塞的受力來解釋，土塞受土塞-內(nèi)壁剪切力、土塞自重與樁端的支撐承載力，前兩者制約著土塞的發(fā)展，當(dāng)打入深度不斷增加時，前兩者之和不斷增加，阻力不斷增大，阻礙土塞的增長，所以土塞增長率不斷降低，當(dāng)打入深度足夠大阻力大于樁端土的承載力時只會破壞樁端土體的穩(wěn)定，而土塞高度不會增加，也就是閉塞。沉樁完成后，試驗樁的土塞增長率為50%，對照樁1與對照樁2的土塞增長率分別為52%與48.7%。

圖7 土塞增長率隨打入深度的變化曲線

從對照樁1的土塞增長率變化曲線也可以看出，對照樁1的土塞增長率變化幅度較其他樁更大，先是從100%減少到了15m深度處的8%，然后從15m深度處的8%到32m斷樁處的52%，增幅達(dá)到了550%，遠(yuǎn)大于剩余兩根樁的136%與118%，說明對照樁1樁端所處的粉質(zhì)土與砂土層地基強(qiáng)度軟硬差異大于剩余兩根樁的地基土強(qiáng)度，這也可以解釋對照樁1樁身被打裂斷樁應(yīng)該是因為該砂土層土體強(qiáng)度過高。

2.3 靜載荷試驗

采用慢速維持荷載法對試驗樁進(jìn)行了靜載荷試驗，最大加載量為4080kN，分九級加載，每級維持2h左右，加載完成后樁身完好。結(jié)果如圖8所示，從圖中可以看出，試樁的Q-s曲線呈緩變型，曲線沒有出現(xiàn)明顯的向下彎曲，說明樁身還有較大承載潛力。樁頂最大沉降12.34mm，卸荷后殘余沉降8.39mm，回彈率32.01%。

圖8 試樁單樁靜載荷試驗曲線

3 結(jié)語

（1） PHC管樁沉樁的每米錘擊數(shù)可以反映出地基土的強(qiáng)度。土體強(qiáng)度越低，錘擊數(shù)越小，反之錘擊數(shù)越高。連續(xù)的打樁會使孔隙水壓力一直處于較高的水平，降低土體強(qiáng)度，利于沉樁。停錘一晚后出現(xiàn)錘擊數(shù)升高的現(xiàn)象，說明停錘會使土體強(qiáng)度恢復(fù)。

（2） 隨著打入深度的增加，土塞高度不斷增加，但土塞高度的增長速度逐漸小于管樁入土速度。上層粉質(zhì)土下層砂土的土層結(jié)構(gòu)會促進(jìn)土塞的發(fā)展，上層粉土下層粉質(zhì)黏土的結(jié)構(gòu)會阻礙土塞的發(fā)展，易造成閉塞現(xiàn)象。土塞增長率的變化也能反映出土體強(qiáng)度，土體強(qiáng)度越高，土塞增長率越大。

（3） 該P(yáng)HC管樁為端承樁，Q-s曲線為緩變型，且樁的承載潛力較大。