王永洪 ，桑松魁 ，劉雪穎 ，張明義 ，白曉宇

（1. 青島理工大學土木工程學院，山東 青島 266033；2. 青島理工大學山東省高等學校藍色經(jīng)濟區(qū)工程建設與安全協(xié)同創(chuàng)新中心，山東 青島 266033）

隨著計算機性能的不斷提高，各種數(shù)值模擬軟件運用到巖土工程中，特別是樁土相互作用方面[1-2].張明義等[3]、鹿群等[4]基于ANSYS 軟件，分別實現(xiàn)了靜壓樁的位移貫入、連續(xù)貫入的全過程，探討了靜壓樁在不同貫入方式下樁側(cè)應力與土體位移的變化規(guī)律. 寇海磊等[5]、雷華陽等[6]利用有限元軟件ABAQUS，成功實現(xiàn)了層狀地基中靜壓樁的連續(xù)貫入，分別分析了沉樁過程中壓樁力的變化規(guī)律和樁周土體位移分布特征. 以上研究均采用有限元軟件從宏觀層次分析了靜壓樁的沉樁機理，未開展細觀顆粒研究，從細觀上探討土體的擠壓應力和位移變化規(guī)律，進而揭示靜壓樁的沉樁機理. 已有研究表明，采用有限元軟件進行數(shù)值模擬時均從宏觀上與試驗值進行對比分析，而通過有限元的細觀層次對試驗機理的研究有待深入研究.

顆粒流數(shù)值模擬軟件PFC2D以自身的優(yōu)點得到國內(nèi)外學者的青睞，諸多學者利用顆粒流軟件從細觀層次揭示其研究機理[7-8]. 雷華陽等[9-11]分別將離散元顆粒流數(shù)值模擬成功應用于吹填加固超軟地基土試驗、各向異性結(jié)構(gòu)性砂的力學特性、砂土在慢速往復荷載之下表現(xiàn)出的宏觀力學響應中. 已有學者對靜壓樁沉樁過程中的力學特性和貫入機制展開了離散元數(shù)值模擬研究[12-13]，取得了較大的進展. 馬哲等[14]基于離心機原理和顆粒流數(shù)值模擬理論，采用PFC2D模擬了在砂土地基中靜壓樁的沉樁過程，通過貫入不同樁尖形式的模型樁，著重分析了在分級加載作用下不同樁尖模型樁的樁端阻力與樁側(cè)阻力的變化規(guī)律，揭示了隨著樁身貫入深度的增加樁端阻力與樁側(cè)阻力的發(fā)展規(guī)律. 周健等[15-19]采用顆粒流數(shù)值模擬研究了砂土中靜壓開口樁的貫入過程，從細觀尺度上探討了樁端土體的位移模式和變形機制，揭示了樁刺入過程中樁端砂土的宏、細觀演化機理. Liu 等[20]通過PFC2D分析了開口管樁在砂土中的沉樁效應，探討了沉樁過程中樁側(cè)摩阻力和樁周土體位移場的變化規(guī)律，驗證了單位樁側(cè)摩阻力存在明顯的退化現(xiàn)象或摩擦疲勞現(xiàn)象. 周健等[21]通過PFC2D模擬了分層介質(zhì)中的沉樁過程，分析了沉樁過程中樁端阻力和樁端土體位移場的分布特征，探討了樁端阻力臨界深度的問題，并得出了樁端阻力趨于穩(wěn)定之后樁端附近顆粒的影響范圍也趨于穩(wěn)定的結(jié)論. 綜上所述，已有的研究主要以均質(zhì)土層為研究對象，而對分層土的研究較少，特別是對層狀黏土的研究有待開展.

采用顆粒流軟件模擬靜壓樁沉樁過程時，諸多地基土均采用均質(zhì)或成層砂土，分析沉樁過程中沉樁阻力、樁端阻力以及樁側(cè)土體位移的分布特征，這與實際工程中均為層狀黏性土土地基存在一定的較大差異性. 目前，眾多學者的研究焦點逐漸轉(zhuǎn)移到通過顆粒流軟件的二次開發(fā)功能模擬層狀黏性土中靜壓樁的沉樁過程，分析靜壓樁沉樁機理和土體位移的分布特征[22]. 本文利用PFC2D模擬了現(xiàn)場靜壓樁貫入層狀黏性土地基的全過程，基于層狀黏性土地基，通過選擇合適的黏結(jié)模型——接觸黏結(jié)模型，并依據(jù)現(xiàn)場試驗進行參數(shù)賦值與標定，分析了沉樁過程中不同樁徑對壓樁力、樁端阻力、樁側(cè)摩阻力以及樁側(cè)土壓力的變化規(guī)律，從細觀層次上探討了不同土層中接觸力鏈和顆粒位移的分布特征，進一步揭示層狀黏土地基中靜壓樁的貫入機理.

1 PFC 離散元沉樁模型的建立

1.1 模型地基的生成

Duan 等[23]提出一種生成土顆粒模型的新型方法即GM （grid method）. GM 法就是將生成土樣的模型劃分為許多小區(qū)域，在生成土顆粒時按照從左到右、從下到上的順序依次生成，最終生成土體模型.

本模型采用GM 法共生成12 層顆粒，每層土樣的高度為5 cm，其中模型底端5 層為砂土層，顆粒最大半徑為1.76 mm，最小半徑為1.12 mm，土樣的初始孔隙率為0.25. 其余7 層模擬的黏性土層，顆粒最大半徑為0.70 mm，最小半徑為0.45 mm，土樣的初始孔隙率為0.30，整個地基模型共生成119880 個土樣顆粒. 根據(jù)已有研究，黏性土主要采用接觸粘結(jié)和平行粘結(jié)，而接觸粘結(jié)與平行粘結(jié)相比較，接觸粘結(jié)的物理意義更符合黏性土材料[24-26]. 所以，本次選用接觸粘結(jié)模型作為顆粒間的接觸關系. 在進行顆粒間細觀參數(shù)賦值時，根據(jù)現(xiàn)場土層性質(zhì)以及參考已有研究成果的經(jīng)驗方法進行賦值[27-29]. 土體顆粒的細觀物理參數(shù)指標見表1. 土樣生成之后，為了方便觀測沉樁過程中土顆粒的變形和運動規(guī)律，從而把每層土顆粒賦予不同的顏色. 為直觀地觀測沉樁過程中由于擠土效應產(chǎn)生的水平位移，在豎向位置相隔一定的間距賦予球體為白色條帶，并且白色條帶在距樁體較近處較為密集，距樁體較遠處較為稀疏，如圖1.

圖1 生成土樣Fig. 1 Generated soil sample

表1 土層細觀參數(shù)Tab. 1 Soil microscopic parameters

1.2 模型樁的生成

模型樁是由許多遠小于樁徑的顆粒組成，分別組成樁頂、樁端以及樁壁. 顆粒之間相互重疊，兩相鄰顆粒之間的重疊量為dpp（dpp= 0.2R，R為顆粒半徑），如圖2 所示. 本次模擬中采用此方法生成3 種不同樁徑的閉口管樁，樁長為30 cm，樁徑分別為10、20、30 mm.

圖2 樁體的組成Fig. 2 Composition of pile body

2 模擬結(jié)果與分析

2.1 壓樁力隨貫入深度的變化規(guī)律

圖3 為不同樁徑下壓樁力對比分析曲線. 由圖3可知：3 種樁徑變化規(guī)律趨于一致，壓樁力隨著貫入深度的增大而逐漸增加，且隨著樁徑的增大壓樁力也在增大. 從曲線的變化規(guī)律上也反映出了土層的不同. 當樁端位于粉土層時，壓樁力增大較快且在土層中樁身貫入位移增長較慢；當貫入粉質(zhì)黏土層時，壓樁力增長較慢而樁身貫入位移增長較快. 當樁端位于土層1 時，隨著壓樁力的增大，樁端位移增長速度呈先減小后增大的現(xiàn)象，這是由于壓樁開始階段壓樁力較小土層發(fā)生受力壓縮現(xiàn)象，使樁端位移變化較小. 隨著壓樁力的增大，樁端發(fā)生破土貫入，樁端位移隨著壓樁力的增大逐漸增大. 當樁端位于土層3、4 以及土層6 時，曲線均出現(xiàn)了陡降的現(xiàn)象. 分析原因為：土層3、4、6 均為粉質(zhì)黏土層，由于粉質(zhì)黏土層的黏結(jié)強度相對較高，隨著壓樁力的增大，致使樁身在這3 層土中貫入時出現(xiàn)陡降現(xiàn)象；在模擬沉樁過程中時，壓樁力是以恒定值的形式施加在樁頂，所以當樁端位于軟土層時出現(xiàn)了陡降現(xiàn)象. 與張明義等[30]通過現(xiàn)場試驗發(fā)現(xiàn)進入軟硬程度不同土層時規(guī)律一致.

圖3 壓樁力對比分析曲線Fig. 3 Comparative analysis curves of pile pressure

從圖3 中還可以看出：隨著樁徑的增大，樁端位于粉質(zhì)黏土層時陡降現(xiàn)象越不明顯，并且隨著樁徑的增大曲線的線性逐漸增強，由此可知隨著樁徑的增大，土層變化對壓樁力的影響越不明顯. 從模擬的沉樁過程可以看出：隨著樁徑的增大，樁端底部附帶越多的上部土體，如圖4 所示. 當樁端位于粉質(zhì)黏土層時，會附帶較多的上部土體填充到粉質(zhì)黏土層，從而使樁端位于粉質(zhì)黏土時樁端土的壓縮量減小，即表現(xiàn)為樁端的沉降位移減小. 由圖4 可以看出：隨著樁徑的增大，樁端底部附著的上部土顆粒的形狀越規(guī)則，其外形越像錐形樁尖. 說明當樁身為平樁端時，隨著樁身的貫入在樁端底部會形成由土體組成的“錐形樁尖”，這與李廣信等[31]所述的梅耶霍夫和太沙基的在荷載作用下，剛性核與基礎形成整體向下移動的結(jié)論是一致的.

圖4 不同樁徑下附帶土顆粒形式Fig. 4 Soil particle forms under different pile diameters

2.2 樁端阻力隨貫入深度的變化規(guī)律

設定程序語言，可讀取在不同貫入深度處樁端所有顆粒豎向力的大小，并計算出豎向合力，豎向合力就是貫入過程中的樁端阻力. 在貫入深度處讀取樁端豎向合力，從而得到了不同貫入深度處的樁端助力，如圖5.

由圖5 可知：樁端阻力隨貫入深度的變化規(guī)律與壓樁力的變化規(guī)律基本一致，這與李雨濃等[32]在室內(nèi)模型試驗所得結(jié)論一致. 由圖5 可以看出：不同樁徑的模型樁的樁端阻力在貫入初期（貫入深度小于10 cm）時隨深度的增大而逐漸增加；當貫入深度大于10 cm，樁端進入粉質(zhì)黏土層時，樁端阻力均出現(xiàn)減小趨勢；但隨著樁端繼續(xù)貫入，樁徑為15 mm和樁徑為20 mm 的樁端阻力又逐漸增大，而樁徑為10 mm 的樁端阻力呈不變甚至有減小的趨勢；當樁身繼續(xù)貫入，穿過粉土層再次進入粉質(zhì)黏土層時，樁端阻力又呈現(xiàn)出上述規(guī)律. 分析原因是隨著樁徑的增大，樁端底部附帶越多的上部土層的土. 當樁端位于軟土層時，會有較多的上部土層的土填充到軟土層，在一定程度上會改變樁端土層的力學性質(zhì)，從而使樁端阻力增大，這與葉建忠等[33]研究結(jié)果一致.

圖5 樁端阻力對比分析曲線Fig. 5 Comparative analysis curves of pile resistance

2.3 徑向土壓力隨貫入深度的變化規(guī)律

在模擬沉樁過程時，為得到貫入過程中樁側(cè)徑向壓力與樁側(cè)摩阻力貫入深度的變化規(guī)律，把模型樁的兩側(cè)壁劃分為15 小段，每小段的長度為2 cm.在沉樁過程中監(jiān)測組成每小段樁壁的每個顆粒與土顆粒接觸的豎向（y方向）和水平（x方向）方向的最大不平衡力，然后將每小段中所有顆粒的豎向和水平方向的最大不平衡力分別相加取合力. 其x方向的合力為本小段內(nèi)的徑向壓力，y方向的合力為本小段內(nèi)的樁側(cè)摩阻力. 徑向土壓力隨貫入深度變化曲線如圖6 所示.

圖6 徑向土壓力隨貫入深度變化曲線Fig. 6 Curves of radial earth pressure changing with penetration depth

由圖6 可以看出：不同樁徑下樁側(cè)徑向壓力隨貫入深度的變化規(guī)律趨同. 在貫入初期（貫入深度小于5 cm），樁徑為15 mm 的徑向壓力隨貫入深度逐漸增加，而樁徑為10 mm 和20 mm 的徑向壓力出現(xiàn)突增現(xiàn)象，出現(xiàn)此現(xiàn)象的原因是土體為離散單元，在沉樁過程中樁體和土顆粒之間發(fā)生相對位移，可能會使較小的土顆粒與樁壁發(fā)生擠壓，從而導致局部發(fā)生突增現(xiàn)象；當樁身位于5～10 cm 時即位于粉土層時，徑向壓力隨貫入深度的增加而逐漸增大，當樁身繼續(xù)貫入位于粉質(zhì)黏土層時，徑向壓力出現(xiàn)了“波動”型增長，當樁端穿過粉質(zhì)黏土層進入粉土層時，徑向壓力出現(xiàn)了急劇增大的現(xiàn)象. 由以上分析可知，樁側(cè)徑向壓力變化規(guī)律可以反映出土層的變化情況.

圖6 還反映了在同一貫入深度處，隨著樁身的不斷貫入，徑向壓力逐漸減小，表現(xiàn)出了明顯的“徑向壓力退化”現(xiàn)象. 這是因為隨著樁身的貫入，樁-土界面處不斷發(fā)生剪切以及土顆粒之間重新排列，如圖7 所示，在樁-土界面處存在明顯的剪切帶，使擠土效應減弱，致使徑向壓力減小. 由不同樁徑的徑向壓力對比可知，隨著樁徑的增大，樁側(cè)徑向壓力也在增大. 這是因為隨著樁徑的增大，擠土效應越明顯，樁側(cè)徑向壓力也越大. 從而表現(xiàn)出隨著樁徑的增大，徑向壓力也在增大.

圖7 沉樁過程Fig. 7 Pile penetration process

2.4 側(cè)摩阻力隨貫入深度的變化規(guī)律

通過樁身貫入不同的深度，監(jiān)測出貫入土層中每小段樁壁的側(cè)摩阻力，并繪制出樁側(cè)摩阻力隨貫入深度曲線如圖8 所示.

圖8 側(cè)摩阻力隨貫入深度的變化曲線Fig. 8 Curves of lateral friction changing with penetration depth

根據(jù)圖8 可以發(fā)現(xiàn)：不同樁徑的樁側(cè)摩阻力隨貫入深度的變化規(guī)律一致，且與樁側(cè)徑向壓力隨貫入深度的變化規(guī)律相同. 從變化規(guī)律上可以看出，在一定程度上反映出了土層的變化. 當樁身在粉土層貫入時，側(cè)摩阻力隨貫入深度的增加而逐漸增大；當樁身在粉質(zhì)黏土層貫入時，隨著貫入深度的增加，其值變化較小甚至出現(xiàn)減小的現(xiàn)象，變化形式呈一定的“波動”型增長. 樁徑為10 mm 和20 mm 的樁側(cè)摩阻力在貫入初期出現(xiàn)了突增的現(xiàn)象，這與樁側(cè)徑向壓力出現(xiàn)突增現(xiàn)象的原因相同，在此不再贅述. 在不同貫入深度下，在樁端位置處均出現(xiàn)側(cè)摩阻力突增的現(xiàn)象，根據(jù)Meyerhof 理論，如圖9 可知：在沉樁過程中，樁端底部Ⅰ區(qū)土體受到擠壓向下運動，并通過擠壓Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)的土體向Ⅳ區(qū)土體施加壓力，從而使各區(qū)的土體壓密并且增加了樁土間的法向力，致使樁端處的側(cè)摩阻力增大[32].

圖9 Meyerhof 樁端土的滑動面Fig. 9 Sliding surface of soil at Meyerhof pile end

從圖8 中還可以看出：隨著樁徑的增大，樁側(cè)摩阻力也在逐漸增大. 這是因為隨著樁徑的增大，擠土效應越明顯，致使側(cè)摩阻力也在增大. 在同一貫入深度處，側(cè)摩阻力與樁側(cè)徑向壓力的變化規(guī)律相同，隨著貫入深度的增加逐漸減小，出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象，并且隨著樁徑的增大退化現(xiàn)象越明顯，這與王永洪等[34]研究結(jié)果一致. 這種現(xiàn)象被Heerma 等[35]稱為“剪切弱化”，被Bond 等[36]稱為“h/R”效應. 側(cè)摩阻力的變化規(guī)律與徑向壓力的變化規(guī)律相一致，這也說明側(cè)摩阻力的退化的實質(zhì)就是徑向壓力的退化.

3 細觀機制分析

3.1 不同樁徑樁土界面接觸力鏈分析

為進一步揭示靜壓樁貫入過程中沉樁機理以及樁土間的相互作用，本文從細觀層次方面分析土體顆粒間接觸力鏈場和位移場隨靜壓樁貫入過程的變化規(guī)律. 從細觀角度對靜壓樁的沉樁機理進行研究.圖10 為不同樁徑下力鏈的變化，圖中：紅色表示拉應力力鏈；黑色表示壓應力力鏈，圖11 中同.

從圖10 中可以發(fā)現(xiàn)：隨著樁徑的增大，土層中的壓應力和拉應力均逐漸增大，擠土效應引起的影響范圍也逐漸增大. 由圖10（a）～（c）對比發(fā)現(xiàn)：隨著樁徑的增大，樁土界面處壓應力力鏈越密集且力鏈越粗，這說明隨著樁徑的增大樁側(cè)徑向土壓力越大，這與樁側(cè)徑向土壓力的研究結(jié)果是一致的. 在粉土層上半部分樁身附近的壓應力接觸力鏈，隨樁徑的增大，力鏈的傳遞方向由水平方向逐漸變?yōu)樨Q向且力鏈逐漸變粗. 這是因為粉土層的黏聚力較小且接觸剛度較大，不易發(fā)生水平位移；而粉質(zhì)黏土層的黏聚力較大、接觸剛度較小，在樁身與土體的擠壓力下，粉土層與粉質(zhì)黏土層交界面處的顆粒極易向接觸剛度較小的方向運動，致使在粉土層和粉質(zhì)黏土層的交界面處出現(xiàn)豎向壓應力. 隨著樁徑的增大，樁身與土體的擠壓力越大，土顆粒的運動位移越明顯，交界面處顆粒間的壓應力越大，從而表現(xiàn)出豎向力鏈逐漸變粗.

圖10 不同樁徑下力鏈變化Fig. 10 Force chain changes with different pile diameters

3.2 沉樁過程中樁端處接觸力鏈分析

為深入探討靜壓樁沉樁過程中不同土層中樁端阻力的形成機理，以樁徑為20 mm 的模型樁為例，分析貫入不同深度時土體接觸力鏈的分布特征、不同土層的樁端破土形式以及不同土層的位移變化形式，如圖11 所示.

由圖11（a）可以看出：在貫入初期，樁端處力鏈較大而樁側(cè)處力鏈較小，表明在貫入初期樁端力增加較快且數(shù)值也較大，承擔了大部分的壓樁力. 從力鏈的傳遞方向上可以看出：樁身較近處接觸力較大且方向為水平方向，距樁身較遠的區(qū)域接觸力較小且方向為豎直方向. 這由于沉樁過程產(chǎn)生擠土效應，使樁側(cè)土產(chǎn)生水平位移及水平應力，致使顆粒間表現(xiàn)出水平方向的鏈. 由于回填土的接觸剛度較小，擠土效應的影響范圍較小，使距樁身較遠處的力鏈變化較小. 樁端處的壓應力向四周呈放射狀傳遞，這是由于在沉樁過程中，樁端處的土體向四周排擠，樁端土的受力以擠壓擴張為主，從而使壓應力呈放射狀傳遞，這與理論計算方法中的圓孔擴張理論反映出的樁端土體的受力狀態(tài)相一致.

圖11 貫入不同深度時力鏈變化圖Fig. 11 Force chain changes at different penetration depths

通過圖11（a）～（d）還可以發(fā)現(xiàn)：不同土層表現(xiàn)出的接觸力鏈分布形式不同. 粉土層的接觸力明顯地大于粉質(zhì)黏土層，并且粉土層中接觸力的影響范圍明顯大于粉質(zhì)黏土層；在粉質(zhì)黏土層，樁-土界面處壓應力的方向呈水平方向，隨著距樁身距離的增大，壓應力逐漸減小，并且由水平方向逐漸向豎直方向發(fā)展，而拉應力僅出現(xiàn)在距樁表面較近的范圍內(nèi)，這表明在粉質(zhì)黏土層的擠土效應對徑向范圍內(nèi)的影響較??；在粉土層壓應力呈現(xiàn)出水平方向，并且沿徑向方向的減小趨勢不明顯，且拉應力不只是分布在距樁身較近的區(qū)域內(nèi)，這表明在粉質(zhì)層的擠土效應對徑向范圍內(nèi)的影響較大. 從以上分析可以得出，在硬土層擠土效應更為明顯，所以在土質(zhì)較好的場地采用靜力壓樁時要考慮對周邊建筑物的影響.

當樁端位于不同土層時，樁端對土層的影響范圍不同. 當樁端位于粉質(zhì)黏土較軟土層時，由圖11（a）和圖11（c）中拉應力力鏈可知樁端的影響范圍約為7D（D為樁徑）；當樁端位于粉土硬土層且粉土層之下存在較軟土層粉質(zhì)黏土時，由圖11（b）、（d）中拉應力力鏈可知樁端的影響范圍約為9D. 這說明沉樁過程中樁端的影響范圍與土層的性質(zhì)有關，當樁端位于較軟土層時，樁端的影響范圍約為7D；當樁端位于硬土層時，樁端的影響范圍約為9D. 樁徑10 、15 mm的結(jié)果與樁徑為20 mm 的結(jié)果的規(guī)律性相一致.

3.3 樁端破土形式

為進一步明確不同土層中樁端的破土形式以及土顆粒的分布特征，以樁徑為20 mm 的模型樁為例，分析樁端貫入到不同土層時樁端破土形式，分布特征如圖12 所示.

圖12 樁周土變化Fig. 12 Soil changes around pile

由圖12 可以看出：當樁身貫入不同土層時，土層的破環(huán)形式不同. 由圖12（a）可以發(fā)現(xiàn)：當樁端由粉質(zhì)黏土層貫入到粉土層時樁-土之間剪切帶較寬并且由粉質(zhì)黏土充滿，但是隨著樁身的貫入樁-土之間剪切帶的寬度減小. 說明當樁端由軟土層貫入到硬土層，樁端土體破土時發(fā)生沖切破環(huán)，致使土層與樁壁之間產(chǎn)生較寬的剪切帶. 當樁身在硬土層繼續(xù)貫入時，由于硬土層中樁的側(cè)向土壓力較大，所以隨著樁身的貫入樁-土之間剪切帶的寬度又減小. 從圖12（a）中還可以發(fā)現(xiàn)：當樁端貫入到粉土層（硬土層）時，樁周土有明顯的剪脹現(xiàn)象. 從圖12（b）可以看出：當樁端由粉土層貫入到粉質(zhì)黏土層時，樁-土之間剪切帶較窄且有較少的粉土層顆粒填充. 說明樁端由硬土層貫入到軟土層時，樁端土體破土時發(fā)生刺入破環(huán)，致使土層與樁壁之間產(chǎn)生較窄的剪切帶. 加之，軟土層有一定的流動性以及在上覆土重作用下，致使在貫入過程中產(chǎn)生較窄的剪切帶. 由圖12（b）還可以看出：當樁端貫入到粉質(zhì)黏土層（軟土層）時，樁周土有明顯的壓縮現(xiàn)象. 這與樁端進入粉土層（硬土層）時，樁周土發(fā)生明顯的剪脹現(xiàn)象產(chǎn)生鮮明的對比，與王騰等[37]研究結(jié)果相符. 樁徑10 mm 和15 mm 的結(jié)果與樁徑為20 mm 的結(jié)果的規(guī)律性相一致.

3.4 樁周土體位移分布

為深入探討靜壓樁貫入過程中不同土層顆粒位移場的變化規(guī)律，以樁徑為20 mm 的模型樁為例，分析靜壓樁沉樁過程中不同土層土顆粒的運動規(guī)律，幾個典型土層顆粒的位移變化規(guī)律見圖13.

圖13 不同土層位移Fig. 13 Displacement of different soil layers

由圖13 可知：不同土層樁周土的位移相差較大. 在沉樁過程中，回填土層中的顆粒由于擠土效應向斜上方移動，其宏觀表現(xiàn)為現(xiàn)場沉樁過程中樁周表面的土體有隆起現(xiàn)象. 這也是在貫入初期，樁側(cè)摩阻力和樁側(cè)徑向壓力較小的原因之一. 粉質(zhì)黏土層中土體位移以水平位移為主，這是因為粉質(zhì)黏土的接觸剛度與摩擦系數(shù)較小且黏聚力較大，在擠土作用下極易發(fā)生水平位移. 接觸剛度與摩擦系數(shù)較大的粉土層，相比于粉質(zhì)黏土土質(zhì)較硬，粉土層中土體的顆粒由于上覆土層不足以抵抗擠壓力的作用，在發(fā)生剪切破壞情況下，其上半部分土顆粒會向上移動，引起土層5 粉土上半部分力鏈呈豎向. 土層6 為粉質(zhì)黏土層，因為粉質(zhì)黏土的接觸剛度較小，在樁端和樁側(cè)的擠壓力之下，使土層5 下半部分土顆粒在剪切破壞情況下，產(chǎn)生向下的位移，從而表現(xiàn)出顆粒向斜下方移動. 樁徑10 mm 和15 mm 的結(jié)果與樁徑為20 mm 的結(jié)果的規(guī)律性相一致.

4 結(jié) 論

1） 隨著樁徑的增大，壓樁力和樁端阻力逐漸增大. 隨著樁徑的增大，土層的軟硬程度對壓樁力的影響逐漸減小，壓樁力隨貫入深度曲線的線性逐漸增強. 表明隨著樁徑的增大，土層變化對壓樁力的影響越不明顯.

2） 不同樁徑下樁側(cè)徑向壓力隨貫入深度的變化規(guī)律一致. 在同一貫入深度處，隨著樁身的不斷貫入，徑向壓力逐漸減小，表現(xiàn)出了明顯的退化現(xiàn)象.側(cè)摩阻力隨貫入深度的變化規(guī)律與樁側(cè)徑向壓力隨貫入深度的變化規(guī)律一致. 在同一貫入深度處樁側(cè)摩阻力同樣出現(xiàn)了明顯的退化現(xiàn)象. 其變化規(guī)律也與徑向壓力的變化規(guī)律相一致，這說明側(cè)摩阻力的退化的原因?qū)嵸|(zhì)上是徑向壓力退化.

3） 樁徑10 mm 和15 mm 的分析結(jié)果與樁徑為20 mm 的規(guī)律性相一致. 不同土層接觸力鏈的分布形式不同，粉土層的接觸力明顯的大于粉質(zhì)黏土層.樁端處的壓應力呈放射狀方向傳遞，而伴有圓形或球狀的拉應力. 這與理論計算方法中的圓孔擴樁理論反映出的樁端土體的受力狀態(tài)相一致. 樁端的影響范圍與土層性質(zhì)相關，當樁端位于軟土層時，樁端的影響范圍約為7D；當樁端位于硬土層時，樁端的影響范圍約為9D.

4） 樁端破土形式與土層的性質(zhì)有關，當樁端從軟土層貫入到硬土層時，樁端土體發(fā)生沖切破壞；當樁端從硬土層貫入到軟土層時，樁端土體發(fā)生刺入破壞. 在沉樁過程中，軟土層土顆粒主要產(chǎn)生水平位移，而硬土層上下均為軟土層時，硬土層上下端的土顆粒產(chǎn)生斜向上和斜向下的位移.