肖宇辰

(西南科技大學，四川綿陽 621010)

淺析開口管樁及筒樁的“土塞效應”

肖宇辰

(西南科技大學，四川綿陽 621010)

土塞是開口管樁最顯著的特征，由于存在土塞與樁管內(nèi)壁的相互作用，使得開口管樁及筒樁的沉樁性狀趨于復雜。為了評估在外部荷載下開口管樁及筒樁沉樁機理的力學性狀，文章基于大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻，從土塞的形成原理、作用機制及力學計算模型等出發(fā)，對管樁及筒樁的“土塞效應”進行了研究和討論。

土塞； 土塞增量填充率； 開口管樁及筒樁； 計算模型； 土塞效應

目前，開口管樁及筒樁以其較好的豎向承載特性，已被廣泛用于近海項目(如石油鉆井平臺)的基礎(chǔ)工程中。土塞是開口管樁最顯著的特征，早在20世紀60年代土塞對開口管樁及筒樁承載力的影響就受到了國外學者的關(guān)注[1]。由于存在土塞與樁管內(nèi)壁復雜的相互作用，使得開口管樁及筒樁的沉樁性狀趨于復雜。

為了評估在外部荷載下開口管樁及筒樁沉樁機理的力學性狀，本文基于大量的國內(nèi)外相關(guān)文獻從土塞的形成原理，作用機制及力學計算模型等出發(fā)，對管樁及筒樁的“土塞效應”進行了研究和討論。

1 土塞的原理及作用機制

管樁及筒樁在沉樁時，由于底部為開放式端口，土體會進入其內(nèi)部形成土芯。隨著沉樁過程的進行，土芯受自重及內(nèi)側(cè)摩阻力的影響，其頂部往往低于泥面，并呈現(xiàn)出“完全不閉塞”(unplugged mode)、“半閉塞”(partly plugged mode)、“完全閉塞”(plugged mode)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象即為管樁或筒樁的“土塞效應”(soil plug effect)。由于“土塞效應”的存在，使得開口管樁及筒樁的豎向承載特性較端部閉合的傳統(tǒng)樁型更為復雜。

在管樁及筒樁的沉樁過程中，隨著樁身入土深度的不同，土塞的工作狀態(tài)大致可分為3種情況[2]：(1)完全不閉塞階段。在沉樁的初期，內(nèi)部樁-土之間的泥面高度與外部相同，隨著沉樁的進行，土體可自由的侵入樁身內(nèi)部；(2)部分閉塞階段。在沉樁的中期，內(nèi)部樁-土之間的泥面高度略低于外部，隨著沉樁的進行，土體侵入樁身內(nèi)部的行為被限制；(3)完全閉塞階段。在沉樁的后期，內(nèi)部樁-土之間的泥面高度遠低于外部，隨著沉樁的進行，土體不能侵入樁身內(nèi)部的行為被完全限制(圖1)。

圖1 土塞的三種狀態(tài)

在研究土塞效應時，由于樁身內(nèi)側(cè)摩阻力難以確定，相關(guān)學者提出以變量IFR(土塞增量填充率)來定量描述土塞的閉塞程度[3]：

(1)

式中：ΔL為土塞長度的增量；ΔD為沉樁時的樁身打入地下深度的增量(圖1)。當IFR的值為0和1時，分別表示土塞正處于完全閉塞和完全不閉塞狀態(tài)，而處于0到1之間時，則表示土塞正處于部分閉塞狀態(tài)。

針對管樁或筒樁的土塞效應，國內(nèi)外學者提出了“動力拱”的概念，并將其用于解釋土塞的力學作用機制。拱效應機制分析的基礎(chǔ)依賴于土塞中土拱效應的發(fā)現(xiàn)，文獻[4]通過試驗研究了管樁內(nèi)側(cè)摩阻力，發(fā)現(xiàn)其在端部可達到較大值，而該現(xiàn)象與土拱效應密切相關(guān)。如圖2所示，在沉樁過程中，樁內(nèi)土塞的“土拱效應”及其受力情況可解釋為在土體球狀土拱的形成過程中，當土塞受到荷載后，由于土體與管樁端部剛度的差異，樁-土之間會產(chǎn)生一定的差異變形，隨著荷載的傳遞，土體顆粒沿主應力方向重新調(diào)整，從而導致“土拱效應”的發(fā)生。而當荷載超過初期土拱的承載力時，土拱即發(fā)生剪切和膨脹破壞，樁端土隨即涌入樁管內(nèi)，直到形成一個新拱，此時拱的阻力又超過了向上的推力。拱效應將樁底土阻力轉(zhuǎn)變?yōu)闃豆軆?nèi)壁的法向擠壓力，從而大大提高了土體與樁管內(nèi)壁的摩阻力。樁在貫入過程中，涌入管內(nèi)的土體經(jīng)歷著一個拱的形成與破壞交替發(fā)生的循環(huán)過程，而該循環(huán)過程即可視為“動力拱”現(xiàn)象。

圖2 土塞中的動力拱效應

針對“動力拱”現(xiàn)象，Paikowsky等[5]根據(jù)樁壁和土塞土體可發(fā)生的兩種情況，將土拱分為：(1)主動凸形拱，土塞和樁壁沒有相對運動；(2)被動凹形拱，樁壁向下運動，而土塞向上運動。需要指出的是主動凸形拱往往發(fā)生在土拱發(fā)生的初期或完全閉塞狀態(tài)下的管樁或筒樁，而被動凹形拱則發(fā)生在不完全閉塞狀態(tài)下的管樁或筒樁中。

2 土塞力學計算模型

目前，土塞的受力機理大多采用豎向一維平衡的研究思路(圖3)。將內(nèi)部土芯(即土塞)看作連續(xù)的多個水平單元，每個單元的上、下部均承受豎向應力σv及σv+dσv，土的有效重度為γ′。由圖3所示的土塞豎向受力機理分析圖，可建立豎向平衡方程如下：

(2)

(3)

(4)

(5)

式中：d為土塞的直徑；τi為管壁與土芯的摩阻力均值；δ為樁身內(nèi)部側(cè)壁的摩擦角；β為土塞單元水平與豎向所受應力的比值；φ為土芯土體內(nèi)摩擦角。

圖3 土塞的受力機理分析[6]

土塞形成于開口管樁或筒樁的成樁過程中，且其閉塞的程度在較大程度上影響著樁的沉樁阻力和基礎(chǔ)的豎向承載力大小。許多學者對管樁或筒樁開展了現(xiàn)場試驗、室內(nèi)模型試驗和理論解析方法，以期對開口管樁或筒樁的設(shè)計計算方法提出建議和指導。如圖4所示，在考慮土塞與內(nèi)部土體與樁壁的內(nèi)側(cè)摩阻力及管樁樁端土的承載力，可得出部分閉塞與完全閉塞狀態(tài)下的管樁或筒樁的豎向承載力的計算公式[7-8]：

Qunpluged=Qso+Qsi+Qw

(6)

Qpluged=Qso+Qsi+Qp-Wp

(7)

圖4 完全與部分閉塞樁豎向承載力計算

3 結(jié)束語

由于“土塞效應”的存在，使得開口管樁及筒樁的豎向承載特性較端部閉合的傳統(tǒng)樁型更為復雜。本文從土塞的形成原理、作用機制及力學計算模型等出發(fā)，對管樁及筒樁的“土塞效應”進行了研究和討論。隨著沉樁過程的進行，土芯受自重及內(nèi)側(cè)摩阻力的影響，會呈現(xiàn)出“完全不閉塞”、“半閉塞”、“完全閉塞”的3種土塞狀態(tài)，并可用土塞增量填充率IFR表示。同時，土塞的受力機理大多采用豎向一維平衡的研究思路，且據(jù)此可計算考慮土塞作用時，管樁及筒樁的豎向承載力。

[1] 周健，王冠英.開口管樁土塞效應研究進展及展望[J].建筑結(jié)構(gòu)，2008，38(4)：7，25-29.

[2] Samuel, G. P., Robert, V. W., and Mohsen, M. B. A new look at the phenomenon of offshore pile plugging[J]. Marine Geotechnology. 1989, 8(3): 213-230.

[3] Nicolaa, D. E., Randolph, M. F. The plugging behavior of driven and jacked piles in sand[J]. Geotechnique, 1997, 47(4): 841-856.

[4] Kishidah, I. Behavior of Sand Plugs in Open-Ended Steel Pipe piles[C]. 9th Int. Conf Soil Mech., Tokyo: 1977: 601-604.

[5] Randolph, F., Leong, E. C., Houlsby, G. T. One dimensional analysis of soil plugs in pipe piles [J]. Geotechnique, 1991, 41(4): 587-598.

[6] Samuel, G. P., Robert, V. W., and Mohsen, M. B. A new look at the phenomenon of offshore pile plugging[J]. Marine Geotechnology. 1989, 8(3): 213-230.

[7] PAIK K H, SALGADO R, LEE J H et al. Behavior of open-and closed-ended piles driven into sands[J]. Journal of Geotechical and Geoenvironmental Engineering. 2003, 129(3):391-403.

[8] PAIKOWSKY S G, WHITMAN R V, M M. A new look at the phenomenon of offshore pile plugging[J]. Marine Geotechnology. 1989 (8):213-230.

TU473.1+2

A

[定稿日期]2016-09-28

[作者信息]肖宇辰(1998～)， 男，本科生，土木工程專業(yè)。