静压沉桩桩土界面受力特性研究★

2022-05-11林振华银吉超梁国伟冯宏斌周立飞桑松魁

山西建筑 2022年10期

林振华，银吉超，梁国伟，王波，冯宏斌，周立飞，刘楠，桑松魁

(1.中国铁建投资集团有限公司，北京 100855； 2.青岛理工大学土木工程学院，山东青岛 266033；3.青岛绿色理工岩土工程有限公司，山东青岛 266033； 4.中铁十二局集团建筑安装工程有限公司，山西太原 030024)

许多国内外学者研究了桩周孔压增量和径向应力的变化规律。国外学者HWANG等[1]，PESTANA等[2]和YANG等[3]实测了沉桩过程和沉桩后桩周土内超孔隙水压力的变化情况，发现距桩轴大于15倍桩径的超孔隙水压力很小，随着长径比增加，桩身径向应力衰减效应越明显，桩端到达孔压计和土压力计埋置深度时超孔隙水压力和土压力达到最大值。国内学者唐世栋[4]、张宇超[5]、周火垚[6]、胡向前[7]、张忠苗[8]、李国维等[9]通过现场试验研究了孔压增量、径向应力及位移变化，得到了对桩基施工有指导作用的合理桩距和时间间隔。以上学者研究了在桩周不同距离处产生的孔隙水压力和径向应力的差异，然而紧贴桩身处产生的超孔隙水压力不容忽视，桩壁处超孔隙水压力最大。

因此，本文开展了均质黏性土中静压沉桩室内模型试验，通过研发双壁模型管桩，实测管桩沉桩过程桩土界面孔压增量和径向应力变化过程，从而分析桩土界面有效径向应力变化规律，研究成果有利于静压桩技术的提高。

1 试验方案

1.1 试验仪器

本次室内模型试验装置主要包括模型箱、加载系统和采集系统。加载系统主要由反力架和横梁、液压千斤顶、电控系统、静载控制系统等组成，从而实现试验模型桩的静力沉桩过程，试验加载系统见图1。

1.2 试验制备

将现场粉质黏土通过烘干、粉碎、过筛、洒水和静置使土体固结，如图2所示。进行压桩试验前，对模型箱中的土体进行采样，根据GB/T 50123—1999土工试验方法标准[10]进行了一系列室内土工试验，测定了其相关的物理力学参数，水的质量分数为34.8%，密度大约在1 800 kg/m3，土粒相对密度约为2.73，黏聚力为14.4 kPa，内摩擦角为8.6°，压缩模量为3.3 MPa。

1.3 模型桩制作

本文室内模型试验进行试桩TP1的静力压桩试验，经过材料比选，选择采用铝制材料制作模型桩。模型桩沉桩深度为900 mm，沉桩速度为300 mm/min。双壁模型管桩的结构示意图如图3所示。

1.4 试验方案

试验制作模型桩，考虑桩端形式对桩土界面超孔压和径向土压力变化规律的影响，试验方案见表1。模型桩在模型箱中间对称压桩，如图4所示。

表1 模型试验

2 试验结果分析

2.1 孔隙水压力

由图5可知：桩土界面孔隙水压力随着入土深度的增加近似呈线性增加，桩入土深度较小时，孔隙水的消散较快，桩土界面孔隙水压力较小；随着入土深度的增加，桩周上覆土重逐渐增大，因此桩土界面孔隙水压力近似呈线性增加[11]。以入土深度30 cm为例，试桩TP1沉桩过程中1号～5号传感器测得的桩土界面孔隙水压力分别为4.12 kPa，4.19 kPa，4.01 kPa，3.8 kPa，3.8 kPa。

2.2 超孔隙水压力

在TP1沉桩过程中，5个传感器测得的随入土深度变化的超孔隙水压力如图6所示。可以得知：5个传感器测得的结果非常相似，当桩身不同位置传感器入土后，随着入土深度增加，桩身不同位置的超孔隙水压力提高值迅速增加，1号传感器测得的超孔隙水压力增加尤其明显[12]。同一入土深度处，2号～5号传感器测得的超孔隙水压力与1号传感器相比有所消散。试桩TP1沉桩结束时1号传感器测得的超孔隙水压力最大，压力值大约在4.32 kPa。

2.3 径向土压力

图7为沉桩过程中试桩TP1桩身1号～5号土压力传感器量测的桩侧土压力。由图7可知：当桩身不同位置传感器入土后，随着入土深度增加，桩身不同位置的径向土压力提高值迅速增加，1号传感器测得的径向土压力增加尤其明显。同一入土深度处，2号～5号传感器测得的径向土压力与1号传感器相比有所衰减。试桩TP1沉桩结束时1号传感器测得的径向土压力最大，压力值大约在20.82 kPa。

2.4 径向有效土压力

图8为沉桩过程中试桩TP1桩侧有效土压力，从图7和图8可以看出桩侧有效土压力与径向土压力和超孔隙水压力密切相关[13]。当入土深度为50 cm时，2号～5号传感器测得的桩侧有效土压力分别为11.89 kPa，9.86 kPa，8.02 kPa，6.35 kPa，表明同一入土深度桩土界面土压力存在“侧压力退化”现象，退化值分别为2.03，1.84，1.67。当入土深度超过50 cm后，3号～5号传感器测得的桩侧有效土压力开始显著增加，当桩身入土深度达到80 cm时，1号传感器测得的桩侧有效土压力似乎出现了突然下降，这是由于沉桩速度有所降低而导致传感器读数滞后造成的。当沉桩结束时，1号传感器测得的桩侧有效土压力最大，其次是2号传感器，而5号传感器显示出最小的增加。