桩长对桩与桩相互作用影响的试验研究

张 帅1，肖昭然，赵宪强3,4，蒋敏敏

(1.郑州市轨道交通有限公司，郑州 450002； 2.河南工业大学 土木建筑学院，郑州 450001； 3.南京水利科学研究院 岩土工程研究所，南京 210029； 4.河海大学 土木与交通学院，南京 210098)

1 研究背景

静压桩是桩基础的一种，为预制桩体，其成桩质量易于控制，环境污染小，无噪音污染，利于市区施工，符合当下节能减排和保护环境的潮流，因此越来越受到基础工程设计人员的关注。但是，静压桩在沉入过程中对其周边土体产生冲剪破坏，沉桩产生的强扰动不利于邻近桩体的承载性能。由于静压沉桩过程中持续产生扰动，桩长对桩与桩之间相互作用的影响较大，因此，分析沉桩过程中的压桩端阻力、卸除顶压后的桩周土压力以及桩体承载力特性与桩长的关系，有利于揭示桩与桩的相互作用机理。

Mokwa[1]对群桩效应进行了研究，提出了桩间距是影响群桩效应的主要因素。唐世栋等[2]通过现场实测与理论分析对沉桩过程中桩周土体位移机理进行分析，得出了桩侧阻力、桩体轴力和变形的变化规律。王涛等[3]基于模型试验、现场实测和理论分析对桩-土-桩的相互作用进行了研究，结果表明弹性理论解需依据现场实测和模型试验进行修正，可获得合理结果。张建新等[4]通过模型试验对群桩沉桩挤土效应的微结构进行研究，得到了沉桩引起的桩周土体密实度、孔隙率和土体结构的变化规律。周健等[5]基于室内模型试验与离散单元数值模拟对桩土相关特性进行分析，得到了桩间距以及承台刚度与群桩工作特性的关系。张建新等[6]基于模型试验对群桩沉入过程中引起的土体变形进行分析，得到了沉桩引起的土体位移变化规律。高志尧等[7]基于压、拔试验，通过分析桩身轴力、桩体位移、桩顶荷载以及桩端阻力的试验结果，得到了群桩效应随桩间距变化规律。戚玉亮等[8]采用振动台模型试验得到了土-桩-结构体系在振动下的相互作用规律和结构变形响应机理。此外，许多研究人员[9-15]均对静压桩承载力特性进行了相关研究。但对双桩先、后沉桩过程中的端阻力、卸除顶压后的桩周土压力和承载力特性的关联研究较少。

为明确桩长对静压沉桩全过程中桩与桩之间相互作用产生影响的机理，本文采用模型试验桩和界面膜式微型土压力盒，较好地实现了动态测量，获得了双桩沉桩过程中压桩端阻力和不同阶段卸除顶压后的桩周土压力与桩长和压桩顺序之间的关系，以及卸除顶压前、后的桩周土压力与经典土压力理论计算值之间的关系。本文基于室内模型试验，在中密实砂土中以2倍桩径为间距沉入双桩，研究3种不同桩长(本文桩长定义为沉桩过程完成后沉入的总长度)，2根桩先、后沉桩过程中的压桩端阻力变化、卸除顶压后的桩周土压力以及桩体承载力特性。

2 试验装置和方案

2.1 静力压桩装置

室内模型试验在自行研制的静力压桩试验系统中进行[16]，该系统包括：模型试验砂箱、压桩加载装置、模型试验桩和量测系统。模型试验砂箱的内部尺寸为1 m×1 m×1.35 m，模型桩与模型箱边界的间距为0.4 m，约为8D(D为桩径，D=50 mm)，该间距基本可以消除边界效应；压桩加载装置采用的是电动缸加载，最大加荷量为30 kN，压桩最大行程1 m；加载端设置有振弦式压力传感器，用于测量压桩力，其量程为20 kN，精度为0.01 kN。静力压桩试验系统如图1所示。

图1 静力压桩装置Fig.1 Equipment for pile jacking

2.2 模型桩的制作

2根模型桩均采用铝合金制成，桩身嵌入微型土压力盒。桩端设置端阻力传感器，端阻力传感器量程20 kN，精度0.01 kN。模型试验桩的有效桩长0.75 m，桩径0.05 m，桩体壁厚0.005 m，桩尖角为45°，弹性模量为6.5 GPa，泊松比为0.33。镶嵌微型土压力盒的模型桩如图2所示。

图2 镶嵌微型土压力盒的模型桩Fig.2 Model pile equipped with miniature earth pressure box

桩身土压力盒的布置与测量：2根模型桩的桩身均布置了BW型微型土压力盒，压力盒外径1.1 cm，厚度0.48 cm，量程200～400 kPa，土压力盒分布在7个截面上(自下而上依次为A—G)，每个截面8个土压力盒。土压力盒量程及布置如图3所示。

图3 微型土压力盒量程及布置Fig.3 Layout of miniature earth pressure boxes

2.3 试验砂

试验用砂为烟台莱州标准砂，该砂的内摩擦角φ为28°。粒径>0.3 mm、粒径(0.15，0.30] mm、粒径[0.075，0.15] mm、粒径<0.075 mm的砂分别占总质量的16.7%，32.5%，43.5%，7.3%。平均粒径d50为0.16 mm，不均匀系数Cu为1.452，曲率系数Cc为1.035。最大与最小干密度分别为1.53 g/cm3和1.25 g/cm3；最大与最小孔隙比分别为0.855和0.528。试验配置的砂样重度为14 kN/m3，相对密度为0.72，试验时分层摊铺，控制每层质量，保证试验砂密实度均一，砂样填装完成后静置10 d后再进行压桩试验。

2.4 试验方案

以2倍的桩径为间距和0.1 mm/s的沉桩速度，将桩长L分别为600，500，400 mm(沉桩过程完成后沉入的总长度)的桩体沉入砂土地基中，沉桩完成后静置1 h，然后以0.01 mm/s的速度卸除顶压，研究2根桩依次沉入过程中，压桩端阻力、卸除顶压后的桩周土压力以及承载力特性与桩长的关系。试验中先沉入1#桩，再沉入2#桩，桩体静压过程如图4所示。

图4 压桩过程Fig.4 Process of jacking double piles

3 试验结果与分析

3.1 压桩端阻力

图5为沉桩过程中压桩端阻力变化。

图5 沉桩过程中压桩端阻力变化Fig.5 Change of pile tip resistance during pile sinking

由图5(a)可知，均质砂土中1#桩体(先沉桩)和2#桩体(后沉桩)的端阻力均随沉桩深度(指沉桩过程中沉入的深度)增大而近似线性增大。桩长不同时，在相同沉桩深度位置，1#桩和2#桩的压桩端阻力相差均在5%以内。2#桩的压桩端阻力比1#桩大，在沉桩深度为200～550 mm之间2#桩的压桩端阻力明显高于1#桩体，表明桩体沉入过程中的压桩端阻力不仅与沉桩深度有关，还受沉桩顺序影响。桩长增大，1#桩体和2#桩体的最大压桩端阻力增大的幅度均逐渐降低，当桩长为600 mm时2#桩体的压桩端阻力约比1#桩体高0.2%，即1#桩体和2#桩体的压桩端阻力基本达到极值，与周健等[17]在室内模型试验中得到的端阻力的结论基本一致，即存在临界深度并且在临界深度之前压桩端阻力随沉桩深度的增加而近似呈线性增长。

由图5(b)可知，2#桩体沉入过程中的压桩端阻力整体上比1#桩体的大。受挤土作用的影响，0～100 mm深度范围内,2#桩体的压桩端阻力小于1#桩体;在50 mm深度位置降低的幅度最大，约为15%;而100～600 mm深度范围内,随着深度的增加，2#桩体的压桩端阻力相对1#桩体的压桩端阻力增大的幅度为先增大后降低;在深度300 mm处出现折点，此时压桩端阻力增长幅度最大，约为30%，随后其增量和增幅均随深度的增加而降低;在600 mm深度处,2#桩体压桩端阻力约比1#桩体高0.2%，即此时沉入过程中的压桩端阻力基本达到极值。

图6 卸除顶压后的桩周平均土压力Fig.6 Average earth pressure of piles after unloading

3.2 桩周土压力

图6为卸除顶压后的桩周平均土压力。

图6(a)为2#桩沉入前1#桩的桩周土压力与卸除顶压后2#桩的桩周土压力。试验结果表明，1#桩和2#桩的桩周土压力均随土压力盒埋深的增加而逐渐增大，同等埋深处却随桩长的增加而降低。此外，相同桩长下，2#桩的桩周土压力平均比1#桩高10%左右。在0～200 mm深度范围内1#桩和2#桩的桩周平均土压力均随土压力盒埋深增加而逐渐趋近主动土压力(甚至大于主动土压力)；同时同等埋深处土压力盒测得的土压力随桩长的增大而降低，并且桩长相差越大降低幅度也越大，其中200 mm深度处1#桩的桩周土压力分别约为主动土压力的102%，90%，75%，并随桩长增大而降低。而2#桩的桩周土压力分别约为主动土压力的112%，104%，87%，亦随桩长增大而降低。在200～500 mm深度范围内，1#桩和2#桩的桩周土压力均逐渐趋近于被动土压力，随土压力盒埋深增加而愈趋近，其中300 mm深度处，随桩长的增大，1#桩的桩周土压力分别约为被动土压力的31%，29%，18%，2#桩的桩周土压力分别约为被动土压力的35%，33%，20%，与1#桩随桩长的变化趋势基本一致；400 mm深度处1#桩的桩周土压力分别约为被动土压力的31%(桩长500 mm)，26%(桩长600 mm)，而2#桩体测得桩周土压力分别约为被动土压力的35%(桩长500 mm)，30%(桩长600 mm)；500 mm深度处1#桩的桩周土压力约为被动土压力的92%(桩长600 mm)，2#桩体测得桩周土压力约为被动土压力的99%(桩长600 mm)。究其原因，桩体持续贯入对桩周土体产生影响，随桩长增大，“桩土摩擦疲劳效应”愈显著，因而1#桩和2#桩的桩周土压力均随土压力盒埋深的增大而增大，但随桩长的增加，同深度位置的桩周土压力却逐渐降低，桩长相差越大，降幅也越大。这与周健等[5]、Heerema[18]和Dejong等[19]的试验结论一致。

图6(b)为2#桩卸除顶压后1#桩的桩周土压力随土压力盒埋深和桩长不同的变化情况。试验结果表明，卸除顶压1#桩的桩周土压力均随土压力盒埋深的增加而增大，但随桩长增加，同等深度位置的桩周土压力却逐渐降低，当桩长相差越大时，桩周土压力降低幅度越明显。0～300 mm深度范围内，1#桩的桩周土压力随土压力盒埋深的增加逐渐趋近于被动土压力，这一变化趋势却随桩长的减小而愈显著，其中200 mm深度位置的桩周土压力随桩长的增大而降低，分别约为被动土压力的55%，43%，24%。在300～500 mm深度范围内，1#桩的桩周土压力随土压力埋深的增加而大于被动土压力，但相同深度位置的桩周土压力随桩长的增加而降低，其中300 mm深度位置的桩周土压力分别约为被动土压力的105%，62%，41%，亦随桩长的增大而降低；而在400 mm深度位置的桩周土压力分别约为被动土压力的117%(桩长500 mm)，76%(桩长600 mm)；但500 mm深度位置的桩周土压力却约为被动土压力的240%(桩长600 mm)。这一变化与2#桩沉入前1#桩的桩周土压力和卸除顶压后2#桩的桩周土压力基本一致，并且桩长和土压力盒埋深均相同时，2#桩体卸除顶压后1#桩的桩周土压力总体约为2#桩的2～3倍。

3.3 承载力特性

在桩体压入后，测试桩长为400 mm的双桩系统和500,600 mm桩长的1#桩体单桩静力承载力，静载试验过程中取沉降25 mm处的承载力值作为本次试验的桩体极限承载力讨论值，并与2种不同桩长单桩试验的极限承载力进行对比分析。

由图7可知，单桩和2根桩沉入试验过程中，单桩试验的极限承载力随桩长的增加而提高，并且其极限承载力略小于沉桩终压力，这与韩选江[20]在现场试验中得到的结论基本一致。而双桩试验中，2#桩沉入引起的挤土作用使得1#桩体的承载力略低于单桩沉入时的承载力(本次试验中桩长为600 mm和500 mm时1#桩与单桩试验的极限承载力比分别为0.98和0.95)，比单桩试验时低5%左右。不考虑桩间土作用下，桩长400 mm时双桩系统的极限承载力基本等于2倍的单桩极限承载力，验证了工程中同等沉桩速度和间距等条件下，通过测定单桩试桩评价群桩工作特性的合理性。

图7 荷载-沉降曲线Fig.7 Load-settlement curves

4 结 论

(1)两根桩先、后沉入过程中的压桩端阻力主要受沉桩深度和沉桩顺序影响，后沉入桩(2#桩)的端阻力整体上比先沉入桩(1#桩)的高，在300 mm深度处达到最大增幅，约为30%，随后其增量和增幅均逐渐降低，在600 mm深度位置端阻力基本达到极值，此时后沉入桩的端阻力仅比先沉入桩高0.2%左右。但不同桩长的先沉桩和后沉桩在沉入过程中的压桩端阻力均随沉桩深度的增大而近似呈线性增大。

(2)由于先沉入桩的挤土作用，后沉入桩的桩周土压力总体比其沉入前的先沉入桩高10%左右。同时桩周土压力均随土压力盒埋深增加而非线性增大，并逐渐趋近于被动土压力。受“摩擦疲劳”效应影响，相同埋深处的桩周土压力随桩长增加而降低，并且降幅随桩长差增大而增大。

(3)由于后沉入桩挤土作用的影响，后沉入桩卸除顶压后先沉入桩的桩周土压力总体为后沉入桩的2～3倍，且先沉入桩的桩周土压力随土压力盒埋深增大而逐渐趋近于被动土压力。但3种不同桩长在土压力盒埋深相同位置先沉入桩的桩周土压力随桩长的增加而降低，并且桩长差越大，降低的幅度也越大。

(4)由于挤土效应和桩与桩之间相互作用的影响，先沉入桩的极限承载力略低于单桩沉入时的承载力，比单桩试验时低5%左右，桩越长其承载力降幅越小。不考虑桩间土的高承台双桩系统极限承载力约为单桩试验时的2倍，验证了工程中通过单桩试桩评价群桩承载力特性的合理性。