摘要：為探討層狀土中靜壓樁連續(xù)貫入過程的沉貫特性，依托上海市某樁基工程開展靜壓樁貫入過程現(xiàn)場試驗，探究沉樁阻力隨貫入深度的演變規(guī)律，并結(jié)合ABAQUS數(shù)值模擬，明確靜壓樁貫入過程中沉樁阻力、樁周土體豎向應(yīng)力、徑向應(yīng)力以及徑向位移的變化規(guī)律。結(jié)果表明：層狀土的軟硬程度制約著沉樁阻力的大?。划?dāng)樁端貫入淺部粉質(zhì)黏土層和淤泥質(zhì)黏土層時，沉樁阻力增長較慢甚至出現(xiàn)減小趨勢，當(dāng)樁端貫入到深部砂質(zhì)粉土層、粉質(zhì)黏土層和粉砂層時，沉樁阻力增長較快，其中在砂質(zhì)粉土層中增長率最高可達(dá)174%；樁周土體中豎向應(yīng)力和徑向應(yīng)力與土層性質(zhì)密切相關(guān)，豎向應(yīng)力和徑向應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在樁端貫入至黏質(zhì)粉土層時，分別為558.0、1 178.0 kPa，當(dāng)樁端貫入到下部較軟的淤泥質(zhì)黏土層時，最大豎向應(yīng)力和徑向應(yīng)力均出現(xiàn)明顯退化現(xiàn)象，徑向應(yīng)力退化率達(dá)到52%；徑向位移隨徑向距離的增加而減小，其變化規(guī)律基本反映了土層性質(zhì)的變化特征。

關(guān)鍵詞：靜壓樁；現(xiàn)場試驗；沉樁阻力；數(shù)值模擬；豎向應(yīng)力；徑向應(yīng)力；徑向位移

doi：10.13278/j.cnki.jjuese.20220341

中圖分類號：TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Supported by the National Natural Science Foundation of China （51778312，51708316）， the Natural Science Foundation of Shandong Province （ZR2020KE009） and the Postdoctoral Innovation Project of Shandong Province （201903043）

Field Test and Numerical Simulation of Continuous Penetration of Jacked Pile in Layered Soil

Wu Zekun1， He Laisheng2， Bai Xiaoyu1， Ma Dongdong3， Niu Yongchang4， Zhao Guang5，

Sang Songkui1， Yan Nan1， Zhang Mingyi1

1. School of Civil Engineering， Qingdao University of Technology， Qingdao 266520， Shandong， China

2. The Fifth Bureau of China State Construction Engineering Corporation， Changsha 410004， China

3. China Railway Construction Group Co.， Ltd.， Beijing 100040， China

4. Qingdao Metro Planning and Design Institute Co.， Ltd.， Qingdao 266035， Shandong， China

5. Beris Engineering and Research Corporation， Qingdao 266555， Shandong， China

Abstract： In order to investigate the jacking characteristics of continuous penetration of jacked piles in layered soils， a field test is conducted in a pile foundation project in Shanghai to explore the evolution of jacking resistance with penetration depth. Combined with numerical simulation by software ABAQUS， the variation of vertical stress， radial stress and radial displacement of the soil around the pile during the penetration process of jacked pile is clarified. The results show that the softness and hardness of the layered soil govern the magnitude of the jacking resistance. When the pile body is located in the cohesive soil layer， the pile sinking resistance increases slowly or even decreases， and when the pile body is located in the silty clay and sandy silt soil layer， the pile sinking resistance increases faster， and the growth rate can reach 174% in the sandy silt soil layer. The vertical stress and radial stress in the soil around the pile are closely related to the soil properties. The maximum values of the vertical stress and radial stress appear when the pile end penetrates into the clay soil， which are 558.0 kPa and 1 178.0 kPa respectively. When the pile end penetrates into the softer silty clay layer below， the maximum vertical stress and radial stress both deteriorate significantly. The radial stress degradation rate reached 52%. The radial displacement decreases with the increase of radial distance， and its variation regular basically reflects the variation characteristics of soil layer properties.

Key words： jacked pile; field test; pile driving resistance; numerical simulation; vertical stress; radial stress; radial deformation

0 引言

靜壓樁具有承載力高、施工噪音小、環(huán)境污染少等特點(diǎn)，在城市建筑密集區(qū)及建（構(gòu)）筑物對地基變形要求較高的地區(qū)應(yīng)用廣泛[13]。在沉樁過程中，靜壓樁樁身與樁周土體發(fā)生剪切作用，并擠排開樁周土體，導(dǎo)致樁周土體發(fā)生破壞，對于地下水位較低的地區(qū)會產(chǎn)生較高的超孔隙水壓力，進(jìn)而對鄰近建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生不良影響[45]。因此，深入探討靜壓樁連續(xù)貫入特性具有重要的理論意義和應(yīng)用價值。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對靜壓沉樁特性從理論分析、室內(nèi)試驗、現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬等方面開展了大量研究，并取得了一些有益的成果。在理論分析方面：Cao等[6]基于土體中各向同性的初始應(yīng)力條件，推導(dǎo)出超孔隙水壓力和總應(yīng)力的閉合表達(dá)式，明確了飽和黏土中靜壓樁的沉樁效應(yīng)；Li等[7]基于有效應(yīng)力原理，采用修正劍橋模型（MCC）和空間移動平面（SMP）準(zhǔn)則對重塑土的強(qiáng)度進(jìn)行了計算，揭示了沉樁結(jié)束后樁周土體的應(yīng)力狀態(tài)；盧大偉等[8]選取國內(nèi)典型地區(qū)剪切波速與埋深的統(tǒng)計經(jīng)驗公式，對全國性常規(guī)土類剪切波速與埋深經(jīng)驗公式的可靠性進(jìn)行了檢驗；李鏡培等[9]運(yùn)用彈性地基梁理論，推導(dǎo)了靜壓樁對臨近地下連續(xù)墻變形影響的彈性解，明確了靜壓樁對開挖面以下地下連續(xù)墻側(cè)向位移的顯著影響。室內(nèi)試驗與現(xiàn)場試驗方面：王永洪等[1011]、桑松魁等[12]開展了高強(qiáng)度混凝土（PHC）管樁模型試驗及現(xiàn)場試驗，成功測試了沉樁過程中樁土界面超孔隙水壓力和樁身不同位置的樁土界面總徑向應(yīng)力，探討了靜壓樁沉樁過程中樁土界面土壓力的分布特征，研究表明，隨著貫入深度的增加，超孔隙水壓力及總徑向應(yīng)力近似呈線性增長，在靜壓樁貫入初期，樁土界面土壓力的增長速度較低，隨著靜壓樁的逐漸貫入，樁土界面土壓力呈現(xiàn)出線性增長且增長速率較快；胡立峰等[13]通過靜壓樁模型試驗，發(fā)現(xiàn)靜壓樁連續(xù)貫入均質(zhì)土層時，壓樁力隨貫入深度增大后趨于穩(wěn)定值，討論了極限荷載作用下靜壓樁承載力與壓樁力之間的關(guān)系；宮鳳梧等[14]以現(xiàn)有冠梁剛度系數(shù)計算方法為基礎(chǔ)，優(yōu)化改進(jìn)了基坑矩形雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)計算方法，為雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)提供了參考；楊慶光等[15]基于靜壓樁的沉樁過程，探討了楔形與等截面靜壓樁樁側(cè)摩阻力的差異性，并依托模型試驗研究了貫入過程中沉樁阻力的發(fā)揮機(jī)制，發(fā)現(xiàn)等截面的沉樁阻力初期上升較快、后期上升緩慢，而楔形的沉樁阻力始終保持穩(wěn)步增長；劉勇等[16]在砂土中對不同樁長的模型樁進(jìn)行了壓樁試驗，監(jiān)測了壓樁端阻力、樁周土壓力以及樁體的回彈量，探究了承載力與樁長之間的關(guān)系。

為深入探討靜壓樁貫入過程中的沉樁特性，諸多學(xué)者采用數(shù)值模擬的方法，開展了靜壓樁連續(xù)貫入的全過程研究，分析了沉樁過程中靜壓樁的受力特性。如：寇海磊等[17]采用ABAQUS數(shù)值模擬軟件，基于不同的本構(gòu)模型，成功模擬了黏性土和砂土中靜壓樁連續(xù)貫入的全過程，研究發(fā)現(xiàn)樁端由軟土層貫入到硬土層時沉樁阻力會出現(xiàn)突變現(xiàn)象；畢慶濤等[18]研究了任意拉格朗日歐拉有限元（ALE）技術(shù)模擬靜壓樁在砂土地基的貫入過程，解決了有限元數(shù)值模擬靜壓樁沉樁特性中會涉及的土體大變形與接觸非線性等力學(xué)問題；葉建忠等[19]采用顆粒流數(shù)值模擬軟件對砂土中單樁承載特性進(jìn)行了研究，對比了靜壓沉樁與預(yù)埋式樁的工作特性；馬哲等[20]基于顆粒流數(shù)值模擬軟件研究了平底樁、60°尖頭樁、120°尖頭樁在分級荷載作用下樁端阻力和樁側(cè)阻力的變化特性，認(rèn)為當(dāng)樁身貫入深度較小時，樁端阻力隨貫入深度增加而增大，樁側(cè)阻力隨貫入深度增加卻逐步減小，直至上部樁側(cè)摩阻力減小為0或負(fù)值；桑松魁等[21]探究了飽和黏土地基靜壓樁在沉樁過程中樁土界面孔隙水壓力隨貫入深度的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)土體中流體的水平流速較均勻且在貫入深度范圍內(nèi)變化幅度較小，豎向流速由樁端向上呈泡狀逐漸減小，孔隙水壓力在近樁端處出現(xiàn)形如核桃的集中區(qū)。

綜上所述，目前關(guān)于靜壓樁沉樁阻力的研究已經(jīng)取得一些成果，但限于現(xiàn)場試驗物資消耗量大，鮮有在同一工程中設(shè)置不同試驗區(qū)進(jìn)行的對比試驗；在數(shù)值模擬中，大多數(shù)研究主要是在均質(zhì)砂土和飽和黏土中進(jìn)行，這與實際工程中的層狀土存在一定的差距。鑒于此，本文依托上海地區(qū)某樁基工程，通過實測3組現(xiàn)場靜壓樁貫入過程中的沉樁阻力，分析層狀土中靜壓樁沉樁阻力隨貫入深度的演化規(guī)律，并結(jié)合ABAQUS數(shù)值模擬探討層狀土中靜壓樁貫入過程中樁周土體豎向應(yīng)力、徑向應(yīng)力以及徑向位移的變化規(guī)律，揭示靜壓樁連續(xù)貫入的沉樁特性，以期對工程中靜壓樁的設(shè)計與施工提供指導(dǎo)。

1 試驗方案

1.1 工程概況

試驗場地選取上海地區(qū)某樁基工程的3個不同區(qū)域，試驗區(qū)一、二、三分別擬建住宅樓、地下車庫和商業(yè)樓，該場地東、西南側(cè)臨近住宅樓，西鄰境內(nèi)河流真如港，北側(cè)為廠房。試驗場地平面示意圖如圖1所示。試驗場地屬于濱海平原地貌，地勢整體較為平坦，場地標(biāo)高3.57～5.02 m，土層分布均勻、連續(xù)，地下水以孔隙水的形式充填在第四紀(jì)松散沉積物中砂層中，地下水位埋深為1.10～1.15 m，各試驗區(qū)土層分布情況與物理力學(xué)性質(zhì)如表1所示。擬建住宅樓試驗區(qū)域?qū)Φ鼗鶑?qiáng)度和變形有較高要求，地基條件較差區(qū)域已進(jìn)行回填砂石處理，場地標(biāo)高4.79～5.02 m；擬建地下車庫試驗區(qū)域埋深約6.0 m，場地標(biāo)高4.50～5.00 m；擬建商業(yè)樓試驗區(qū)域場地標(biāo)高4.35～4.79 m。

1.2 試驗樁

3組試驗每組分別設(shè)置3～4根試驗樁，試驗樁均采用預(yù)應(yīng)力PHC管樁，每組試驗樁樁長、樁徑均相同，試驗樁樁號及參數(shù)如表2所示。

1.3 試驗過程

試驗采用全液壓式靜力壓樁機(jī)，壓樁過程可實時顯示壓樁力。使用壓樁機(jī)進(jìn)行沉樁時，記錄各階段的沉樁阻力。沉樁過程主要包括準(zhǔn)備階段、初壓階段、穩(wěn)定貫入階段、終壓階段。準(zhǔn)備階段：先對場地進(jìn)行平整，清除地面雜物；然后通過全站儀按照圖紙確定樁位，并在試驗管樁樁身按1.0 m間距標(biāo)記刻度（圖2），以便在沉樁過程中確定貫入深度和壓樁力。初壓階段：隨著沉樁過程的進(jìn)行，壓樁力逐漸增大，樁身破土貫入，同時樁周土體發(fā)生破壞；壓樁過程中樁身每貫入1.0 m，立刻記錄靜力壓樁機(jī)顯示的壓樁力。穩(wěn)定貫入階段：沉樁速率基本保持不變，采用分節(jié)壓入法，兩節(jié)管樁通過焊接連接，如圖3所示。終壓階段：當(dāng)沉樁深度接近設(shè)計標(biāo)高時，緩慢降低沉樁速率直至樁端達(dá)到設(shè)計標(biāo)高。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗區(qū)一

住宅樓試驗區(qū)域3根靜壓樁沉樁阻力試驗曲線如圖4所示。在沉樁初期，沉樁阻力隨貫入深度增加緩慢增大，由于雜填土層和素填土層較厚，在貫入初期沉樁阻力增長速率不明顯；隨著靜壓樁的繼續(xù)貫入，樁端到達(dá)④淤泥質(zhì)黏土層層底以上2.0～3.0 m時，沉樁阻力增長速率顯著提高，PJ1、PJ2、PJ3沉樁阻力分別達(dá)到415、425、455 kN；當(dāng)樁端貫入到⑤0砂質(zhì)粉土層底部，沉樁阻力進(jìn)一步增加，PJ1、PJ2、PJ3沉樁阻力分別增加到976、1 165、960 kN，沉樁阻力增長率最高可達(dá)174%；當(dāng)樁身貫入到⑦1砂質(zhì)粉土層，沉樁阻力在該層內(nèi)迅速增加且增加幅度較大，PJ1、PJ2、PJ3沉樁阻力分別從⑦1 層頂端的1 753、1 912、1 944 kN增加到⑦1層底部的3 875、3 953、3 685 kN。此外，由圖4可知，僅樁端貫入到⑤0砂質(zhì)粉土層、⑤1黏土層、⑥粉質(zhì)黏土層中3根試樁沉樁阻力的數(shù)值存在明顯差距，在貫入其余土層時3根試樁的沉樁阻力基本一致。

2.2 試驗區(qū)二

對地下車庫試驗區(qū)域3根靜壓樁進(jìn)行連續(xù)貫入試驗，沉樁阻力變化曲線如圖5所示。在貫入初期，沉樁阻力隨貫入深度的增加基本保持穩(wěn)定；隨著樁身繼續(xù)貫入，當(dāng)樁端穿過④淤泥質(zhì)黏土層貫入⑤0砂質(zhì)粉土層時，沉樁阻力出現(xiàn)顯著增大，試樁PJ4、PJ5、PJ6的沉樁阻力分別從364、482、342 kN增加到895、805、792 kN；隨后沉樁阻力隨樁端貫入深度的增加而緩慢增大，增長速率再次趨于穩(wěn)定；當(dāng)樁端貫入到⑥粉質(zhì)黏土層時，沉樁阻力大幅增加，此期間試樁PJ4、PJ5、PJ6的沉樁阻力分別從⑤1層底部的843、703、855 kN增加到⑥粉質(zhì)黏土層底部的1 659、1 362、1 285 kN。

在貫入初期沉樁阻力增加基本保持恒定，是由于貫入初期樁端入土深度較淺，加上樁身的晃動，樁身與土體接觸不密切，側(cè)摩阻力未能有效發(fā)揮，沉樁阻力均由樁端阻力承擔(dān)，故沉樁阻力變化較小。另外由圖5可知，地下車庫試驗區(qū)域3根試驗樁沉樁阻力基本一致，曲線有兩次較明顯的轉(zhuǎn)折，第一次是樁端穿過④淤泥質(zhì)黏土層貫入到⑤0砂質(zhì)粉土層時；第二次是樁端穿過⑤1黏土層，貫入⑥粉質(zhì)黏土層和⑦1砂質(zhì)粉土層時。分析原因可知：當(dāng)樁端從較軟土層貫入到硬土層時，樁端難以破土貫入，沉樁阻力會持續(xù)增加；當(dāng)樁端從硬土層貫入到軟土層時，樁端易于破土貫入較軟土層，沉樁阻力出現(xiàn)明顯減小現(xiàn)象。另外在同一土層中，沉樁阻力也會存在小幅波動，這是由土層不均勻性所致。這與張明義等[23]、李雨濃等[24]對靜壓樁貫入層狀地基中壓樁力變化規(guī)律的研究成果吻合。

2.3 試驗區(qū)三

對商業(yè)樓試驗區(qū)域4根靜壓樁進(jìn)行連續(xù)貫入試驗，沉樁阻力變化曲線如圖6所示。在貫入初期，當(dāng)樁端貫入至①11雜填土層、①12素填土層、②1粉質(zhì)黏土層上部1.0～2.0 m范圍內(nèi)，沉樁阻力變化不明顯；隨著樁端繼續(xù)貫入，在②3層內(nèi)沉樁阻力隨貫入深度的增加基本呈線性增長，但增長速率較慢，此階段PJ7、PJ8、PJ9、PJ10的沉樁阻力分別從②1層的158、97、105、148 kN增加到②3層底部的235、240、292、259 kN；當(dāng)樁端位于③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層至④淤泥質(zhì)黏土層區(qū)間時，曲線增長速率減緩；隨著樁繼續(xù)貫入，當(dāng)樁端貫入到⑤0砂質(zhì)粉土層時，沉樁阻力增長速率顯著提高，該階段PJ7、PJ8、PJ9、PJ10的沉樁阻力分別從④層底部的328、415、458、327 kN大幅增加到⑤0層底部的827、832、820、847 kN；當(dāng)樁端貫入⑤1黏土層后，沉樁阻力增長速率再次減緩，隨貫入深度的增加小幅增大。

由圖6可知，PJ7—PJ10的沉樁阻力變化規(guī)律基本一致，僅在小范圍存在差別。曲線存在兩個較明顯的轉(zhuǎn)折點(diǎn)：第一個是樁端穿過②1粉質(zhì)黏土層貫入到②3黏質(zhì)粉土層時，沉樁阻力增長速率小幅增加；第二個是樁端穿過④淤泥質(zhì)黏土層貫入到⑤0砂質(zhì)粉土層時，沉樁阻力迅速增加，增長速率較高。這是由于當(dāng)樁端貫入到黏質(zhì)粉土層、砂質(zhì)粉土層時，樁端不易穿過較硬土層，隨著壓樁力的持續(xù)增加，沉樁阻力出現(xiàn)陡增現(xiàn)象。另外，樁端穿過上層土貫入下層軟硬程度不同的土層時，由于此時樁身貫入下一土層的長度較小，故樁側(cè)摩阻力變化甚微，可以認(rèn)為沉樁阻力的變化是由壓樁力變化引起的。

各試驗區(qū)試驗樁沉樁阻力曲線如圖7所示，通過對比分析可知，不同樁長試驗樁沉樁阻力變化規(guī)律基本一致，沉樁阻力隨深度增加呈非線性增大。沉樁初期，樁端貫入土層均為淺部抗剪強(qiáng)度較低的粉質(zhì)黏土層和淤泥質(zhì)黏土層，樁端貫入時樁端土層迅速達(dá)到極限抗剪承載力并發(fā)生塑性變形，樁體貫入使樁周土體產(chǎn)生超孔隙水壓力，其對樁身起到一定的潤滑作用，樁側(cè)摩阻力較?。粯扼w持續(xù)向下貫入，導(dǎo)致沉樁初期隨貫入深度增加，沉樁阻力僅有小幅度增加；當(dāng)樁端貫入到深部較硬土層砂質(zhì)粉土層、粉質(zhì)黏土層和粉砂層時均表現(xiàn)出沉樁阻力迅速增加，這是因為此類土層液性指數(shù)較小，樁端的貫入使土層受到擠壓趨于密實，沉樁阻力隨貫入深度的增加不斷增大。

3 數(shù)值模擬

ABAQUS模擬軟件中包含多種適用于巖土工程計算的本構(gòu)模型，該軟件具有較強(qiáng)的非線性分析以及耦合場分析能力，可以很好地解決樁土相互作用和接觸非線性導(dǎo)致的計算結(jié)果不收斂問題。本次模擬采用ABAQUS有限元軟件，選取前文試驗區(qū)域具有代表性的3層土體（表1中②1粉質(zhì)黏土層、②3黏質(zhì)粉土層和④淤泥質(zhì)黏土層）進(jìn)行靜壓樁連續(xù)貫入模擬分析，

土層的具體物理力學(xué)性質(zhì)如表3所示。

3.1 樁及土體部件建立

在部件模塊中，采用二維軸對稱模型建模，樁徑設(shè)置為500 mm，樁長12 m，并將其看作線彈性體。設(shè)置土體水平方向?qū)挾葹? m，土體豎直方向深度為13 m，將土體部件劃分為3層，代表3種不同土體，并將土體視為理想的彈塑性體，如圖8所示。為避免在貫入過程中樁體與樁靴交接處的尖點(diǎn)產(chǎn)生集中應(yīng)力現(xiàn)象，將樁頭處理成尖角60°的錐形樁并且將樁體與樁靴交接處的尖點(diǎn)做平滑處理（圖9），處理后的樁尖較為符合開口管樁在實際工程中受到的土塞楔形效應(yīng)，緩和樁身與土體的接觸，從而降低尖點(diǎn)對土體的刺入效應(yīng)，使靜壓樁連續(xù)貫入的數(shù)值模擬結(jié)果更準(zhǔn)確。

對各個部件進(jìn)行裝配時，將初始狀態(tài)的樁尖與土體表面分開一定距離（圖9），隨著樁體的貫入，土體會發(fā)生刺入式破壞，樁尖與土體單元接觸后，土體會發(fā)生大變形，該處理的目的在于近似模擬靜壓樁連續(xù)貫入的全過程。

3.2 模型參數(shù)選擇及網(wǎng)格劃分

本次模擬采用Mohr-Coulomb（MC）模型，MC模型是一種較理想的彈塑性模型，考慮了剪切屈服應(yīng)力函數(shù)、胡克定律的破壞準(zhǔn)則以及巖土體的剪脹性，能夠準(zhǔn)確描述土體的塑性變形并反映土體的破壞行為[25]。樁土之間的相互作用屬于非線性變形行為，在模擬樁土接觸時采用主從接觸面方法，樁身定義為主控面，土體表面定義為從屬面。接觸法向行為采用硬接觸，切向行為采用罰接觸，沉樁過程樁土接觸面不斷變化但樁土始終不會分離，摩擦系數(shù)設(shè)置為0.3，樁土接觸面的摩擦滑移由修正MC接觸法則來控制。

網(wǎng)格劃分采用結(jié)構(gòu)劃分技術(shù)，土體采用四邊形結(jié)構(gòu)單元。結(jié)構(gòu)劃分的網(wǎng)格大小應(yīng)適中，通過多次調(diào)整網(wǎng)格大小，使模擬計算結(jié)果收斂。網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖10所示。

3.3 邊界條件設(shè)置及初始地應(yīng)力平衡

在土體模型的底部設(shè)置固定邊界，側(cè)面設(shè)置水平固定邊界，上表面不設(shè)置約束。本模型荷載施加采用位移貫入法，約束周邊土體及底部位移，對樁頂施加約束使其下沉12 m。

地應(yīng)力平衡通過兩步完成，首先在功能模塊中，創(chuàng)建地應(yīng)力分析步；然后在荷載模塊中，定義重力荷載。地應(yīng)力平衡結(jié)果如圖11所示：地應(yīng)力平衡前后的應(yīng)力云圖無明顯變化；但地應(yīng)力平衡前后的位移云圖變化較大，平衡后位移控制在10-8～10-7數(shù)量級范圍之內(nèi)，符合工程實際情況。

3.4 數(shù)值模擬結(jié)果與實測值對比

3.4.1 沉樁阻力

沉樁阻力數(shù)值模擬結(jié)果與試驗實測值對比如圖12所示。由圖12可見：在沉樁初期，實測值略小于模擬值；隨著貫入深度的增加，在深度達(dá)到2.5 m時，兩曲線相交，之后實測值大于模擬值；當(dāng)樁端貫入到深度5.0 m淤泥質(zhì)黏土層時，實測值與模擬值相差隨深度增加逐漸增大，這是由于數(shù)值模擬過程的局限性導(dǎo)致的?？傮w上沉樁阻力的數(shù)值模擬值與試驗實測值吻合度較高，同一深度模擬值略小于實測值，兩曲線變化趨勢大體一致，表明建立的數(shù)值模擬模型是可行的。分析原因可知：1）模擬過程中土體等材料力學(xué)參數(shù)賦值時，與實際場地中土層的物理力學(xué)參數(shù)存在差異；2）模擬過程沒有考慮地下水對樁側(cè)摩阻力及土抗剪強(qiáng)度的影響，這與現(xiàn)場試驗存在差異；3）沉樁阻力由靜力壓樁機(jī)的油壓表換算而得，在對油壓表進(jìn)行讀數(shù)時會受到機(jī)器震動、人工讀數(shù)誤差等影響，造成后期數(shù)據(jù)換算不準(zhǔn)確。

3.4.2 樁周土體豎向應(yīng)力

圖13為截取沉樁貫入深度為2、4、6、12 m時的樁周土體的豎向應(yīng)力云圖。樁體貫入初期，在2 m深度（圖13a），最大豎向應(yīng)力（本文中應(yīng)力最大值均為絕對值，不考慮正負(fù)號）為334.60 kPa；隨著樁端繼續(xù)貫入到3 m，即②1粉質(zhì)黏土層與②3黏質(zhì)粉土層交界處，最大豎向應(yīng)力增加到413.60 kPa；當(dāng)樁端貫入到4 m②3黏質(zhì)粉土層（圖13b），最大豎向應(yīng)力達(dá)到446.30 kPa；繼續(xù)貫入到6 m②3黏質(zhì)粉土層（圖13c），最大豎向應(yīng)力達(dá)到558.00 kPa，最大豎向應(yīng)力發(fā)生在樁端以上0.9～1.0 m處；樁體繼續(xù)貫入到12 m④淤泥質(zhì)黏土層（圖13d），最大豎向應(yīng)力卻出現(xiàn)減小的趨勢。這與前文試驗結(jié)論相吻合，在同一土層中，隨著貫入深度的增加，樁豎向應(yīng)力呈增大趨勢；當(dāng)樁端穿過軟硬程度不同的土層時，豎向應(yīng)力會出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，樁端貫入土層的軟硬程度制約著樁豎向應(yīng)力的變化，樁端由較硬土層黏質(zhì)粉土層貫入較軟土層淤泥質(zhì)黏土層時，豎向應(yīng)力減小。

3.4.3 樁周土體徑向應(yīng)力

靜壓樁貫入過程中徑向應(yīng)力的變化趨勢如圖14所示。樁端在貫入2 m左右②1粉質(zhì)黏土層時（圖14a），樁端出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，并伴有應(yīng)力泡產(chǎn)生，此時徑向應(yīng)力最大值為386.60 kPa，樁周土體被擠開，有利于沉樁的進(jìn)行。當(dāng)樁端貫入達(dá)到4 m深度的②3黏質(zhì)粉土層

時（圖14b），徑向應(yīng)力最大值達(dá)到917.60 kPa，徑向應(yīng)力的影響范圍進(jìn)一步增大，但仍主要分布在樁端附近；這是因為樁端對土體的擠密效應(yīng)使樁端附近的樁側(cè)摩阻力增大。樁端繼續(xù)貫入達(dá)到6 m深度的②3黏質(zhì)粉土層時（圖14c），最大徑向應(yīng)力達(dá)到1 178.00 kPa。當(dāng)樁端貫入12 m深度的④淤泥質(zhì)黏土層時（圖14d），徑向應(yīng)力迅速降低到563.50 kPa，徑向應(yīng)力退化率達(dá)到52%。從圖14可看出，當(dāng)樁端貫入12 m時，徑向應(yīng)力的影響范圍要小于位于②1粉質(zhì)黏土層及②3黏質(zhì)粉土層中的影響范圍，因為相較于圖14b、c，圖14d中相同顏色標(biāo)尺的橫向受荷影響范圍較小，其影響區(qū)域更加緊貼樁身；并且在②1粉質(zhì)黏土層與②3黏質(zhì)粉土層界面和②3黏質(zhì)粉土層與④淤泥質(zhì)黏土層界面均有明顯的應(yīng)力突變現(xiàn)象（圖14d綠色圓圈處）。此現(xiàn)象在王永洪等[26]、李雨濃等[2728]研究成果中同樣存在，說明徑向應(yīng)力的變化與土層性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)樁身由軟土層貫入到硬土層時，徑向應(yīng)力出現(xiàn)突增現(xiàn)象，當(dāng)樁身由硬土層貫入到軟土層時，徑向應(yīng)力出現(xiàn)減小趨勢。

3.4.4 樁周土體徑向位移

樁端貫入12 m時徑向位移分布如圖15所示。由圖15可以看出，在樁身范圍內(nèi)土層從樁頂?shù)綐抖说膹较蛭灰朴绊懛秶鞑幌嗤?，并在土層交界處徑向位移有突變現(xiàn)象。在整個樁長范圍內(nèi)，土體徑向位移隨其與樁軸線距離（徑向距離）的增加而迅速減小。結(jié)合圖15繪制以樁軸為中心，隨徑向距離變化的樁周土徑向位移曲線圖，以及距樁軸2D、4D、6D （D為樁徑）處不同深度土體的徑向位移曲線圖，如圖16、17所示。

由圖16可以看出，土體的徑向位移隨深度增加總體呈遞減趨勢。從圖17可以看出，在整個沉樁深度范圍內(nèi)，樁周土的徑向位移在距樁軸線特定距離下，隨深度變化大致表現(xiàn)為遞減趨勢。但在深度為3 m和7 m的土層交界面上，樁周土的徑向位移出現(xiàn)突增現(xiàn)象。究其原因是選取的3層土軟硬程度不同，當(dāng)樁端貫入到兩土層交界面時，由于上層土體較硬、下層土體承載力較低，兩土層要產(chǎn)生相同的位移就需要較硬土體作用更大的力，便會在較軟土體產(chǎn)生大于較硬土體的徑向位移。這與李鏡培等[28]對成層地基中靜壓樁徑向位移變化規(guī)律的研究結(jié)論一致，在成層地基中徑向位移在軟硬土層交界面附近發(fā)生突變，最大徑向位移出現(xiàn)在軟硬土層交界面附近。

4 結(jié)論

1） 通過3組靜壓樁現(xiàn)場試驗研究了沉樁阻力隨貫入深度的變化規(guī)律：在初壓階段，沉樁阻力隨貫入深度的增加緩慢增大，變化幅度不大；當(dāng)樁端貫入淺部抗剪強(qiáng)度較低的粉質(zhì)黏土層和淤泥質(zhì)黏土層時，沉樁阻力基本不變，增長速率明顯減緩；當(dāng)樁端貫入深部較硬土層砂質(zhì)粉土層、粉質(zhì)黏土層和粉砂層時，沉樁阻力迅速增加，變化顯著。說明沉樁阻力與土層的性質(zhì)相關(guān)，樁端貫入的土層越硬，沉樁阻力越大。

2） 靜壓樁連續(xù)貫入過程中樁體豎向應(yīng)力隨貫入深度的增加而增大，當(dāng)樁端到達(dá)淤泥質(zhì)黏土層時，最大豎向應(yīng)力出現(xiàn)減小趨勢。對于特定深度的樁周土徑向應(yīng)力，初始階段隨樁體的貫入深度增加而增大，達(dá)到某一限值后（貫入淤泥質(zhì)黏土層），隨樁體的繼續(xù)貫入，徑向應(yīng)力減小。

3） 在樁長范圍內(nèi)，樁周土徑向位移隨與樁軸線距離的增加而迅速減小，隨深度增加呈遞減趨勢；當(dāng)樁端由硬土層貫入到軟土層時，樁周土徑向位移出現(xiàn)突增。

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