含缺陷樁復合地基重復加卸載下臨近樁頂部側移規律試驗

焦隆華，周德泉，胡偉飄,3，李健

(1.湖南省永龍高速公路建設開發有限公司, 湖南 永順 416700; 2.長沙理工大學 土木工程學院；3.湖南省建筑設計院有限公司)

1 前言

樁體復合地基在軟基處理工程中大量采用，取得了良好的工程效果。但是，樁體斷裂、縮徑、擴徑、傾斜等缺陷難以避免，常引起工程病害。與基礎工程中大直徑樁不同的是，地基處理工程中樁的直徑小、數量多，較小的缺陷率也導致缺陷樁數量往往很大，其質量評定及逐樁處治有較大困難。粉噴樁在軟土地基加固中具有側向約束效果，筆者提出在坡腳主動設置樁體(該文稱為臨近樁)形成組合型復合地基控制傾斜軟基或者含缺陷樁復合地基的側向移動，但其工作機制復雜，設計具有盲目性。此時的臨近樁屬于被動樁。被動樁問題比較復雜，目前已取得了部分研究成果。Poulos利用彈性半無限體的Mindlin方程計算樁土之間的相互作用，得到樁體內力和撓曲變形;Matsui等為驗證Ito等提出的抗滑樁側向土壓力計算公式，開展模型試驗，認為側向土壓力隨土體位移增大而增加，達到峰值后，黏土的側向壓力基本不隨位移再增大，而砂土有所減少;Bransby通過三維有限元法驗證了樁土間相互作用;李國豪建立樁-土之間的彈性平衡微分方程，剖析樁身受力變形與側向位移;楊敏等結合堆載引起某廠房坍塌事故，采用有限元分析了堆載下土體側移及對鄰樁作用;周健等對被動側向受荷樁進行了模型試驗及顆粒流數值模擬;王愷敏等運用三維數值方法，分析大面積堆載條件下樁身負摩阻力及變形;李忠誠等通過三維數值方法，模擬地面堆載作用下土體受力變形規律，提出了堆載條件下鄰近樁受力變形的實用計算方法;梁發云等采用非線性p-y曲線法及Winkler模型，研究土體側移時臨近樁的變形，獲得了土體變形與樁體承受的垂直荷載之間的相互作用規律;吳瓊開展模型試驗，研究側向堆載作用下砂土中單樁的受力變形規律。以上研究主要集中在均質地基上堆載對側向樁體的影響。樁體復合地基上堆載時，筆者采用模型試驗，研究了樁體復合地基重復加、卸載過程中不同間距臨近樁變位規律及路堤重復加卸載下坡腳處頂部約束雙排傾斜摩擦樁變位規律，但是，含缺陷樁復合地基重復加卸載過程中臨近樁頂部側移規律未見報道。該文采用模型試驗，研究含缺陷樁復合地基4次重復加(卸)載過程中，臨近樁(樁底自由和樁底嵌固，樁頂自由和連梁連接)頂部位移變化規律與差異，以指導處治含缺陷樁復合地基的臨近樁工程設計。

2 模型試驗概況

2.1 模型土和模型槽參數

模型試驗是在室內尺寸為2.5 m×1.5 m×1.5 m(長×寬×高)的鋼筋混凝土模型槽內進行，使用的模型土由過篩后室內存放6年的干燥花崗巖殘積土與建設用砂等比拌和、“砂雨法”自重填筑而成，以模擬全風化花崗巖及其殘積土快速填方工程，填土厚度為1.1 m。經測試，填筑后土體密度1.80 g/cm3，相對密度2.62，含水量2%，曲率系數Cc=1.39，不均勻系數Cu=5.36，最大粒徑5 mm，級配良好。

臨近樁的4根模型樁(編號為A、B、C、D)采用邊長為50 mm的方形截面水泥砂漿樁，參數見表1，其中，A、C兩根樁的底端嵌固、長度120 cm，B、D兩根樁的底端自由、長度為110 cm。復合地基的9根模型樁(編號為Z1～Z9)采用邊長8 cm、樁長80 cm的方形樁，彈性模量為9.52 GPa，樁底自由，其中，Z1、Z2和Z3 分別為1/4、2/4和3/4縮徑樁，Z4、Z5和Z6分別為2/4斷樁、正常樁和1/4斷樁，Z7、Z8和Z9分別是1/4、2/4和3/4擴徑樁。

表1 模型樁參數

注：① A與B、C與D之間的中心距為20 cm，B與C之間的中心距為15 cm；② A與D對稱、頂部自由，B與C對稱、頂部用連梁連接；③ 模型樁彈性模量采用簡支梁法測定。

2.2 模型設置及試驗過程

試驗前，在模型樁側面粘帖應變片，在臨近樁側面固定壓力盒。填土前，先按圖1(a)確定各樁在模型槽內的分布位置。A、C兩根樁嵌固底端的方法是：將設樁位置的混凝土地板用清水洗滌干凈、晾干，然后將地板和樁底分別涂抹足量AB膠并黏合至足夠牢固，最后用相同辦法在樁底周圍用混凝土小試塊圍箍、膠水黏合。A與B、C與D之間的中心距為20 cm(4倍樁徑)，B與C之間的中心距為15 cm(3倍樁徑)，并且B樁(底端自由)與C樁(底端嵌固)樁頂用連梁連接。采取分層均勻填土，確保在填土時樁體垂直、平面位置準確。填土完成后，在Z1～Z9樁頂部和土頂部設置土壓力盒和沉降標，在每根臨近樁樁頂處架設百分表。靜置30 d，讓模型土自重沉降。

圖1 模型樁布置圖

模型槽上端設有平臺，碼堆足量砝碼以提供反力，采用油壓千斤頂在720 mm×720 mm的加肋鋼板上共進行了4次加載和卸載循環，加肋鋼板的3個方向與槽內壁均相距390 mm,第4個方向相距140 mm設置臨近樁。試驗現場見圖1(c)。試驗按規范進行。要點為：預加載5～6 kN再卸載，以校核加載裝置的整體性能；第1級加載4 MPa(油壓表)，根據油壓表整數分級加載，荷載增量為2 MPa(油壓表)，每級加載前后測讀承壓板沉降量和臨近樁的側移，以后每0.5 h測讀1次，當1 h內承壓板沉降小于0.1 mm時加下一級荷載；根據變形特征與平臺反力決定終載；小心操作油泵旋紐、盡量分級卸載，每級維持 0.5 h，測讀承壓板沉降量和臨近樁的水平位移。每次加載卸載完成后，間隔12 h進行下次加載卸載循環。獲得了含缺陷樁復合地基4次重復加(卸)載過程中，臨近樁(樁底自由和樁底嵌固，樁頂自由和連梁連接)頂部位移變化規律與差異(獲得的其他規律另文討論)，為采用臨近樁處治含缺陷樁復合地基提供試驗依據。為表達簡便，該文將樁底自由的模型樁稱為摩擦樁，將樁底嵌固的模型樁稱為嵌巖樁。

3 試驗結果與分析

3.1 含缺陷樁復合地基重復加卸載P-S曲線規律

圖2為含缺陷樁復合地基的4次重復加(卸)載P-S曲線。

圖2 含缺陷樁復合地基P-S曲線

由圖2可知:

其加載曲線均呈上凸形，首次加載產生的沉降量最大，第4次加載產生的沉降量最小，加載沉降量隨加載次數增加而減小，說明預壓可以完成大部分沉降量。第1～4次加載終點(即第1～4次卸載起點)對應荷載分別為70.59、83.17、95.75、102.04 kN,沉降分別為10.122 5、13.198 5、16.143 5、17.362 5 mm。第2、3、4次加載終點均位于首次加載曲線的延長線上，卸載曲線均呈下凹形，說明含缺陷樁復合地基具有土地基相似特征，也說明測試系統正常。

3.2 臨近樁頂部側移隨重復加載變化規律

圖3為含缺陷樁復合地基上4次加載過程中，臨近樁(A、B、C、D)頂部側移隨重復加載變化曲線對比。

由圖3可知：

(1)含缺陷樁復合地基4次加載過程中，臨近樁(A、B、C、D)頂部側移均隨壓力增加而逐漸增大。首次加載時，側移增長經歷3個階段：低壓階段(0～30 kN)側移呈線性增長且增長較快，這是因為模型土孔隙較大；中壓階段(30～60 kN)側移平緩增長，壓力超過一定值(60 kN)時側移快速增長。第2、3、4次加載時，到達前次加載最大荷載期間，側移緩慢增長，超過前次加載最大荷載后，側移快速增長。所以，第2、3、4次加載時側移增長經歷兩個階段，曲線在前次加載最大荷載處有明顯拐點。

(2)相同條件下，嵌巖樁頂部側移小于摩擦樁。圖3中，嵌巖樁A的側移曲線都在摩擦樁D曲線左側，嵌巖樁C的側移曲線都在摩擦樁B曲線左側。

(3)相比嵌巖樁，摩擦樁頂部側移對重復加載的敏感性較強。圖3(b)、(c)、(d)中，嵌巖樁C和A的曲線變化率小，摩擦樁B和D的曲線變化率大。

(4)相同條件下，相比樁頂自由，連梁連接樁頂產生較大側移。圖3中，頂部通過連梁連接的C樁側移曲線都位于頂部自由的A樁側移曲線右側，頂部通過連梁連接的B樁側移曲線都位于頂部自由的D樁側移曲線右側。分析認為，一方面，樁頂通過連梁連接，樁頂側移具有疊加效應，類似于摩擦樁群沉降產生的群樁效應；另一方面，樁排的中部比兩端受力稍大。

3.3 臨近樁頂部側移隨重復卸載變化規律

圖4為含缺陷樁復合地基4次卸載過程中，臨近樁(A、B、C、D)頂部側移隨重復卸載變化曲線對比。

由圖4可知:

(1)卸載曲線的最后1～2級荷載處出現明顯拐點。類似于樁體復合地基重復卸載過程中側向約束樁側移回彈曲線和地基土的沉降回彈曲線，卸載初期，彈性變形很小，最后1～2級卸載時才出現較大的彈性變形。完全卸載時，彈性變形最大。

(2)相比嵌巖樁，摩擦樁頂部側移對重復卸載較敏感。卸載初期，摩擦樁B和D的卸載曲線表現較大的彈性變形，而嵌巖樁C和A的卸載曲線幾乎與縱坐標平行，彈性變形很小。

圖3 臨近樁頂部側移隨重復加載變化曲線對比

圖4 臨近樁頂部側移隨重復卸載變化曲線對比

(3)樁頂約束條件對回彈變形影響小。連梁連接樁頂的嵌巖樁C和樁頂自由的嵌巖樁A、連梁連接樁頂的摩擦樁B和樁頂自由的摩擦樁D，其卸載曲線幾乎平行。

3.4 不同加載階段樁頂側移變化規律

圖5為臨近樁(A、B、C、D)在不同加載階段的樁頂側移變化曲線。

由圖5可知:

(1)4次加載過程中，樁頂側移均隨加載增大而增大，其增長率隨加載次數增加而減小。分析認為，前次加載期間，樁土發生了較大的塑性變形。

(2)4次加載過程中，若加載超過前次最大荷載，曲線將回到首次加載曲線的延長線，類似于正常樁體復合地基加載過程中側向樁頂部側移曲線和地基土垂直受壓的沉降曲線。

(3)相比嵌巖樁，摩擦樁對重復加載較敏感。比較圖5(a)、(d)，第2、3、4次加載過程中，頂部自由摩擦樁D的側移變化率大于頂部自由嵌巖樁A的側移變化率。比較圖5(b)、(c)，第2、3、4次加載過程中，頂部約束摩擦樁B的側移變化率大于頂部約束嵌巖樁C的側移變化率。

(4)相比樁頂連梁連接的樁，樁頂自由單樁對重復加載較敏感。比較圖5(a)、(c)，第2、3、4次加載過程中，樁頂自由的樁A的側移變化率大于樁頂連梁連接的樁C。比較圖5(b)、(d)，第2、3、4次加載過程中，樁頂自由的樁D的側移變化率大于樁頂連梁連接的樁B。

圖5 4次加載過程中樁頂側移規律對比

3.5 不同卸載階段樁頂側移變化規律

圖6為臨近樁(A、B、C、D)在不同卸載階段的樁頂側移變化曲線。

由圖6可知:

(1)卸載初期，樁頂側移基本恒定，卸載到最后1～2級時，樁頂側移才減小。說明高壓力階段的變形主要為不會因卸載而恢復的塑性變形。后次卸載曲線總在前次卸載曲線右側，說明塑性變形隨加載次數增加而增加。

(2)卸載過程中，相比摩擦樁，嵌巖樁的樁頂側移更難恢復，塑性變形的比例較高。

4 結論

(1)含缺陷樁復合地基加卸載曲線與一般地基加卸載曲線相似，加載曲線呈上凸形，首次加載產生的沉降量最大，單次加載沉降量隨加載次數增加而減小，卸載曲線呈下凹形。

圖6 4次卸載過程中樁頂側移規律對比

(2)臨近樁頂部側移隨含缺陷樁復合地基壓力增加而逐漸增大。首次加載時，側移經歷快速增長、平緩增長、快速增長3個階段。第2、3、4次加載時，側移經歷平緩增長、快速增長兩個階段。摩擦樁頂部側移比嵌巖樁大、對重復加載敏感。頂部通過連梁連接的樁頂部側移比頂部自由單樁大、對重復加載不敏感。樁頂側移增長率隨加載次數增加而減小。若荷載超過前次加載的最大荷載，曲線將回到首次加載曲線的延長線。

(3)卸載初期，樁頂側移主要為塑性變形，在最后1～2級荷載時才開始出現彈性變形。樁頂約束條件對回彈變形影響小。

(4)嵌巖樁比摩擦樁的側向約束效果好。樁頂通過連梁連接比樁頂自由單樁產生較大位移，對重復加載不敏感。實際工程中，復合地基內缺陷樁很多時，建議在側面設置頂部通過連梁連接的嵌巖樁控制含缺陷樁復合地基的水平移動。

(5)首次通過室內模型試驗，揭示了含缺陷樁復合地基重復加卸載曲線特征，獲得了臨近嵌巖樁、摩擦樁及其樁頂自由或者通過連梁連接時頂部水平位移變化規律，可為臨近樁設計提供試驗依據。