縮徑基樁豎向承載性能的透明土試驗研究

徐志軍，王云泰，杜建平，王政權(quán)，周洋，王爽

（1.河南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，河南鄭州 450001；2.中國建筑第七工程局有限公司，河南鄭州 450004）

隨著我國“一帶一路”倡議的提出和實施，山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求日益增長.樁基因其承載力高、沉降小、施工方便等優(yōu)點在我國的山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用［1-2］.由于施工技術(shù)和水文地質(zhì)條件等原因，樁在施工和使用過程中易出現(xiàn)縮徑、夾泥和斷樁等質(zhì)量缺陷，因此樁完整性檢測尤為重要［3-4］.然而，山區(qū)因其特殊的地形和地質(zhì)條件等原因，導(dǎo)致基樁的完整性檢測十分復(fù)雜.因此，明晰缺陷樁承載性能對樁基合理設(shè)計尤其是山區(qū)樁基工程的設(shè)計施工具有重要的意義.

縮徑是常見的基樁質(zhì)量缺陷形式［5］.目前，國內(nèi)外學(xué)者對縮徑缺陷樁進(jìn)行了大量的研究.Lee 等［6］提出了一種利用電磁波無損檢測鉆孔灌注樁縮徑缺陷的方法，證明了電磁波可以有效檢測鉆孔灌注樁不同位置的縮徑缺陷；楊軍等［7］通過模型樁平行地震波試驗，研究了缺陷樁的應(yīng)力波傳遞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)平行地震波判別樁身缺陷的效果明顯；范小雪等［8］研究了飽和土中帶有缺陷的大直徑灌注樁的水平震動響應(yīng)問題，研究表明樁頂處的縮徑會導(dǎo)致樁頂復(fù)阻抗的顯著降低，而對樁中部與端部影響較?。籒i 等［9］利用連續(xù)小波變換技術(shù)確定出樁長和基樁缺陷的位置；Farenyuk 等［10］利用低頻脈沖波的方法，得到了關(guān)于樁的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的信息，不僅確定出樁的長度和缺陷的位置，同時識別了樁的缺陷類型和幾何形狀.目前，關(guān)于縮徑基樁的研究主要集中于缺陷監(jiān)測和識別方面.在樁-土相互作用研究方面，Sang 等［11］研究了帶承臺樁和無承臺樁樁端和樁周土體的變形規(guī)律，得知了承臺可提高樁的承載力；周航等［12］提出一種新的異形截面樁沉樁模型試驗技術(shù)，研究了圓形樁和XCC 樁沉樁擠土的位移場變化規(guī)律.但由于縮徑缺陷的存在，導(dǎo)致豎向荷載作用下樁周土體顆粒的細(xì)觀運動機(jī)理、土體內(nèi)部變形特征及荷載傳遞機(jī)理頗為復(fù)雜，因此，厘清豎向荷載下縮徑基樁樁-土相互作用規(guī)律，揭示樁的承載性能尤為重要.

樁基屬于隱蔽工程，對其進(jìn)行直觀的試驗研究難度頗大［13］.透明土試驗技術(shù)解決了傳統(tǒng)土工試驗的不可視和內(nèi)置傳感器等問題，實現(xiàn)了對內(nèi)部土體顆粒運動特征的全面觀測［14］.Ding 等［15］將透明土應(yīng)用于土石混合料模型試驗中，通過物理試驗比較了人工合成透明土與天然砂土的物理力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)兩者具有很高的相似性；雷華陽等［16］對比不同的孔隙流液配比和摻入硅粉的質(zhì)量比，得到了透明土的最佳可視度配合比；孔綱強(qiáng)等［17］比較了透明砂土、天然砂土和福建標(biāo)準(zhǔn)砂的動變形及動強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)透明砂土的動變形和動強(qiáng)度特性與天然砂土相似，可以模擬天然砂土相關(guān)試驗；周東等［18］通過透明土技術(shù)，研究了不同埋深下被動樁的樁周土體位移.近年來，透明土技術(shù)被應(yīng)用于土體內(nèi)部滲流和觀察、土與結(jié)構(gòu)相互作用等巖土試驗中，王壯等［19］通過透明土模型試驗研究坡頂荷載作用下土巖界面接觸滑移機(jī)理和規(guī)律；Li 等［20］提出了一種基于輪廓旋轉(zhuǎn)插值法、3D打印技術(shù)和透明土技術(shù)的3D打印透明土顆粒的技術(shù)，其研究表明3D 打印透明土可用于考察形狀對宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響，且可以捕捉土體變形；曹兆虎等［21］結(jié)合透明土試驗技術(shù)與數(shù)值模擬研究了基樁在水平荷載作用下樁周土體位移場的發(fā)展變化規(guī)律；孔綱強(qiáng)等［22］通過透明土模型試驗對比分析了水平荷載下擴(kuò)底楔形樁和等截面樁以及楔形樁的極限承載力、基樁變形對樁周土體位移場的擾動規(guī)律以及樁-土相互作用機(jī)理；Zhang 等［23］使用透明土技術(shù)研究了單個隧道在地表和正下方地層中的三維垂直和水平變形模式；Liu等［24］采用透明土模型試驗技術(shù)研究了在砂質(zhì)場地上開挖平行隧道引起的地表和地層沉降特性.隨著透明土技術(shù)的不斷發(fā)展與廣泛應(yīng)用，該技術(shù)已經(jīng)成為巖土工程模擬試驗的一個有力工具.

為了探究豎向荷載下縮徑基樁樁周土變形規(guī)律及樁體沉降和承載力變化規(guī)律，本文利用透明土技術(shù)，對1組完整樁和8組含不同縮徑缺陷的基樁進(jìn)行豎向加載試驗，通過荷載位移曲線研究了縮徑樁承載力變化規(guī)律，利用MatPIV 軟件對土體的散斑場進(jìn)行處理，得到樁周土體位移矢量圖.在此基礎(chǔ)上，利用土體變化規(guī)律分析了縮徑樁承載力的變化原因.

1 試驗方案及材料選擇

1.1 模型試驗裝置

試驗系統(tǒng)主要由豎向加載系統(tǒng)、散斑制作系統(tǒng)、模型箱以及圖像采集系統(tǒng)4 部分組成，見圖1［25］.其中豎向加載系統(tǒng)包括荷載量程為0～500 N 的步進(jìn)電機(jī)，精度為0.3 N 的壓力傳感器及位移量程為0～600 mm、精度為0.001 mm 的位移傳感器，由加載控制系統(tǒng)施加荷載并采集力和位移數(shù)據(jù).散斑制作系統(tǒng)包括可調(diào)節(jié)強(qiáng)度的激光發(fā)射器MW-GX-532/2000mW和光學(xué)棱鏡.圖像采集系統(tǒng)包括工業(yè)CCD相機(jī)、相機(jī)采集控制計算機(jī).模型箱采用鋼化玻璃制作而成.為了避免邊界效應(yīng)的影響，參照文獻(xiàn)［26］中基樁貫入對周圍土體的影響范圍，并考慮配制透明土的最大透明度，選定尺寸為320 mm×180 mm×350 mm（長×寬×高）的模型箱.對于模型樁，模型箱尺寸與樁徑之比（L/D=16）和模型樁直徑與土顆粒平均粒徑之比（D/d50=47）滿足邊界效應(yīng)和粒度效應(yīng)要求［25］.

圖1 透明土模型試驗加載系統(tǒng)Fig.1 Loading system of transparent soil model experiment

1.2 試驗材料

試驗所用透明土由熔融石英砂和折射率匹配的孔隙流液制成，熔融石英砂純度為99.9%.為了充分模擬砂土及獲得更優(yōu)的散斑場，選用顆粒粒徑為0.5～1 mm 和1～2 mm 的熔融石英砂，按照質(zhì)量比為1∶2 配制的混合固體顆粒作為透明土的骨架顆粒，熔融石英砂與標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒級配曲線見圖2.孔隙液采用正十二烷和90#白油按照體積比為1∶8.8 進(jìn)行配制，可得到20 ℃下折射率為1.458 0的孔隙流液.透明土的基本參數(shù)和實物分別見表1 和圖3.透明土的力學(xué)性質(zhì)與天然砂土相似，在模型試驗中，可作為模擬天然砂土的替代物［27-29］.根據(jù)相似理論［30］，將實體樁尺寸按比例縮小得到模型樁尺寸［31］，樁身材料采用有機(jī)玻璃制作而成［25］.為了減少光的反射，且考慮摩擦的影響，對模型樁樁身采用砂紙通體打磨，并使用摩擦角法測量模型樁摩擦因數(shù)，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB 50007—2011）［32］對砂土與混凝土之間摩擦因數(shù)的規(guī)定，使其摩擦因數(shù)位于0.4～0.5，即為打磨完成.縮徑尺寸（直徑和長度）和模型樁的尺寸見圖4.

圖2 熔融石英砂顆粒級配曲線Fig.2 Grain grading curve of fused quartz sand

表1 透明土的基本性質(zhì)Tab.1 Basic properties of transparent soil

圖4 模型樁（單位：mm）Fig.4 Model piles（unit：mm）

1.3 試驗方案

為了確保試驗結(jié)果的一致性，對于每種工況，控制模型槽內(nèi)透明土的質(zhì)量及高度一致，以保證試驗過程中透明土的密實度相同.對裝料完成后的透明土進(jìn)行抽真空處理，排除顆?？紫吨械臍怏w.根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）［33］，試驗采用慢速荷載維持法進(jìn)行基樁抗壓試驗，逐級加載，每級荷載20 N，當(dāng)樁頂沉降速率連續(xù)兩次出現(xiàn)小于0.1 mm/h 時，認(rèn)定該級加載穩(wěn)定，記錄樁頂沉降量，對土體散斑場進(jìn)行拍照，然后進(jìn)行下一級加載.當(dāng)樁體的沉降量達(dá)到30 mm時，加載結(jié)束.

2 豎向承載力分析

將8 根縮徑樁分3 組進(jìn)行試驗對比分析，見圖4.根據(jù)規(guī)范確定樁的豎向承載力［33］.考慮縮徑參數(shù)（不同長度、不同位置和不同直徑）的影響，荷載-沉降曲線見圖5.由圖5（a）可知，當(dāng)縮徑直徑和位置一定時，隨著縮徑長度的增大，基樁豎向承載力明顯下降.當(dāng)縮徑長度為樁長的10%且縮徑直徑為完整樁的20%時，承載力損失高達(dá)45%，這會給工程造成嚴(yán)重的安全隱患.由圖5（b）可知，對比完整樁，SMT 樁、MMT樁和DMT 樁極限承載力分別損失了18.2%、18.2%和9.1%，且在達(dá)到極限荷載前，縮徑樁的曲線斜率明顯較大.由圖5（c）可知，對比完整樁，MLW 樁、MLM 樁和MLT 樁極限承載力分別損失了0%、0%和27.3%.對于MLW 樁及MLM 樁，雖然承載力相對于完整樁并無變化，但觀察基樁荷載-沉降曲線，MLW樁與MLM 樁在達(dá)到極限承載力時基樁沉降大于完整樁，故不適合承載［33］.

圖5 完整樁和縮徑樁的荷載-沉降曲線Fig.5 Load-settlement curves for intact and necking piles

另外，荷載-沉降曲線均呈陡降型，各樁在達(dá)到極限承載力前，隨著荷載等級的增大，沉降大致呈線性增加；達(dá)到極限荷載后，沉降值急劇增大.以下將根據(jù)試驗結(jié)果分析縮徑樁樁周土體位移規(guī)律，并與完整樁對比，從土體位移方面揭示縮徑承載力變化原因.

3 樁-土相互作用分析

由以上分析可知，在豎向荷載作用下，厘清不同縮徑長度、不同縮徑位置及不同縮徑直徑樁的樁周土體變化規(guī)律是分析承載力變化原因的關(guān)鍵.MatPIV軟件是處理土體散斑場的有效工具［25］.使用MatPIV 軟件處理樁周土體散斑場，可得到土體位移矢量圖.基樁豎向抗壓是軸對稱的，選取一半的位移場數(shù)據(jù)和沉降值達(dá)到4 mm時樁周土體的變形并對其進(jìn)行分析.

為更好地對比分析，將完整樁樁周土體變形分為三個區(qū)域［34］.區(qū)域①為樁側(cè)土體變形區(qū)域，范圍為1 倍樁徑；區(qū)域②為樁端壓縮變形過渡區(qū)；區(qū)域③為樁端壓縮變形區(qū)，樁端變形范圍為2 倍樁徑.完整樁樁端土體變形主要集中于樁端位置，樁身附近位移較小.隨著基樁向下位移，樁端土體承受基樁的豎向壓力，樁端土體被壓縮，密實度增大.以下將以完整樁樁周土體變形為依據(jù)，對縮徑樁樁周土體變形規(guī)律進(jìn)行分析.

3.1 不同縮徑長度樁-土體相互作用分析

圖6 給出了完整樁與SST 樁、SMT 樁和SLT 樁的樁周土體位移矢量圖.對于縮徑處（區(qū)域①）的土體，由于SST 樁的縮徑長度較小，區(qū)域①未發(fā)生明顯的變形，側(cè)摩阻力損失最小，樁的承載力降低最少；隨著縮徑長度的增大，SMT 樁的區(qū)域①位置土體出現(xiàn)明顯的隨樁下移；縮徑長度繼續(xù)增大，SLT 樁的區(qū)域①處土體開始出現(xiàn)遠(yuǎn)離樁身的斜向下變形，縮徑處的土體向下變形使樁身與土體的相對位移減小，導(dǎo)致此處的側(cè)摩阻力降低，樁的承載力下降.對于樁端土體變形（區(qū)域②和區(qū)域③），隨著縮徑長度的不斷增大，樁端土體變形范圍不斷增大，說明樁端承擔(dān)了部分損失的側(cè)摩阻力.SST 樁樁端土體變形主要集中在區(qū)域③，而SMT 樁與SLT 樁樁端土體變形主要集中于區(qū)域②.SMT 樁樁端土體產(chǎn)生了更多的水平變形，SLT 樁樁端土體逐漸產(chǎn)生斜向上變形，較多的樁端荷載開始向四周傳遞，說明樁存在縮徑時，調(diào)動更多的土體承擔(dān)荷載.然而，由于縮徑的存在，側(cè)摩阻力損失較大，樁端阻力不能彌補(bǔ)承載力全部的損失，最終導(dǎo)致縮徑樁極限承載力降低.

圖6 完整樁、SST樁、SMT樁與SLT樁樁周土體位移矢量圖Fig.6 Vector graphs of soil displacements around intact pile，SST pile，SMT pile and SLT pile

3.2 不同縮徑位置樁-土體相互作用分析

圖7 為完整樁與SMT 樁、MMT 樁和DMT 樁的樁周土體位移矢量圖.縮徑處（區(qū)域①）土體均發(fā)生了明顯的變形.對于SMT樁，土體變形主要集中于樁頂附近；MMT 樁樁周土體變形集中在樁身附近；而對于DMT 樁，由于縮徑位置與樁端距離較近，縮徑處土體與樁端土體發(fā)生貫通現(xiàn)象，土體變形集中在了樁端附近.由于側(cè)摩阻力是自上而下逐步發(fā)揮的，縮徑的存在導(dǎo)致側(cè)摩阻力減小.縮徑位置離樁頂越遠(yuǎn)，縮徑對側(cè)摩阻力的影響越小，樁的承載力損失越小.觀察樁端土體，淺部縮徑樁端土體變形主要集中于樁端壓縮變形過渡區(qū)（區(qū)域③），而中部縮徑樁樁端土體變形主要集中于樁端壓縮區(qū)（區(qū)域②），說明淺部縮徑樁調(diào)動了更多的土體彌補(bǔ)損失的一部分承載力，使得淺部縮徑樁與中部縮徑樁的極限承載力相同.

圖7 完整樁、SMT樁、MMT樁與DMT樁樁周土體位移矢量圖Fig.7 Vector graphs of soil displacements around intact pile，SMT pile，MMT pile and DMT pile

3.3 不同縮徑直徑樁-土體相互作用分析

圖8為完整樁與MLW 樁、MLM 樁和MLT樁的樁周土體位移矢量圖.分析位移矢量圖，縮徑處（區(qū)域①）土體出現(xiàn)明顯的變形，且隨著縮徑直徑的縮小，MLT 樁的區(qū)域①處土體出現(xiàn)向上隆起的現(xiàn)象，土體發(fā)生了剪切破壞，極大降低了此處樁身的摩阻力，導(dǎo)致樁的極限承載力明顯降低.對比完整樁樁端土體變形，縮徑樁樁端產(chǎn)生了更大范圍的土體變形，說明縮徑導(dǎo)致側(cè)摩阻力的損失主要由樁端承擔(dān).對比樁端土體（區(qū)域②和區(qū)域③）變形，發(fā)現(xiàn)MLW 樁變形集中于區(qū)域③，MLW 樁的區(qū)域②土體出現(xiàn)水平變形，MLT 樁的區(qū)域②土體開始繞樁向上變形，表明樁端下方的土體被壓縮后的承載力達(dá)到極限，荷載開始向水平方向傳遞，由于土體圍壓的原因，荷載又開始逐漸向上方傳遞.對于MLW 樁和MLM 樁，縮徑阻力及樁端承載力彌補(bǔ)了損失的側(cè)摩阻力，最終在縮徑阻力、樁端阻力及側(cè)摩阻力的共同作用下，相對于完整樁，MLW 樁和MLM 樁承載力沒有變化，但其沉降較大，不宜承載［33］.

圖8 完整樁、MLW樁、MLM樁與MLT樁位移矢量圖Fig.8 Vector graphs of soil displacements around intact pile，MLW pile，MLM pile and MLT pile

綜上，對于縮徑缺陷基樁，影響樁豎向承載力的因素為：樁側(cè)摩阻力、由不均勻樁身與土體相互作用產(chǎn)生的阻力（縮徑阻力）以及樁端阻力.損失的側(cè)摩阻力大于縮徑阻力及樁端阻力之和，導(dǎo)致承載力下降.然而對于MLW 樁和MLM 樁，縮徑阻力及樁端阻力彌補(bǔ)了損失的側(cè)摩阻力，使其承載力沒有變化，但沉降過大，不宜承載.

4 結(jié)論

通過透明土模型試驗，對1根完整樁及8根不同參數(shù)的縮徑樁進(jìn)行分級加載，研究了縮徑長度、縮徑位置以及縮徑直徑對基樁承載力以及樁周土體變形的影響，得出以下結(jié)論：

1）縮徑的存在導(dǎo)致基樁承載力降低.當(dāng)縮徑長度為樁長10%時，承載力損失高達(dá)45%；縮徑位置離樁頂越近，承載力損失越嚴(yán)重；當(dāng)縮徑直徑為樁徑20%時，承載力損失27.3%.

2）縮徑的存在使縮徑處與樁端的土體發(fā)生明顯變形.隨著縮徑長度的增大及縮徑直徑的減小，縮徑處及樁端的土體變形范圍更大，使得土體與樁身相對位移明顯下降，導(dǎo)致豎向承載力降低.隨著縮徑尺寸的不斷增大，樁端土體從豎直向下變形到逐漸沿樁身向上變形，需要調(diào)動更多的土體承擔(dān)損失的承載力.

3）在縮徑阻力、樁端承載力及側(cè)摩阻力的共同作用下，部分縮徑樁承載力沒有變化，但其沉降過大，不宜承載.當(dāng)縮徑位于深部時，縮徑處土體與樁端土體會發(fā)生貫通現(xiàn)象，導(dǎo)致樁端土體發(fā)生剪切破壞，承載力下降明顯.

4）本文結(jié)合透明土與PIV 技術(shù)，研究了縮徑樁的承載力與樁周土體的變化規(guī)律，為基樁的合理設(shè)計和加固提供一定的理論和技術(shù)參考.但研究僅針對單一的砂土，對其他土質(zhì)情況并未進(jìn)行研究.另外，縮徑對承載力影響的理論計算未深入研究，日后將針對這些不足進(jìn)行下一步的研究.