红粘土地层闭口管桩上浮模型试验研究

王家全，张　昊，刘垒雷，彭　泰

(广西科技大学土木建筑工程学院， 广西柳州545006)



红粘土地层闭口管桩上浮模型试验研究

王家全，张昊，刘垒雷，彭泰

(广西科技大学土木建筑工程学院， 广西柳州545006)

摘要：为研究红粘土上硬下软地层中管桩上浮问题，对3组不同桩径的闭口管桩进行室内沉桩模型试验，分析单桩、群桩上浮量的变化规律和红粘土地层管桩上浮的机理。结果表明：静压单桩的桩身上浮量主要由桩顶卸荷回弹变形引起，桩径越大则回弹变形越大，但单桩上浮量远小于群桩引起的上浮量。沉桩过程中，邻桩上浮量并不随桩的贯入深度的增加而均匀持续增长，管桩压入上部硬塑土层对邻桩上浮的影响大于压入下部可塑土层对邻桩上浮的影响。在红粘土软硬土层交界处一定范围内，桩上浮的增长趋势会出现短暂的休止情况。

关键词：红粘土地层；管桩；桩上浮；模型试验

0引言

管桩在静力压桩过程出现桩身上浮的现象十分普遍[1-6]，这对施工的进度控制和质量控制都产生了不利的影响。工程界对这一现象十分关注。马时冬[7]通过分析几个PHC管桩施工的工程实例，认为管桩的使用不该盲目地推广。国内外学者结合大量工程实例对上浮原因进行了分析，并认为桩上浮过程中桩周土体产生垂直隆起和水平方向的位移，而导致桩身上浮的主要原因就是挤土效应[8-11]。张旭辉等[12]通过实际工程介绍了PHC管桩的上浮现象，分析桩在饱和软粘土、密实砂土地基中发生上浮的原因，同时提出相应的预防处理措施。贾志刚等[13]对驻马店某工程管桩静压施工过程中土体的深层位移与超孔隙水压力的变化进行了监测。朱奎等[14]对温州某工程桩施工时桩上浮现象进行了系统的试验研究，强调孔隙水压力也是桩上浮的一个重要影响因素，并通过监测发现桩上浮与施工距离、施工顺序密切相关，并且桩的日施工数量越多，上浮量越大。

由于工程地质条件的复杂多变性，管桩上浮时桩周土体变形情况也不完全相同。近年来，管桩在红粘土地层得到了广泛应用，红粘土管桩施工的上浮问题在许多典型的红粘土管桩工程中频频发生，但现在对其上浮的机理较少涉及。本文通过室内闭口管桩模型试验，模拟静压管桩的沉桩过程，分析典型红粘土上硬下软地层中单桩及群桩上浮机理，旨在为红粘土管桩工程设计施工提供参考。

1模型试验设计

1.1模型箱和模型桩

管桩压桩试验均在模型箱中完成。该模型箱以角钢作为骨架，正视面和左视面采用12 mm厚透明钢化玻璃以便于观测，其余部位均采用厚6 mm钢板焊接，具体尺寸为100 cm(长)×70 cm(宽)×130 cm(高)。

管桩模型采用圆形铝管制作，底部采用平底闭口型。A、B、C模型桩的桩径分别为2.5 cm、4.0 cm、5.5 cm，试验桩长130 cm，沉桩深度110 cm。沉桩前将模型桩表面用砂纸打磨，使桩身与土体间的摩擦与实际情况基本吻合，此外，在模型箱正视面玻璃上均匀涂抹凡士林，以减少在半模桩在沉入过程中模型桩截面与玻璃面之间因接触而产生的摩擦力。

1.2试验土样制备与选取

本次试验土样取自柳州市某施工现场的典型红粘土地层，对土体烘干后碾碎过2 mm筛孔，然后配制与现场原状土相符的含水量，最后分层填筑。具体做法：以30 cm厚为一个填筑周期，每层填筑高度严格控制在10 cm，采用底面积为20 cm×10 cm、质量20 kg的砝码从距离土层表面约40 cm处自由下落进行击实，确保土层压实均匀。每个填筑周期结束后，采用重物堆载法静压固结2 d，然后再继续下一层的填筑工作。为更好模拟实际红粘土地质上硬下软的典型情况并与现场土层情况一致，试验土层上部选取含水率35%的硬塑红粘土，厚度约75 cm；下部选用含水率45%的可塑红粘土，厚度约35 cm。用水泥红粘土模拟基岩作为桩端持力层，厚度为10 cm。通过相关试验确定其抗压强度为1.8 MPa，满足模拟试验强度要求。

1.3压桩加载装置

采用反力架和千斤顶作为沉桩加载方式，图1为沉桩加载装置。试验1次压桩行程设计为10 cm，以2 cm/min等速率沉入土体，分11次静压加载达到持力层。每根桩压桩结束后，在桩顶架设百分表，观察后续桩不断压入过程中百分表数值的变化情况，以监测桩顶上浮量。图2为沉桩模型及量测装置图。

图1试验加载装置

Fig.1Test press device

图2量测装置图

Fig.2Test monitor device

1.4试验工况流程

由于群桩压桩数量较多，本试验规定3种管径模型桩按直径由小到大依次分为A、B、C 3类，分别对应桩径2.5 cm、4.0 cm、5.5 cm，压桩顺序以阿拉伯数字表示，桩间距取为3倍桩径，根据对称性，同时为了便于观测，紧贴有机玻璃面一侧采用半模桩。试验具体流程按图3(a)所示，进行静压单桩试验和静压群桩试验，分别记录整理出每根桩在后续桩压入过程中上浮量的变化情况。图3(b)中的圆点、半圆点分别代表本次试验中的全模桩和半模桩。

(a) 试验过程

(b) 压桩顺序

图3压桩试验流程

Fig.3Test procedure

2试验结果与分析

2.1静压单桩上浮分析

图4　三种直径单桩静压结束后1 h累计上浮量变化Fig.4　The cumulative floating curve of three diameter single pile after static pressure 1 hour

图4反映了3种不同直径模型单桩静压结束1 h内桩身累计上浮量变化情况。可见，A1#、B1#、C1#桩在卸荷后约15 min内，桩身上浮量迅速达到最大值，而后上浮趋于稳定。这主要是，一方面，由于在卸载初期，桩身受压所积累的部分弹性变形在短时间内快速恢复，由此导致桩顶上浮监测量增加，之后桩周土对桩身的约束力发挥作用，使得桩身变形恢复不能完全发挥出来，上浮量开始趋于稳定而不再增加；另一方面,单桩压入土体时，桩周土产生的附加应力能较快消散，残余的挤土应力较小，不存在挤土上浮现象。通过比较可容易发现，桩径越大，桩身回弹量也就越大，相应桩顶上浮量的监测值也越大。结合沉桩荷载大小分析，推测这种现象可能是由于沉桩过程中桩径越大，沉桩受到的荷载阻力越大，其桩体本身变形量也较大，所存储的回弹势能也较大，因此，沉桩结桩顶卸荷后，回弹也较为充分。

2.2静压群桩上浮分析

图5为模拟A、B、C共3种桩径群桩静压施工时各单桩累计的上浮量随着后续压入桩沉入深度变化的曲线，图中斜率越大，说明上浮量增长越快。

(a) A#群桩

(c) C#群桩

①取1#桩为分析目标桩进行分析。在2#、3#桩压入过程中，1#桩展现出上浮趋势，2#桩压入后，1#桩上浮量很小，3#桩的压入与已压入的2#桩一起形成了“顶档”作用，使得1#桩桩顶上浮量明显增大；而随着4#、5#、6#桩的依次不断压入，2#～6#桩共同对1#桩逐渐形成了“包围圈”，在这个阶段，挤土效应影响逐渐增大，1#目标桩上浮量迅速增加；当7#、8#、9#桩依次压入时，1#桩桩顶上浮量的增长开始放缓，究其原因，一方面是4#、5#、6#桩起到了一个“遮帘”作用，另一方面，7#、8#、9#桩与目标桩之间间距较大(≥6倍桩间距)，对1#目标桩产生的挤土上浮影响较弱。最终A1#、B1#、C1#桩累计上浮量分别为0.39 mm、0.70 mm、1.09 mm。

②取2#桩为目标桩进行分析。3#桩压入后，1#桩的存在产生了“遮帘效应”，2#桩上浮量较小，从图5(b)可知，4#、5#、6#桩与2#桩间距逐渐增大，它们依次压入时对2#桩产生的挤土上浮作用也逐渐减弱，相应的2#桩上浮量增长幅度也呈先大后小；同样地，由于存在先压入桩(4#、5#、6#)的遮帘作用和自身桩间距较大等因素，7#、8#、9#桩压入过程中，2#桩上浮量增长较少。A2#、B2#、C2#桩累计上浮量分别为0.34 mm、0.50 mm、0.68 mm。

③取3#桩为目标桩进行分析。3#桩位于角桩位置，尽管4#、5#、6#桩与3#桩的间距逐渐缩小，对3#桩挤土作用越来越大，但始终无法像对1#桩一样形成包围之势，产生的挤土附加作用会快速消散，因而3#桩在这个过程中虽有上浮，但数量较小；同样原理，7#、8#、9#的压入对3#桩的上浮贡献也有限。最终A3#、B3#、C3#桩累计上浮量分别为0.32 mm、0.39 mm、0.63 mm。

④取4#桩上浮分析。由于先压入桩的挤土作用，模型箱内土体挤压沿桩周向外扩散，此时，邻桩5#桩的压入使得4#桩的上浮量迅速增加且较大；间距相对稍远的6#桩压入所引起的4#桩上浮量增长量稍小一点；7#桩压入后与之前压入的2#、5#桩一起形成了“大半包围圈”，此时4#桩上浮增量达到峰值；8#、9#桩与4#桩间距逐渐扩大，依次压入时对4#桩上浮量影响逐渐变弱，上浮增长量变慢。最终，A4#、B4#、C4#桩累计上浮量分别为0.54 mm、0.69 mm、1.15 mm。

⑤取5#桩上浮分析。5#桩位于整个模拟压桩面的中心位置， 6#、7#、8#、9#桩的陆续沉入，与先压入桩一起组成了一个大的“包围圈”，使得5#桩上浮量迅速增大，与其他桩相比，其累计上浮量始终为最大。最终A5#、B5#、C5#桩累计上浮量分别为0.45 mm、0.75 mm、1.26 mm。

⑥取6#桩上浮分析。6#桩与4#桩上浮变化规律类似，7#、8#、9#桩与6#桩的间距逐渐缩小，它们依次压入后产生的挤土作用也越来越大，又形成了“大半包围”，6#桩上浮量增长速度和增长量都大于4#桩。最终A6#、B6#、C6#桩累计上浮量分别为0.37 mm、0.51 mm、0.81 mm。

⑦取7#桩上浮分析。7#桩为角桩，桩周土的附加应力能较大程度地向四周扩散，故在8#、9#沉桩时7#桩桩身上浮有限。A7#、B7#、C7#桩累计上浮量分别为0.08 mm、0.22 mm、0.81 mm。

⑧取8#桩上浮分析。8#桩处于群桩最外边缘中间位置，属边桩。其后只有9#桩压入对其周围土体产生挤压，其上浮量变化较小。最终A8#、B8#、C8#桩累计上浮量分别为0.04 mm、0.08 mm、0.29 mm。

⑨取9#桩上浮分析。该桩为角桩，且属于群桩中最后一根压入桩，其上浮量主要由桩身卸载后的回弹变形所引起，监测到的上浮量值非常小。A9#、B9#、C9#桩累计上浮量分别为0.01 mm、0.03 mm、0.04 mm。

图6为在群桩压桩结束静置约5 min时，将每根桩压桩完毕后的起始标高与整个群桩压桩结束时测得的桩顶标高的差值整理得到桩上浮量等值线图。如图3(b)所示，用实心圆点在图中标出9根桩位置。从图6中可以看出，在同一个压桩位置虽然单个桩体上浮量不相同，但总体呈现出规律性的变化，即以群桩中间部位桩体上浮量达到最大值，并向四周桩位逐渐减小，边桩的上浮量要大于角桩的。如中间桩A5#、B5#、C5#桩最终累计上浮量分别为0.45 mm、0.75 mm、1.25 mm，边桩最终A6#、B6#、C6#桩累计上浮量分别为0.36 mm、0.51 mm、0.81 mm，角桩A7#、B7#、C7#桩累计上浮量分别为0.08 mm、0.22 mm、0.29 mm。这与张忠苗等[15]在软土地基现场试验中所得结论基本相吻合。

(a) A#群桩　

3红粘土地层中管桩上浮的机理及特征规律

从宏观的角度分析，桩管桩上浮过程中桩周土体产生垂直隆起和水平方向的位移，地下水的存在而产生的孔隙水压力也是桩上浮的一个重要因素[6]。由于本次试验所用土层为非饱和的红粘土，尽管在压桩过程中可能会产生一定的超孔隙水压力，但对桩体产生的向上浮力可以不做考虑。以下仅从挤土效应角度出发并结合红粘土地层这一工况，以第一根压入桩做为固定目标桩，对桩体上浮的机理及特征规律进行讨论。

图7为3组静力压桩试验分别以A1#、B1#、C1#为目标桩所监测得到的桩顶净上浮量随后续每根桩沉桩深度的变化曲线，每根桩对目标桩净上浮量的贡献值之和即为该目标桩最终累计上浮量。可以看出，3根目标桩虽然桩径不同，但呈现出的规律大致相同。

以B1#桩上浮分析为例。B2#桩压入前10 cm，B1#桩几乎没有上浮，可认为其净上浮量为零，压入20～60 cm，目标桩上浮量开始表现出明显上升趋势，在压入到约60～90 cm时，上浮量增长趋于平缓，随后压入到90～100 cm段又有明显增加，当进入100～110 cm土层时，上浮量几乎不再增长而保持恒定。究其原因主要是，在B2#桩压入深度较浅时其沉桩挤土作用很小，随着B2#在硬塑层压入深度的增加，对目标桩的挤土效应明显增大；当接近压入到软硬土界面处时，由于红粘土层上硬下软的特征，桩端下部部分硬塑层土体可以轻易地被挤入软塑层中，导致这一压桩时段挤土效应相对减弱，目标桩上浮量也因此增长缓慢；在压入至90～100 cm时，挤土作用重新加强，目标桩上浮量又出现了明显增长；随后，挤土效应慢慢减弱，因此，最后10 cm压桩段，目标桩上浮逐渐停止。最终B2#桩对目标桩的影响净上浮量为0.10 mm。B3#桩压入时，由于在另一侧对称位置的B2#桩起到了“顶档”的作用，随着在硬塑层土入土深度增加，目标桩上浮增大，与B2#桩相类似，当B3#桩接近软硬土层界面时，目标桩上浮量变化不大，进入90～100cm时，上浮增长量又迅速增加，最终B3#桩对目标桩的影响净上浮量为0.08 mm。B4#、B5#、B6#依次压入逐渐对目标桩形成“包围”，随着入土深度的增加，从硬塑层到可塑层，目标桩桩身上浮速度先增大后减小，最终B4#、B5#、B6#对目标桩净上浮量的影响均较大，分别有0.11 mm、0.13 mm、0.15 mm；B7#、B8#、B9#压入过程中由于存在先压入桩(B4#、B5#、B6#)遮帘作用，随着它们压入深度的增加，目标桩桩身上浮增加并不明显，上浮量较小，最终B7#、B8#、B9#对目标桩影响净上浮量分别为0.06 mm、0.04 mm、0.03 mm。

(a) A1#桩

(b) B1#桩

(c) C1#桩

4结论

①静压单根桩时桩周土应力消散较快，土体挤压而产生的应力较小，桩身上浮量主要由桩顶卸荷后回弹变形引起，且桩径越大，桩身回弹变形也越大，但是上浮量在数值上的反应非常小。

②在同种地质条件下，群桩静力压桩过程中，当桩距离相同时，桩径越大，桩身上浮量越大；先压入桩的桩身上浮量随后压入桩的依次压入而逐渐累积，先压入桩更易被后压入桩影响。总体来说，前者上浮量一般较后者大。根据桩位划分，通常中间桩的上浮量大于边桩的，边桩的上浮量要大于角桩的。

③管桩沉桩时，应鼓励采用隔桩跳打方式，以减少群桩上浮危害；同时，应由中心向四周沉桩，以减小挤土效应对桩体上浮的影响。

④沉桩过程中，邻桩上浮量并不随桩的贯入深度的增加而均匀持续增长。由于红粘土地层具有上硬下软的特征，管桩静压过程中对邻桩上浮的影响通常表现为压入上部硬塑土层大于压入下部可塑土层。这一发现有别于其他土层的研究结果[14]。特别地，在软硬土层交界处一定范围内，桩上浮的增长趋势会出现短暂的休止情况。

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(责任编辑唐汉民裴润梅)

Model test research on close-end pipe pile floating in red clay geology

WANG Jia-quan, ZHANG Hao, LIU Lei-lei, PENG Tai

(College of Civil and Architectural Engineering, Guangxi University of Science and Technology,Liuzhou 545006, China)

Abstract:To study the floating of pipe pile in the stratum that is soft in upper part and hard in lower part, three groups of indoor pile-sinking model tests were carried out on close-end pipe piles of different diameters, and floating mechanism and values of single pile and pile group were analyzed. Results show that the flotation of static pressure pile is mainly caused by the springback deformation of unloading, and the larger the pile diameter is, the larger the springback deformation will be. But the floatation amount of single pile is far less than that of pile group. In the pile-sinking process, the floatation amount of adjacent pile does not increases uniformly with the increase of pile penetration depth, and the influence of pipe pile penetrating into the upper and harder layer of plastic soil on adjacent pile floatation is larger than that of pipe pile penetrating into the bottom layer of plastic soil. In a certain range near the junction of hard and soft soil in red clay, the floating growth would temporarily stop.

Key words:red clay geology; pipe pile; pile floatation; model test

中图分类号：TU473

文献标识码：A

文章编号：1001-7445(2016)02-324-08

doi:10.13624/j.cnki.issn.1001-7445.2016.0324

通讯作者：王家全(1981—)，男，广西南宁人，广西科技大学教授，博士；E-mail：wjquan1999@163.com。

基金项目：广西自然科学基金资助项目(2015GXNSFAA139270，2015GXNSFAA139257)；广西科技大学博士基金项目(院科博1011)；广西研究生教育创新计划项目(YCSZ2014200)

收稿日期：2015-07-31；

修订日期：2015-12-14

引文格式：王家全，张昊，刘垒雷，等.红粘土地层闭口管桩上浮模型试验研究[J].广西大学学报(自然科学版)，2016，41(2)：324-331