0 引言

目前，静压桩桩土界面的研究已成为诸多学者研究的焦点。诸多学者通过开展室内模型试验以及数值模拟试验，对静压桩在均质土层中的沉桩机理有了新的认识并取得了诸多成果^[1-3]。郑华茂^[4]将微型土压力计镶嵌到模型桩壁上，并将模型桩静力压入砂土地基中，通过室内沉桩试验研究了沉桩过程中桩侧土压力的变化规律。李雨浓等^[5]采用离心机压桩系统开展了1g重力场下的室内沉桩试验，在模型桩上嵌入式安装土压力传感器和桩端传感器，研究了均质黏性土中沉桩过程贯入阻力和桩端阻力的变化规律，探讨径向土压力在沉桩过程中的分布特征。张宇超等^[6]开展了室内模型试验，研究了砂土中沉桩过程引起的径向土压力变化规律，并且发现锤击沉桩和静压沉桩引起的变化规律相似。陆烨等^[7]通过室内模型试验研究了砂土中静压桩的沉桩过程，并基于DIC(digital image correlation)技术分析了桩周土体位移以及土压力的变化规律。李林等^[8]通过室内离心模型试验，研究了黏性土中静压沉桩过程中桩侧土压力的变化规律，结果表明, 沉桩过程中桩侧土压力随桩的入土深度呈线性增加的关系。通过以上研究分析可以看出，众多学者对均质土层中沉桩过程桩侧土压力的特性进行了探讨，分析了砂土、均质黏土中桩侧土压力的变化规律，但由于试验仅限于特定土层中进行，一般只能揭示均质土层中的变化规律^[9-10]。

近年来，岩土学术界的学者们逐渐开展了对层状土中静压桩沉桩过程桩侧土压力的理论研究。Hwang等^[11]通过在桩周土体中埋设传感器，在贯入足尺桩的过程中监测桩周土压力值的变化，发现桩周土压力的变化与桩的贯入过程密切相关。唐世栋等^[12]通过在现场距桩身不同间距处以及不同深度处埋设土压力盒，监测沉桩过程中引起的桩侧土压力，发现桩侧土压力都随距离增大呈对数形式衰减。张忠苗等^[13]为研究静压预制开口管桩对桩侧土压力的影响，在试验场地内和防挤沟两侧埋设土压力盒进行监测，试验结果表明在沉桩过程中桩周土体的径向土压力呈先增大后减小的趋势，并随着深度的增加，沉桩过程对桩侧土压力的影向越来越大。Doherty等^[14]通过开展黏性土中静压开口管桩和闭口管桩的现场足尺试验，分析了贯入过程中不同桩端形式对桩侧土压力分布特征的影响。唐世栋等^[15]通过在桩周不同深度以及不同径向位置的土体中埋设土压力盒，探讨了单桩贯入过程中周围土体侧压力增量的变化规律和分布情况，并且发现随着径向距离的增大，桩侧土压力呈指数形式递减。从以上研究发现，现场试验主要分析了桩周土体塑性区和弹性区内径向土压力的变化规律，探讨桩侧总径向土压力沿径向方向上的分布规律，而未对桩土界面处桩侧总径向土压力沿深度上的变化规律进行探讨。

部分学者通过室内试验对黏性土中沉桩过程桩土界面土压力与上覆土体竖向土压力进行了研究。李雨浓等^[16]采用离心机原理开展了均质黏土中不同重力场下室内离心试验，在模型桩上嵌入式安装土压力传感器测量径向土压力，研究认为桩侧总径向土压力存在退化现象，传感器测得的桩侧土压力与上覆土体竖向土压力的比值随贯入深度的增加逐渐稳定于特定系数或逐渐减小。但该结论仅限于均质土中3组不同重力场的离心试验，未再进行深入研究，也未考虑层状黏性土中桩侧土压力与上覆土体竖向土压力比值的变化规律。

综上所述，目前岩土学界对层状黏性土中静压桩沉桩过程桩土界面处桩侧土压力的研究鲜有报道。一方面是由于在砂土中进行模型试验，地基模型容易制作、易操作，而在制作黏性土地基时需要较长时间的固结排水，超孔隙水压力不易消散，增加了黏性土中试验的难度；另一方面是现场地质条件的复杂性以及传感器的安装难度增大了现场试验监测桩土界面处径向土压力的难度。

为此，本文通过课题组首创的传感器安装方法，在静压桩表面安装了硅压阻式土压力传感器，并进行了现场静压桩试验，探讨了贯入过程中桩土界面处桩侧土压力的变化规律，对沉桩过程中桩土界面处桩侧土压力沿深度方向上的变化规律进行详细分析，揭示了层状土中静压桩贯入过程中桩土界面受力特性。

1 试验方案 1.1 工程概况

试验场地位于山东省东营市河口区湖滨路以西、河兴路以北。地貌单元属于黄河三角洲第四纪冲积平原地貌，表层覆盖0.9~5.3 m厚回填土，场地内主要分布粉质黏土层和粉土层。地下水位埋深为0.3~3.0 m。根据室内土工试验和现场原位测试结果，各层土的物理力学性质指标建议值见表 1。

1.2 试桩与土压力传感器安装

本次试验采用免蒸压生产的PHC(pre-stressed high-strength concrete)管桩(图 1)，管桩直径为400 mm，壁厚为95 mm，桩长为12 m。

采用硅压阻式土压力传感器监测沉桩过程中桩土界面处桩侧土压力，其主要性能指标如表 2。试验桩共设置6个测量断面，自桩身底端到桩身顶端按照1.0D、2.0D、4.0D、8.0D、12.0D(D为桩身直径)的间距分布，传感器布置示意图见图 2。桩身底端的传感器中心距桩端的距离为0.5D(0.2 m)，从而消除了沉桩过程中桩端端头板对传感器的影响。

传感器安装之前，首先在实验室内进行传感器精度标定，将符合精度要求的传感器带到现场进行安装。安装时：首先在桩身定位，然后用开孔器在桩身上开出直径为20 mm、深度为12 mm的传感器安装孔；其次按照孔洞位置布置传感器；最后在传感器四周和孔壁四周涂抹环氧树脂胶将其固定在桩身表面，同时要控制传感器的高度，使其与桩表面齐平(图 3)。为提高环氧树脂的黏结强度，需等待环氧树脂胶固化24 h，不得过早沉桩。

1.3 沉桩过程

压桩机械采用湖南山河系列液压静力压桩机，主要由专用吊车和桩基主体两部分构成(图 4)。由于静力压桩机自身原因，在沉桩过程中随着贯入深度的增加，贯入速率难以控制在固定值。沉桩速率为1.800~3.000 m/min，最大行程为1.8 m。在沉桩初期，由于贯入阻力较小，沉桩速度略大；后期随着贯入深度的增大，沉桩阻力也逐渐增大，沉桩速度随之减小。Bond等^[17]将贯入速率大于0.600 m/min定义为快速贯入，贯入速率为0.005 ~0.100 m/min定义为慢速贯入。按照上述规定，本次试验沉桩过程均属于快速贯入，沉桩过程中以桩长作为终压控制标准。

1.4 数据采集系统

硅压阻式土压力传感器的数据采用CF3820高速静态信号测试分析仪采集，可实现6通道同时动态采集，采集频率100 Hz(图 5)。

2 试验结果分析 2.1 桩土界面桩侧土压力

根据试验桩安装的硅压阻式土压力传感器读取的数据以及在沉桩过程中传感器的入土深度，绘制出了沉桩过程中桩土界面处桩侧土压力随传感器贯入深度的变化曲线(图 6)。

根据图 6可知：随着传感器贯入深度的逐渐增加，桩侧土压力逐渐增大，并且增大幅度随土层的不同而不同。以距桩端最近位置处1#传感器为例，分析贯入过程中桩侧径向土压力的变化。当传感器入土深度小于3.9 m时，即传感器位于素填土和粉土层时，径向土压力增幅较大，最大值为147.94 kPa。当桩身继续贯入传感器位于粉质黏土层时，径向土压力增幅减小，增长幅度为25.07%；这是因为当桩端剪切刺入之后，黏土层存在“井壁”效应，从而使桩侧径向土压力减小。当桩端贯入深度超过5.0 m之后，即传感器位于粉土层时，径向土压力又逐渐增大。桩身继续贯入，当传感器位于7.0~10.7 m深度处，即位于粉质黏性土时，径向土压力增幅较小，再次体现了黏土层中存在“井壁”效应。当传感器贯入深度超过10.7 m之后即进入粉土层时，径向土压力急剧增大，增长幅度约为45.60%。从以上分析可以看出：径向土压力的变化与土层有关，当桩侧土为粉土层或黏聚力较小土层时，桩侧径向土压力增幅随贯入深度的增加而增大，增大幅度较大；当桩侧土为黏性土或黏聚力较大的土层时，桩侧径向土压力增幅随贯入深度的增加而增大，增大幅度较小。由此可知，桩侧土压力的大小与土层性质是密切相关的。

2.2 桩侧土压力退化

由图 6还可以看出：在同一深度处，随着桩身的贯入，桩侧径向土压力逐渐减小，表现出桩侧径向土压力的“退化现象”，即距桩端越远的传感器在同一贯入深度处桩侧径向土压力越小。从曲线可得知：1#传感器和2#传感器在同一深度处所测数据相差较大，即桩侧土压力的退化较多；而其他传感器之间的退化幅度较小。这说明在桩端刚刚破土向下穿越冲剪土体时对桩侧土体的应力释放和土体剪切破环强度最大，之后随着桩身的不断贯入，桩土之间的剪切不断进行，桩侧土体的应力不断释放，退化幅度减小，退化现象减弱。1#传感器和2#传感器曲线相比较，在粉土层时退化幅度较小，为10.50%~ 23.40%，在粉质黏土层时退化幅度较大，为33.40%~44.50%；这是由于粉质黏土层的黏聚力大于粉土层，在贯入过程中粉质黏土层的“井壁”效应强于粉土层，所以粉质黏土层的退化幅度大于粉土层的。沉桩结束后，由1#传感器和5#传感器的曲线可知，桩侧土压力的退化幅度最大约为55.97%。

依据图 6，得到了在不同深度且不同土层中各传感器测得的桩侧土压力，如表 3所示。

由表 3明显看出，在同一深度处，随着沉桩过程的进行，1#—6#传感器所测桩侧土压力逐渐减小，呈现出明显的“退化现象”，除1.0 m深度之外，其他深度处1#传感器与2#传感器之间的退化幅度最大。在传感器入土深度为4.5 m时，3#传感器出现明显的增大现象，究其原因：1)4.5 m深度处为粉质黏土(夹)层与粉质黏土层的交界处，土层均匀性较差，在沉桩过程中可能会出现桩侧土压力增大现象；2)在沉桩过程中传感器表面可能触碰到较硬的土颗粒或砂砾等，导致传感器测得的桩侧土压力值可能出现增大现象。当5#传感器和6#传感器入土深度4.5 m时，桩侧土压力出现明显的退化现象。由此可知，在沉桩过程中桩侧土压力存在明显的退化现象且退化幅度较大，所以在估算沉桩过程中的桩侧摩阻力时需考虑桩侧土压力的退化现象。

2.3 桩土界面桩侧土压力沿桩身竖向变化规律

由2.2节可知，1#传感器位于桩端，所测的桩侧土压力为桩端刚破土时的土压力，未发生剪切退化，所以采用桩端1#传感器测得的桩侧土压力分析沉桩过程中桩侧土压力沿桩身竖向变化规律。

已有研究表明^[16]，在均质土层中桩侧土压力与上覆土体竖向土压力的比值具有一定的规律性：

式中：Δσ为桩侧土压力稳定值；σ_z为上覆土体竖向土压力；λ为土压力系数。

为了更好地分析静压桩贯入到不同土层时桩侧土压力的变化情况，根据1#传感器所测数据，以贯入不同土层的深度为横坐标，桩侧土压力与上覆土体竖向土压力比值为纵坐标，可得到各土层桩侧土压力与上覆土体竖向土压力比值随贯入深度的变化曲线(图 7)。由于②粉质黏土(夹)厚度较小，传感器在本土层的读数较少，因此未对此土层进行桩侧土压力与上覆土体竖向土压力比值的分析。

由图 7可以看出：除素填土层以外，其他土层的桩侧土压力与相应深度处竖向土压力比值的曲线近似于水平直线，均稳定在特定常数附近，这与李雨浓等^[5]的研究结果一致；而素填土层的比值随着深度的增加逐渐减小，这是由于现场试验压桩机的自身重力较大，在地表产生较大的附加荷载而产生较大的桩侧土压力，致使试验测得的桩侧土压力与相应竖向土压力的比值较大，但随着深度的增加，附加荷载逐渐扩散，两者的比值逐渐减小，从而曲线的整体趋势呈现出减小的变化规律。此外，通过图 7a、b对比可以看出压桩机自身重力的影响深度约为2.5 m。对比分析图 7b、c、d、e可以发现，粉土层的比值均大于粉质黏土层；这是因为粉土与粉质黏土相比，粉土的黏聚力较小而法向刚度较大，不易发生侧向位移，从而表现出粉土中的比值明显大于粉质黏土中的比值，也进一步说明了粉土中的挤土效应明显大于粉质黏土中。

对于相同土性的粉土或者是粉质黏土，土层深度不同其桩侧土压力与竖向土压力比值也不为同一常数，存在差异性。分析影响因素如下：1)随着土层深度的增加，土层所受的初始应力水平不同，土层的密实度和固结度可能存在一定的差异；在表 1中可以发现，不同深度的粉土层或粉质黏土层，即使是相同土性，土的物理力学参数也存在较大的差异性。应力水平的不同和力学性质的差异可能导致桩侧土压力与竖向土压力比值的不同。2)随着贯入深度的增加，当桩端位于地下水位之下时，桩土界面处存在孔隙水以及产生超孔隙水压力，致使桩土界面的受力特性发生变化，表现出相同土性的土层中桩侧土压力与竖向土压力比值的不同。

3 结论

1) 桩土界面桩侧土压力的大小与土层性质密切相关。当桩侧土为粉土层时，桩侧土压力随贯入深度的增加而增大，增大幅度较大；当桩侧土为粉质黏土层时，桩侧土压力随贯入深度的增加而增大，增大幅度较小。

2) 在同一贯入深度处，随着沉桩过程的进行，桩土界面处桩侧土压力存在明显的退化现象，在粉土中退化幅度明显小于粉质黏土中的退化幅度；并且随着沉桩的不断进行，桩土界面不断剪切，桩侧土压力的退化现象逐渐减弱。

3) 现场压桩机械对桩侧土压力的影响深度约为2.5 m，同一土层中桩侧土压力与上覆土体竖向土压力的比值为常数，并且粉土中的桩侧土压力与上覆土体竖向土压力的比值明显大于粉质黏土中的桩侧土压力与上覆土体竖向土压力的比值。桩侧土压力与上覆土体竖向土压力的比值不仅与土性有关，而且还与土层的埋置深度、初始应力水平、孔隙水等因素有关。