考虑桩长影响的静压桩贯入过程模型试验*

马加骁 雷向丽 王永洪 桑松魁 苗德滋

(青岛理工大学土木工程学院1) 青岛 266033) (青岛理工大学工程质量检测鉴定中心2) 青岛 266033)(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3) 青岛 266033)

0 引 言

近些年来，人们将两种或两种以上不同桩型、不同长度的桩组合起来用于实际工程中，已经产生了良好的经济效应和社会效应.针对长短桩之间的相互作用、承载性能差异性、荷载传递机制等方面的研究方兴未艾，同时也加强了对黏性土地基中桩侧摩阻力与桩长之间的关系等问题的研究.

目前，学者们从现场试验、室内试验并结合数值模拟等方面的研究取得了很多成果.现场方面，郭院成等[1]结合郑州某高速公路试验段进行了多组长短桩复合地基承载能力试验并利用有限元软件进行了数值模拟.李波等[2]在高速公路段现场开展了路堤填筑过程及堆载预压期内长短组合桩的桩土应力比，并利用三维有限元法对其加固机理进行拓展研究.室内模型试验方面，马天忠等[3]针对黄土地区长短组合桩、边桩与角桩的承载性能差异性及变形特性进行了对比.朱小军等[4]通过室内模型试验对长短桩承载性状发挥状况、桩身侧摩阻力分布状况进行了研究.现场方面，寇海磊等[5]对五根开口PHC管桩贯入成层土地基的力学机制和贯入机理进行了研究.李林等[6]通过现场PHC管桩和预制方桩中埋设钢筋应力计对沉桩过程桩身受力状态进行了研究.蒋跃楠等[7]通过公式推导并结合离心模型试验对静压过程沉桩阻力进行分析研究.继之皓等[8]采用有机玻璃管质桩身模拟了砂土和分层土中的静力压桩.

对于长短组合桩、静压桩试验在测试元件选择上，大多采用桩身黏贴应变片的传统方式实现[9]，也有部分学者使用光纤光栅进行试验[10-11].本文采用青岛某住宅工程现场粉质黏土层，通过自行设计的增敏微型光纤光栅传感装置对静力沉桩过程不同长度的闭口管桩承载特性进行了探讨，并采用自行研发的轮辐式压力传感装置将桩侧摩阻力和桩端阻力成功分离，试验结果可为类似的室内模型试验提供借鉴，并对实际工程提供理论指导.

1 试验准备

1.1 试验系统

该系统主要包括加载系统、数据采集系统、模型箱.其中，数据采集系统中的FS2200RM光纤光栅解调仪精度为2 pm，可通过接收和解调压力传感器反射回来的光谱信号，可采集沉桩过程中的压桩力、桩身轴力；DH3816N静态应变采集仪主要采集桩端阻力.试验所用模型箱是由钢板焊成，其尺寸为3 m×3 m×2 m(长×宽×高)，为便于观察沉桩过程，正面采用钢化玻璃.

1.2 地基土的制作

室内模型试验所用的土样取自青岛某住宅工程现场粉质黏土层，现场地基土见图1.该层土样呈灰褐色～灰色，介于流塑～软塑状态，无摇振反应，且局部混杂约10%粉砂或夹薄层粉砂，含多量有机质、贝壳碎屑及腐殖质，有腥臭味.

土样运至实验室后，根据文献[12]进行一系列土工试验制备重塑土样，并在土样表面洒水、覆盖多层薄膜，静置3 d后，正式进行压桩试验.其具体相关的物理力学参数见表1.

1.3 模型桩

本次室内试验共进行了两根铝制材料模型桩的静力压桩试验，模型尺寸是根据相似原理、模型槽深度，以及制作工艺进而确定的.其中因E1管桩需在桩端安装轮辐传感器，故安装完毕后的总长度为1 200 mm；两种管桩均通过内六角螺栓与管桩桩端相连，保证了两者连接的紧密性，模型管桩具体参数见表2.

表2 模型管桩参数表

2 室内静力沉桩试验

2.1 光纤光栅传感器的布设

本次试验中的模型桩E1，E2均刻槽粘贴了六个FBG传感器.具体安装流程为：①在外管表面开了一条2 mm×2 mm(宽度×深度)的浅槽;②FBG传感器安装前使酒精和棉球将安装槽擦洗干净;③FBG传感器沿沿桩顶下密上疏式依次编号1#～6#.其中试桩E1因在桩端安装有轮辐式压力传感器，故1#传感器到桩端的距离为25 cm，其余间距均与试桩E2相同;④FBG传感器在安装时，用棉棒分别夹住光纤光栅两端，先用704胶粘贴一端，为扩大量程，需移动未胶结的另一端进行预拉伸，当波长增长2 nm左右时，停止预拉伸，用胶水粘结固定自由端感器间距，见图2;⑤FBG传感器全部安装结束后，FBG传感器的F接头使用酒精和棉球将其擦洗干净，连接FS2200RM光纤光栅解调仪检测其成活率，待其成活率满足要求后使用环氧树脂胶进行封装，使其表面与桩身表面齐平.其中，FBG传感器的部分具体参数见表3.

图2 FBG传感器布设图(单位：cm)

表3 增敏微型FBG传感器参数表

2.2 桩位的选择

依据文献[13]的基桩的最小中心距为4倍桩径的规定，本次试验的两组模型管桩均布置在模型箱的中心位置，可忽略边界效应.

2.3 试验过程

具体步骤如下：①通过电控系统将加载横梁上的液压千斤顶移动到指定桩位;②打开系统主机，通过油泵控制千斤顶上升到一定高度，将试桩直立放到待压桩位，使用磁性盒式水平尺检查桩身垂直度;③待确定管桩直立后，再次通过系统主机控制油泵进行加压，使液压千斤顶缓慢匀速下降直至将要接触管桩桩顶时停止加压;④将每个FBG传感器、轮辐式压力传感器的传输线依次与其对应的采集仪器连接;⑤待确认连接无误且参数调整完毕后，正式进行压桩试验前进行数据采集;⑥整个沉桩过程分两次完成，中间一次停顿以增加千斤顶的下落高度,其中试桩E1,E2的沉桩深度分别为1 100,900 mm，沉桩速度约为300 mm/min.过程图见图3～4.

图3 安装完成后的 轮辐压力传感器

图4 静力沉 桩过程

3 试验结果及分析

3.1 沉桩过程压桩力分析

静力沉桩过程，压桩力主要由桩侧摩阻力和桩端阻力组成，通过桩顶压力传感器监测得到沉桩过程的压桩力为

(1)

式中：F为压桩力，kN；ΔλB为波长差，nm；Kε为灵敏度系数，pm/×10-6；A为桩身横截面面积，mm2.

绘制出的各试桩整个沉桩过程的压桩力随沉桩深度的变化曲线，见图5.

图5 静力沉桩过程压桩力变化

由图5可知，试验的两根试桩的压桩力均随着沉桩深度的增加近似呈线性增大趋势，当沉桩深度小于22 cm时，试桩E2的压桩力大于试桩E1；当沉桩深度达到22 cm时，试桩E1的压桩力逐渐接近试桩E2，此时两根试桩的压桩力分别为1.386和1.325 kN；当沉桩深度超过22 cm时，试桩E1的压桩力反而大于试桩E2的压桩力；当沉桩深度超过50 cm时，两根试桩的压桩力增长速率均降低；随着贯入深度的增加，当沉桩深度超过60 cm时，两根试桩的压桩力出现等值增长直至试桩E2沉桩结束.试桩E1总体桩长为1 200 mm，沉桩深度为1 100 mm，其最终压桩力为3.298 kN，比试桩E2的压桩力2.938 kN高出12%；分析原因是试桩E1桩长大，与土接触的表面积较大，受到桩周围土体施加的侧向压力大，从而总侧摩阻增大，导致压桩力也就大.

3.2 沉桩过程桩端阻力分析

静力沉桩过程中桩端阻力的监测方法：试桩E1由桩端安装的可旋转式轮辐压力传感器直接测的，而试桩E2主要通过靠近桩端的1#传感器测量得到.绘制出的各试桩桩端阻力随沉桩深度的曲线见图6.

图6 静力沉桩过程桩端阻力变化

由图6可知，在整个静力沉桩过程中，两根试桩的桩端阻力均随着沉桩深度的增加呈逐渐增长的趋势.且当沉桩深度小于10 cm时，试桩E2的桩端阻力略大于试桩E1；分析认为：试桩E1桩端装有20 cm的轮辐压力传感器，沉桩初期，传感器未能全部进入土层，因而桩端阻力较小，试桩E2末端FBG传感器距桩端5 mm，最先测得桩端阻力.当沉桩深度大于10 cm时，随着沉桩的进行试桩E1的桩端阻力始终大于试桩E2的桩端阻力.分析认为：相同外径的试桩E1，E2，试桩E1的桩长较大，入土深度大，对桩周土的挤密作用强烈，受到土的自重应力大，因而桩端阻力大.在沉桩深度90 cm范围内，试桩E1、试桩E2的桩端阻力变化趋势相近，当两根试桩均沉桩结束时，试桩E1的桩端阻力为2.054 kN，占压桩力的62.3%，试桩E2的桩端阻力为1.747 kN，占压桩力的59.5%，且试桩E1的桩端阻力比试桩E2的大18%，说明2根试桩的端承力较好.

3.3 沉桩过程桩侧摩阻力分析

试桩E1，E2静力沉桩桩侧摩阻力通过式(2)～(4)换算，求得各试桩的总桩侧摩阻力随沉桩深度的变化曲线见图7.

ΔλB=(1-Pe)λBΔε=KεΔε

(2)

式中：ΔλB为波长差，nm；Pe为光栅有效弹光系数；λB为光线光栅中心波长，nm；Δε为应变变化值；Kε为灵敏度系数， pm/×10-6.

沉桩过程中的桩身轴力N的表达式为

Ni=EcΔεAp

(3)

式中：Ni为第i个FBG传感器位置的桩身轴力,kN；Ec为桩身混凝土弹性模量，MPa；Ap为桩身横截面面积，mm2.

静力沉桩过程中的桩侧单位摩阻力的表达式为

Qi=Ni-Ni+1Qi=Ni-Ni+1

(4)

式中：Qi为第i截面的侧摩阻力，kN.

图7 试桩总侧摩阻力分布

由图7可知，试桩E1，E2的总桩侧摩阻力均随沉桩深度的增加逐渐增大.分析认为：随着沉桩深度的增加，桩周土的侧压力逐渐增大，从而表现为桩侧摩阻力的增大.在相同的沉桩深度处，试桩E2的总桩侧摩阻力大于试桩E1.分析原因可能是试桩E1下端安装20 cm的轮辐压力传感器，沉桩初期对桩周土体扰动大且桩端20 cm范围未装FBG传感器，使得试桩E1总桩侧摩阻力读数小，随着沉桩过程的进行，试桩E1由于桩长较大，对桩周土扰动比E2大，因而总侧摩阻较小.2根试桩的桩侧摩阻力在沉桩深度10 cm范围内数值很小，均小于0.1 kN.这主要是因为浅层土体在沉桩过程中因桩身晃动比较强烈，使得桩-土之间产生一定的空隙，接触不紧密，致使浅部土体总桩侧摩阻力较小的现象.当沉桩深度超过50 cm时，两试桩的总侧摩阻力增速变缓但桩侧摩阻力仍然呈增长趋势.停止压桩时，试桩E1的最大侧摩阻力值比试桩E2高出27.7%左右，分析原因：试桩E1和E2的直径相同，且同为闭口管桩，但试桩E1的贯入深度大于试桩E2的贯入深度，所以试桩E1总的侧压力大，最终总侧摩阻也大.

3.4 试桩桩身轴力结果分析

通过式(1)、式(2)可以得到两根试桩在整个静力压桩过程中的桩身轴力分布曲线，见图8.

图8 各试桩桩身轴力对比分析图

由图8可知，试桩E1，E2的桩身轴力分布规律相似，均随着桩贯入深度的增加，桩身轴力逐渐减小，与传统结论相一致.这主要是随着沉桩的进行，桩侧摩阻力自上而下逐渐发挥所致.具体来讲，在同一贯入深度处，随着沉桩深度的逐渐增加，桩周土的侧压力逐渐增大，从而使桩-土间的摩阻力增大，且越靠近管桩下部，桩侧摩阻力越大，轴力的减小幅度越大，曲线斜率越小.另外，还可见试桩E2在埋设深度范围内桩身轴力减小程度较试桩E1均匀，这与桩侧摩阻力有关.初始贯入时，桩身轴力差别较小，此时桩端土体刚出现塑性变形；当贯入60 cm时的外管轴力突然增大，说明此时挤土作用强烈，桩端土体对其反作用较大；当贯入80 cm时，轴力增加较小，可能是已经发生塑性变形的部分土体发生弹性恢复；贯入110 cm时的外管轴力增大特别显著，说明土体重新排布挤密，使地基发生硬化现象，承载力极速提升.

在最大贯入深度处，试桩E1桩身轴力为2.174 kN，试桩E2轴力为1.747 kN，试桩E1比试桩E2大24%；即桩长每增加10 cm，轴力增加0.12 kN，说明桩长对轴力的增加效果很明显.

3.5 试桩桩侧单位摩阻力结果分析

假定桩侧摩阻力沿管桩桩身均匀分布，根据式(5)可以得到各试桩在同一贯入深度处的桩侧单位摩阻力随沉桩深度的分布曲线，见图9.

静力沉桩过程中的桩侧单位摩阻力的表达式为

(5)

式中：qi为第i截面单位侧摩阻力，kPa；u为桩的周长，m；li为第i与i+1截面之间的距离，m；D为桩径，m.

图9 各试桩桩身单位侧摩阻力分布图

通过比较图9各试桩桩身单位侧摩阻力分布图中同一沉桩深度处的单位侧摩阻力分布可以发现，随着贯入深度的增加，同一沉桩深度处的单位侧摩阻力逐渐减小，即侧摩阻力存在“退化效应”.分析认为：贯入深度越大，上部土层的扰动程度远大于下层土层，使得桩与土的接触空隙增大，导致桩侧摩阻力逐渐减少.另一个原因是桩入土之前，桩身相对粗糙度较大；入土之后,由于细颗粒填充桩身的凸凹表面使相对粗糙减少，致使摩擦角的减小，从而桩侧摩阻退化.此外，试桩E1，E2贯入深度从10 到90 cm的过程中，管桩下端两传感器之间的单位侧摩阻力总体上逐渐变大，现象较为明显.其原因是管桩下端两传感器之间的距离位于桩端，在沉桩过程中一直处于桩周土的挤压之中，贯入深度越大，挤压越强烈，水平侧压力越大，桩-土接触越牢固，从而单位侧摩阻力的增大.通过对比最大贯入深度处各试桩桩身单位侧摩阻力的分布，发现试桩E1的数值为5.328 kN，试桩E2的数值为5.687 kN，试桩E2的外管单位侧摩阻力比试桩E1的大7%，但总体差值较少，说明桩长对桩侧单位侧摩阻力影响不大.

3.6 沉桩过程受力性状分析

为全面研究分析两根模型管桩在静力沉桩过程中总的受力状态，绘制出的各试桩沉桩过程荷载曲线(见图10)，由此得到沉桩结束时各试桩端阻比、侧阻比见表4.

图10 各试桩沉桩全过程荷载曲线

表4 沉桩结束时桩端阻力、桩侧阻力占压桩力的百分比

由图10可知，静力沉桩过程中试桩E1，E2的整体荷载曲线变化相近，但在数值上两试桩有一定差异，说明桩长的不同并未改变沉桩过程荷载传递规律，但因试桩E1的端阻力由轮辐压力传感器监测，而试桩E2端阻力是近似取值于1#FBG传感器，故两者在数值尤其是端阻力取值有一定差异.

由表4可知，静力沉桩过程中，试桩E1的压桩力、桩端阻力、桩侧摩阻力均大于试桩E2，说明桩长越大，承载能力越好.结果表明：黏性土中的静力压桩，试桩E1端阻力比侧摩阻为1.65∶1，试桩E2为1.47∶1.

4 结 论

1) 两根不同桩长的试桩压桩力、桩端阻力、桩侧摩阻力均随着沉桩深度的增加近似呈线性增大趋势；沉桩结束时，试桩E1的终压力比试桩E2高出12%.试桩E1的桩端阻力为2.054 kN，试桩E2的桩端阻力为1.747 kN，试桩长的比试桩短的桩端阻力大18%，即桩长每增加10 cm，桩端阻力增加0.15 kN；总侧摩阻力方面，试桩E1比试桩E2高出27.7%，说明桩长的增加可显著提高侧摩阻的发挥.

2) 试桩E1，E2的桩身轴力分布规律相似，不同贯入深度下，桩侧摩阻力自上而下逐渐发挥，桩身轴力随沉桩深度不断递减且轴力的分布曲线的斜率逐渐减小；在最大贯入深度：试桩E1外管轴力为2.174 kN，试桩E2轴力为1.747 kN，试桩E1比试桩E2大24%，即桩长每增加10 cm，轴力增加0.12 kN.

3) 随着贯入深度的增加，同一沉桩深度处的单位侧摩阻力逐渐减小，即侧摩阻力存在“退化效应”.

4) 2根模型试桩在黏性土中的静力压桩过程，桩端阻力占比均超过50%，即桩端阻力承担了大部分的压桩力.