浅圆仓砂土地基中静压单桩沉桩和承载力特性研究

刘海军,肖昭然*,赵宪强

1.河南工业大学 土木工程学院, 河南 郑州 450001 2.南京水利科学研究院 岩土工程研究所, 江苏 南京 210029 3.河海大学 土木与交通学院, 江苏 南京 210024

浅圆仓是我国粮食储存的主要仓型[1],为钢筋混凝土圆形结构,结构受力好[2],施工周期短[3],仓体的防水、隔热气密、通风和密闭等[4]性能易于控制。这些特点极大提高了粮库的储粮效益和节能降耗[5],为我国粮食储藏和中转的新型仓型。

目前,浅圆仓桩基础施工常采用静压桩处理。针对静压桩沉桩和承载力特性,国内外相关人员做了大量研究。Lehane等[6]采用离心模型试验对正常固结砂土地基中的桩体承载力进行了分析,得到荷载作用下桩侧压力的变化对中小型桩的桩侧摩阻力影响较大的结论。肖昭然等[7]通过分析桩侧摩阻力和桩周土剪切位移相互关系,建立了桩周土的位移和应力的解析式。周健等[8]采用室内模型试验和颗粒流数值模拟密实砂中静压桩沉桩过程,明确了随着贯入深度增加沉桩端阻力趋于稳定,并存在沉桩端阻力临界深度。马哲等[9]基于颗粒流软件对不同桩尖角的沉桩过程中沉桩端阻力、侧摩阻力和压桩力进行了分析。吕清显等[10]采用模型试验方式研究了砂土中静压桩沉桩速度对沉桩特性的影响。黄凯等[11]利用单桥静力触探的方式对静压桩沉桩阻力进行了分析,建立了综合修正系数的静压桩沉桩阻力估算方法。Lim等[12-13]通过对不同地下水位和砂土条件下的静压桩抗剪承载力与承载力时效性的研究,认为桩侧摩阻力增加与沉桩剪切过程中侧向应力增加有关。赵宪强等[14]对静压桩沉桩终压桩力和承载力的关系进行了分析,明确静压桩沉桩终压桩力与承载力具有一致性,且黏性土和砂性土中静压沉桩机理存在差异。刘勇等[15]通过模型试验研究了桩长对沉桩特性和承载力特性的影响,认为单桩的极限承载力主要受桩长影响,且基本与沉桩终压桩力一致。

因此,静压沉桩过程中压桩力、沉桩端阻力、桩周土体相对密度变化和孔隙水压力变化,以及沉桩完成后的桩周侧压力分布等均对明确静压桩的沉桩机理和承载力特性具有显著影响。作者采用室内大型模型试验的方式,还原了砂土地基中静压桩的沉桩、静载过程,考虑了不同桩长、桩尖角度变化的影响,分析了压桩力、沉桩端阻力、桩周侧压力和桩体承载力变化规律,为实际设计施工提供了理论依据。

1 试验装置和方案

1.1 静力压桩装置设计

自行研制了大型土工试验装置进行静力压桩试验,装置设备包含：剪切砂箱、竖向加载装置和多向加载装置3个部分。剪切砂箱内部净尺寸为3 m×2 m×2 m(长×宽×高)。竖向加载装置的电动缸额定荷载为5 t(可超量程至6.5 t),电动缸最大加荷速率为100 mm/min,最小加荷速率为0.001 mm/min,电动缸伸缩杆最大行程为1 m,有效行程为0.05～0.95 m。导轨立柱用于安装传感器加载平台,确保加载过程中电动缸伸缩杆不发生失稳破坏。加载平台上安装有轮辐式拉压传感器,其量程为5 t,精度为0.01 kN。

1.2 模型桩的制作

模型桩材质为6061铝合金,其弹性模量68.9 GPa,泊松比0.33,桩长1 200 mm(不含桩尖和送桩器),壁厚5 mm,外径40 mm。模型桩在桩身设置了微型土压力盒,量程为300 kPa,厚度4.8 mm,直径12 mm。此外,为了得到静压沉桩和静载荷过程中的桩端阻力,在模型桩的桩端设置了端阻计。端阻计的量程为20 kN,精度为0.01 kN(模型桩传感器布置如图1所示)。

注：传感器包括土压力盒和端阻计等。右侧1、2、3、4指每个横截面上布置4个土压力盒。图1 模型桩传感器布置示意图Fig.1 Schematic diagram of the sensor layout of the model pile

1.3 试验砂样

模型试验所用砂土为标准砂,砂土平均粒径0.39 mm,不均匀系数5.11,曲率系数1.17,内摩擦角35°,SiO2含量96.5%,最大、最小干密度分别为1.87、1.50 g/cm3,比重2.63,最大、最小孔隙比0.86、0.53。砂土地基采用砂雨法制备,通过改变装置中出砂口孔径、孔心间距和落距来制备不同相对密度的砂土地基。本研究为了得到相对密度为0.75的砂土地基,出砂口孔径设为6 mm、孔心间距为15 mm,落距为40 cm。制备土样完成后静置7 d,再进行静压桩模型试验。

1.4 试验方案

试验采用分段方式沉桩,先沉入600 mm,连接加长杆再沉入600 mm。采用水平仪对桩体垂直度校正,模型桩顶与压力传感器之间放置有球铰以确保桩顶受到均匀竖向力。采用控制电动缸的伸缩杆伸长进行沉降速度控制,本试验中沉桩速率为0.2 mm/s,沉桩完成后静置24 h后再进行静载荷试验。沉桩过程中进行压桩力和沉桩端阻力的数据采集,沉桩完成后进行桩周侧压力的数据采集,并取埋深相同位置4个土压力盒测量的平均值作为试验值。

沉桩完成后,进行柱式传感器和位移计安装,其中位移计的量程为100 mm、精度0.01 mm。静载荷试验中同时测量桩顶荷载和桩顶位移。采用分级加荷的方式进行静载荷试验,每级荷载2 kN,加荷时间5 min。沉降观测为每级加载后间隔1、1、3 min各测读一次,每次测读值记入试验记录表。沉降相对稳定标准为间隔时间的沉降不超过0.1 mm,并连续出现两次,认为已达到相对稳定,可加下一级荷载。当出现以下情况之一时,即终止静载荷试验的加载：沉降急骤增大,荷载-沉降曲线出现陡降段;某级荷载作用下,桩体呈现位移破坏,且加载装置的控制台显示达不到设计加载值。静压单桩试验方案：桩长120 (30D) cm,桩尖角分别为45°、60°、100°、120°,取砂高度160 cm;桩尖角45°,桩长60 (15D)、80 (20D)、100 (25D)、120 (30D)cm(D为模型桩的直径),取砂高度160 cm。

2 试验结果与分析

2.1 压桩力分析

由图2(a)可知,桩长相同桩尖角度不同时,沉桩深度为0～10D范围内桩尖角度差异引起压桩力差异不明显,而当沉桩深度大于10D时,随着沉桩深度增加其差异逐渐增大。这是由于沉桩深度小于10D时压桩力较小,桩尖角度变化对压桩力影响也相对较小。随着沉桩深度增加,桩尖角度影响逐渐增强,差异较为显著。同时,随着桩尖角度的增加,沉桩终压桩力逐渐增大。其中,桩尖角度为45°、60°、120°和180°时,其对应的沉桩终压桩力分别为4.01、4.21、4.42、4.74 kN,最大相差18%。

由图2(b)可知,桩尖角度相同桩长不同时,随着桩长增加沉桩终压桩力呈非线性增大,但相同沉桩深度范围内压桩力与桩长无关。其中,桩长分别为15D、20D、25D和30D时,其对应的沉桩终压桩力分别为2.28、2.97、3.68、3.93 kN。与桩长15D的沉桩终压桩力相比,桩长分别为20D、25D和30D的沉桩终压桩力依次增长了30%、61%和72%,说明随桩长增加压桩力增幅逐渐降低,这是由于随着沉桩深度增加沉桩端阻力基本达到极值,而桩侧摩阻力增幅较低导致的。

图2 单桩沉桩时压桩力变化曲线Fig.2 Variation curve of pile pressing force during single pile driving

此外,不同桩尖角度、不同桩长的压桩力随沉桩深度增加而具有一定波动性,这是由于制样过程中土层控制空间分布不均匀导致,但其影响相对较小可忽略。

2.2 沉桩端阻力分析

由图3可知,沉桩端阻力均随沉桩深度增加而呈非线性增大,且其与桩长无关,这与压桩力变化规律相一致。由图3(a)可知,桩长相同桩尖角度不同时,沉桩深度为0～8D范围内桩尖角度差异引起沉桩端阻力差异不明显,而当沉桩深度大于8D时,则随着沉桩深度增加其差异逐渐增大。这是由于沉桩深度小于8D时沉桩端阻力相对较小,桩尖角度对沉桩端阻力影响也相对较小。桩尖角度对沉桩端阻力影响随着沉桩深度增加而增强,且随着桩尖角度的增加,沉桩终端阻力逐渐增大。桩尖角为45°、60°、120°和180°时沉桩终端阻力分别为2.58、2.80、3.01、3.32 kN,且分别为沉桩终压力的64%、67%、68%和70%,说明桩尖角度越大则沉桩终端阻力也越大,且其占沉桩终压桩力的比例也越大。

由图3(b)可知,桩尖角度相同桩长不同时,随着桩长增加沉桩终端阻力呈非线性增大,但沉桩深度相同时沉桩端阻力基本无差异。其中,桩长分别为15D、20D、25D和30D时沉桩终端阻力分别为1.81、2.37、2.54、2.66 kN,说明桩长越长则沉桩终端阻力也越大。与桩长15D时相比,桩长分别为20D、25D和30D的沉桩终端阻力依次增长了31%、40%和47%,说明随桩长增加沉桩终端阻力增幅逐渐降低,即沉桩端阻力存在极值。同时,桩长由25D提高至30D时沉桩终端阻力仅增长5%,而桩长由15D提高至20D和20D提高至25D沉桩终端阻力分别增长31%和7%,故沉桩深度为25D时其达到极值。此外,桩长分别为15D、20D、25D和30D时沉桩终端阻力分别占沉桩终压桩力的79%、80%、70%和68%,显然桩长越短沉桩终端阻力占其终压桩力的比例越大。

图3 单桩沉桩时沉桩端阻力变化曲线Fig.3 Variation curve of pile end resistance during single pile driving

综上分析可知,当沉桩深度达25D时沉桩端阻力达到临界值,再增加沉桩深度沉桩端阻力增幅显著降低,即沉桩深度为25D时沉桩端阻力达到极值这一趋势越明显。

2.3 桩周侧压力分析

计算主动土压力、静止土压力和被动土压力：

p0=γh(0.95-sinφ),

式中：pa为主动土压力,kPa;p0为静止土压力,pp为被动土压力,kPa;γ为土体重度,kN/m3;h为土层深度,m;φ为无黏性土的内摩擦角,(°)。

由图4可知,不同桩尖角度、不同桩长沉桩完成后的桩周侧压力均随埋深增加而呈非线性增大,且逐渐趋近于被动土压力。这主要是由于沉桩挤土作用导致桩周土体密实度发生变化,而计算过程中仍以压桩前的土体重度和摩擦角进行计算,显然严重低估了土体重度和内摩擦角。同时,沉桩引起土体破坏导致桩周土体变形处于被动土压力状态,而沉桩完成后随着桩周土体逐渐趋于静止土压力状态,故利用朗肯被动土压力将高估桩周侧压力。实测的桩周侧压力呈现高于静止土压力而又低于被动土压力的状态,实质是桩周土体相对密度改变的结果。

图4(a)表明,桩长相同而桩尖角度不同时相同埋深位置的桩周侧压力基本一致,且其最大相差仅12%,说明桩尖角度对桩周侧压力基本无影响。图4(b)呈现了桩尖角度相同而桩长不同时,相同埋深位置的桩周侧压力逐渐降低。其中,与桩长15D相比,土压力盒埋深7.5D时随着桩长增加桩周侧压力依次降低4%、22%和35%;土压力盒埋深12.5D时随着桩长增加桩周侧压力分别降低7%、18%和25%。因而,桩长越长则“桩周侧压力退化”现象也越明显,这与周健等[8]、王永洪等[16]在试验中得到的规律相一致。同时,随桩长增大桩周侧压力逐渐趋近于被动土压力,其中埋深为27.5D时,桩周侧压力高达被动土压力的42%。

图4 单桩沉桩时沉桩完成后的桩周侧压力分布曲线Fig.4 Lateral pressure distribution curve of the pile circumference after the pile driving is completed when the single pile is driven

2.4 桩体极限承载力特性分析

图5为桩体承载力取陡降点对应的荷载值。图5表明不同桩尖角度、不同桩长的桩体荷载-沉降曲线均呈陡降形。由图5(a)可知,桩长相同桩尖角度不同时,随桩尖角度增加桩体承载力逐渐增大。其中,桩尖角分别为45°、60°、120°和180°时桩体极限承载力分别为4.18、4.35、4.56、4.99 kN,与其对应的位移分别为3.29、3.23、3.27、3.46 mm,其极限承载力最大相差19%,而位移仅相差7%,说明桩尖角度对其极限承载力具有显著影响,而对位移基本无影响。同时,桩尖角为45°、60°、120°、180°的桩体极限承载力分别为沉桩终压桩力的1.04倍、1.03倍、1.03倍和1.05倍,说明桩体极限承载力与沉桩终压桩力相比,其与桩尖角度无关,且约为沉桩终压桩力的1.04倍。

图5(b)表明,桩尖角度相同而桩长不同时,桩体极限承载力随桩长增加而非线性增大,其中桩长分别为15D、20D、25D、30D时极限承载力分别为2.35、2.99、3.90、4.11 kN,与其对应的位移分别为3.41、3.58、3.64、3.58 mm,进一步说明桩长对极限承载力影响较为显著,而对位移无影响。同时,与桩长15D时相比,桩长分别为20D、25D和30D时极限承载力分别提高了27%、66%和75%。此外,桩长15D、20D、25D、30D的极限承载力分别为沉桩终压桩力的1.04倍、1.01倍、1.06倍和1.05倍,其平均值为沉桩终压桩力的1.04倍,故桩体极限承载力为沉桩终压桩力的1.04倍,这与张帅等[17]、刘海军等[18]、肖昭然等[19]和曹明明等[20]得到的结论相一致。

图5 单桩沉桩时荷载-沉降变化曲线Fig.5 Load-settlement curve of single pile is driven

3 结论

静压桩的单桩沉桩终压桩力、沉桩端阻力均随着桩尖角度和桩长的增大而增大,且桩长对其影响较大。沉桩端阻力占沉桩终压桩力的比例随着桩尖角度增加而增大,并随桩长增加而减小,且存在极值深度25D。静压桩沉桩完成后的桩周侧压力随深度增加而逐渐趋近于被动土压力,其中埋深27.5D处达被动土压力的42%。桩尖角度对桩周侧压力基本无影响,桩长对桩周侧压力影响较大,且相同埋深位置的桩周侧压力随着桩长增加存在“退化”现象。静压单桩承载力随着桩尖角和桩长的增加而增大,且其最大增幅分别为19%和75%,但当桩长大于25D时极限承载力增幅降低。同时,明确了不同桩尖角、不同桩长的桩体极限承载力均为沉桩终压桩力的1.04倍,且其对应的沉降为3.23～3.64 mm。