静压楔形桩沉桩效应模型试验研究

张可能¹，何杰^{1, 2}，刘杰²，吴有平²，李冰²

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，湖南 长沙，410083；

2. 湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲，412007)

摘要：为探讨楔形桩与等截面桩在静力沉桩过程中的沉桩效应，在软土地基中分别对1根等截面模型桩和3根不同楔角的楔形模型桩进行静力沉桩试验。通过试验数据整理分析，获得等截面桩与楔形桩在静力沉桩中桩周土的竖向位移、径向位移、沉桩压力与沉桩深度的规律及最大竖向位移和径向位移。研究结果表明：在相同地质条件下，楔形桩周土的竖向位移和径向位移分别随沉桩深度、楔角的增大而不断下沉并靠近桩中心；最大竖向位移和径向位移均出现在1倍平均桩径处，最大竖向位移为平均桩径的5.78%~9.45%，最大径向位移量为平均桩径的0.92%~2.04%；楔形桩沉桩所需的沉桩压力随桩深度、楔角的增大而不断增加，且增加的速率越大。

关键词：楔形桩；静力沉桩；竖向位移；径向位移；沉桩压力

中图分类号：TU473          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)02-0638-06

Model experimental research on piling effects of static piling in soft clay ground with tapered pile

ZHANG Ke-neng¹, HE Jie^{1, 2}, LIU Jie², WU You-ping², LI Bing²

(1. School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;

2. School of Civil Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412007, China)

Abstract: To study piling influence of tapered pile and uniform section pile during static piling, four static piling tests with one uniform section pile and three tapered pile with different tapers were performed in foundation pit filled with soft clay, respectively. Based on experimental results, a series of laws on piling influence, relationship between vertical displacement of surrounding soil and piling depth, relationship between radial displacement and piling depth, relationship among piling pressure and piling depth, the position and value of maximal vertical displacement and radial displacement, were obtained respectively. The results show that, under the same geological condition, vertical and radial displacement of soil surrounding tapered pile respectively increases with the increase of the pile sinking depth and taper angle, both the position of the maximum vertical and radial displacement are near the position distance, the maximum vertical displacement value is 5.78%-9.45% of the average pile diameter, and the maximum radial displacement value is 0.92%-2.04% of the average pile diameter. The piling pressure increases, and the increasing velocity is enhanced with the increase of the pile sinking depth and taper angle.

Key words: tapered pile; static piling; vertical displacement; radial displacement; piling pressure

静力压桩因具有无噪音、无振动、无冲击力、施工应力小等优点而得到了广泛应用。但是，静压桩属于挤土桩，其沉桩过程中产生的土体竖向和水平位移可能对临近建筑物带来不良影响，为此，国内外研究人员针对静压桩的沉桩效应开展了一系列有益的研究，如：徐建平等^[1-2]通过模型试验获得了土体侧向位移、孔隙压力、地面隆起随压桩过程变化的规律；Vesic^[3]采用圆孔扩张理论分析静力压桩过程中的挤土效应问题；Carter等^[4-9]在此基础上针对实际情况研究了静压沉桩的沉桩效应，并得到了一系列有益的理论分析成果。由于压桩过程的复杂性，对于这些现象的理论计算分析不能较好地反映实际情况，有一些研究人员采用有限元方法对静压圆柱形孔的内壁位移、桩周土体的应力场、位移场等进行了计算分析^[10-19]。目前，静力压桩的沉桩效应研究主要目标是传统的等截面桩，没有涉及静压楔形桩的沉桩效应。在工程中，楔形桩一般采用预制桩，其施工方法以静压法居多。它巧妙地利用了桩的楔形侧壁，强化了桩与土体之间的相互作用，其承载能力的提高主要是靠倾斜的侧壁对桩周土产生挤压作用获得，因此，对楔形桩在沉桩过程中的挤土效应进行研究很有必要。为提高楔形桩的利用水平，使其在软土地基加固中推广应用，本文作者基于室内模型试验结果，讨论静压楔形桩的沉桩效应。

1  模型试验

模型试验在长×宽×高为3.0 m×6.0 m×3.0 m的基坑中进行，基坑内分层填筑黏性土，土的主要物理参数如表1所示。

表1  土的物理力学参数

Table 1  Physical-mechanical parameters of soil

为了探讨楔形桩静压沉桩时的挤土效应，同时研究等截面桩与楔形桩在挤土效应方面的差异，本试验采用4个不同截面的木桩进行对比试验，木桩的尺寸如表2所示。

压桩的加载系统如图1所示。在沉桩过程中，浅层桩周土的位移由布设在地表的监测点表示，监测点沿桩径向的距离分别为距桩身轴线1.0d(d代表平均桩径)，2.0d，3.0d，4.5d，6.0d和7.5d(如图2所示)。

在静力沉桩过程中，严格按照国家标准《建筑桩基技术规范(JGJ 94—2008)》执行。由千分表与T2精密光学经纬仪(下称经纬仪)联合测定地表竖向位移，由经纬仪测定地表径向位移，压力传感器测定沉桩压力，每压完1节桩(20 cm)分别读取各仪器仪表的数值。经纬仪监测的各监测点采用长1 cm的大头针穿上长×宽约0.5 cm×0.5 cm的白色泡沫塑料做成位移观测标记，观测时以大头针头部的移动为准。千分表监测的各监测点采用长×宽为0.5 cm×0.5 cm的玻璃做成位移观测标记。

表2  模型桩的尺寸

Table 2  Size of model pile

图1  试验装置示意图

Fig.1  Installation of experimental equipments

图2  测点布置示意图

Fig.2  Sketches of survey points

2  试验结果与分析

2.1  竖向位移分析

对经纬仪、千分表的竖向位移读数进行归一化处理，得到不同沉桩深度下地面竖向位移，如图3所示。由图3可看出：(1) 地表竖向位移随桩入土深度的增加而不断增加；(2) 距离桩中心(1.0~2.0)d范围内的地表土没有出现隆起现象，而是土被“拽入”地表水平面以下，且随着沉桩深度的增加，桩周土的下沉量越大；(3) 距离桩中心越远，地表竖向位移越小，且减小的幅度也逐渐减小。

等截面桩在沉桩过程中，其地表竖向位具有如下特点(见图3(a))：(1) 距离桩中心(1.0~2.0)d范围内的地表土随沉桩深度的增加而不断下沉，当桩体被压到预定位置时，在距离桩中心1.0d处达到最大沉降值，其最大沉降量为3.81 mm，约为桩径的5.08%；(2) 桩周土表在沉桩过程中，在2.0d以外的地表土出现隆起，且隆起的“峰值”出现在3.0d处，最大隆起量出现在沉桩的第1阶段(0~20 cm)，最大隆起量为0.763 mm，约为桩径的1.02%；(3) 随着沉桩深度的增加，距离桩中心各监测点所产生的位移差很小，且在6.0d以外的桩周土表基本没因沉桩产生的竖向位移，即等截面桩因静力沉桩使地表出现竖向位移的影响范围约为6倍桩径之内。

楔形桩在沉桩过程中，其地表竖向位移表现出如下特点(见图3(b)~(d))：(1) 桩周土表均随沉桩深度的增加而不断下沉，地表最大沉降量出现在1倍平均桩径处，且随着楔角增大，桩周土表的沉降越大，桩周土表的最大沉降量为平均桩径的5.78%~9.45%；(2) 随着距离桩中心距离的增大，地表沉降的随减速率随楔角的增大而不断增大，且沉桩的影响范围随楔角的增大而不断增大。

2.2  径向位移分析

对经纬仪所监测的径向位移读数进行整理，得到不同沉桩深度下地面径向位移的情况，如图4所示。

从图4可看出：桩周土表的径向位移趋势与图3所示的桩周土表竖向位移趋势基本相同，距离桩中心(1.0~2.0)d范围内的地表土没有因为沉桩远离桩中心，而是被“拉向”桩中心；距离桩中心越远，地表竖向位移量越小，且减小的幅度也逐渐减小。

等截面桩在沉桩过程中，其地表径向位移表现出如下特点(见图4(a))：(1) 距离桩中心约2.0d内的地表土随沉桩深度的增加而不断向桩中心移动，但每级位移的差值很小，在距离桩中心1.0d处的位移最大，其最大位移为1.668 mm，约为桩径的2.22%；(2) 桩周土表在沉桩过程中，在约2.0d以外的地表土开始出现背离桩中心的位移，且最大位移量约出现在3.2倍桩径处，当桩体被压到预定位置时，最大位移为0.77 mm，约为桩径的1.03%；(3) 随着沉桩深度的增加，距离桩中心各监测点所产生的位移差很小，且在6.0d以外的桩周土表基本没因沉桩产生径向位移，即等截面桩因静力沉桩使地表出现径向位移的影响范围约为6倍桩径以内。

图3  地表竖向位移曲线

Fig.3  Curves of vertical displacement on ground

图4  地表径向位移曲线

Fig.4  Curves of radial displacement on ground

楔形桩在沉桩过程中，地表径向位移表现出如下特点(见图4(b)~(d))：(1) 楔形桩的桩周土表均随沉桩深度的增加而不断向桩中心移动，地表最大位移出现在约1倍桩径处，且随着楔角增大，桩周土表的径向位移越大，桩周土表的最大径向位移为平均桩径的0.92%~2.04%；(2) 随着距离桩中心距离的增大，地表径向位移的衰减速率随楔角的增大而不断增大，且沉桩的影响范围随楔角的增大而不断增大。

对比图3和图4可以看出：楔形桩在沉桩过程中对桩周土的挤土效应与等截面桩的不一样：(1) 随着沉桩深度的增加，在2倍桩径以内的等截面桩桩周土表不断下沉，且不断向桩中心靠拢，但2倍桩径以外的桩周土表因沉桩而隆起远离桩中心；楔形桩周土始终处于受压状态，随着沉桩深度的增加，桩周土表不断下沉，且不断向桩中心靠拢；(2) 楔形桩桩周土地表的位移比等截面桩的位移要大，并且随着楔角的增加，其位移越大；(3) 随着距离桩中心距离的增大，楔形桩桩周土地表位移的衰减速率比等截面桩的快，且随着楔角的增加，衰减速率增加。这说明楔形桩在静压过程中对周围土体的挤土效应比等截面桩的   明显。

2.3  沉桩深度与贯入力的关系

对压力传感器所监测的沉桩压力读数进行整理，沉桩压力与沉桩深度的关系如图5所示。由图5可以看出：(1) 在沉桩初始阶段所需的沉桩压力增长很快，当沉桩深度达到约0.3 m时，所需的沉桩压力出现拐点，此后，所需沉桩压力缓慢增加；(2) 楔形桩所需沉桩压力随沉桩深度的增加而不断增加，且楔角越大的楔形桩所需沉桩压力的增加速率越大；(3) 各桩被压到预定位置时，楔形桩所需的沉桩压力要比等截面桩的大，且楔角越大的楔形桩所需的沉桩压力越大。

图5  沉桩压力-沉桩深度关系曲线

Fig.5  Relationship between piling pressure and piling depth

3  结论

(1) 在沉桩过程中，等截面桩周土表面的竖向位移并不是始终出现隆起，径向位移也不是始终远离桩中心：距离桩中心约2倍桩径内的土的竖向位移随沉桩深度的增加而不断增加，最大沉降出现在1倍桩径处，约为桩径的5.08%；在2.0d范围以外的地表土出现隆起，最大隆起出现在3倍桩径处，最大隆起量约为桩径的1.02%；距离桩中心约2倍桩径范围内的土的径向位移指向桩中心，但每级沉桩的径向位移差很小，最大径向位移约为桩径的2.22%；在约2.0d范围以外的地表土出现背离桩中心的径向位移，其最大位移出现在3倍桩径处，最大位移约为桩径的1.03%。

(2) 在相同地质条件下，楔形桩周土的竖向位移随沉桩深度、楔角的增大而不断往下增大，最大沉降出现在1倍平均桩径处，最大沉降量为平均桩径的5.78%~9.45%；楔形桩周土的径向位置也随沉桩深度、楔角的增大而不断靠近桩中心，其最大径向位移也出现在1倍平均桩径处，最大径向位移为平均桩径的0.92%~2.04%。

(3) 等截面桩沉桩所需的沉桩压力在初始阶段迅速增加，在沉桩深度达到0.3 m后，所需沉桩压力迅速减小，且随沉桩深度的增加而缓慢增加；楔形桩沉桩所需的沉桩压力随桩深度、楔角的增大而不断增大，且增加的速率越大。

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(编辑 陈灿华)

收稿日期：2011-03-15；修回日期：2011-06-04

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50878084)；湖南省博士生科研创新基金资助项目(CX2010B050)

通信作者：何杰(1976-)，男，湖南汨罗人，博士研究生，副教授，从事地基与基础工程领域的教学与研究工作；电话：13507336475；E-mail：hjhlhjy@yahoo.com.cn