小型预制桩挤土效应模型实验研究

陈祥彬 李利平

(1.丽水学院 工学院， 浙江 丽水 323000；2.丽水学院 工学院， 浙江 丽水 323000)

0 引言

小型预制桩基础因为其施工机具轻便、造价合理、稳定可靠等优点在我国的输电杆塔基础，挡土结构和边坡支护等领域应用得非常广泛[1,2]。而小型预制桩的施工一般是使用气锤、落锤或者柴油锤等施工机具将桩体锤击或静压到持力层[3]。在这个过程中，桩体会对周围的土体进行挤压，使土体中的压力增加引起土体产生水平位移和竖向隆起，这种现象就是工程上常见的挤土效应。对于预制桩的挤土效应。一些学者[4]使用ABAQUS等软件对其进行研究，但是预制桩打桩过程中，周围的土体力学机理较为复杂，软件模拟的结果与实际情况存在较大的差异。而现场实验虽然能够最大限度的反映工程实际， 但由于受场地空间有限、工期紧张、仪器设备埋设困难、费用较为昂贵等因素的限制, 不易得到可靠的试验数据而无法被广泛应用[5]。因此越来越多学者都倾向于使用室内模型实验来研究预制桩的挤土效应[6,7]。为此通过采集丽水典型场地的粉土，完成了预制钢桩的和预制群桩在锤击过程中的挤土效应研究。

1 实验设计

1.1 实验土体的制备极其参数

本次实验用土取自丽水某典型场地的粉土，土样取回后摊晾干燥后破碎过筛。去除土体中的石子和其他块状杂质。然后加水拌合后使用塑料薄膜覆盖闷样，使水分充分润湿土体后分层填筑到模型箱中。然后使用红砖作为堆载，对模型箱中的土样进行堆载固结。其物理力学指标如表1所示。

表1 实验土体物理力学指标

1.2 模型箱和模型桩设计

此次模型实验为室内实验，设计模型箱的尺寸长×宽×高=1000mm×1000mm×900mm。四周采用不锈钢槽做骨架，面板为 12mm厚的高强度防爆玻璃。实验用土设计装填60cm厚，模型桩的东西两侧装有支架用于支撑锤桩装置和位移计，制作好模型箱如图1所示。预制模型桩采用不锈钢制作，桩长为60cm，几何外形为方桩，共有15mm×15mm、20mm×20mm、25mm×25mm三种不同尺寸，桩端为平头。锤击前使用砂纸张打磨其表面，使预制桩与实验土体的接触条件与实际相吻合。单桩桩位位于模型箱的中心，群桩采用 2×2布桩，桩距为 8cm（4d）。制作好模型桩如图2所示。

图1 模型箱示意图

图2 模型桩示意图

1.3 压桩装置设计

使用不锈钢在模型箱两侧设置支架然后支撑中间的支撑板，支撑板中间开孔，孔位与模型箱的中心对其。孔下粘接PVC管作为锤桩过程中的模型桩护筒，防止模型桩入土过程保持垂直姿态。具体设计如图3所示。

图3 支撑架剖面图

1.4 测量装置设计

本次实验需要测量模型桩入土过程中土中的压力变化和土表的隆起以及水平位移。其中土体中压力采用土压力盒子进行测量。分两层进行埋设，第一层测点设计埋深为距离土体底面20cm,第二层设计埋设为距离土体底面 40cm。每层的测点均匀分布，具体为距离模型桩中心线的东西两侧每隔10cm设置一个测点，每个方向放置4个。土体的竖向隆起量和水平位移 使用位移计进行测量，位移计型号如图 4所示，由于位移计的测针容易刺入土体中的空隙中，因此在每个位移测量点下埋设硬质泡沫块，压桩前将探针与泡沫块接触良好如图5所示。

图4 土体位移计

图5 土体位移测量装置图

1.5 实验过程

本次实验先后完成了不同桩径的模型桩挤土实验，测量了单桩入土时桩侧土体内部的压力变化，并通过位移传感器测量了表层土体的位移量。每锤入土体5cm记录一次土体内部的压力数据，直到锤入50cm为止。由于土体表面的位移量比较微小，因此只记录入土深度为50cm时的水平位移和竖向隆起量。单桩挤土实验完成后进行了群桩挤土实验的研究，群桩挤土效应实验的过程的与单桩挤土效应实验过程基本一致，实验得到了模型桩入土过程中土侧压力随模型桩入土深度变化曲线图和土表位移盒径向距离的关系曲线图。

2 实验数据及分析

2.1 土体表面隆起及水平位移分析

图6和图7分别给出了沉入不同桩径单桩和沉入2×2群桩的土体表面的水平位移以及竖向隆起量与径向距离（测点距离单桩中心线或距离群桩的几何中心的距离）。从图6中可以清楚的看到土体的表面位移随径向距离的增加而不断减小而且桩径越大水平位移越大。这是因为模型桩挤压土体产生的应力在土中传播时引起土体的塑性变形和弹性变形，其应力能不断的被土土吸收衰减，距离挤压中心越远得到的能量越小，同时图中还显示 20mm桩径的群桩挤土产生的最大水平位移约为沉入同等直径单桩的2.2～2.7倍。图7的规律与图6的规律基本一致，隆起量随着径向距离的增加而减小，随桩径的增加而增加，最大竖向隆起位移约为沉入同等直径单桩的 2～3倍。值得注意的是无论是单桩还是群桩挤土效应产生的竖向隆起量均高于土体表面的水平位移。原因是因为模型箱的箱体材料的弹性模量相比土体而言要大很多，基本可以认为模型箱是一个刚体，其侧壁约束了土体水平变形，而土体的竖向变形则没有这种约束。

图6 土体水平隆起与径向距离变化曲线图

图7 土体竖向位移与径向距离变化曲线图

2.2 土体中土压力变化分析

图8 ～11给出了模型桩入土时，土压力随模型桩入土深度的变化曲线图。由于土压力盒分两层两个方向进行埋设，故图例中V20代表土压力盒距离土体地面的距离为20cm，N20表示土压力盒在南向埋设，距离桩体中心线的距离为20cm，故V20-N20的编号含义就是指土压力盒埋设在模型桩的南向，距离土体底部的距离为 20cm,V20-W20则是指土压力盒埋设在模型桩的北向，距离土体底部的距离为20cm。图显示每个测点的土压力大小都随着模型桩的入土深度的增加而增加。而且南北两侧的土压力大小基本一致，且测点离模型桩中心线越近土压力越大。这说明模型桩挤压土体产生的应力能是向四周均匀扩散并逐渐衰减的。同时我们还注意到测点测到的土压力随着桩径的增加而增加，说明桩径越大挤土效应越明显。

图8 15mm桩径单桩入土过程中土压力变化曲线图

图9 20mm桩径单桩入土过程中土压力变化曲线图

图10 25mm桩径单桩入土过程中土压力变化曲线图

图11 20mm桩径群桩入土过程中土压力变化曲线图

图 12～13给出了模型桩入土时土中压力随径向距离的变化曲线，图例中V20-R20表示土压力计埋设在距离土体底面20cm处，模型桩的入土深度为20cm,由上文可知，模型桩挤压土体产生的应力能是向四周均匀扩散并逐渐衰减的。因此图 12～13中的土压力值取东西两侧同等埋深，同等径向距离的土压力盒测量值的平均值。图中可以更加清楚的看到土压力随着径向距离和桩径的增加而增加。图12中模型桩只入土20cm时，不同桩径的土压力曲线距离靠的比较近，在模型桩入土40cm的时候，不同桩径的土压力曲线相离得比较明显，这说明模型桩的挤土效应随桩径的增加而增加的同时桩径对挤土效应的影响只有在模型桩入土到一定程度时才明显的显示出来。图13是20mm桩径群桩入土过程中土压力变化曲线图，图中还将 20mm桩径单桩入土过程中土压力变化曲线绘制出来以便与群桩的曲线进行对吧。群桩入土时的土压力随桩径和径向距离的变化规律与单桩基本一致，且群桩的最大土压力值约为单桩最大土压力值的1.5倍，这说明群桩比单桩的挤图效应更加明显。

图12 15、20、25mm桩径单桩入土过程中土压力变化曲线图

图13 20mm桩径群桩入土过程中土压力变化曲线图

3 结语

本次实验通过采集丽水典型场地的粉土，完成了预制钢桩的和预制群桩在锤击过程中的挤土效应研究。实验表明模型桩在沉桩过程中，挤土效应随着径向距离的增加而衰减，离模型桩5cm处的挤土效应达到最大值。东西两侧埋设的土压力盒的测量数据基本一致即模型桩的挤土效应向四周均匀扩散并随着距离的增加逐渐衰减。模型桩桩径对挤土效应的影响只有当模型桩入土到一定深度的时候才能明显的显示出来。群桩的产生的土压力约为同等桩径单桩的1.5被，水平位移约为同等直径单桩的2.2～2.7倍，土体表面的竖向隆起量约为同等直径单桩2～3倍。即群桩的挤土效应较为明显，应该着重考虑群桩的挤土效应对工程的影响。