張可能，何杰, ，劉杰，吳有平，李冰

(1. 中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙，410083；2. 湖南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 株洲，412007)

靜力壓樁因具有無(wú)噪音、無(wú)振動(dòng)、無(wú)沖擊力、施工應(yīng)力小等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。但是，靜壓樁屬于擠土樁，其沉樁過(guò)程中產(chǎn)生的土體豎向和水平位移可能對(duì)臨近建筑物帶來(lái)不良影響，為此，國(guó)內(nèi)外研究人員針對(duì)靜壓樁的沉樁效應(yīng)開(kāi)展了一系列有益的研究，如：徐建平等[1?2]通過(guò)模型試驗(yàn)獲得了土體側(cè)向位移、孔隙壓力、地面隆起隨壓樁過(guò)程變化的規(guī)律；Vesic[3]采用圓孔擴(kuò)張理論分析靜力壓樁過(guò)程中的擠土效應(yīng)問(wèn)題；Carter等[4?9]在此基礎(chǔ)上針對(duì)實(shí)際情況研究了靜壓沉樁的沉樁效應(yīng)，并得到了一系列有益的理論分析成果。由于壓樁過(guò)程的復(fù)雜性，對(duì)于這些現(xiàn)象的理論計(jì)算分析不能較好地反映實(shí)際情況，有一些研究人員采用有限元方法對(duì)靜壓圓柱形孔的內(nèi)壁位移、樁周土體的應(yīng)力場(chǎng)、位移場(chǎng)等進(jìn)行了計(jì)算分析[10?19]。目前，靜力壓樁的沉樁效應(yīng)研究主要目標(biāo)是傳統(tǒng)的等截面樁，沒(méi)有涉及靜壓楔形樁的沉樁效應(yīng)。在工程中，楔形樁一般采用預(yù)制樁，其施工方法以靜壓法居多。它巧妙地利用了樁的楔形側(cè)壁，強(qiáng)化了樁與土體之間的相互作用，其承載能力的提高主要是靠?jī)A斜的側(cè)壁對(duì)樁周土產(chǎn)生擠壓作用獲得，因此，對(duì)楔形樁在沉樁過(guò)程中的擠土效應(yīng)進(jìn)行研究很有必要。為提高楔形樁的利用水平，使其在軟土地基加固中推廣應(yīng)用，本文作者基于室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果，討論靜壓楔形樁的沉樁效應(yīng)。

1 模型試驗(yàn)

模型試驗(yàn)在長(zhǎng)×寬×高為 3.0 m×6.0 m×3.0 m的基坑中進(jìn)行，基坑內(nèi)分層填筑黏性土，土的主要物理參數(shù)如表1所示。

表1 土的物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of soil

為了探討楔形樁靜壓沉樁時(shí)的擠土效應(yīng)，同時(shí)研究等截面樁與楔形樁在擠土效應(yīng)方面的差異，本試驗(yàn)采用4個(gè)不同截面的木樁進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，木樁的尺寸如表2所示。

壓樁的加載系統(tǒng)如圖1所示。在沉樁過(guò)程中，淺層樁周土的位移由布設(shè)在地表的監(jiān)測(cè)點(diǎn)表示，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿樁徑向的距離分別為距樁身軸線1.0d(d代表平均樁徑)，2.0d，3.0d，4.5d，6.0d 和 7.5d(如圖2 所示)。

在靜力沉樁過(guò)程中，嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ 94—2008)》執(zhí)行。由千分表與T2精密光學(xué)經(jīng)緯儀(下稱經(jīng)緯儀)聯(lián)合測(cè)定地表豎向位移，由經(jīng)緯儀測(cè)定地表徑向位移，壓力傳感器測(cè)定沉樁壓力，每壓完1節(jié)樁(20 cm)分別讀取各儀器儀表的數(shù)值。經(jīng)緯儀監(jiān)測(cè)的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用長(zhǎng) 1 cm的大頭針穿上長(zhǎng)×寬約0.5 cm×0.5 cm的白色泡沫塑料做成位移觀測(cè)標(biāo)記，觀測(cè)時(shí)以大頭針頭部的移動(dòng)為準(zhǔn)。千分表監(jiān)測(cè)的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用長(zhǎng)×寬為0.5 cm×0.5 cm的玻璃做成位移觀測(cè)標(biāo)記。

表2 模型樁的尺寸Table 2 Size of model pile

圖1 試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Installation of experimental equipments

圖2 測(cè)點(diǎn)布置示意圖Fig.2 Sketches of survey points

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 豎向位移分析

對(duì)經(jīng)緯儀、千分表的豎向位移讀數(shù)進(jìn)行歸一化處理，得到不同沉樁深度下地面豎向位移，如圖3所示。由圖3可看出：(1) 地表豎向位移隨樁入土深度的增加而不斷增加；(2) 距離樁中心(1.0～2.0)d范圍內(nèi)的地表土沒(méi)有出現(xiàn)隆起現(xiàn)象，而是土被“拽入”地表水平面以下，且隨著沉樁深度的增加，樁周土的下沉量越大；(3) 距離樁中心越遠(yuǎn)，地表豎向位移越小，且減小的幅度也逐漸減小。

等截面樁在沉樁過(guò)程中，其地表豎向位具有如下特點(diǎn)(見(jiàn)圖3(a))：(1) 距離樁中心(1.0～2.0)d范圍內(nèi)的地表土隨沉樁深度的增加而不斷下沉，當(dāng)樁體被壓到預(yù)定位置時(shí)，在距離樁中心1.0d處達(dá)到最大沉降值，其最大沉降量為3.81 mm，約為樁徑的5.08%；(2) 樁周土表在沉樁過(guò)程中，在2.0d以外的地表土出現(xiàn)隆起，且隆起的“峰值”出現(xiàn)在3.0d處，最大隆起量出現(xiàn)在沉樁的第1階段(0～20 cm)，最大隆起量為0.763 mm，約為樁徑的1.02%；(3) 隨著沉樁深度的增加，距離樁中心各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的位移差很小，且在6.0d以外的樁周土表基本沒(méi)因沉樁產(chǎn)生的豎向位移，即等截面樁因靜力沉樁使地表出現(xiàn)豎向位移的影響范圍約為6倍樁徑之內(nèi)。

楔形樁在沉樁過(guò)程中，其地表豎向位移表現(xiàn)出如下特點(diǎn)(見(jiàn)圖3(b)～(d))：(1) 樁周土表均隨沉樁深度的增加而不斷下沉，地表最大沉降量出現(xiàn)在1倍平均樁徑處，且隨著楔角增大，樁周土表的沉降越大，樁周土表的最大沉降量為平均樁徑的5.78%～9.45%；(2) 隨著距離樁中心距離的增大，地表沉降的隨減速率隨楔角的增大而不斷增大，且沉樁的影響范圍隨楔角的增大而不斷增大。

2.2 徑向位移分析

對(duì)經(jīng)緯儀所監(jiān)測(cè)的徑向位移讀數(shù)進(jìn)行整理，得到不同沉樁深度下地面徑向位移的情況，如圖4所示。

從圖4可看出：樁周土表的徑向位移趨勢(shì)與圖3所示的樁周土表豎向位移趨勢(shì)基本相同，距離樁中心(1.0～2.0)d范圍內(nèi)的地表土沒(méi)有因?yàn)槌翗哆h(yuǎn)離樁中心，而是被“拉向”樁中心；距離樁中心越遠(yuǎn)，地表豎向位移量越小，且減小的幅度也逐漸減小。

等截面樁在沉樁過(guò)程中，其地表徑向位移表現(xiàn)出如下特點(diǎn)(見(jiàn)圖4(a))：(1) 距離樁中心約2.0d內(nèi)的地表土隨沉樁深度的增加而不斷向樁中心移動(dòng)，但每級(jí)位移的差值很小，在距離樁中心1.0d處的位移最大，其最大位移為1.668 mm，約為樁徑的2.22%；(2) 樁周土表在沉樁過(guò)程中，在約2.0d以外的地表土開(kāi)始出現(xiàn)背離樁中心的位移，且最大位移量約出現(xiàn)在3.2倍樁徑處，當(dāng)樁體被壓到預(yù)定位置時(shí)，最大位移為 0.77 mm，約為樁徑的1.03%；(3) 隨著沉樁深度的增加，距離樁中心各監(jiān)測(cè)點(diǎn)所產(chǎn)生的位移差很小，且在6.0d以外的樁周土表基本沒(méi)因沉樁產(chǎn)生徑向位移，即等截面樁因靜力沉樁使地表出現(xiàn)徑向位移的影響范圍約為6倍樁徑以內(nèi)。

圖3 地表豎向位移曲線Fig.3 Curves of vertical displacement on ground

圖4 地表徑向位移曲線Fig.4 Curves of radial displacement on ground

楔形樁在沉樁過(guò)程中，地表徑向位移表現(xiàn)出如下特點(diǎn)(見(jiàn)圖4(b)～(d))：(1) 楔形樁的樁周土表均隨沉樁深度的增加而不斷向樁中心移動(dòng)，地表最大位移出現(xiàn)在約1倍樁徑處，且隨著楔角增大，樁周土表的徑向位移越大，樁周土表的最大徑向位移為平均樁徑的0.92%～2.04%；(2) 隨著距離樁中心距離的增大，地表徑向位移的衰減速率隨楔角的增大而不斷增大，且沉樁的影響范圍隨楔角的增大而不斷增大。

對(duì)比圖3和圖4可以看出：楔形樁在沉樁過(guò)程中對(duì)樁周土的擠土效應(yīng)與等截面樁的不一樣：(1) 隨著沉樁深度的增加，在2倍樁徑以內(nèi)的等截面樁樁周土表不斷下沉，且不斷向樁中心靠攏，但2倍樁徑以外的樁周土表因沉樁而隆起遠(yuǎn)離樁中心；楔形樁周土始終處于受壓狀態(tài)，隨著沉樁深度的增加，樁周土表不斷下沉，且不斷向樁中心靠攏；(2) 楔形樁樁周土地表的位移比等截面樁的位移要大，并且隨著楔角的增加，其位移越大；(3) 隨著距離樁中心距離的增大，楔形樁樁周土地表位移的衰減速率比等截面樁的快，且隨著楔角的增加，衰減速率增加。這說(shuō)明楔形樁在靜壓過(guò)程中對(duì)周圍土體的擠土效應(yīng)比等截面樁的明顯。

2.3 沉樁深度與貫入力的關(guān)系

對(duì)壓力傳感器所監(jiān)測(cè)的沉樁壓力讀數(shù)進(jìn)行整理，沉樁壓力與沉樁深度的關(guān)系如圖5所示。由圖5可以看出：(1) 在沉樁初始階段所需的沉樁壓力增長(zhǎng)很快，當(dāng)沉樁深度達(dá)到約0.3 m時(shí)，所需的沉樁壓力出現(xiàn)拐點(diǎn)，此后，所需沉樁壓力緩慢增加；(2) 楔形樁所需沉樁壓力隨沉樁深度的增加而不斷增加，且楔角越大的楔形樁所需沉樁壓力的增加速率越大；(3) 各樁被壓到預(yù)定位置時(shí)，楔形樁所需的沉樁壓力要比等截面樁的大，且楔角越大的楔形樁所需的沉樁壓力越大。

圖5 沉樁壓力?沉樁深度關(guān)系曲線Fig.5 Relationship between piling pressure and piling depth

3 結(jié)論

(1) 在沉樁過(guò)程中，等截面樁周土表面的豎向位移并不是始終出現(xiàn)隆起，徑向位移也不是始終遠(yuǎn)離樁中心：距離樁中心約2倍樁徑內(nèi)的土的豎向位移隨沉樁深度的增加而不斷增加，最大沉降出現(xiàn)在1倍樁徑處，約為樁徑的5.08%；在2.0d范圍以外的地表土出現(xiàn)隆起，最大隆起出現(xiàn)在3倍樁徑處，最大隆起量約為樁徑的1.02%；距離樁中心約2倍樁徑范圍內(nèi)的土的徑向位移指向樁中心，但每級(jí)沉樁的徑向位移差很小，最大徑向位移約為樁徑的2.22%；在約2.0d范圍以外的地表土出現(xiàn)背離樁中心的徑向位移，其最大位移出現(xiàn)在3倍樁徑處，最大位移約為樁徑的1.03%。

(2) 在相同地質(zhì)條件下，楔形樁周土的豎向位移隨沉樁深度、楔角的增大而不斷往下增大，最大沉降出現(xiàn)在 1倍平均樁徑處，最大沉降量為平均樁徑的5.78%～9.45%；楔形樁周土的徑向位置也隨沉樁深度、楔角的增大而不斷靠近樁中心，其最大徑向位移也出現(xiàn)在 1倍平均樁徑處，最大徑向位移為平均樁徑的0.92%～2.04%。

(3) 等截面樁沉樁所需的沉樁壓力在初始階段迅速增加，在沉樁深度達(dá)到0.3 m后，所需沉樁壓力迅速減小，且隨沉樁深度的增加而緩慢增加；楔形樁沉樁所需的沉樁壓力隨樁深度、楔角的增大而不斷增大，且增加的速率越大。

[1]徐建平, 周健, 許朝陽(yáng), 等. 沉樁擠土效應(yīng)的模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué), 2000, 21(3): 235?238.XU Jian-ping, ZHOU Jian, XU Zhao-yang, et al. Model test research on pile driving effect of squeezing against soil[J]. Rock and Soil Mechanics, 2000, 21(3): 235?238.

[2]周火垚, 施建勇. 飽和軟黏土中足尺靜壓樁擠土效應(yīng)試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué), 2009, 30(11): 3291?3296.ZHOU Huo-yao, SHI Jian-yong. Test research on soil compacting effect of full scale jacked-in pile in saturated soft clay[J]. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(11): 3291?3296.

[3]Vesic A S. Expansion of cavities in infinite soil mass[J]. Journal of Mechanics and Foundation Engineering, ACSE, 1972, 98(3):265?290.

[4]Carter J P, Booker J R, Yeung S K. Cavity expansion in cohesive frictional soil[J]. Geotechnique, 1986, 36(3): 349?358.

[5]Sagaseta C. Analysis of undrained soil deformation due to ground loss[J]. Geotechnique, 1987, 37(3): 301?320.

[6]Sagaseta C. Prediction of ground movements due to pile-driving in clay[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironental Engineering, 2001, 127(1): 55?66.

[7]胡偉, 劉明振. 非飽和土中球形孔擴(kuò)張的彈塑性分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2006, 28(10): 1292?1297.HU Wei, LIU Ming-zhen. Elastic-plastic solution of expansion of sphere cavity in unsaturated soils[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2006, 28(10): 1292?1297.

[8]梅國(guó)雄, 宋林輝, 宰金珉, 等. 靜壓沉樁擠土機(jī)理探討及有限元分析[J]. 計(jì)算力學(xué)學(xué)報(bào)，2008, 25(5): 660?664.MEI Guo-xiong, SONG Lin-hui, ZAI Jin-min, et al. Mechanism discussion and finite element analysis of soil-compacting by silent piling [J]. Chinese Journal of Computational Mechanics,2008, 25(5): 660?664.

[9]高子坤, 施建勇. 考慮樁體幾何特征的壓樁擠土效應(yīng)理論解答研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2010, 32(6): 956?962.GAO Zi-kun, SHI Jian-yong. Theoretical solutions of soil-squeezing effect due to pile jacking considering geometrical characteristics of a pile[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2010, 32(6): 956?962.

[10]Randolph M F, Carter J P, Wroth C P. Driven piles in clay the effects of installation and subsequent consolidation[J].Geotechnique, 1979, 29(4): 361?393.

[11]Chopra M B, Dargush G F. Finite-element analysis oftime-dependent large-deformation problems[J]. International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,1992, 16: 101?130.

[12]鄭俊杰, 邢泰高, 趙本. 沉樁擠土效應(yīng)的參變量有限元分析[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2005, 27(7): 796?799.ZHENG Jun-jie, XING Tai-gao, ZHAO Ben. Finite element analysis with parametric variable of squeezing effect during pile driving[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2005,27(7): 796?799.

[13]鹿群, 龔曉南, 崔武文, 等. 靜壓?jiǎn)螛稊D土位移的有限元分析[J]. 巖土力學(xué)，2007, 28(11): 2426?2430.LU Qun, GONG Xiao-nan, CUI Wu-wen, et al. Finite element analysis of compacting displacements of single jacked pile[J].Rock and Soil Mechanics, 2007, 28(11): 2426?2430.

[14]張明義, 鄧安福, 干騰君. 靜力壓樁數(shù)值模擬的位移貫入法[J]. 巖土力學(xué), 2003, 24(1): 113?117.ZHANG Ming-yi, DENG An-fu, GAN Teng-jun. Displacement penetration method used for numerical simulation to jacked pile[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(1):113?117.

[15]唐世棟, 李陽(yáng). 基于ANSYS軟件模擬樁的擠入過(guò)程[J]. 巖土力學(xué), 2006, 27(6): 973?976.TANG Shi-dong, LI Yang. Analysis of a driven pile by ANSYS[J]. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(6): 973?976.

[16]王幼青. 擠土樁水平向擠土位移分析[J]. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 35(4): 472?475.WANG You-qing. Horizontal soil compaction displacement of driven compaction pile[J]. Journal of Harbin Institute of Technology, 2003, 35(4): 472?475.

[17]羅戰(zhàn)友, 王偉堂, 劉薇. 樁?土界面摩擦對(duì)靜壓樁擠土效應(yīng)的影響分析[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào), 2005, 24(18): 3299?3304.LUO Zhan-you, WANG Wei-tang, LIU Wei. Influence analysis of friction between pile and soil in compacting effects of jacked pile[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2005, 24(18): 3299?3304.

[18]羅戰(zhàn)友, 龔曉南, 王建良, 等. 靜壓樁擠土效應(yīng)的數(shù)值模擬及影響因素分析[J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào): 工學(xué)版, 2005: 39(7):992?996.LUO Zhan-you, GONG Xiao-nan, WANG Jian-liang, et al.Numerical simulation and factor analysis of compacting effects of jacked pile[J]. Journal of Zhejiang University: Engineering Science, 2005, 39(7): 992?996.

[19]施建勇, 彭劼. 沉樁擠土作用的有限元分析[J]. 東南大學(xué)學(xué)報(bào), 2002, 32(1): 109?114.SHI Jian-yong, PENG Jie. Finite element method for compaction effect of soil on jacked pile[J]. Journal of Southeast University,2002, 32(1): 109?114.