开孔管桩真空固结提高承载力模型试验

doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.07.007

开孔管桩真空固结提高承载力模型试验

唐晓武^,, 邹渊, 林维康, 赵文芳, 王天琦

1. 浙江大学滨海和城市岩土工程研究中心，浙江杭州 310058

2. 浙江省城市地下空间开发工程技术研究中心，浙江杭州 310058

Model experiment on improving bearing capacity of perforated pipe piles by vacuum consolidation

TANG Xiao-wu^,, ZOU Yuan, LIN Wei-kang, ZHAO Wen-fang, WANG Tian-qi

1. Research Center of Coastal and Urban Geotechnical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310058, China

2. Engineering Research Center of Urban Underground Development of Zhejiang Province, Hangzhou 310058, China

收稿日期: 2021-07-6

基金资助:

国家自然科学基金资助项目(51779218)；浙江省水利科技计划资助项目(RB2027)

Received: 2021-07-6

Fund supported:

国家自然科学基金资助项目(51779218)；浙江省水利科技计划资助项目(RB2027)

作者简介 About authors

唐晓武（1966—），男，教授，博导，从事软土地基处理、土工合成材料及土遗址保护的研究.orcid.org/0000-0002-0916-8761.E-mail：tangxiaowu@zju.edu.cn , E-mail：tangxiaowu@zju.edu.cn

摘要

为了研究桩基承载力的增长程度、桩周土的抗剪强度和含水率变化规律、桩周土排水量，开展真空固结模型试验，得到模型桩的Q-s曲线、桩周土的十字板强度和含水率的分布规律、排水量随时间的增长曲线. 结果表明，在该试验条件下，开孔管桩真空固结技术可以使桩基承载力提高2.7倍，使桩周形成厚4.5 cm、较高抗剪强度、较低含水率的致密层. 研究桩身开孔布置的影响，得出桩基承载力的增长程度受开孔层间距的影响较大，受孔径的影响很小.

关键词： 开孔管桩 ; 真空固结 ; 承载力 ; 黏土

Abstract

Vacuum consolidation model tests were conducted in order to analyze the growth degree in bearing capacity of pile foundation, the variation of shear strength and water content of soil around the pile, as well as the water discharge of surrounding soil. The Q-s curves of model piles and the distributions of vane shear strength and water content of soil around piles, and curves of water drainage with time were obtained. Results show that the vacuum consolidation technology can increase the bearing capacity of pile foundation by 2.7 times under the conditions of the tests, and form a dense layer around the pile, which is 4.5 cm thick with relatively high shear strength and relatively low water content. The influence of holes layout was analyzed. The bearing capacity of pile foundation was greatly affected by the spacing of hole layers, but little affected by dimension of holes.

Keywords： perforated pipe pile ; vacuum consolidation ; bearing capacity ; clay

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本文引用格式

唐晓武, 邹渊, 林维康, 赵文芳, 王天琦. 开孔管桩真空固结提高承载力模型试验. 浙江大学学报(工学版)[J], 2022, 56(7): 1320-1327 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.07.007

TANG Xiao-wu, ZOU Yuan, LIN Wei-kang, ZHAO Wen-fang, WANG Tian-qi. Model experiment on improving bearing capacity of perforated pipe piles by vacuum consolidation. Journal of Zhejiang University(Engineering Science)[J], 2022, 56(7): 1320-1327 doi:10.3785/j.issn.1008-973X.2022.07.007

软黏土地基含水率高，抗剪强度低，压缩性高，广泛存在于长三角和珠三角等滨海地区. 在进行公路、铁路、建筑物等基础设施建设时，对软黏土地基进行处理加固. 当地基的沉降要求较高时，常采用桩基础加固. 对于须预处理、然后打设桩基的地基情况，传统工法^[1-2]在打设桩体前，采用真空预压法处理软黏土地基，该工法的工期较长. 关于提高桩基承载力，宋义仲等^[3-4]提出，将管桩插入初凝水泥土搅拌桩，形成管桩水泥土复合桩，开展承载性能试验，李俊才等^[5-6]研究该复合桩的荷载传递规律. 关于减弱桩体打入时的孔压响应和挤土效应，刘汉龙^[7]提出将排水板置于刚性桩凹槽内形成排水刚性桩，杨耀辉等^[8-9]研究单桩和群桩的抗液化性能，江强等^[10]通过现场试验研究沉桩挤土效应，Wang等^[11]研究桩周土固结解析解. 上述研究无法兼顾提高桩基承载力和减弱桩体打入时的挤土效应.

唐晓武等^[12-14]提出能排水并增大摩阻力的开孔管桩，研究开孔管桩动孔压消散特性和复合地基排水固结解析解. 黄勇等^[15-17]指出开孔管桩能够有效地加速桩周超静孔隙水压力消散，减弱沉桩挤土效应对周围环境的不利影响. 陈科林等^[18]研究桩身开孔对桩体极限承载力的折减情况，Ni等^[19]研究钢筋混凝土开孔管桩的抗压和抗弯性能，表明桩身开孔会削弱桩体强度. 乐腾胜等^[20]通过室内试验得出，在自然排水条件下双向对穿开孔管桩的桩侧摩阻力最大. 开孔管桩是可以提高桩基承载力并减弱挤土效应的方法，但上述关于开孔管桩的研究未实现土水分离，开孔处易淤堵，孔隙水的排出速率有限.

综上所述，目前尚未有学者利用真空固结^[21-24]提高管桩承载力，关于开孔管桩的研究未实现土水分离. 开孔管桩真空固结技术的基本原理是将开孔管桩作为竖向排水体，在开孔处覆盖滤膜，实现土水分离，桩周土孔隙水在负压力作用下透过滤膜，经桩身开孔进入管桩内部后排出，抽真空结束后，开孔管桩作为工程桩使用. 利用该技术可以加速桩周土固结，增强地基抗剪强度，使得桩周形成致密层，提高管桩承载力. 开孔管桩桩体不易变形，内部空间大，真空度沿深度传递时基本不衰减. 开孔处滤膜可以实现土水分离，防止淤堵. 地基排水固结和管桩打设一体化施工，可以缩短工期. 地基固结前土质较软，此时打设桩体可以减弱挤土效应. 利用该技术，可在较短时间内提高深度约为10 m的软黏土地基中桩基承载力，可以应用于占地面积大、施工周期短的软黏土地基处理，如滨海软黏土地区的物流中心、保税仓库、工业厂房等.

本文采用模型试验方法研究开孔管桩真空固结技术，探究桩基承载力的增长程度、桩周土的抗剪强度和含水率（=土中水的质量/干土质量×100%）变化规律、桩周土排水量，研究开孔布置（层间距、孔径）对桩基承载力的影响. 作为该技术系统研究的前期工作，模型试验和实际工程之间存在较大的差距，须在模型试验的基础上开展数值计算和现场足尺试验.

1. 模型试验

1.1. 试验装置

试验装置由模型桶、水气分离装置、真空泵组成，如图1、2所示. 模型桶采用不锈钢圆桶，内径为40 cm，高度为70 cm，壁厚为3 mm. 塑料软管自管桩底部连到水气分离瓶左侧瓶口，中间瓶口连接真空压力表，右侧瓶口连接真空泵，各接口用橡皮塞和胶水密封. 为了防止土塞，模型桩底使用桩帽封底. 真空泵型号为SHZ-D(III) 循环水式多用真空泵，功率为180 W，最大真空度为98 kPa.

图 1

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图 1 真空固结装置的示意图

Fig.1 Schematic diagram of vaccum consolidation device

图 2

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图 2 真空固结装置的实物图

Fig.2 Physical picture of vaccum consolidation device

为了实现土水分离，在桩身开孔处覆盖滤膜（无纺土工布）. 在实际工程中，选用强度高的长丝土工织物作为滤膜，可以通过金属卡扣安装；开孔管桩真空固结技术适用于软黏土的地基，对滤膜造成的破坏性较小. 遇到破坏性较大的地基，如砾石层，可以在桩身开设浅凹槽后安装滤膜，减小桩体打入时对滤膜的冲击力.

1.2. 试验准备

1.2.1. 模型桩

为了模拟C60混凝土开孔管桩（原型桩长为12 m、外径为 800 mm、壁厚为90 mm），设定几何尺寸相似比为20. 模型桩尺寸如下：桩长为600 mm，外径为40 mm，壁厚为4.5 mm. 为了后续方便测试桩基承载力，桩长延伸50 mm作为自由段，总桩长为650 mm. C60混凝土的弹性模量为35 GPa，模型桩PPR材料的弹性模量为1 GPa，因此桩体模量相似比为35. 试验土样取自基坑施工现场，土体强度相似比为1. 模型桩环向开孔数目均为4个，双向正交对穿.

为了研究桩基承载力的增长程度、桩周土强度和含水率变化规律、桩周土排水量，开展开孔管桩真空固结试验，设置无孔管桩作为对照，记为试验组Ⅰ（编号为P0、P1），实物图如图3所示. 研究开孔布置（层间距、孔径）对桩基承载力的影响. 改变开孔排数控制层间距，记为试验组Ⅱ（编号为P2~P6）；改变孔径，记为试验组Ⅲ（编号为P7~P9）. 各试验组的模型桩开孔参数如表1所示，P1和P4桩身开孔参数相同，抽真空时间不同.

表 1 模型桩的开孔参数

Tab.1 Parameters of holes in model piles

试验组	模型桩	开孔参数
试验组	模型桩	排数	孔径/mm	层间距/cm
Ⅰ	P0	—	无孔	—
Ⅰ	P1	7	7	7.5
Ⅱ	P2	3	7	15
Ⅱ	P3	5	7	10
Ⅱ	P4	7	7	7.5
Ⅱ	P5	9	7	6
Ⅱ	P6	11	7	5
Ⅲ	P7	5	5	10
Ⅲ	P8	5	7	10
Ⅲ	P9	5	9	10

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图 3

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图 3 模型桩（试验组Ⅰ）

Fig.3 Model piles in test group Ⅰ

1.2.2. 试验土样

软黏土取自浙江省杭州市余杭区某施工场地，深度为10 m，原状土含水率为54.52%. 为了提高土样饱和度和保证土样均匀，加适量清水充分搅拌，制成含水率为60%的均质重塑土样，基本的物理参数如表2所示. 表中，w_w 为含水率，G_s 为土粒相对密度，γ 为重度，e 为孔隙比，S_r 为饱和度，w_L、w_p 分别为液限和塑限，k 为渗透系数. 通过固结压缩试验得到土样的 e- 有效应力 p 曲线，如图4所示. 压缩系数 $ \text{}{{a}}_{\text{1-2}}=\text{1.1 MPa}^{-1} $，属于高压缩性土. 土样装填时在深度为0、35、70 cm的位置取样，测得初始平均含水率在59.41%~60.57%窄幅波动，表明试验土样均匀.

表 2 土样的基本物理参数

Tab.2 Basic physical parameters of soil sample

参数	数值	参数	数值
w_w /%	59.68	S_r /%	98.4
G_s	2.69	w_L /%	49.2
γ/(kN·m⁻³)	16.3	w_p /%	27.1
e	1.64	k/(cm·s⁻¹)	1.4×10⁻⁷

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图 4

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图 4 土样的e-p曲线

Fig.4 e-p curve of soil sample

1.2.3. 抽真空时间

研究开孔管桩真空固结后桩基承载力的增长程度，须长时间真空固结，使承载力达到最大值. 模型桩P1真空固结600 h，排水量随抽真空时间的变化曲线如图5所示. 图中，V 为排水量，t_v 为抽真空时间. 初始阶段排水速率快；48 h后，排水量稳定为160 mL/d；288 h后，桩周土变密，且自由孔隙水减少，排水速率逐渐降低；600 h时，排水量仅为20 mL/d. 排水量曲线逐渐趋于平稳.

图 5

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图 5 模型桩P1排水量随抽真空时间的变化曲线

Fig.5 Curve of water discharge with vacuum time in model pile P1

为了计算真空固结后桩周土的固结度，开展室内固结压缩试验. 固结压缩试样（初始高度为20 mm，含水率为60%，初始孔隙比为1.63）在100 kPa荷载作用下固结完成后，孔隙比减小为1.12，最终沉降为3.87 mm. 待桩周土真空固结完成后，在距桩壁4.5 cm、深度为15、30、45 cm 的3处用环刀取样，测得密度平均值为1.73 g/cm³，采用烘干法测得平均含水率为45%. 已知土粒相对密度为2.69，可得孔隙比从初始值1.63减小为1.24，初始高度为20 mm的土样经真空固结后的沉降为2.97 mm，该值除以100 kPa荷载作用下的最终沉降（3.87 mm），得到距桩壁4.5 cm的土体经真空固结后的固结度为76.7%. 综上所述，结合排水量曲线逐渐趋于平稳，认为桩基承载力已基本接近最大值，设定试验组Ⅰ抽真空600 h，其中无孔桩P0静置相同时间.

当研究开孔层间距和孔径的影响时，抽真空时间保持相同. 试验表明，抽真空136 h可以达到试验目的. 为了缩短试验周期，减小水分蒸发对试验的影响，设定试验组Ⅱ和Ⅲ的抽真空时间均为136 h.

1.3. 试验方案

1.3.1. 试验过程

1）将模型桩竖直压入模型桶中心位置，覆盖密封膜以防止水分蒸发，连通试验装置. 开启真空泵后，真空度快速提高，随后一直稳定在98 kPa. 在抽真空时间达到各试验组设定时间后，关闭真空装置. 2）采用慢速维持荷载法^[25]测定竖向承载力，如图6所示. 用重25 N 砝码逐级等量加载，无孔模型桩的承载力很小，每级加载砝码降至12.5 N，桩顶沉降使用精度为0.001 mm的位移计监测. 3）在单桩静荷载试验完成后，先进行十字板剪切试验，再进行含水率取样.

图 6

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图 6 单桩静荷载试验的加载阶段

Fig.6 Loading stage of single pile static load test

1.3.2. 测点布置

测点平面布置和剖面布置如图7所示. 在模型桩P4真空固结完成后，剖面2-2的桩周土平均十字板强度比3-3小7.7%，基本一致. 选取剖面2-2，测定十字板强度和含水率（分别位于剖面1-1左侧和右侧）. 模型试验的优势在于将土体一层层扒开，取样后测定内部土体参数.

图 7

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图 7 十字板强度和含水率的测点布置

Fig.7 Test points arrangement of vane shear strength and water content

含水率测点如下：深度为0 ~70 cm，间距为10 cm，共8个测点，从上到下编号为1~8；径向在桩壁和桶壁之间等间距设置5个测点，间距为3 cm，从桩壁到桶壁编号为F、G、H、J、K. 测点较近，为了避免取样时测点之间的相互影响，调整测试次序. 先进行E、H、K列取样，三者间距较大，不会相互影响；再进行B、D取样作为补充数据，保证数据的准确性.

十字板强度测点：十字板头高4 cm，表面和底面不便测量，故测点深度为10~60 cm，间距为10 cm，共6个测点，从上到下编号为2~7. 径向在桩壁和桶壁之间等间距设置5个测点，间距为3 cm，从桶壁到桩壁编号为A、B、C、D、E. 为了保证数据的准确性，采用类似含水率测点调整测试次序的方法.

2. 试验结果与分析

2.1. Q-s曲线

在试验组Ⅰ中，模型桩P0和P1的荷载Q-沉降s曲线如图8所示. P2桩周土测点F₂~F₆的平均含水率为53.96%，与原状土含水率（54.52%）相当，P2承载力作为参照值，Q-s曲线如图8所示. Q-s曲线均出现明显的拐点，呈陡降型变化. 根据《JGJ 106-2014建筑基桩技术规范》^[25]，将Q-s曲线陡降段起点对应的荷载作为极限承载力. P0承载力极小，仅为25 N，P2承载力为150 N，P1承载力达到550 N. 利用开孔管桩真空固结技术，可以将软黏土中单桩的承载力从25 N提高到550 N，较原状土中的管桩（P2）增长了2.7倍. 分析承载力增长的原因可知，一方面是由于真空负压力对桩周土的吸密作用，土体中细颗粒随孔隙水渗流逐渐向桩壁附近聚拢，逐渐在桩周形成致密层，起到扩展桩径、扩大摩擦面、增强界面摩擦的作用. 另一方面是由于孔隙水在真空负压力作用下逐渐排出，地基土的固结速率加快, 地基抗剪强度提高.

图 8

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图 8 试验组Ⅰ模型桩的Q-s曲线

Fig.8 Q-s curve of model piles in test group Ⅰ

在试验组Ⅱ中，各模型桩的Q-s曲线如图9(a)所示. P2~P6的承载力分别为150、225、325、350、375 N，承载力随着开孔排数的增多而增大. 从P4、P5、P6承载力较接近可知，在开孔排数达到7后，对承载力的影响程度减弱. 这是因为当开孔排数很大时，层间距很小，相邻2排开孔的负压力影响范围重叠，重叠区域的作用效果并非几何相加. 针对该模型试验，7.5 cm层间距是桩周土固结效果和开孔削弱桩身强度的较好平衡点.

图 9

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图 9 试验组Ⅱ和Ⅲ各模型桩的Q-s曲线

Fig.9 Q-s curve of model piles in test group Ⅱ and Ⅲ

在试验组Ⅲ中，P7~P9的承载力分别为225、225、250 N，Q-s曲线的变化规律基本一致，如图9(b)所示. 可知，孔径对管桩承载力的影响很小，较小的开孔可以传递真空负压力，提供孔隙水的渗流通道.

2.2. 十字板强度

采用SZB-1.0型便携式十字板剪切仪，十字板头尺寸为2 cm× 4 cm（直径×高度），十字板强度测试范围为0.1~130 kPa.

在试验组Ⅰ中，模型桩P0桩周土的十字板强度平均值为2.4 kPa，较初始强度（2.1 kPa）无明显变化. P1桩周土不同位置的十字板强度如图10所示，较P0显著增强，在核心影响区域（深度为10~50 cm）内, 距桩壁相同距离的条件下，十字板强度τ随着深度d略微增大，可知不同深度土体的固结效果基本一致. P1桩周土E列测点的十字板强度较P0增大了6.7倍，A~D列测点的十字板强度依次增加了2~5倍，表明强度的增长程度与距桩壁距离有关，距桩壁越远，抗剪强度的增长程度越低. A列测点的十字板强度增强至7 kPa左右，表明真空负压力的径向影响范围距桩壁可以大于15 cm. 测点E₂~E₆和D₂~D₆的平均抗剪强度分别为21.9、13.9 kPa, 可知桩周形成了厚约4.5 cm、抗剪强度较高（17.9 kPa）的致密层. E列测点中E₇十字板强度较上部测点急剧减小，是因为位于桩底，附近无开孔传递真空负压力.

图 10

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图 10 模型桩P1桩周土不同位置的十字板强度

Fig.10 Distribution of vane shear strength of soil around model pile P1

在试验组Ⅱ中，各模型桩E列测点的十字板强度如图11(a)所示. 抗剪强度随着开孔排数的增多而增强. P2和P3的抗剪强度较小，P4居中，P5和P6的抗剪强度较大且接近. 3排和5排开孔对应的层间距偏大，导致桩周土的固结效果不佳；当开孔排数达到9及以上时，层间距不会继续显著影响桩周土抗剪强度.

图 11

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图 11 试验组Ⅱ和Ⅲ中E列测点的十字板强度

Fig.11 Vane shear strength of column E test points in test group Ⅱ and Ⅲ

在试验组Ⅲ中，各模型桩E列测点的十字板强度如图11(b)所示. P7~P9桩周土测点E₂~E₆的平均十字板强度分别为7.76、7.82、8.22 kPa，三者基本一致，表明桩周土十字板强度不会随桩身开孔的孔径改变而显著变化.

2.3. 桩周土含水率

在试验组Ⅰ中，模型桩P0桩周土的平均含水率为59.21%，较初始含水率没有明显变化. P1桩周土的含水率如图12所示（点划线表示初始含水率），不同位置的含水率均明显降低. 在真空负压力核心影响区域内（深度为10~50 cm）, 在距桩壁相同距离的条件下，含水率基本不随深度变化；在相同深度的条件下，含水率随着距桩壁距离的增大而增大. K列测点含水率降低至约55%，表明真空负压力的径向影响范围可达4倍桩径以上. 测点F₂~F₆和G₂~G₆的平均含水率分别为44.13%、47.64%，较P0降低了15.08%、11.88%，桩周形成了厚约4.5 cm的较低含水率（45%）致密层. 表面测点的含水率较小，是由于试验周期较长，水分蒸发所致. 桶底两排测点的含水率较大，是由于附近无桩身开孔. K列测点中K₂和K₃的含水率较下部测点小，是由于土体在真空固结过程中收缩，上部区域与桶壁脱开后与空气接触，水分蒸发加快.

图 12

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图 12 模型桩P1桩周土不同位置含水率

Fig.12 Distribution of water content of soil around model pile P1

王军等^[22]开展普通排水板和防淤堵排水板的真空预压试验，得到加固后土体的含水率. 靠近排水板的表层土体含水率降低至49%（普通）和41%（防淤堵），真空度沿深度的衰减使得土体加固效果沿深度逐渐变差. 利用开孔管桩真空固结技术，可以将桩周土含水率降低至44%. 通过对比可知，该技术对软黏土地基的处理效果优于普通排水板，略低于防淤堵排水板. 桩周土的上部和下部含水率基本一致，表明管桩内部的较大空间可以克服排水板真空度沿深度衰减的问题，使得土体上部和下部获得相同的加固效果.

在试验组Ⅱ中，各模型桩F列测点的含水率如图13(a)所示. 在核心影响区域内，模型桩 P2桩周土测点 F₂~F₆的平均含水率为53.96%，P3~P6桩周土测点F₂~F₆的含水率均在46.0%附近波动. P2的开孔层间距过大，使得桩周土的固结效果变差. 当开孔排数为5及以上时，靠近桩壁处土体含水率的降低程度基本一致.

图 13

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图 13 试验组Ⅱ和Ⅲ中F列测点的含水率

Fig.13 Water content of columnF test points in test group Ⅱ and Ⅲ

在试验组Ⅲ中，各模型桩F列测点的含水率如图13(b)所示. P7~P9桩周土测点F₂~F₆的平均含水率分别为45.79%、45.85%、45.96%，三者基本相等，表明孔径对桩周土含水率的影响很小.

3. 结　论

（1）利用开孔管桩真空固结技术处理含水率较高的软黏土地基，可以加快地基排水固结，增强地基抗剪强度以及真空负压力对桩周土的吸密作用，将管桩竖向承载力从150 N提高至550 N，提高了2.7倍.

（2）真空负压力在桩周土的径向影响范围可达4倍桩径以上，使桩周形成厚约4.5 cm、抗剪强度较高（17.9 kPa）、含水率较低（45%）的致密层，起到扩展桩径、扩大摩擦面、增强界面摩擦的作用.

（3）桩基承载力和桩周土固结效果随着开孔层间距的减小而增强，当层间距小于7.5 cm时，影响程度逐渐减弱. 桩身开孔作为传递真空负压力和桩周土孔隙水排出的通道，开孔孔径对桩基承载力和桩周土固结效果的影响很小.

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

[1]

刘松玉, 周建, 章定文, 等

地基处理技术进展

[J]. 土木工程学报, 2020, 53 (4): 93- 110