基于桩土界面应力测试的开闭口桩静力沉桩室内试验对比研究

2021-03-17王永洪张明义刘雪颖白晓宇桑松魁管金萍

中南大学学报(自然科学版) 2021年2期

王永洪，张明义，刘雪颖，白晓宇，桑松魁，管金萍

(1.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛，266033；2.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东青岛，266033)

桩土界面的应力特性对静压沉桩效果和长期承载力有重要影响，静压沉桩引起的桩土界面超静孔隙压力和土压力的变化具有重要意义[1−2]。研究者大多采用理论方法对静压PHC 管桩贯入时引起的土压力和孔隙水压力变化进行研究。CAO等[3−5]基于圆孔扩张理论对沉桩过程中的桩侧压力、超孔压及桩侧土体位移进行了研究，获得了不同条件下的土压力、孔隙水压力及桩周浅层土体位移。TEHRANI等[6−7]通过考虑表面粗糙度和岩土抗拉模量，进一步对圆孔扩张理论在桩身阻力及桩土作用的理论解答进行了修正，获得了桩侧土压力沿径向和深度的变化规律。BALIGH 等[8−10]考虑了深度对土体位移的影响和桩贯入过程的连续性，采用应变路径法对沉桩机理进行了研究。然而，理论公式往往无法完全模拟实际工程的真实受力情况，因此，通过理论研究方法获得的桩周超孔隙水压力和土压力的分布难以得到推广。

国内外许多学者通过现场试验的方式，测量了在黏性土中沉桩过程的超孔隙水压力与土压力的变化规律。HWANG等[11]在现场足尺桩桩周布设传感器，监测了沉桩过程中孔隙水压力和土压力的动态变化，发现随着桩轴距离变大，超孔压减小，桩身侧压力随着长径比增加而逐渐减小。PESTANA 等[12]对沉桩过程中孔隙水压力和土体位移进行测试，发现桩端距离传感器位置越近，超孔压和土压力越大。唐世栋等[13−14]通过现场试验测定了桩侧土体不同深度处的超孔隙水压力与土压力。周火垚等[15]针对饱和软黏土地基，现场实测了距桩轴不同距离的孔隙水压力、侧向位移及地面隆起。张忠苗等[16]根据现场实测的静压沉桩过程中桩周土压力和超孔隙水压力，获得了有效径向土压力随沉桩深度的动态变化。通过现场试验实测静压桩施工引起的超孔压和土压力对桩基施工具有指导作用。

静压桩沉桩引起的超孔压和土压力在桩周土体和桩土界面不同。BOND等[17−18]全面精准测试了沉桩和静载过程的桩土界面孔隙水压力和有效径向应力。LEHANE[19]通过现场实测发现：在同一贯入深度、不同位置处的桩土界面土压力随着h/B(h为传感器距离桩端距离；B为桩身直径)增加而减小。叶真华等[20]通过室内试验研究了不同持力层下的桩基承载性状，对比分析了不同桩端持力层的桩身轴力和桩侧摩阻力分布规律，并获得了桩侧土压力增量与侧摩阻“折减”的相关性。李雨浓等[21]通过离心模型试验获得了贯入、静置及加载全过程的桩土界面径向应力。深入研究黏性土沉桩过程中桩土界面超孔隙水压力与土压力的变化具有重要意义。

因此，准确测得静压桩贯入引起的桩土界面土压力，根据静力沉桩过程中桩土界面有效土压力的变化规律判定桩土之间的贴紧程度，有利于深入研究饱和黏性土中静力沉桩的力学机制。目前，人们对黏性土中沉桩过程中桩土界面处的有效土压力的研究较少，特别是关于开口桩和闭口桩的研究更少。因此，为了研究静压沉桩引起的桩土界面超静孔隙压力和土压力的变化规律，本文作者通过研制安装界面传感器的开口模型桩和闭口模型桩，开展了黏性土中的开口桩和闭口桩桩土界面超孔压和土压力的静力沉桩室内试验，获得了开口桩和闭口桩静力沉桩引起的桩土界面超孔压和土压力的变化规律、以及桩土之间贴紧程度与沉桩引起的超孔压和土压力的相关性。

1 试验方案

1.1 模型箱和地基制备

模型试验在青岛理工大学实验室大尺度模型箱中开展[22]。大比例模型试验装置如图1所示。试验所用的黏性土属于粉质黏土层，将现场土样通过烘干、粉碎、过筛和洒水使土体固结[23]。制备后的地基土基本物理指标见表1。

1.2 模型桩

对闭口模型桩TP1和开口模型桩TP2进行静力压桩室内试验，模型桩的设计选择采用铝制材料制作模型桩，弹性模量为72 GPa，泊松比为0.3。根据相似理论，模型桩TP1 和TP2 的桩长均为1 m，外径均为140 mm，内径均为100 mm。TP1为圆管单壁模型管桩，桩端安装与桩身直径相等的平板。为了有效监测桩身内壁土塞阻力，研制了双壁开口模型管桩TP2[24]，为了满足微型传感器的安装空间，避免进入管桩内部的土体损坏传感器，内、外管之间空隙为20 mm。

1.3 传感器布置

在桩顶加载平台放置温度自补偿光纤光栅土压力传感器，测试沉桩过程中沉桩阻力的变化情况，采用FS2200RM自动采集压桩过程中光纤光栅传感器数据并实时保存。采用CF3820 高速静态信号测试分析仪实时采集桩土界面土压力和孔隙水压力。为直接测量桩土界面处的径向土压力与孔隙水压力，在模型桩桩身开孔嵌入式安装硅压阻式压力传感器，传感器具体参数见表2。

对量程为0～500 kPa的硅压阻式传感器进行测试，根据传感器的静态特性技术指标，计算硅压阻式压力传感器的主要性能参数，结果表明：传感器在0～500 kPa量程范围内线性良好；硅压阻式土压力传感器的灵敏度为3.495 mV/V，硅压阻式孔隙水压力传感器的灵敏度为2.972 mV/V，在整个压力测试范围内，硅压阻式土压力和孔隙水压力传感器的零点输出电压分别为3.99 mV 和4.33 mV，零点输出很小，这说明所制备的多晶硅膜压敏电阻较匹配。

图1 大比例模型试验装置Fig.1 Large proportion model test devices

表1 地基土物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil

表2 硅压阻式压力传感器参数Table 2 Silicon piezoresistive pressure sensor parameter

硅压阻式土压力传感器和孔隙水压力传感器均安装在同一水平截面上且安装方法相同，具体安装步骤如下。

1)开孔并焊接圆柱套管。在桩身安装传感器的位置开设直径为20 mm 的圆孔，在开孔处焊接直径为20 mm、高度为10 mm的圆柱套管。

2)传感器安装及穿线。将传感器侧面均匀涂抹环氧树脂后放入圆柱套管内，并确保传感器表面与桩身表面齐平，待环氧树脂凝固后涂抹704胶密封防水。传感器的数据线通过内、外管之间的空隙，在靠近桩顶处的预留出线口内引出。

3)在模型桩表面安装6 个不同间距的土压力、孔隙水压力传感器，距离桩端分别为50，100，200，400，600 和900 mm，从桩端到桩顶，传感器编号依次为1～6 号，分别对应h/L=1/20，1/10，1/5，2/5，3/5 和9/10(h为传感器距桩端高度，L为模型桩桩长)。

4)数据采集。采用CF3820高速静态信号测试分析仪测试传感器的成活率，传感器全部激活，并实现贯入过程实时采集。在进行试验之前，将孔隙水压力传感器表面的透水石用水浸润、饱和，以便沉桩时能够准确迅速地测量桩土界面的孔隙水压力。

1.4 沉桩试验方案

分别对1 根闭口桩和1 根开口桩进行沉桩试验，沉桩过程加卸载次数为1 次，沉桩深度为900 mm，沉桩速度为300 mm/min。

2 试验结果及分析

2.1 沉桩过程中压桩力

在沉桩过程中，采用温度自补偿压力传感器，根据压桩过程中的总波长差及温度波长差得到压桩力。压桩力计算公式如下：

式中：F为压桩力，kN；ΔλB为波长差，nm；Kε为灵敏度系数，nm/MPa；Ap为桩身截面积，m2。

沉桩过程中压桩力随贯入深度变化曲线如图2所示。从图2可以看出：试验桩TP1与TP2的压桩力随贯入深度的变化规律相似，但TP1的压桩力较大，沉桩结束时，TP1 的压桩力比TP2 的高15.8%，这是因为TP2 是开口管桩，在沉桩过程中会有土塞形成，产生的沉桩阻力较小，使得压桩力较小；随着桩身的不断贯入，土塞逐渐趋于闭塞，开口桩的受力状态逐渐与闭口管桩的受力状态相似。

图2 开口桩和闭口桩压桩力Fig.2 Pile driving pressure of open-end and close-end piles

2.2 开口管桩TP2的土塞分析

在沉桩过程中，开口管桩会产生土塞效应。土塞效应根据闭塞程度分为不完全闭塞和完全闭塞，其中，不完全闭塞又分完全不闭塞和部分闭塞。开口管桩的沉桩机理与闭口管桩及实心桩的沉桩机理不同，当土塞不完全闭塞时，土塞下的阻力小于开口管桩桩壁下的阻力，压桩力为桩侧摩阻力(包括内外两侧)、桩壁下的阻力以及土塞下阻力之和；当土塞完全闭塞时，土塞端下的阻力和桩壁下的阻力共同组成桩端阻力，此时，压桩力为桩端阻力与桩外侧摩阻力之和。

在土塞形成过程中，土塞与内壁发生相对位移产生摩阻力，因此，压桩力发展较快，随着贯入深度的增大，土塞逐渐趋向于闭塞状态，内管的侧摩阻力增长逐渐减小，使得TP2的压桩增长缓慢。虽然土塞基本闭塞的开口桩受力状态与闭口桩的受力状态相似，但不能与闭口桩的受力状态完全一致，因此，与试验桩TP1相比，TP2的压桩力较小，在沉桩过程中会产生土塞，沉桩结束后土塞基本闭塞，经过休止期后土塞与桩壁黏结更加紧密，桩周土体也逐渐固结恢复，与闭口桩的受力状态更为相似，因此，两者经过休止期后承载力的发展程度会趋于一致。

试验桩TP2是开口桩，在沉桩过程中，土体不断涌入管内形成土塞，挤土效应较弱。随着贯入深度不断增加，土塞逐渐趋向闭塞，当沉桩深度到达0.5倍桩长时，土塞基本闭塞，其受力状态与闭口管桩的逐渐趋向一致，挤土效应逐渐增大。沉桩结束时，TP2 的压桩力与试验桩TP1 的相差8.96%。

2.3 桩土界面超孔隙水压力结果分析

利用硅压阻式孔隙水压力传感器直接测量孔隙水压力，超孔隙水压力为总孔隙水压力与静水压力之差：

式中，uc为超孔隙水压力，kPa；u为总孔隙水压力，kPa；ua为静水压力，kPa。

超孔隙水压力随贯入深度的变化规律如图3所示。由图3可见：在不同贯入深度下，超孔隙水压力随深度的增大而逐渐增大，且增大趋势先近似呈直线变化，随后，在桩端处，超孔隙水压力有突增的趋势。其原因是地基土为软土，在沉桩过程中，由于土体不断受到扰动和挤压，容易产生过大的孔隙水压力，而桩端土体受到的扰动最大，致使桩端处超孔隙水压力随深度增大较快，这与朱向荣等[25]的研究结果相符。在相同深度下，深度越大，超孔隙水压力越小，原因在于，深度越大，摩擦次数增多，土体不断被扰动，在桩侧径向土压力逐渐被释放，导致超孔隙水压力越小。

比较试验桩TP1和TP2超孔隙水压力的变化趋势可得：随着深度增加，试验桩TP1超孔隙水压力产生地较快。其原因是试验桩TP1为闭口桩，在沉桩过程中挤土效应较明显，对土体的扰动程度较大，径向变形较大，致使试验桩TP1的超孔隙水压力增加速度较快。由于试验桩TP1 的挤土效应比TP2的挤土效应更加明显，在沉桩过程中，试验桩TP1 的超孔隙水压力比TP2 的超孔隙水压力大1.04～1.24倍。

图3 沉桩过程中TP1和TP2超孔隙水压力分布Fig.3 Excess pore water pressure distribution diagrams of test piles TP1 and TP2 during sinking process

2.4 桩土界面土压力结果分析

桩土界面处土压力随贯入深度的变化如图4所示。从图4可以看出：试验桩TP1和TP2桩土界面处土压力随贯入深度的变化规律基本一致，当沉桩到某一深度时，均是先随深度的增加近似呈直线增大，之后靠近桩端处土压力增长变快。其原因是，在靠近桩端处，土体的扰动程度最大，产生的挤土效应最强，且桩端处存在挤密区，在挤密区的范围内，上覆土重较大，桩土实际接触面积最大，从而导致桩土界面土压力最大，且增长的速度也最快。在同一贯入深度时，深度越大，桩土界面土压力越小，即出现土压力“退化”现象，这主要是因为贯入深度增加，桩土不断被剪切，摩擦的次数逐渐增多，桩土之间出现泥浆水膜，使得桩土界面土压力释放，因此，深度越大，桩土界面土压力越小。

图4 沉桩过程中TP1和TP2桩土界面土压力分布Fig.4 Distribution of soil pressure of test piles TP1 and TP2 during sinking process

从图4还可以看出：相比于试验桩TP2，试验桩TP1的桩土界面土压力较大，试验桩TP1最大土压力比TP2的最大土压力大13.1%。这是因为试验桩TP1是闭口桩，其挤土效应比同直径开口桩TP2的挤土效应更明显，对土体的扰动也较大，桩身与桩侧土体的接触面积较大，导致试验桩TP1桩土界面土压力较大。

2.5 桩土界面有效土压力结果分析

桩土界面有效土压力由以下公式计算得到：

式中，σ′为有效土压力，kPa；σ为总土压力，kPa；μc为超孔隙水压力，kPa。

图5所示为桩土界面有效土压力随深度的变化规律。由图5可知：桩土界面有效土压力与桩土界面土压力随深度的变化曲线相似，均是在各沉桩深度下随贯入深度增加而逐渐增大，且在桩端处由于挤土效应较强，桩土界面有效土压力增长速度变快；在同一深度处，桩土界面有效土压力也发生“退化”现象。桩土界面处的有效土压力是桩土界面处土压力的重要部分。桩土界面处有效土压力的退化是桩侧摩阻力退化的主要原因。

因为超孔隙水压力与桩土界面处的土压力之比很小，所以，试桩TP1的桩土界面处的有效土压力大于试桩TP2的有效土压力。由于试验桩TP1为闭口桩，在整个沉桩过程中，TP1的桩土界面有效土压力比TP2的桩土界面高1.7%～23.7%。

图5 沉桩过程中TP1和TP2桩土界面有效土压力分布Fig.5 Distribution of effective lateral earth pressure of test piles TP1 and TP2 during sinking process

2.6 桩土界面贴紧系数分析

桩土界面贴紧系数表示桩土之间的贴紧程度，贴紧系数等于桩土界面有效土压力P′与水平自重应力σcx之比：

式中，tc为桩土界面贴紧系数，tc=0 时，桩土之间脱空，tc>1时，由于挤土效应，有效土压力大于原有的水平自重应力。

由式(4)可以看出：桩土界面有效土压力越大，桩土界面贴紧系数越大，桩土之间的贴紧程度越高，即桩土实际接触面积越大。

图6所示为各传感器位置处的桩土界面贴紧系数随贯入深度的变化趋势。由图6可知：在不同沉桩深度下，随着贯入深度的增大，贴紧系数逐渐增大，且在较大深度处其值均大于1，其原因是随着深度的增大，土体的挤土效应逐渐增大，桩土界面有效土压力增大的速度逐渐加快，其值逐渐高于水平自重应力，且高出的幅值随深度逐渐增大，因此，桩土界面贴紧系数随着贯入深度呈增大趋势，从而说明桩土界面有效土压力越大桩土之间贴紧得越紧密，桩土之间的实际接触面积越大，表现为桩侧摩阻力逐渐增大。从图6还可以发现：在同一深度处，深度越大，贴紧系数越小。其原因是随着沉桩深度的增加，桩土被剪切、摩擦的次数增多，桩侧应力逐渐被释放，桩土界面有效土压力减小，使得桩土界面贴紧系数随沉桩深度的增大而减小，桩土之间贴紧程度减弱，表现为桩侧摩阻力在同一深度处出现“退化”现象。