基于模型试验的桩周土压力

张宇超,陆 烨

挤土桩在施工过程中会对周围环境产生较大影响.严重的挤土效应会引起周围道路路面损坏、水管爆裂、边坡失稳等一系列问题[1-2].已有的针对挤土效应的研究主要集中于静压沉桩.Vesic[3]、黄院雄等[4]结合源-汇理论,许清侠[5]、唐世栋[6]基于理论解析解对静压沉桩的挤土效应进行了研究.罗战友[7]基于数值模拟对静压沉桩的挤土效应以及静压沉桩对桩周环境(管线等构筑物)的影响进行了研究.李富荣等[8]、Yang等[9]、卞立民等[10]、White等[11]、Rockhill等[12]基于模型试验或现场实测对静压沉桩的挤土效应进行了研究.从目前的实践情况来看,静压沉桩虽然具有无振动、低噪音的优势,但是其压桩所用的液压机需要占据较大空间,而且施工费用较高,因此在某些情况下锤击沉桩的使用不可避免.然而相关锤击沉桩挤土效应的研究并不多见.Gavin等[13]通过现场试验发现单调荷载作用下锤击沉桩的桩周径向土压力明显大于循环荷载作用.

本工作通过模型试验主要研究了以下几点:沉桩过程中径向土压力的变化规律;测点达到径向土压力峰值时桩端和测点的相对位置关系;径向土压力峰值随深度的变化规律.通过对径向土压力的研究能在一定程度上对两种沉桩模式的挤土效应进行预估与判断,减少挤土效应对周围环境的影响,因此具有十分重要的工程意义.

1 试验介绍

1.1 试验仪器

整套试验设备由以下几个部分组成:模型箱(见图1(a))、微型土压力盒、液压千斤顶、穿心锤、导杆、垫块.模型箱为钢制,长、宽、高都为1 m,模型箱上装有反力架,如图1所示.由于Vesic[3]的研究发现,在沉桩过程中,周围土体10D(其中D为模型桩直径,距离从桩周算起)范围外均不受影响,而3D范围内土体受影响最大,所以本试验主要研究5D范围内的挤土效应.为了完整记录整个沉桩过程中不同深度处径向土压力的变化情况,微型土压力盒的布置形式如图1(b)和(c)所示.微型土压力盒与数据采集器相连.为捕捉沉桩过程径向土压力变化情况,设置采样频率为100 Hz.本试验所采用的模型桩为圆形截面,内径为36 mm,外径为40 mm.锤击桩荷载通过固定于反力架上的穿心锤来施加,穿心锤重3.3 kg,落距为0.8 m.为减轻锤击荷载对桩帽的损坏,在穿心锤与桩帽之间加入橡胶垫块.

图1 测点布置图Fig.1 Layout of the instrumentations

1.2 试验砂

本试验所用土样为普通建筑用砂.通过筛分试验可以测定试验砂的Cu值为1.59,Cc值为0.86,为级配不良砂.试验砂的重度为16.5 kN/m3,含水率为2%,形状为次圆形至次角形,直剪试验测得的剪切角约为38°.试验时采用落雨法分层铺设.每次铺设完毕后,根据图1布设土压力盒.当模型箱内土样制备完成后,采用微型静力触探仪(cone penetration test,CPT)对土样进行测定,测得桩尖摩阻力平均值为0.87 MPa,桩身摩阻力值为0.85 kPa,摩阻比小于1%,砂土密实度介于极松与疏松之间.静力触探试验结束后,施加静力荷载将模型桩压入约100 mm土层深处,使其垂直地嵌固于试验砂中,然后根据试验要求施加锤击荷载.

2 试验结果及分析

本次锤击沉桩由3组试验组成,采用的锤击数分别为80,82,79击.为比较不同沉桩方式对径向土压力的影响,本试验结果将与前期静压沉桩模型试验结果进行比较.前期静压沉桩模型试验所采用的模型桩、模型箱以及试验砂都与本试验一致.此外,静压沉桩砂样也采用同样方式进行制备,通过微型静力触探仪测得桩尖摩阻力平均值为0.70 MPa,桩身摩阻力值为0.86 kPa,与本试验砂样制备结果较为一致.

2.1 沉桩过程中径向土压力变化规律

图2和3为沉桩过程中径向土压力的变化规律,其中125,250,375,500,550 mm均为离砂表面距离.随着桩被打入土体中,在桩侧1D处埋深为125～500 mm的测点值依次达到峰值.由于沉桩深度为550 mm左右,因此在550 mm处的测值不能判断是否已经达到峰值.在桩尖下沉尚未达到测点深度时,径向土压力急剧增加直到峰值.当桩尖继续下沉到测点以下时,该深度处的测点值又逐渐减小,最终达到稳定值.无论是锤击沉桩还是静压沉桩,距离桩周径向1D处,埋深越深处所监测到的径向土压力的峰值也越大.在距离桩身表面3D处,沉桩过程引起的径向土压力变化规律与1D处类似,但所测得的峰值应力要小于1D处.径向土压力随径向距离的增加急剧减小,到距桩周5D处,土压力已降到1D处数值的10%水平以下.对比图2和3可以发现,锤击沉桩的桩周土压力曲线波动较大,测点离桩越近,埋深越深,波动的幅度就越明显,而相应测点处的静压沉桩桩周土压力曲线比较平缓.究其原因,是因为在锤击沉桩过程中,桩尖产生的P波与S波向四周发散,使桩尖包围的土体在能量传递的过程中瞬间液化,并在沉桩的瞬时,土压力盒感触到的压力会急剧减小.而对于静压沉桩,由于压桩时的荷载施加较为缓慢,所以沉桩曲线较为平滑.此外,由于锤击沉桩过程是一个动力过程,所以测得的是较为复杂的动土压力,且其在整个沉桩过程完成以后会很快消散;而静压沉桩荷载具有单一性、持续性等特点,桩周径向土压力的变化过程比较平稳,沉桩完成后土压力消散较慢.

图2 锤击沉桩过程中,距离桩身表面1D,3D,5D处的径向土压力Fig.2 Radial stress of impact-driven pile at distance 1D,3D,5D from the pile

图3 静压沉桩过程中,距离桩身表面1D,3D,5D处的径向土压力Fig.3 Radial stress of press-in pile at distance 1D,3D,5D from the pile

为了进一步比较两种沉桩方式所引起径向土压力的变化,表1列出了径向土压力随径向距离和竖向深度变化的数值.可以看出,在相同测点处,静压沉桩的径向土压力均大于锤击沉桩,而且在1D处静压沉桩的数值大于锤击沉桩桩周土压力一倍以上.这可能是因为在圆锥形桩尖的下沉过程中,不断地将锤击能量转换为P波与S波,并以球形方式向四周辐射;而已经沉入土体的桩身在锤击能量的作用下会产生竖向剪切波,以环形方式向外辐射;这三种波汇合形成的合成波会使级配不良砂发生液化现象,大大降低测点处土体的剪切刚度,进而降低仪器监测到的径向土压力数值.但是在实际工程中,地质条件往往较为复杂,涉及成层土、水等情况,而且锤击能量的差异也会影响径向土压力数值.因此,本试验结果只能对特定土质条件有参考价值.

表1 径向峰值土压力比较Table 1 Comparisons of peak radial stress

2.2 径向土压力达到峰值时测点和桩尖的相对位置

从图2和3中可以发现,无论是锤击沉桩还是静压沉桩,径向土压力达到峰值的深度与桩入土的深度有差异.因此,表2列出了所有测点达到峰值时相应的桩尖贯入深度位置.可以看出,对于埋深为550 mm的测点,锤击沉桩1D和5D、静压沉桩3D和5D处的峰值点无法判断,其他所有的测点都在桩端下沉还未达到测点时就已经达到径向土压力峰值.

表2 锤击沉桩与静压沉桩桩周测点径向土压力达到峰值时相应的桩体贯入深度Fig.2 Penetration depth of the impact-driven pile and press-in pile when the radial stress reaches its peak mm

进一步分析表2数据发现,锤击沉桩在3D范围以内距离桩身表面较近处,这种提前达到峰值的现象比较迟;距离桩身表面较远处,这种提前现象相对较早.图4和5为径向土压力达到峰值时,沉桩所达到深度沿径向的轨迹,其中的横坐标(r/D)表示测点到桩轴线的径向距离,纵坐标(h/D)表示桩尖贯入深度与测点埋深的相对位置,h为桩尖贯入深度与相应测点埋深的差值.当桩端下沉还在测点以上时,h/D＜0;当桩端下沉到恰好与测点在一个水平线时,h/D=0;当桩端下沉到测点以下时,h/D＞0.比较分析图4和5可知:离桩越近,静压沉桩的提前现象较早,而锤击沉桩的提前现象较迟;离桩较远处,由于测点较少,两种沉桩方式的提前现象的快慢程度无法比较.由于锥形桩尖在下沉过程中会向两边排土,静压沉桩时的排土过程较为缓慢、稳定,砂土骨架能够充分接触,因此提前现象较早,而锤击沉桩是一个复杂的动力过程,由于沉桩的速度较快,距离桩身较近处的砂土尚未反应就被剪切破坏,因此提前现象较迟.在距离桩身较远处,虽然在3D处会达到峰值,但由于试验条件的限制,无法在5D以外布设测点,不能得出距离桩身较远处的较明显的径向土压力变化规律.

图4 锤击沉桩达到峰值时,桩尖与测点的相对位置Fig.4 Relative positions of the pile tip and sensors for the impact-driven piles

2.3 径向土压力峰值沿沉桩深度的分布

由于在沉桩过程中会产生巨大的侧向挤压应力,而小孔扩张理论中假定小孔是无限长的,因此该理论结果只能反映出土压力在径向的分布规律,不能反映沿深度方向的变化规律.本工作进一步研究了两种沉桩工艺所产生的径向土压力峰值沿沉桩深度方向的变化规律.图6和7为离桩身表面不同距离处所测得的锤击沉桩、静压沉桩径向土压力峰值沿深度的分布.可以看出,两种沉桩模式的径向土压力均随着深度增加而呈近似线性增长.

图5 静压沉桩达到峰值时,桩尖与测点的相对位置Fig.5 Relative positions of the pile tip and the sensors for the press-in piles

图6 锤击沉桩径向土压力峰值沿深度方向的变化Fig.6 Peak radial stress versus depth for the impact-driven piles

图7 静压沉桩径向土压力峰值沿深度方向的变化Fig.7 Peak radial stress versus depth for the press-in piles

由于径向土压力的绝对值本身受到径向距离的影响,所以其值与图6和7中所拟合的直线的斜率直接相关.为了剔除这种因素的影响而单纯地考虑径向距离与土压力峰值沿深度增加的速率之间的关系,先将各测点峰值土压力单位化.将离砂表面深度为125 mm处的径向土压力峰值取为“1.0”,并对其他各点进行相应的缩放.表3为根据表1将各测点径向土压力峰值缩放后的值.根据表3可以线性拟合出径向土压力峰值沿深度的变化规律.将拟合得到的增长速率值用平滑的曲线连接(见图8),发现径向土压力的峰值沿深度发展的速率与径向距离有关.两种沉桩模式径向土压力沿深度方向增长的速率大约在3D处可以达到峰值,静压沉桩沿深度方向的速率发展变化值均大于锤击沉桩相同测点处的数值.

表3 单位化后径向峰值土压力比较Table 3 Comparisons of the unit-based peak radial stress

图8 两种沉桩方式侧向土压力峰值沿深度的增长速率与径向分布的关系Fig.8 Distributions of peak radial stress growth rate versus r/D during both installation process

3 结论

本工作通过模型试验研究了锤击沉桩与静压沉桩桩周径向5D范围内径向土压力的产生与发展规律,得到以下结论.

(1)在沉桩过程中,桩尖在测点埋深处以上位置时,测点处的径向土压力已经达到峰值,即桩侧土体达到径向土压力的峰值时会有“提前现象”.

(2)两种沉桩模式径向土压力峰值沿深度方向呈近似线性增长,但是静压沉桩沿深度方向的速率发展变化值均大于锤击沉桩相同测点处的数值.

(3)不同沉桩方式引起的挤土效应程度不同.由本试验可知,静压沉桩在级配不良砂中的挤土效应大于锤击沉桩.这是由于静压沉桩过程中桩周土压力相较于锤击沉桩消散比较缓慢.

(4)本试验完整记录了锤击沉桩过程中的挤土效应,初步探讨了锤击沉桩过程中土压力的发展规律,具有一定的工程实用价值.