红黏土地层静压管桩承载机理及复压效果分析

王家全 叶斌 张亮亮 徐良杰 朱庆盛

摘 要：为了研究红黏土地层静压管桩沉桩过程中桩身轴力、位移及桩周土体摩擦力的变化规律，揭示红黏土地层管桩承载力机理和群桩上浮影响，采用自行设计的可视化模型箱，开展管桩在红黏土地层中的静压和复压模拟试验.结果表明：以硬塑红黏土或可塑红黏土土层作为持力层时，单桩静载Q-s曲线呈陡降型，桩侧摩阻力占桩顶荷载的比值分别为94.9%、96.0%，为摩擦型桩；以基岩为持力层时，单桩静载Q-s曲线呈平缓型，桩侧摩阻力占桩顶荷载的51.1%，可归为端承摩擦桩.在压桩过程中，桩体会因压缩而产生相对于土体的位移，桩侧产生一个抵抗桩体向下运动的桩侧摩阻力；因桩侧摩阻力的存在，会将桩顶荷载传递到桩周土层中，使得桩身轴力和桩身压缩随深度增加而递减；当桩顶荷载增大时，桩体进一步被压缩，桩侧下部土体的摩阻力得以充分发挥.同时，复压能能有效消除群桩压桩引起的管桩上浮影响，可有效改善因挤土上浮而导致的桩体承载力不足.

关键词：红黏土；静压管桩；承载机理；模型试验

中图分类号：TU 47 DOI：10.16375/j.cnki.cn45-1395/t.2018.01.001

0 引言

管桩因其具有单桩承载力高、工厂化程度高、成桩质量好、施工方便快捷等优点而作为抗压桩被工程所广泛应用[1-3].因此，研究管桩的承载力机理及其影响因素具有重大意义.目前国内外学者对其承载机理及影响因素在理论分析、模型试验及数值模拟上都进行了大量的研究，并取得丰硕的成果.郭宏磊等[4]运用逐次线性概似及残差修正法进行迭代，以此提出了基于Q-s数据对桩极限承载力预测的方法，并在实际工程中得到验证.赵俭斌等[5]基于灰色关联度理论通过对辽沈地质下某工程的勘探及施工记录资料分析，得出该工程桩承载力影响因素的次序关系.律文田等[6]通过在软土地基上进行大型试验及有限元分析（采用Drucker-Prager弹塑性本构模型），研究了PHC管桩的荷载传递机理及不同土层的轴力衰减速率.Mohammed等[7-8]结合开口桩与闭口桩的性质，通过开展试验分析了填土密度、压桩方式等多种因素对桩承载力的影响，并基于IFR提出了开口桩承载力新的估算经验关系.张忠苗等[9-10]和符秋生[11]分别结合浙江某高层预应力管桩上浮、偏位事故和广清高速公路扩建工程进行分析，提出加固和修复管桩的方法，且分析了实际运营过程中预应力管桩承载力的时效性和复压值的影响因素.庞宗霞[12]通过对长凤沟四桩桥墩的群桩进行有限元模拟，提出群桩极限承载力的群桩效应系数，证明了土塞效应对桩的承载力的影响较小.王浩等[13]通过模型试验研究樁端位移、桩端土体孔隙率对桩端阻对的影响，并采用离散元颗粒流PFC2D对其试验结果进行了验证，结果表现出一致性.

近年来，预应力管桩在广西地区的桩基工程应用广泛，但针对广西地区特殊的土层——红黏土地层，特别是其上硬下软的特点有别于其他一般地质，所以不能照搬别的地质或者桩型设计桩基工程[14-15].此外，目前学者对于红黏土地质条件下的管桩承载力性质规律的研究稀少.据此研究背景，本文自行设计可视化模型箱100 cm（Length）×70 cm（Width）×130 cm（Height），模拟广西红黏土地层，进行管桩静压模型试验，研究红黏土地层静压管桩压桩运动的桩身轴力、位移及桩周土体摩擦力等参数的变化规律，揭示红黏土地层管桩承载力机理和群桩上浮影响，旨在为红黏土地层管桩工程提供指导.

1 试验装置及试验内容

试验装置分为4个部分：①模型箱；②反力架；③竖向加载系统；④数据采集系统.如图1所示.

1.1 模型箱

为了更好地进行分层填筑工作和观察管桩在土中的运动，试验模型设计为可视化模型.图1所示为模型箱的设计图，整个模型箱骨架以钢板和角钢焊接而成.试验填土为红黏土地层，对水的控制要求很高，因此在整个试验过程中需要对模型钢板、钢化玻璃与角钢焊接处进行防水密封.

1.2 轴向加载系统

试验轴向加载系统由反力架和千斤顶联合而成.将千斤顶反向固定悬挂在反力架下方，千斤顶下方放置压力传感器，用来记录每一级加载的桩顶荷载.试验利用千斤顶将模型桩压入土中，10 cm/次，速度为2 cm/min，共经过11次静压循环.

1.3 模型桩与数据采集

本次试验的模型桩均为铝管所制，分为半模桩和全模桩.具体参数见表1.

对半模桩内壁进行打磨以及除尘处理，然后贴置；打磨工具用砂纸，除尘用酒精，贴置应变片用502胶水及用环氧树脂AB胶进行应变片的表面防水；应变片贴置位置在从桩端开始，后每隔10 cm贴一个应变片，共10处，并通过如下公式换算.

Qi = E·εi·A（1）

式中，Qi ——桩身轴力（N）；E——桩身弹模（kPa）；εi ——模型桩从桩端开始编号为1， 2， 3， …， i的应变片的应变数值；A——桩身横截面面积.

qs = （Qi+1 - Qi） / As（2）

式中：qs——桩身侧摩阻力（kPa）；As——桩侧表面积；本模型使用半模桩，面积为全模桩的1/2.

qT = Q1/A（3）

式中：qT ——桩端阻力（kPa）.

1.4 试验土样及制备

试验模拟工况为广西红黏土地层，填土的取样为柳州正在施工的某工地. 根据勘探报告得知，红黏土地层大致分为两层：硬塑层和可塑软层，各层厚度分别占比70%～75%和25%～30%.本文设计模型试验模拟管桩在红黏土地层的压桩运动性质，故按照本地区红黏土地层性质相应填筑硬塑红黏土70 cm、可塑红黏土30 cm、基岩层15 cm.试验各土层物理特性参数指标见表2，整个试验土样的制备分为两个部分，分别为硬塑、可塑红黏土的制做填筑和基岩层的制备.

1） 硬塑、可塑红黏土的制作：将试验土样烘干后，碾碎过筛，分别配制具有硬塑、可塑红黏土含水量的红黏土，然后进行分层填筑压实，填筑厚度是30 cm/层.

2） 基岩层的制备：以水泥红黏土作为持力层，其中水泥含量占比15%.根据同等条件制备立方体试块（100 mm×100 mm×100 mm），养护2个月后测得其无侧限抗压强度为1.8 MPa，满足本次试验的抗压要求.

1.5 试验内容

试验内容分为静压管桩试验和静压群桩试验，如图2所示.

1）静压单桩试验：对3种桩径（2.5 cm、4.0 cm、5.5 cm）半模桩进行压桩至相应持力层，然后进行静载试验.

2）静压群桩试验：根据图2（b）压桩顺序进行群桩压桩运动，接着对目标桩1#桩进行复压，最后对目标桩1#桩进行静载试验.

2 试验结果分析

2.1 单桩静载Q-s曲线分析

图3（a）与图3（b）分别是桩端进入土层深度为60 cm和80 cm处的不同桩径的Q-s曲线，其呈现陡降型，管桩承载力相对较低，由此实际工程中红黏土地层的管桩工程往往不以红黏土层作为持力层，而选择基岩作为持力层.曲线出现陡降的起始点为桩的极限承载力，在持力层为硬塑红黏土地层时，桩径为2.5 cm、4.0 cm，5.5 cm的试桩极限承载力分别为92.7 N、278.0 N、316.9 N.可以发现试桩的极限承载力随桩径增大而增大，且为非线性增加.分析原因：①桩径的增大，使试桩的侧面积增大，桩周的摩阻力也随之增大；②试样桩是闭口桩模型，桩径的增加使得桩端面积增大，继而会增大桩端阻力；③桩径的增大会使桩的刚度显著增大，桩不易被压缩，因此其极限承载力明显增大.当持力层为可塑性红黏土地层时，其现象与之类似.对比以上两种持力层，在试桩达到极限承载力时，其极限荷载不同，原因是一方面持力层的刚度不同，另一方面是试桩的压桩深度不同导致其侧摩阻力不同.

图3（c）为桩端进入土层为100 cm处的不同桩径的Q-s曲线，其呈现缓变性.桩位位于基岩处.根据《建筑基桩检测技术规范》，对于缓变型Q-s曲线根据沉降来估算试桩极限承载力，由于试验试桩桩径小，本次试验取s=20 mm处的桩顶荷载作为试桩的极限承载力.桩径为2.5 cm、4.0 cm、5.5 cm的试桩极限承载力分别为1 334.4 N、2 446.4 N、3 914.2 N.可以发现试桩的极限承载力随桩径增大而显著增大，桩径每增长1.5 cm，极限承载力则增长1.4～1.6倍，这一原因与基岩的性质密切相关.

对比这3种不同持力层的单桩静载Q-s曲線，同种桩径的桩以图3（a）和图3（b）地层为持力层的 Q-s曲线是陡降型，在图3（c）地层为持力层的Q-s曲线是缓变型.原因可能是：图3（a）和图3（b）地层的强度过低，桩端阻力过小，只能依靠桩侧摩阻力，当压桩荷载过大时，桩端所在的地层会出现刺破，桩体会出现陡降.相对比，图3（c）地层为基岩层，其强度远大于硬塑和软塑红黏土地层，桩端提供的端阻很大，不易刺穿，所以图3（c）Q-s曲线为缓变型，可作为工程中的持力层被应用.

2.2 桩身轴力与桩侧摩阻力分析

图4是桩径为4 cm的桩侧摩阻力和轴力沿深度分布曲线.整个静压过程中，桩深轴力随桩深递减，在桩顶荷载较大时，轴力下降更明显.分析图4可得到以下现象：在桩深为0 cm处，桩的轴力与压桩荷载几乎相同；桩深在0～10 cm处的轴力均有所下降；在桩深10 cm到桩底部的轴力会随桩顶荷载的增加明显展现出轴力在单位深度的变化量由大变小.同时，可从图4中对应的桩侧摩阻力规律发现，其随桩顶荷载的增大呈现更加尖锐的“倒V”型.根据图4中同步的桩侧摩阻力和轴力深度分布规律，可对静压管桩的荷载传递机理进行如下分析：①在压桩过程中，桩体会被压缩而产生相对于土体的位移，桩侧产生一个抵抗桩体向下运动的桩侧摩阻力；②桩侧摩阻力的产生，会把桩顶荷载传递到桩周土层中，使得桩身轴力和桩身压缩随深度递减；③当桩顶荷载增大时，桩体进一步被压缩，桩侧下部土体的摩阻力才可发挥.

图4（a）—图4（c）的桩侧摩阻力随桩深的分布图在“倒V”的最外层的曲线代表在桩顶极限荷载下各位置最大桩侧摩阻力.当以图4（a）地层为持力层时，桩侧摩阻力占桩顶荷载的94.9%，为摩擦型桩；当以图4（b）地层为持力层时，桩侧摩阻力占桩顶荷载的96.0%，为摩擦型桩；当以图4（c）地层为持力层时，桩侧摩阻力占桩顶荷载的51.1%，可归为端承摩擦桩.

桩径为2.5 cm和5.5 cm的桩侧摩阻力、轴力沿深度分布图的现象与桩径为4.0 cm的桩侧摩阻力、轴力沿深度分布图的现象相似.

2.3 群桩上浮及复压对管桩的承载力的影响

为了研究群桩上浮对桩的承载力的影响，本次试验首先做了群桩压入试验后，发现目标桩（1#桩）出现一定的上浮量，之后对目标桩进行复压试验.图5为复压过程中桩顶荷载—桩顶位移图，整个复压过程的位移呈现出平缓→陡降→平缓的规律，分析可能原因：①曲线前期的平缓阶段是由于群桩压入，使目标桩周的土体严实，桩体界面接触更为紧密，使得桩周摩阻力加强，复压前期桩体压入，需要克服更大的摩阻力；②曲线中期出现陡降现象，桩周最大摩阻力已发挥出，且桩端由于挤土上浮导致桩端土体的承载力降低，所以出现陡降现象；③曲线后期又变为平缓，这是由于桩体运动到“新的持力层”——未被挤土上浮破环的持力层，基岩层能提供较大的桩端摩阻力.

本次试验将上浮后复压的桩顶荷载—位移曲线与群桩压入之前的单桩桩顶荷载—位移曲线进行对比来验证复压的效果.图6为在基岩处4 cm桩径桩体群桩压入之前和复压之后各静载试验的桩顶荷载—桩顶位移曲线.分析图6可知，群桩压入之前与上浮复压之后静载试验的桩顶荷载—桩顶位移曲线几乎相同，说明管桩复压后，能有效消除群桩压桩引起的管桩上浮影响，完全恢复因上浮引起的承载力损失，进而可有效避免由于挤土上浮而导致桩体承载力不足的工程隐患.

3 结论

1）以硬塑红黏土土层和可塑红黏土土层为持力层时，单桩静载Q-s曲线呈现陡降型，以基岩为持力层时，单桩静载Q-s曲线呈现平缓型，基岩作为持力层的管桩承载力远大于红黏土持力层；管桩的极限承载力伴随着桩径的增大而增大，且为非线性增加.

2）整个管桩静压过程，桩身轴力随桩深递减，在桩顶荷载较大时，轴力下降更明显，桩侧摩阻力曲线呈现更加尖锐的“倒V”型.

3）静压管桩承载机理：在压桩过程中，桩体会被压缩而产生相对于土体的位移，桩侧产生一个抵抗桩体向下运动的桩侧摩阻力；桩侧摩阻力的产生，会把桩顶荷载传递到桩周土层中，使得桩身轴力和桩身压缩随深度递减，当桩顶荷载增大时桩体进一步被压缩，桩侧下部土体的摩阻力才可发挥.

4）以硬塑红黏土地层为持力层，桩侧摩阻力占桩顶荷载的94.9%，为摩擦型桩；以软塑红黏土地层为持力层，桩侧摩阻力占桩顶荷载的96.0%，为摩擦型桩；以基岩地层为持力层，桩侧摩阻力占桩顶荷载的51.1%，可归为端承摩擦桩.

5）整个复压过程的位移呈现出平缓→陡降→平缓的规律；复压能能有效消除群桩压桩引起的管桩上浮影响，有效地避免由于挤土上浮而导致桩体承载力不足的工程隐患.

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Abstract： In order to study the variation law of the axial force and displacement of the pile body and the friction of the soil around the pile during jacked pipe pile driving in the red clay formation and reveal the bearing capacity mechanism of the pile pipe and the floating effect of the pile group， a self-designed visual model box was used to simulate the static and repressing of pipe pile in the red clay stratum in this paper. The results show that with the red clay of hard plastic or plastic as bearing stratum， the Q-s curve of single pile showed a steep drop-type under static loading. The ratio of pile-side frictional resistance to load on pile top of the two types of red clay was 94.9% and 96.0% respectively， which was a friction pile. With the bedrock as bearing stratum， the Q-s curve of single pile showed a gentle type under static loading. The ratio of pile-side frictional resistance to load on pile top of this situation was 51.1%， which was an end-bearing friction pile. In the process of pressing pile， there is the displacement of the pile relative to the soil due to the compression. Thereby， the pile side will produce a pile-side frictional resistance against downward movement of the pile body. Due to pile-side frictional resistance， the load on pile top of the pile will be transmitted to the soil around the pile， so that the axial force and compression of pile body decrease with an increase of the depth. The compression of pile body increases with the increase of the load on pile top， and then the frictional resistance of the soil under the pile-side can be fully exerted. Meanwhile， the repress effect can observably eliminate the floating effect of the pipe pile caused by group pile during the process of pressing pile， which can effectively reduce the adverse influence of the squeezing-floating effect of pile-soil on the bearing capacity of pile body.

Key words： red clay； static pressure pipe pile； bearing mechanism； model test

（學科编辑：黎 娅）