巖溶地區(qū)灌注樁荷載傳遞特性分析

付繼位 （中鐵十一局集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

我國(guó)西南地區(qū)廣泛分布著巖溶地貌，巖溶地貌有大量的溶洞與土洞，樁基礎(chǔ)施工困難。目前在巖溶地區(qū)使用最多的成樁方式為鉆孔灌注成樁，但鉆孔灌注成樁會(huì)引發(fā)卡鉆、掉錘以及塌孔等問(wèn)題，而這些問(wèn)題可能會(huì)使樁基礎(chǔ)質(zhì)量變差，從而導(dǎo)致建筑坍塌、人員傷亡等。

目前已有大量學(xué)者研究巖溶地區(qū)成樁問(wèn)題，其中黃亮雄[1]以寧橫公路樁基為研究對(duì)象，總結(jié)了復(fù)合樁質(zhì)量控制、設(shè)備以及施工技術(shù)等寶貴經(jīng)驗(yàn)，并進(jìn)行了物理模型試驗(yàn)、光彈性試驗(yàn)以及數(shù)值模擬試驗(yàn)，優(yōu)化了復(fù)合樁的設(shè)計(jì)。龔歡等[2]創(chuàng)新性地使用灌注樁帷幕式施工技術(shù)，使樁底混凝土變?yōu)橛薪M織擴(kuò)散，可節(jié)約鋼護(hù)筒，經(jīng)濟(jì)效益顯著。鄧文洪[3]針對(duì)灌注樁卡鉆、掉錘以及塌孔等問(wèn)題，使用了超長(zhǎng)鉆孔灌注樁，并對(duì)施工工藝進(jìn)行了優(yōu)化。朱佩寧等[4]研究了嵌巖灌注樁的可用性，并對(duì)該樁的受力特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明嵌巖灌注樁成樁效果較好，且承載能力較強(qiáng)。蘇金凌等[5]研究了樁筏基礎(chǔ)以及樁筏基礎(chǔ)與CFG 樁組合的施工方案，并對(duì)比兩者優(yōu)缺點(diǎn)。黃有桂等[6]應(yīng)用碎石樁以及注漿聯(lián)合法加固巖溶地區(qū)軟弱地基，得到樁的承載特性，并提出了相應(yīng)的施工工藝。

由上述可知，針對(duì)巖溶地區(qū)成樁的研究成果十分豐富，但缺失布袋樁的研究。本文以布袋樁為研究對(duì)象，探究布袋樁荷載傳遞特性以及受力特征，為巖溶地區(qū)使用布袋樁提供理論依據(jù)與參考價(jià)值。

1 物理模型試驗(yàn)

為了研究普通樁與布袋樁承載能力的差別，故開(kāi)展本次模型試驗(yàn)。本模型有以下三條簡(jiǎn)化，第一，地基的物理力學(xué)性質(zhì)一樣，相同配比的水泥砂漿澆筑灰?guī)r；第二，溶洞的大小與樁徑相差較小；第三，成樁前溶洞沒(méi)有填充，成樁后由枝狀體填充。模型示意圖如圖1 所示，本試驗(yàn)各項(xiàng)數(shù)據(jù)的相似比如表1 所示，并根據(jù)相似比計(jì)算地基各項(xiàng)參數(shù)（見(jiàn)表2）。

表1 相似比

表2 灰?guī)r地基參數(shù)

圖1 布袋裝模型示意圖

1.1 成樁試驗(yàn)

模型箱長(zhǎng)、寬、高分別為300mm、200mm、650mm，使用厚度2cm木板制作，并使用環(huán)氧樹(shù)脂涂抹在接縫處，防止?jié){液漏出。模具使用直徑50mm 的鋼管焊制，兩道橫桿預(yù)留出溶洞位置。鋼筋籠由3 根螺桿、6 對(duì)螺母、1 根注漿管以及4 塊半圓鐵皮組成。使用乳膠氣球來(lái)模擬彈性布袋，乳膠氣球厚度為0.3mm，彈性模量為0.014GPa，泊松比為0.45。使用拉力計(jì)連接吊纜與鋼筋籠，可由拉力值推算出注漿量。使用軟管接出鋼筋籠注漿管且連接注水泵，并使用壓力表測(cè)得注漿壓力。

試驗(yàn)時(shí)向注漿管內(nèi)泵注入染色自來(lái)水，并記錄壓力表、拉力計(jì)以及枝狀體長(zhǎng)度。觀察枝狀體長(zhǎng)度與布袋樁承載能力關(guān)系可以看出，當(dāng)枝狀體長(zhǎng)度為樁徑D的2/3 時(shí)，枝狀體結(jié)構(gòu)承載能力可完全發(fā)揮，故枝狀體長(zhǎng)度為2/3D 時(shí)命名為長(zhǎng)度閾值。在枝狀體長(zhǎng)度大于長(zhǎng)度閾值時(shí)，可認(rèn)為布袋樁可充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)。故以上枝狀體作為基準(zhǔn)，當(dāng)枝狀體長(zhǎng)度大于長(zhǎng)度閾值時(shí)，試驗(yàn)可終止。

1.2 靜載試驗(yàn)

為了能夠布置監(jiān)測(cè)儀器與控制樁體形狀，靜載試驗(yàn)先成樁，然后澆筑地基。使用4根樁長(zhǎng)630mm、樁徑30mm 的空心管制作樁體，并在樁內(nèi)貼雙排應(yīng)變片。在布袋樁表面覆上一層乳膠膜，乳膠膜泊松比為0.45，彈性模量為0.014GPa，表3 為試樁參數(shù)。模型箱長(zhǎng)為0.6m，寬為0.6m，高為0.9m，使用2cm 厚模板制成，設(shè)置4cm 厚長(zhǎng)木條于受力集中處。灰?guī)r砂漿由m中砂：m水：m水泥：m石膏粉=6:1:0.7:0.3比例配置。

表3 試樁參數(shù)

配置水泥砂漿模擬地基物理力學(xué)參數(shù)，將水泥砂漿倒入9 個(gè)長(zhǎng)、寬、高均為150mm 的模具中，并養(yǎng)護(hù)7d，然后風(fēng)干21d，最后將試樣進(jìn)行三軸壓縮試驗(yàn)和單軸壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)得到材料參數(shù)如表2所示。

試驗(yàn)加載系統(tǒng)使用千斤頂以及反力架，且放置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由百分表、測(cè)力計(jì)和數(shù)顯儀、應(yīng)變片和應(yīng)變分析儀、土壓力盒與數(shù)據(jù)采集儀組成，其中百分表量程為0～50mm，測(cè)力計(jì)量程為-1000～1000kg，土壓力盒量程為0～6MPa。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 成樁試驗(yàn)

成樁試驗(yàn)后布袋樁的樁徑均勻，樁身較完整，且乳膠膜未出現(xiàn)破損，沒(méi)有出現(xiàn)滲漏現(xiàn)象。由此可見(jiàn)布袋樁可有效防止?jié){液滲漏，應(yīng)用前景良好。

Hencky 曾提出可把枝狀體凸出問(wèn)題視為在邊界約束條件下，在圓薄膜中心部位受到均布載荷，從而產(chǎn)生對(duì)稱變形。其中薄膜最大撓度計(jì)算公式為：

式中，P為無(wú)量綱參數(shù)，計(jì)算公式為：

式中，E是圓薄膜的彈性模量；h是圓薄膜的厚度；P是圓薄膜受到的壓強(qiáng)；v是圓薄膜的泊松比。

常數(shù)c取自式（3）、（4）：

g（c）取自式（5）：

由于圓薄膜是確定的，薄膜厚度、半徑、泊松比、彈性模量均為已知量，因此最大撓度僅和壓強(qiáng)有關(guān)。通過(guò)式（1）-式（5）可得上、下枝體長(zhǎng)度，如表4所示。

表4 成樁試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2.2 靜載試驗(yàn)

圖2 為4 根樁的靜載試驗(yàn)結(jié)果。從圖中可以看出，隨著樁頂荷載增大，普通樁（TBP）樁頂沉降逐漸變大，在荷載大于4.2kN 時(shí)，沉降增加幅度較大。而試驗(yàn)樁（TBPa、TBPb、TBPc）增長(zhǎng)趨勢(shì)相同，且增長(zhǎng)幅度較小。普通樁極限承載力（3.9kN）小于試樁TPa（4.5kN）、TPb（5.4kN）、TPc（6.0kN）的極限承載力布袋樁，可見(jiàn)布袋樁能有效提高樁基承載力。此外，在直徑相同的情況下，布袋樁體積比普通樁僅僅大10%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

圖2 樁頂荷載與沉降變化曲線

為了研究布袋樁各部分受力情況，故將布袋樁（TBPa）分段命名，如表5 所示。

表5 樁分段

枝狀體阻力、側(cè)摩阻力、樁端阻力荷載變化值如圖3 所示。由圖可知，隨著總荷載增加，三種承載力逐漸增大，側(cè)摩阻力增加幅度最大。在加載過(guò)程中側(cè)摩阻力作用最大，樁端阻力最小。

圖3 荷載與分段荷載變化曲線

三種端承力發(fā)揮規(guī)律如圖3（b）所示，可以看出隨著總荷載增大，下枝狀體和樁端阻力逐漸增大，而上枝狀體先增大然后趨于穩(wěn)定。在總荷載小于4kN時(shí)，上柱狀體發(fā)揮作用最大。

三種摩擦段阻力發(fā)揮規(guī)律如圖3（c）所示，可以看到隨著總荷載增大，下摩擦段增長(zhǎng)迅速，發(fā)揮作用逐漸變大，上摩擦段增大幅度較小。

綜上所述，布袋樁在受到荷載時(shí)，側(cè)摩阻力承擔(dān)的荷載最多，在加載后期側(cè)摩阻力承擔(dān)作用遠(yuǎn)大于樁端阻力，由此可見(jiàn)布袋樁的枝狀體尚未完全發(fā)揮。此外，布袋樁上枝狀、下枝狀體與樁端交替承載，有傳遞效應(yīng)，這也為布袋樁承載的典型特征。

枝狀體阻力、側(cè)摩阻力、樁端阻力與總荷載比例關(guān)系如圖4（a）所示。可以看到，側(cè)摩阻力在開(kāi)始時(shí)承擔(dān)了約72%荷載，隨著總荷載增加，側(cè)摩阻力所占比例逐漸降低，并趨于穩(wěn)定（55%）。圖4（b）為上枝狀體、下枝狀體與樁端阻力所占荷載比例。由圖可知，在大多數(shù)時(shí)間里上枝狀體承擔(dān)比例大于下枝狀體與樁端阻力，由此可見(jiàn)上枝狀體的設(shè)計(jì)尤為重要。

圖4 分段荷載占比圖

3 結(jié)論

為了研究普通樁與布袋樁承載能力的差別，開(kāi)展了布袋樁與普通樁的物理模型試驗(yàn)，并通過(guò)成樁試驗(yàn)與靜載試驗(yàn)，得到布袋樁成樁數(shù)據(jù)與受荷載情況，得到以下結(jié)論。

①Hencky 公式計(jì)算出上枝狀體長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度相差分別為7.02%、2.56%、4.13%，下枝狀體計(jì)算長(zhǎng)度與實(shí)際長(zhǎng)度相差分別為4.77%、3.57%、5.96%，可以看出實(shí)際長(zhǎng)度與推算長(zhǎng)度誤差較小。

②普通樁極限承載力（3.9kN）小于試樁TPa（4.5kN）、TPb（5.4kN）、TPc（6.0kN）的極限承載力布袋樁，可見(jiàn)布袋樁能有效提高樁基承載力。此外，在直徑相同的情況下，布袋樁體積比普通樁僅僅大10%，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

③布袋樁在受到荷載時(shí)，側(cè)摩阻力承擔(dān)的荷載最多，在加載后期側(cè)摩阻力承擔(dān)作用遠(yuǎn)大于樁端阻力，布袋樁的枝狀體尚未完全發(fā)揮。此外，布袋樁上枝狀體、下枝狀體與樁端交替承載，有傳遞效應(yīng)，這也為布袋樁承載的典型特征。

④側(cè)摩阻力在開(kāi)始時(shí)承擔(dān)了約72%荷載，隨著總荷載增加，側(cè)摩阻力所占比例逐漸降低，并趨于穩(wěn)定（55%）。在大多數(shù)時(shí)間里上枝狀體承擔(dān)比例大于下枝狀體與樁端阻力，上枝狀體的設(shè)計(jì)尤為重要。