灌注樁樁底沉渣對樁體承載力影響的模型試驗研究

馬露　王鈺軻　陳帥

摘要 灌注樁在成樁過程中易產生樁底沉渣，樁底沉渣對樁體承載特性的影響一直是本領域的研究問題之一。本文考慮到混凝土灌注樁及沉渣質量的不易控制，所以采用鋼管代替鉆孔灌注樁，簡化制樁過程；沉渣采用質地軟弱的泡沫板代替，試驗采用均質砂土，研究分析沉渣對承載性狀的影響。發現沉渣的存在確會降低樁體的極限承載力，承載力的降低值與沉渣的厚度有一定的規律性。

關鍵詞 鉆孔灌注樁；樁底沉渣；承載特性；模型試驗

中圖分類號 TU4 文獻標識碼 A 文章編號 2095—6363（2016）12—0105—02

灌注樁基礎具有較其他類型基礎突出的優點，因此近年來在工程中的應用越來越多，成為現代建筑基礎結構的主要形式之一。由于受到施工工藝、操作人員技術水平、施工現場環境和地質條件等方面因素的影響，在成樁過程中易產生樁底沉渣。肖宏彬等對單樁荷載一沉降關系的數值模擬方法進行研究；張明遠等利用有限單元法軟件對大直徑鋼管樁的承載特性進行研究；孫文懷等基于FLAC3D對單樁負摩阻力特性進行了研究。

考慮到沉渣和灌注樁的制備難度較大以及樁體質量的不易控制，本次室內試驗采用以泡沫板代替沉渣，鋼管代替灌注樁的方法。所得結論能夠在制定提高樁基承載力措施時，提供參考。

1試驗器材

1.1試驗槽及加壓裝置

試驗中采用的試驗槽尺寸為800mm×400mm×400mm，兩側為鋼板，另兩側為有機玻璃，上部有一32t千斤頂。試驗利用千斤頂作為加載設備，荷載值的大小通過安置在千斤頂與樁頂之間的鋼環確定，考慮到樁體的極限承載力，試驗所采用的鋼環量級為10t，變形參數為12.122 33kN/mm。

1.2百分表及重錘

試驗中采用百分表量測樁頂的沉降量，為保證量測準確，在樁頂放置一塊剛性板，本試驗采用鋼板，并使樁頂、鋼板中心、鋼環軸線和千斤頂處在同一軸線，百分表固定在一側，通過量測鋼板的沉降量來確定樁頂的沉降量。

2試驗材料性質

2.1砂土直剪試驗

根據庫侖定律，土體的內摩擦力與剪切面上的法向壓力成正比。試驗前，用試驗土體制備8個土樣，分成4組，每組在不同的法向壓力下進行剪切試驗，記錄試驗數據，得出土體剪壞時剪應力，即抗剪強度τ。根據土體的剪切定律確定土體參數φ=34.2°和c=4.5kPa。

2.2砂土含水量試驗

稱取3組試驗砂土，重量控制在15g～30g之間，放入稱量好的鋁盒內，立即蓋好盒蓋，使用電子稱稱重并記錄，精確至0.01g。由以上實驗測得含水量平均為13.8%。

3試驗方案

3.1試驗準備

試驗所用土體為均質砂土，考慮到試驗中土體的穩定性和土體的壓實難易程度，此次試驗土體密度控制在1.4g/cm³～1.45g/cm³為宜，即保證試驗土體為中砂。

本次試驗采用泡沫板代替沉渣。試驗共模擬0mm、20mm、40mm、60mm、80mm、100mm六種厚度的沉渣，一種厚度進行兩次單樁試驗，結果取其平均值。

3.2單樁載荷

為準確方便量測樁頂沉降，在樁頂置一剛性板，該試驗采用鋼板作為端頭板，鋼環置于剛性板之上，千斤頂之下，并使以上裝置的軸線在同一條豎直線上。為保證鋼環穩定，千斤頂可適當加載，使鋼環夾緊。百分表固定在試驗槽支架上，通過量測剛性板的沉降來確定樁頂的沉降。

4試驗數據分析

4.1沉渣厚度t對極限承載力Q的影響曲線

針對不同厚度的沉渣，繪制t～Q曲線，以分析沉渣厚度和極限承載力的關系，如圖1所示。

從上圖可以看出，樁底存在沉渣時樁體的極限承載力明顯小于無沉渣時的極限承載力，這種影響下的承載力損失幅度值隨著沉渣厚度的增加而逐漸減小。

1）當沉渣厚度t≤40mm時，樁體的極限承載力變化較大，下降幅度大。分析出現這種現象的原因，主要是上部荷載傳至樁底時，樁體會通過壓縮持力層來獲得端阻，性質軟弱的沉渣會使獲得相同端阻時的壓縮量增大，又會加劇沉渣所承受的荷載，導致其壓縮量再一次增大，直至出現突然破壞。2）當荷載厚度t≥60mm時，樁體的極限承載力持續減小，但變化幅度小，曲線趨于平緩。分析出現這種現象的原因是，此時較厚的沉渣如要達到能夠提供相當的端阻就需要較大的壓縮量，但樁體的側摩阻力有限，在沉渣能夠提供端阻之前，側摩阻力就已達到極限，樁體破壞，所以，此時樁體的極限承載力主要由側摩阻力提供，變化值不大，趨于平穩。

4.2沉渣厚度t與極限承載力降低率c的關系

沉渣厚度t=20mm、40mm、60mm、80mm、100mm時，樁體極限承載力降低率分別為8.5%、11.9%、13.6%、14.5%、15%。如圖2所示。

由圖2分析得：1）樁底沉渣厚度t=0mm～40mm時，樁體極限承載力降低率較小，但變化幅度很大。分析原因為，樁端原土層性質堅硬，承載力較高，而沉渣的性質軟弱，當樁底被沉渣填充時，樁端受荷初期沉渣還能提供一定支持力，隨著荷載增大，沉渣壓縮增大直至屈服破壞；2）樁底沉渣厚度t=60mm～1000mm時，樁體極限承載力降低率較大，但變化幅度較小。分析原因為，樁底沉渣過厚時，其受荷初期還能提供彈性支持力，荷載增大后，壓縮量迅速增大，相比沉渣較薄時樁端荷載向下傳遞所需的位移增大，這就進一步促使樁側摩阻力的發揮，使樁體在較小荷載時即達到極限承載力沉渣厚度較大時，樁體極限承載率變化的幅度較小。由圖2數據經MATLAB擬合，曲線指數函數如下，沉渣厚度大于100mm的極限承載率變化不大，可近似取t=100mm時對應值。

5結論

通過試驗數據研究了沉渣厚度對單樁承載特性的影響，得到：1）沉渣厚度t≤40mm時，曲線的變化形式近似一種漸變形，樁體的破壞形式沒有大的變化，樁體的極限承載力降低較大；2）沉渣厚度t≥60mm時，曲線的變化形式為突變形，樁體的破壞具有突發性，屬于刺入破壞，即在樁體達到極限承載力時，樁項的沉降具有明顯的陡增，但樁體的極限承載力此時變化相對不大。endprint