勁擴復合樁豎向抗壓承載特性對比試驗

周威，包華,2*，彭杰，洪俊青

(1.南通大學交通與土木工程學院，南通 226019；2.江蘇勁樁巖土科技有限公司，南通 226000)

中國沿江、沿海地區廣泛分布著軟土，軟土具有強度低、壓縮性高、滲透性差等缺點，傳統工程樁型很難有效、經濟地滿足工程建設對承載力和沉降的要求。勁擴復合樁是近年來出現并發展一種新工藝，它是由剛性樁和外包水泥土組成的組合截面構件，通過在水泥土攪拌樁初凝前同心插入剛性樁，形成具有擴體形態和力學特性的一種復合樁型[1]。

勁擴復合樁是勁性復合理論[2]和夯擴工藝技術的有效結合，目前有關勁擴復合樁的研究較少。關于勁性復合理論樁型多方學者進行了試驗探究：凌光容等[3]通過對45根原型樁進行現場和室內模型試驗對比，初步掌握勁性復合樁的受力特性、設計和施工方法。肖昭然等[4]通過現場試驗和理論分析，探討了泥土攪拌墻(soil mixing wall，SMW)工法樁的受力特性。俞建霖等[5]通過數值模擬分析，進一步研究砼芯水泥土樁的沉降影響因素及荷載傳遞特性。朗德伸等[6]、Wonglert等[7]通過現場試驗與數值模擬相結合，對不同參數下的管樁水泥土復合樁承載特性進行研究。李丹等[8]針對混凝土芯水泥土攪拌樁群樁承載特性進行了室內模型試驗。宦雯等[9]通過現場靜載試驗，提出了管樁內芯勁性復合樁樁身破壞模式及樁身極限承載力設計計算方法。李立業[10]、劉維等[11]、閆南等[12]通過現場載荷試驗結合數值模擬分析，提出勁性復合樁單樁極限承載力計算算公式及預測模型。上述研究為勁擴復合樁的研究打下了理論基礎。

根據勁擴復合樁的芯樁長度(lcp)與水泥土樁長度(lcs)的關系可以分為長芯樁(lcp>lcs)、等芯樁(lcp≈lcs)、短芯樁(lcp

1 現場試驗概況

1.1 試驗場地工程地質概況

試驗場地15 m×12 m，位于江蘇省南通市平潮鎮花壩村，地處長江下游三角洲平原北翼，地貌形態單一。根據現場地質勘探資料，地基土除表層素填土外，均屬于第四紀全新世長江沖積層，地質剖面圖如圖1所示。現場各土層物理力學指標如表1所示。

表1 土層分布和土體物理力學指標

圖1 試驗場地地質剖面圖

1.2 試樁參數及試驗內容

為確保試驗數據的準確性開展了重復試驗。試驗共6根試樁，2根混凝土灌注樁，2根管樁內芯勁擴復合樁，2 根灌注樁內芯勁擴復合樁。混凝土灌注樁采用泥漿護壁水鉆孔工藝，樁徑850 mm，樁長12.0 m；兩種類型勁擴復合樁外樁均為水泥土樁，采用SJW125單軸深層高壓旋噴攪拌機，干噴工藝，摻灰量15%，樁徑850 mm，樁長12.0 m；管樁內芯勁擴復合樁內芯采用靜壓沉樁工藝，樁徑400 mm，樁長12.0 m；灌注樁內芯勁擴復合樁內芯采用柱錘內夯沉管澆筑工藝，樁徑420 mm，樁長12.0 m。試樁設計參數如表2所示。

表2 試樁設計參數

為深入研究勁擴復合樁豎向抗壓承載發揮特性，在樁身布置鋼筋應力計和傳感光纖，輔助測試樁身的應力分布情況。在灌注樁內芯勁擴復合樁內芯樁內埋設JTM-V1000正弦式鋼筋應力計，每樁鋼筋應力計設置在各土層交界面處，共6個截面，每個截面布置3個，呈120°布置，在灌注樁內芯樁側壁及水泥土中部位置埋入傳感光纖；在管樁內芯勁擴復合樁內芯樁側壁及水泥土中部位置埋入傳感光纖。測量設備布置如圖2所示。

圖2 樁身測量設備分布圖

2 單樁靜載試驗

2.1 荷載分級

試驗采取慢速維持荷載法，加、卸載方式依照《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106—2014)相關規定[13]進行：加載分級時，分級荷載取預估極限荷載的1/10，其中第一級加載量取分級荷載的兩倍，加載至樁頂位移達到40 mm或100 mm停止加載；卸載分級時，每級卸載量取加載時分級荷載的兩倍。

2.2 試驗結果

每次加載后測讀時間為5、15、30、45、60 min，以后每隔30 min測讀一次，直至樁頂沉降量達到相對穩定標準，進行下一級加載。卸載為加載級數的一半，每級卸載測讀1 h，按5 min、15 min、30 min、60 min進行測讀，即可卸下一級荷載。荷載卸至零時的測讀時間為 5、15、30、60、90、120、150、180 min。試驗樁的單樁極限承載力及沉降見表3。

表3 試驗樁的單樁豎向極限承載力及沉降

6根試樁中，勁擴復合樁的單樁豎向承載力明顯高于同直徑混凝土灌注樁，約為其極限承載力的1.39～1.69倍，其中灌注樁內芯勁擴復合樁單樁豎向承載力最優，是管樁內芯勁擴復合樁的1.22倍；兩類型勁擴復合樁達到承載力極限所對應的沉降量相當，略高于同直徑混凝土灌注樁。

2.3 試驗結果分析

圖3為現場靜載試驗得到的載荷-沉降(Q-S)曲線圖。可以看出，混凝土灌注樁(CZ-1、CZ-2)的Q-S曲線呈“緩降”型，試樁達到承載力極限時，傳遞到樁端土層的荷載大于樁端承載力極限時，發生樁端刺入破壞。管樁內芯勁擴復合樁(PZ-1、PZ-2)Q-S曲線總體呈“緩降”型，表現為大直徑樁的承載特性，但在達到極限荷載時，沉降急劇增大，結合對其樁身后期檢查和小應變檢測分析，發現樁頭壓碎是沉降急劇增大的主因。灌注樁內芯勁擴復合樁(SZ-1、SZ-2)曲線呈“緩降”型，表現為大直徑樁的承載特性，當試樁達到承載力極限時，沉降平緩，說明在達到承載力極限時芯樁和水泥土樁整體能夠有效地協同工作。

圖3 Q-S曲線圖

從承載力角度分析，兩類勁擴復合樁的單樁豎向極限承載力約為同直徑鉆孔灌注樁的1.39～1.69倍，灌注樁內芯勁擴復合樁承載力最優。從破壞模式分析，兩類勁擴復合樁的Q-S曲線均呈“緩降”型，表現出大直徑樁的承載特性，說明芯樁和水泥土可以有效地協同工作，尤其是灌注樁內芯勁擴復合樁，其“芯樁-水泥土”結合面可以更有效地保證勁擴復合樁的整體協同工作。國內相關學者研究表明，“芯樁-水泥土”結合面可以提供足夠的抗剪強度以保證樁體整體協同工作[9-10]，與本文分析結果相符。因此，著重對“水泥土-樁側土”結合面之間的變形協調機理進行研究。

3 勁擴復合樁樁身軸力

由于現場施工以及技術問題，傳感光纖未能形成有效數據。因此，本文根據SZ-1、SZ-2所測數據，對勁擴復合樁豎向抗壓承載特性進行研究。通過計算可知，SZ-1、SZ-2不同樁身軸力分布規律相似。以SZ-1為例，如圖4所示，隨著深度的增加，樁身軸力逐漸減小，整體表現為上部樁身軸力衰減較慢、中間衰減較快，底部衰減趨于平緩；上部荷載向下傳遞的過程中，荷載主要由樁側阻力承擔。因此，著重對勁擴復合樁樁側阻力發揮特性展開研究。

圖4 樁身軸力-深度曲線圖

4 勁擴復合樁樁身側阻力

4.1 樁身側阻力計算方法

試驗中，鋼筋應力計是安裝在灌注樁內芯內部，所測量值是內芯樁的受力情況，但是由于水泥土的彈性模量與內芯樁的材料模量相差數百倍，因此可以忽略水泥土的軸向承壓能力，只考慮利用其抗剪強度傳遞作用[10]。如圖5所示，取一樁的分析單元，假定同一截面處芯樁和水泥土環樁的單位側阻力相等，即有

圖5 樁單元內力圖

U1qs1i=U2qs2i

(1)

式(1)中：U1、U2分別為勁擴復合樁在此截面處的周長；qs1i、qs2i分別為勁擴復合樁的單位側阻力；i為樁檢測斷面順序號，i=1，2，…，n,并自樁頂從小到大排列。

根據《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ 106—2014)規定[13]，通過相鄰兩斷面之間的軸力差結合樁身參數可計算不同位置樁側土的平均側阻力值，計算公式為

(2)

式(2)中:qsi為第i斷面與第i+1斷面間側阻力；u為樁身周長，m；li為第i斷面和第i+1層斷面之間的樁長，m。

4.2 計算結果分析

根據圖4各點位測得的樁身軸力數據，通過式(1)和式(2)計算得灌注樁內芯勁擴復合樁各點位樁側阻力值，如圖6所示。

圖6 樁側阻力沿深度的變化曲線

(1)樁身側阻力發揮具有異步性，樁身上部側阻力先于下部發揮。加載初期，荷載主要由樁身上部側阻力承擔。隨著上部荷載的增加，樁身上部側阻力完全發揮并趨于穩定，樁頂荷載逐步向下傳遞，樁身下部側阻力開始發揮作用。

(2)試樁樁側阻力沿深度方向呈現出中間大兩端小，并在中部土層樁側阻力達到峰值。芯樁的插入使樁身剛度變大，樁身整體壓縮量變小，改變了水泥土樁與土體之間的變形協調，使得樁土之間相對位移增大，試樁樁側阻力提高。

(3)試樁樁側發生不同程度側阻力軟化。樁身上部側阻力達到峰值后，其值隨著上部荷載的增加而逐漸減小，最后維持在一個殘余強度。樁側阻力軟化程度隨荷載的增加而增加，軟化程度越高樁身下部側阻力越不易完全發揮，在一定程度上導致樁承載力降低。因此，在承載力計算時應考慮承樁身下部摩阻力折減。

(4)SZ-2在中部土層位置出現負摩阻力。初步分析認為，樁體在施工過程中的擾動導致原有土體結構破壞，成樁后樁周土發生固結沉降，對樁體產生下拉荷載，雖然這一負摩阻力被樁身下端的正摩阻力所抵消，但是在實際應用中會降低樁身承載力。因此，在施工過程中應避免對樁側土的擾動。

4.3 樁側阻力發揮特性

表4、表5為圖6中極限狀態下樁側阻力計算值與地質勘查報告中樁側阻力經驗值的對比情況，由表4、表5可知，樁身各土層側阻力發揮程度并不完全相同，但是各土層側阻力分布的規律大體一致。從整體來看，除樁身底部側摩阻力及樁身負摩阻力出現位置，勁擴復合樁樁側阻力計算值與勘察報告中預制樁及灌注樁側阻力經驗值的比值平均值分別為1.54～2.31和1.67～2.50。勁擴復合樁之所以有較高的側阻力，結合勁擴復合樁施工工藝，有以下幾個原因。

表4 SZ-1樁極限側阻力對比

表5 SZ-2樁極限側阻力對比

(1)水泥土擠密擴散效應。水泥土樁施工攪拌過程中具有一定的噴漿壓力，會在水泥土樁和樁周土層之間形成一個擴散層，使得水泥土樁-土結合面形成一種以機械互鎖為主的界面粘結機制；在柱錘夯沉管澆筑過程中，對水泥土樁的擠密效應使得水泥土樁徑向擴張，提高了擴散層的界面粘結強度；擠密擴散層的存在加固了樁側土體，改變了水泥樁-土結合面，使勁擴復合樁獲得較高樁側阻力。

(2)水泥土重組強化效應。水泥土通過機械攪拌，將原有的土體和水泥以一定比例混合重組固化；同時通過插入芯樁，對周圍的水泥土樁產生擠壓作用，使得水泥土進一步加密，形成較致密和強度較高的水泥土樁。強度較高的水泥土樁能夠有效地將芯樁上部荷載傳遞到樁周土體中，形成強-中-弱剛度漸變的結構，等效擴大了樁的有效直徑，提高了勁擴復合樁的豎向承載力。

5 結論

(1)兩種類型勁擴復合樁單樁豎向承載力明顯優于同直徑混凝土灌注樁，約為其極限承載力的1.39～1.69倍，其中以灌注樁內芯勁擴復合樁的承載力最高；兩種勁擴復合樁單樁承載力極限狀態下的樁頂沉降為26 mm左右，略高于同直徑混凝土灌注樁。

(2)兩種類型勁擴復合樁破壞方式相似。排除勁擴復合樁樁頭壓碎破壞的影響，勁擴復合樁Q-S曲線呈“緩降”型，表現出大直徑樁的承載特性特性。灌注樁內芯勁擴復合樁在達到承載力極限時，樁身沉降更為穩定。

(3)勁擴復合樁側阻力計算值與預制樁及灌注樁樁側阻力經驗值的比值平均值為1.54～2.50。水泥土擠密擴散效應和水泥土重組強化效應的存在，加固了樁側土體，改變了樁-土結合面，等效擴大了樁的有效直徑，從而使勁擴復合樁獲得較高的側阻力。