基于黏性土的开闭口管桩承载性状室内试验对比研究

张明义，管金萍，王永洪，刘俊伟，桑松魁，苗德滋

(1.青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266033;2.山东省高等学校蓝色经济区工程建设与安全协同创新中心，山东 青岛 266033)

0 引 言

桩基础经历了几千年的发展，无论是桩基材料和桩类型，还是施工机械和施工方法都有了巨大发展。如今，桩基础已被广泛应用于各大建筑工程中，其承载能力对设计、施工至关重要，确定桩基础单桩承载能力最准确和可靠的试验方法是单桩竖向静载试验[1]。对此诸多专家学者进行了相关研究：冯世进等[2]通过对超长钻孔灌注桩进行单桩静载荷试验，研究了黄土地基中超长钻孔灌注桩的承载性能、桩身轴力传递规律、桩侧阻力和桩端阻力的发挥性状；施尚伟等[3]通过大型现场静载试验，分析了预制管桩-搅拌桩复合地基荷载的传递规律；王卫东等[4-5]以现场试验为基础，对超长灌注桩和嵌岩桩的承载特性及荷载传递机理进行了研究；姜振春[6]通过对软黏土中超长预应力高强度混凝土(简称PHC)管桩进行竖向承载特性试验，分析了超长PHC管桩承载力机制与传递规律；郭志广等[7]在深厚软土地基对超长预制管桩进行现场静载试验，结合桩身应力测试结果，分析了超长预制管桩的承载机理和变形特性；S.Rezazadeh等[8]、陈小钰等[9-10]通过现场试验，研究了灌注桩的承载特性以及荷载的传递规律。

由于现场试验工程地质条件复杂、各种不确定性因素较难控制，因此很多学者对现场比例缩尺进行室内模型桩试验研究。A.D.E.Nicola等[11]借助模型桩试验，研究了均质砂土中模型桩的受力性能；B.M.Lehane等[12]通过在砂土中进行模型槽压桩试验，研究了桩径和壁厚对开口管桩承载性状的影响；S.Karthigeyan[13]探讨了竖向荷载对桩周土体的影响以及桩身荷载的传递规律；叶华真等[14]对不同桩端条件的铝制桩和木制桩进行承载性状模型试验，分析了桩侧摩阻力“折减”的原因；周建等[15-16]对砂土中群桩和单桩进行模型试验，分析了群桩桩土的宏观特性以及研究了不同桩径、不同土体密实度对单桩随沉降发挥性状的影响；孟庆山等[17]考虑不同埋深、砂土颗粒级配等影响因素，分析了轴力、侧摩阻力、端阻力等与桩基埋深、桩周砂土特性等因素的关系；赵春风等[18-19]研究了砂土中组合荷载作用下，模型桩的单桩承载特性；雷金波等[20]通过室内模型试验的方法，对带帽有孔管桩的承载机制进行了研究;王俊炜等[21]对不同闭口阶梯型变截面和等截面管桩进行单桩静载试验，对比研究不同截面形式荷载与沉降的关系。

目前，室内试验研究大多在砂土中进行，而在黏性土中同时对开口桩和闭口桩的承载特性研究有待深入。另模型试验中研究开口管桩承载特性的较少，目前还没有专门针对开口管桩内侧摩阻力在承载特性中的发挥展开研究。鉴于此，本文对黏性土中的双壁开口桩和闭口桩的承载性状进行室内模型对比试验研究。

1 试验概况

1.1 土样制备

试验用土选择某工程场地地基的粉质黏土层，采用人工与机器相结合的方法，将3 000 mm×3 000 mm×2 000 mm模型箱中的土样分层振实均匀。静置大约30 d后进行压桩试验。根据《土工试验方法标准》(GB/T 50123—1999)[22]测定模型箱中土样的物理力学参数，具体参数如表1所示，土样实物如图1所示。

表1 土样物理力学参数Tab.1 Physical and mechanical parameters of soil samples

图1 土样

Fig.1 Soil sample

1.2 传感器安装

由于试验模型管桩桩端的受力较大，FBG传感器均沿管桩桩身方向安装，总体呈下密上疏分布，从桩端到桩顶传感器编号依次为1～6号，从距桩端50 mm处开始布置第1个传感器，其余传感器距离桩端依次为100，200，400，600，900 mm，其中开口管桩T1内外管传感器位置相同，模型桩传感器安装示意图如图2所示。FBG传感器的FC接头与解调仪的接线口连接前应使用酒精和

图2 传感器安装示意图Fig.2 Schematic diagram of sensor layout

棉球擦洗干净，以保证数据测量的准确性。

2 试 验

本次试验选用1根开口和1根闭口的模型桩，编号为T1,T2，根据相似比理论确定管桩的具体参数如表2所示。模型桩为双壁铝制管桩，试桩内外壁均通过内六角螺栓相连。开口桩端处内管与底座之间有微小缝隙，用密封胶填充密封。

表2 管桩参数Tab.2 Parameters of pipe piles

试验设计最外侧的桩距模型箱侧壁900 mm(6.5D)，桩端距模型箱底部700 mm(5D)，因此,本次试验不考虑边界效应。静载试验开始前,桩身有100 mm未入土，试验测得深度为850 mm范围的数据信息。静载试验采用反力梁加载体系，按照《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)[23]的相关规定，试验采用分级且逐级等量加载的方式，首级加载量为1.4 kN，每级加载量为0.7 kN，当桩顶沉降量相对稳定时施加下一级荷载，每级荷载保持1 h。当某一级荷载下管桩沉降量超过前一级的2倍且长时间未达到相对稳定状态，可停止加载，结束试验。试桩T1，T2的最大加载值分别为7.0,7.7 kN。试验过程中测量内容主要包括荷载-沉降曲线(Q-s曲线)、桩身轴力、桩侧摩阻力，其中Q-s曲线直接由伺服加载系统直接测量，并可通过电脑显示屏直接观看，无需使用静载试验主机以及在桩侧安装位移传感器；桩侧摩阻力由桩身轴力计算得到。试验现场如图3所示。

本试验采用MPS-XS-1000mm-A2∶2拉线位移计测量土塞高度，并用XSR21R无纸记录仪记录拉线位移计的数据。

3 结果与分析

3.1 Q-s曲线分析

根据试验结果，绘制出2根试桩静载试验的Q-s曲线，如图4所示。

图3 试验现场Fig.3 Test field

图4 Q-s曲线Fig.4 Curves of Q-s

由图4可以看出：试桩T1和T2的Q-s曲线均呈陡降型，曲线形式大致可以分为3个阶段：当桩顶荷载由0增加到3.5 kN时，试桩T1和T2的Q-s曲线均近似直线，荷载与沉降基本呈线性关系，此阶段桩侧摩阻力开始发挥作用；试桩T1桩顶荷载由3.5 kN增加到5.6 kN、试桩T2桩顶荷载增加到6.3 kN时，两试桩的Q-s曲线表现为非线性，沉降速率增大，此阶段桩侧摩阻力发挥较充分；在最后两级荷载作用下，两试桩的Q-s曲线出现陡降，此阶段桩周土进入屈服状态。试桩T1先于T2出现陡降段的原因是试桩T1为开口桩，在静载过程中桩壁会继续铲土，荷载较大时沉降量也较大。

试桩T1的荷载为7.0 kN时，桩顶沉降量为47.72 mm；试桩T2的荷载为7.7 kN时，桩顶沉降量为43.24 mm，在此荷载作用下两试桩的桩顶沉降量均超过40 mm，并且均高于前一级荷载对应沉降量的2倍且未能达到稳定，可终止试验。按照规范[23]规定，确定试桩T1与T2的单桩竖向抗压极限承载力分别为6.3,7.3 kN。

3.2 桩身轴力分布规律

试桩T1为开口桩，由于土塞作用内管应力也发生变化，根据试验结果，整理得到试桩T1的内管桩身轴力如图5所示，试桩T1和T2外管桩身轴力的分布曲线，如图6所示。

由图5可以看出：试桩T1的内管轴力在深度500 mm以下才出现变化，这是因为土塞作用引起内管轴力变化，在土塞高度范围内有1～3号FBG传感器，4～6号传感器位于土塞上方，所以只有1～3号传感器范围内在静载试验过程中需克服侧摩阻力。从图5可以看出：在每级桩顶荷载作用下试桩T1的内管轴力在土塞范围内从上到下逐渐递减。这是因为轴力在沿桩身传递过程中一部分力被土塞产生的摩阻力抵消；另外，轴力分布曲线斜率逐渐减小，这表明侧摩阻力沿桩身自上而下逐渐发挥。桩顶荷载较小时，桩端处的轴力值与桩顶轴力值相差不大，桩身轴力的减小幅度较小，表明侧摩阻力发挥程度较小；随着桩顶荷载增加，桩身轴力的减小幅度也逐渐增加，说明随着桩顶荷载的增大桩侧摩阻力发挥程度逐渐增大。

从图6可以看出：尽管两试桩的加载级数、桩端形式不同，但两者的轴力变化规律相似，其原因是桩侧摩阻力沿桩身自上而下逐渐发挥，在各级荷载作用下，管桩产生的弹性变形引起桩-土相对位移，从而产生向上的桩侧摩阻力，抵消一部分轴力，致使桩身轴力随着深度沿桩身逐渐递减。另一方面，同一深度处随着荷载增加桩身轴力减小的幅度呈增大趋势，从而说明桩侧摩阻力随着荷载的增大逐渐减少。

由图6还可以看出：在同一土层、同一级荷载作用下，与试桩T2相比，试桩T1外管的桩身轴力较小，T2比T1大24.2%～102.7%。其原因是，开口管桩不仅外管产生桩侧摩阻力，内管在土塞范围内也产生侧摩阻力，致使开口管桩的外管桩身轴力较小。

3.3 桩侧单位摩阻力分布规律

根据图5中试桩T1内管的桩身轴力分布曲线，计算两相邻传感器轴力差值并结合桩身截面尺寸，可得到相邻断面之间土层的桩侧单位摩阻力值，如图7所示。

图7 试桩T1内管桩侧单位摩阻力分布Fig.7 Distribution of side unit frictional resistance of the inner tube of test pile T1

从图7可知：试桩T1内管的侧摩阻力，在每级荷载作用下，桩侧摩阻力在土塞范围内沿桩身向下逐渐增大，且增量不均匀。究其原因，越靠近桩端土塞提供的侧压力越大，使桩-土之间的接触越紧密，在土塞发生微小变形时的静摩擦阻力越大，故内管越靠近桩端桩侧摩阻力越大。

还可以看出，同一深度处的桩侧摩阻力随着荷载的增加逐渐增大，但在上部土层中增大的幅度越来越小，在较大荷载作用下约600 mm处的桩侧摩阻力基本趋于稳定。这主要是因为桩侧摩阻力自上而下逐渐发挥，且随着荷载增加内管侧摩阻力增大，当荷载较大时，上部土层的桩侧摩阻力首先发挥到极限。

根据图6试桩T1和T2外管轴力分布，可计算得到两试桩的外管桩侧单位摩阻力沿桩身的变化分布，如图8所示。

图8 外管桩侧单位摩阻力分布Fig.8 Distribution of side unit friction resistance of the outer tube

桩侧摩阻力的大小与桩-土间相对位移、桩侧径向压力以及桩周土的性质等密切相关。当桩顶荷载较小时，桩侧摩阻力较小；但随着荷载逐级增加，桩侧摩阻力也随之增大且增幅逐渐降低，且当荷载达到一定值后，桩侧摩阻力逐渐趋于稳定，数值基本不变。

从图8可以发现，试桩T1和T2的桩侧摩阻力分布规律相近，同一深度处的桩侧摩阻力随桩顶荷载的增加逐渐增大，这是因为桩侧摩阻力随着荷载增大而逐渐减小。当试桩T1桩顶荷载小于7.0 kN，试桩T2小于7.7 kN时，桩侧摩阻力沿深度先增大后减小，说明桩侧摩阻力自上而下逐渐减小；随着荷载增加下部土层桩侧摩阻力逐渐增大，当试桩T1桩顶荷载达到7.0 kN时，试桩T2达到7.7 kN时，桩侧摩阻力沿桩身一直呈增大趋势，两试桩的最大桩侧摩阻力分别为8.27，6.85 kPa。这是因为当桩顶荷载较小时，中上部土层的桩侧摩阻力先于下部土层发挥；随着桩顶荷载增加，下部土层的桩侧摩阻力不断发挥出来；当最大桩顶荷载作用时，试桩M1、M2桩顶沉降均达到40 mm以上，下部土层的桩侧摩阻力发挥较充分，以致桩侧摩阻力沿桩身呈继续增大的趋势。

从图8还可知：随着桩顶荷载增大，距桩顶约150 mm处的桩侧摩阻力增大的幅度逐渐减小，试桩T1在桩顶荷载达到5.6，6.3，7.0 kN，试桩T2达到5.6，6.3，7.0，7.7 kN时，该处的桩侧摩阻力基本不变。究其原因，桩顶荷载较小时管桩上部发生变形使得上部土体的土层先减小；在较大荷载作用下上部土层的桩侧摩阻力首先达到极限，致使此处的桩侧摩阻力基本趋于稳定。

3.4 桩端阻力分布规律

根据图6的轴力分布，可计算得到两试桩各级荷载下桩端阻力占桩顶荷载的百分比，如表3所示。

表3 试桩T1，T2桩端阻力分担比Tab.3 Resistance sharing ratio of test pile T1 and T2 pile end

注“/”表示荷载没有加载到7.7 kN

表3中的数据表明试桩T1和T2的桩端阻力随着荷载增加而不断减小，数值逐渐增大。在最大荷载作用下试桩T1的桩端阻力占比为65.1%，试桩T2的桩端阻力占比为72.3%，表明桩端阻力承担了大部分荷载，桩侧摩阻力占桩顶荷载的较小部分，呈现出较好的端承桩特性。还可以看出：在相同荷载荷载作用下，T1桩端阻力的占比都小于T2桩端阻力的占比，其原因是T1为开口桩，其桩端阻力主要依靠土塞的作用，静载过程中使原来闭塞的土塞又产生滑动，致使桩端阻力占桩顶荷载比例较小。桩端阻力随桩顶沉降变化曲线如图9所示。

图9 桩端阻力随桩顶沉降变化曲线Fig.9 Curves of pile end resistance with displacement of pile top

由图9可以看出：当桩顶沉降小于5 mm，桩端阻力随着桩顶沉降的增大而增大的速率较快；当桩顶沉降超过5 mm时，桩端阻力增大的速率较缓；随着桩顶沉降的继续增大，桩端阻力逐渐趋于稳定。究其原因，桩顶沉降小，说明桩-土之间的相对沉降以及桩的变形量较小，此时桩侧摩阻力先发挥作用，但由于模型箱中的地基土为黏性土，其产生的桩侧摩阻力较小，对桩端阻力发挥的限制较小，致使桩端阻力增大的速率较快；随着桩-土之间的相对沉降以及桩变形量增大，桩侧摩阻力逐渐增大，限制了桩端阻力的发挥，导致桩端阻力增大速率变缓，并趋于稳定。

4 结 论

(1)桩顶沉降随着桩顶荷载的增大呈增大趋势，试桩T1和T2的Q-s曲线均呈陡降型，两试桩的最大沉降量分别为47.72,43.24 mm，两试桩的单桩竖向抗压极限承载力分别为6.3,7.3 kN。

(2)开口桩内管桩身轴力在土塞范围内随着深度增加逐渐减小；开口和闭口桩外管桩身轴力，随着深度增加递减，且随着荷载增大，减小的速率增大。同一深度处，随着桩顶荷载的增加内外管桩身轴力逐渐增大。闭口桩外管桩身轴力比开口桩外管桩身轴力大的幅值为24.2%～102.7%。

(3)试桩T1内管桩侧摩阻力在土塞范围内随着深度增大逐渐增大，试桩T1和T2桩顶荷载分别小于7.0，7.7 kN时，外管桩侧摩阻力均呈先增大后减小趋势；当两试桩桩顶荷载分别达到7.0，7.7 kN时，呈逐渐增大趋势。

(4)在各级荷载作用下桩端阻力始终发挥主要作用，试桩T1桩端阻力的占比为53.6%～65.1%，试桩T2桩端阻力的占比为55.7%～72.3%。在相同荷载作用下，闭口管桩的桩端阻力占比高于开口管桩的桩端阻力。