碎石樁樁身鼓脹變形測試技術(shù)研究

張玲　趙明華　羅宏

摘 要：：針對豎向荷載作用下碎石樁等散體材料樁樁身豎向壓縮同時伴有側(cè)向鼓脹變形這一特性，自行開發(fā)研制出量測樁身鼓脹變形的測試儀器，其原理是通過量測變形后的樁身周長來確定碎石樁的鼓脹量.通過與水玻璃膠結(jié)碎石樁量測其變形后周長等方法測試結(jié)果對比分析，驗(yàn)證碎石樁樁身鼓脹變形測試技術(shù)的可行性和測試精度.將該技術(shù)應(yīng)用于室內(nèi)模型試驗(yàn)中碎石樁鼓脹變形量的量測，測試結(jié)果表明，碎石樁鼓脹變形量隨上部豎向荷載的增加而增加，同一荷載等級下鼓脹變形先隨深度的增加而增加，后又隨深度的增加而減小.

關(guān)鍵詞：模型試驗(yàn)；測試技術(shù)；碎石樁；鼓脹變形

中圖分類號：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）03-0149-06

碎石樁是指采用振沖或沉管法等在軟基中成孔，再在孔內(nèi)填入碎石、卵石等粗骨料，形成具有一定直徑的密實(shí)樁體.碎石樁與樁周土體形成復(fù)合地基，協(xié)調(diào)變形、共同承載，提高地基承載力和抗液化能力，減小地基沉降.碎石樁復(fù)合地基因其取材方便、施工簡單、造價低廉，且具有良好的振密擠密、置換、排水固結(jié)等加固作用而在公路、鐵路等軟土地基處治中廣泛應(yīng)用[1-2].然而碎石樁復(fù)合地基的承載機(jī)理及其設(shè)計計算理論研究尚有待進(jìn)一步深入[3-6].

試驗(yàn)研究可直接揭示研究對象的某些特性，為理論分析提供良好的基礎(chǔ).其中室內(nèi)模型試驗(yàn)具有投資相對較少、時間靈活、影響因素容易控制等優(yōu)點(diǎn)，因而成為揭示研究對象工作機(jī)理、探討發(fā)展規(guī)律等的重要手段之一.在豎向荷載作用下，碎石樁豎向壓縮變形的同時伴有側(cè)向鼓脹變形，如何量測碎石樁側(cè)向鼓脹變形量是試驗(yàn)研究的一大難題.Hughes和Withers[7]采用放射線照相技術(shù)（laboratory radiography），研究碎石樁單樁的受力變形特性；胡煒等[8]在載荷試驗(yàn)后，采用改裝后的真空吸塵器吸走黏土中的砂樁，之后立馬在孔洞中注入石膏漿，待石膏凝固后挖掉樁周黏土，石膏模型即為最終變形后的砂樁，以此來研究黏土地基中散體材料樁的變形及破壞機(jī)理；Wood等[9]、Ambily等[10]、Ali等[11]、Shahu等[12]在載荷試驗(yàn)結(jié)束后，采用挖掘技術(shù)（exhumation technique），先將黏土中的碎石樁挖出，再在孔洞中注入石膏漿以研究碎石樁的鼓脹變形特性；Deb等[13]用水泥漿將碎石樁膠結(jié)起來，Black等[14]沿樁身軸線方向切割出樁土復(fù)合地基的剖面圖，以觀察載荷試驗(yàn)后碎石樁的鼓脹變形情況；Mckelvey等[15]通過配置一透明材料模擬樁間軟土，來研究在加載過程中碎石樁的變形情況.上述方法中，放射線法試驗(yàn)成本較高；石膏成型法[8-12]、水泥漿膠結(jié)法[13]、直接切割法[14]等可得加載后碎石樁最終的鼓脹變形情況，但無法反應(yīng)鼓脹變形隨荷載增加的發(fā)展變化過程，且石膏成型法[8-12]需先將碎石等散體材料從復(fù)合地基中挖掘出來，工作難度較大；而透明材料模擬樁間軟土?xí)r與實(shí)際地基土體的性質(zhì)有差異，試驗(yàn)費(fèi)用較高，且不適于大比例模型試驗(yàn)研究.

因此，便于實(shí)際操作的樁身鼓脹變形量測技術(shù)的研發(fā)對揭示碎石樁等散體材料樁復(fù)合地基的承載變形機(jī)理非常重要.為此，本文基于碎石樁的受力變形機(jī)理，對碎石樁等散體材料樁鼓脹變形的量測技術(shù)進(jìn)行研究.

由此可見，碎石樁承載力主要取決于樁周土體的側(cè)向約束力，該約束力的發(fā)揮對碎石樁樁復(fù)合地基的承載力起著關(guān)鍵作用.豎向荷載作用下，當(dāng)樁周土體強(qiáng)度較低而不能提供足夠的側(cè)向約束力時，碎石樁極易發(fā)生側(cè)向鼓脹而導(dǎo)致整個復(fù)合地基失效.

2 碎石樁鼓脹變形測試儀

豎向荷載作用下碎石樁發(fā)生鼓脹變形，進(jìn)而引起樁身截面周長的變化，通過量測變形后的樁身周長來確定碎石樁的鼓脹量，其工作原理如圖3所示.

根據(jù)上述工作原理，課題組自行研發(fā)出散體材料樁樁身鼓脹變形量測試儀（圖4）.用柔性鋼絲繩作牽引繩串聯(lián)排列緊密的片材，并將其緊密包裹在碎石樁樁身周圍，牽引繩一端固定于緊固件，另一端穿過定位片連接于位移傳感器.碎石樁受荷載鼓脹變形時，片材隨碎石料一起向周圍土體擠壓，牽引繩隨之在片材孔洞中滑動，將片材之間產(chǎn)生的微小變化進(jìn)行集中反應(yīng)，最后通過位移傳感器量測牽引繩長度的減小量來反應(yīng)碎石樁鼓脹變形引起的樁身周長增量.

設(shè)置如圖4所示位于緊固件與位移傳感器間柔性套管的目的除保護(hù)鋼絲繩外，主要是將鋼絲繩與軟土及碎石隔開，減小牽引繩的滑動摩擦，因?yàn)槿翡摻z繩外露，被軟土包裹，牽引繩的滑動受到很大的阻力，進(jìn)而會約束碎石樁的鼓脹變形，甚至?xí)斐稍跍y試儀埋設(shè)的位置出現(xiàn)碎石樁“縮頸”現(xiàn)象.

此外，鋼絲繩雖具有一定的柔性，但是由于片材的打孔是直的，鋼絲繩串聯(lián)片材使其緊貼碎石樁樁身時，會導(dǎo)致鋼絲繩有彎折，鋼絲繩與片材之間會產(chǎn)生較大摩擦阻力，為盡量減小鋼絲繩與片材間的摩擦影響，采取了如下措施：1） 選用較細(xì)的鋼絲繩（直徑1.5 mm）；2） 片材的寬度不宜過大，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)片材寬度選擇在10～12 mm左右較為合適；3） 片材選用酚醛樹脂材料（穩(wěn)定性好，摩擦系數(shù)?。?，厚5 mm，高35 mm，中間穿孔的直徑2 mm.

為驗(yàn)證研制的散體材料樁鼓脹變形量測試儀的可行性及測試精度，采用3種不同測試方法對4根長500 mm，樁徑200 mm的碎石樁在不同豎向荷載下的鼓脹變形量進(jìn)行量測，方法1的測試思路如圖5所示，沿直徑方向布置3個交叉60°的量測裝置，通過量測變形前后樁徑的變化來反應(yīng)樁體的鼓脹變形情況，量測裝置埋設(shè)位置距樁頂200 mm；方法2是試驗(yàn)完成后通過自行調(diào)配的水玻璃將樁身碎石料膠結(jié)，然后挖去周圍土體直接量測變形后的樁身周長增量，圖6為試驗(yàn)現(xiàn)場挖出的膠結(jié)碎石樁實(shí)物圖，量測的位置距樁頂225 mm.方法3是采用自行研制的膨脹變形測試儀進(jìn)行量測，測試儀埋置于距樁頂250 mm處.各種方法測試結(jié)果如表1所示，其中方法1對應(yīng)的平均周長增量為該方法3個直徑增量換算成周長增量再取平均所得.

雖然3種方法碎石樁樁身的測量位置不相同，方法1-3測點(diǎn)距樁頂?shù)木嚯x分別為200 mm，225 mm，250 mm，但各測點(diǎn)相對間隔較近，由表1可見，3種方法結(jié)果較為接近.方法1所得周長增量較方法3偏大，其原因除了由于鼓脹變形測試儀（方法3）對樁體附加環(huán)向加筋作用，使鼓脹變形測試儀對應(yīng)位置樁身鼓脹變形偏小外，主要是由各方法測試位置不同所引起，方法1測點(diǎn)距樁頂200 mm，該深度處碎石樁可能發(fā)生最大鼓脹變形，該深度往下碎石樁鼓脹變形量隨深度增加逐漸減小，故3種方法實(shí)測周長增量大小為：方法1>方法2>方法3.

此外，方法1通過直接測試直徑的變化反應(yīng)碎石樁的鼓脹變形情況，3個方向的測試結(jié)果有離散性（表1），且3個方向的直徑變化不能全面反應(yīng)整個周長的變化；同時3個方向的測試裝置埋設(shè)，對樁體也會起到附加的橫向加筋作用.方法2的主要不足同前石膏成型法：只能得到加載后碎石樁最終的鼓脹變形，無法反應(yīng)鼓脹變形隨荷載增加的發(fā)展變化過程.經(jīng)對比分析可見，本課題組研發(fā)的散體材料樁鼓脹變形測試儀是可行的，可在試驗(yàn)中推廣應(yīng)用.

3 模型試驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1 鼓脹變形測試儀的布置

將自行研發(fā)的散體材料樁鼓脹變形測試儀應(yīng)用于路埋下碎石樁復(fù)合地基承載變形大比例室內(nèi)模型試驗(yàn)中.考慮到碎石樁可能發(fā)生的鼓脹變形在靠近樁頂一定深度范圍內(nèi)，因此本次試驗(yàn)中鼓脹變形測試儀主要埋置在距樁頂分別為0.1 m，0.4 m及0.9 m 3個深度處（圖7）.試驗(yàn)樁的平面及剖面圖如圖8所示，試驗(yàn)的設(shè)計與步驟另文敘述.圖9為試驗(yàn)操作過程中鼓脹變形測試儀的安裝.

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖10為由鼓脹變形測試儀實(shí)測的土工格室+碎石樁雙向增強(qiáng)復(fù)合地基試驗(yàn)中相應(yīng)碎石樁（即圖8中距路堤中線1.5 m處的第2排碎石樁）的鼓脹變形隨時間的變化情況.圖中各時間點(diǎn)對應(yīng)的荷載與試驗(yàn)進(jìn)程相關(guān)：2008年11月4日開始填筑路堤，11月5日上午路堤填土高度0.8 m，下午填土高度1.0 m；11月6日路堤填土高度1.2 m，下午填土1.5 m；11月8日在靠近路堤中線處施加鋼梁荷載27.7 kN；11月10日在1.5 m高路堤表面距路堤中線1.0 m處施加1.0 m寬的52 kN砝碼荷載；11月18日卸掉砝碼荷載.

由圖10可見，隨著作用于樁頂豎向荷載的逐漸增加，距樁頂3個深度（0.1 m，0.4 m，0.9 m）處的樁體鼓脹變形量也各自隨荷載逐漸增加，且距樁頂0.4 m處的樁體鼓脹變形量較距樁頂0.1 m處或樁頂0.9 m處的鼓脹變形量要大，進(jìn)一步證明了鼓脹變形是先隨著深度的增加而增加，而后又隨深度的增加而減小，即碎石樁最大鼓脹變形發(fā)生于距樁頂某一深度處.

為了更直觀地反應(yīng)碎石樁鼓脹變形隨上部豎向荷載及其沿深度的發(fā)展規(guī)律，將鼓脹變形測試儀量測的樁身周長增量轉(zhuǎn)化為徑向位移數(shù)據(jù)，如圖11所示.由圖11可見，本次試驗(yàn)中距樁頂3個深度（0.1 m，0.4 m，0.9 m）處，0.4 m處的樁體徑向鼓脹變形值最大，且隨上部豎向荷載增加，各處的鼓脹變形也相應(yīng)增加，但又以0.4 m處的鼓脹變形增加最快.

（徑向位移/dp）/%

4 結(jié)束語

1） 針對碎石樁等散體材料樁的受力變形特性，發(fā)明了散體材料樁鼓脹變形量測試系統(tǒng)裝置，提出了相應(yīng)的測試技術(shù)方法，并成功應(yīng)用于室內(nèi)模型試驗(yàn).該測試技術(shù)便于實(shí)際操作，可在散體材料樁大比例室內(nèi)模型試驗(yàn)中推廣應(yīng)用.

2） 該測試技術(shù)通過量測受荷前后碎石樁樁身周長的變化以反應(yīng)碎石樁的鼓脹變形情況，通過沿不同深度處埋設(shè)鼓脹變形測試儀，可直觀反應(yīng)出碎石樁樁身鼓脹變形隨上部豎向荷載及其沿深度的發(fā)展規(guī)律：鼓脹變形隨上部荷載的增加逐漸增加；同一荷載等級下鼓脹變形先隨深度的增加而增加，后又隨深度的增加而減小.

參考文獻(xiàn)

[1] 張建立. 夯擴(kuò)擠密碎石樁在沿海高速公路地基處理中的應(yīng)用[J].公路交通技術(shù)，2007 （2）：8-10.

ZHANG Jian-li. Application of ram-compaction gravel piles in foundation treatment for coastal expressways[J]. Technology of Highway and Transport，2007 （2）：8-10. （In Chinese）

[2] 文松霖， 任佳麗， 姜志全， 等. 碎石樁紅黏土復(fù)合地基的實(shí)例分析[J]. 巖土工程學(xué)報，2010，32（增2）：302-305.

WEN Song-lin， REN Jia-li， JANG Zhi-quan， et al. Case analysis of red clay gravel pile composite foundation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2010， 32（S2）：302-305. （In Chinese）

[3] 高彥斌， 葉觀寶， 徐超， 等. 一種新的碎石樁法處理液化粉土地基的設(shè)計方法[J]. 土木工程學(xué)報， 2005， 38（5）： 77-81.

GAO Yan-bin， YE Guan-bao， XU Chao， et al. A new design method for gravel pile treatment in liquescent silt ground[J]. China Civil Engineering Journal， 2005， 38（5）：77-81. （In Chinese）

[4] 劉杰， 趙明華. 碎石樁復(fù)合地基性狀的彈塑性分析[J]. 巖土力學(xué)，2006，27（10）： 1678-1684.

LIU Jie， ZHAO Ming-hua. Elastoplastic analysis of character for composite foundation with gravel columns[J]. Rock and Soil Mechanics， 2006， 27（10）： 1678-1684. （In Chinese）

[5] 張玲， 趙明華. 散體材料樁復(fù)合地基承載力計算[J].湖南大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版， 2007，34（6）：10-14.

ZHANG Ling， ZHAO Ming-hua. Study on bearing capacity calculation method of discrete material pile composite foundation[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences， 2007，34（6）：10-14. （In Chinese）

[6] 馬崇武， 慕青松， 馬君偉， 等. 碎石樁單樁和多樁荷載傳遞方式的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2008，27（增1）：3116-3121.

MA Chong-wu，MU Qing-song，MA Jun-wei，et al. Testing research on load transfer modes of single and multiple gravel piles[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2008，27（S1）： 3116-3121. （In Chinese）

[7] HUGHES J M O，WITHERS N J.Reinforcing of soft cohesive soils with stone columns[J]. Ground Engineering， 1974， 7（3）：42-49.

[8] HU W.Physical modeling of group behavior of stone column foundations[D]. Scotland， UK：University of Glasgow，1995：42-50.

[9] WOOD D M，HU W，NASH D F T.Group effects in stone column foundations： model tests [J]. Geotechnique， 2000， 50（6）：689-698.

[10]AMBILY A P，GANDHI S R.Behavior of stone columns based on experimental and FEM analysis [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2007， 133（4）：405-415.

[11]ALI K，SHAHU J T，SHARMA K G.Behaviour of reinforced stone columns in soft soils：an experimental study[C]//Indian Geotechnical Conference. Mumbai， India：Indian Institute of Technology Bombay，2010： 625-628.

[12]SHAHU J T，REDDY Y R.Clayey soil reinforced with stone column group： model tests and analyses[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2011，137（12）：1265-1274.

[13]DEB K，SAMADHIYA N K，NAMDEO J B.Laboratory model studies on unreinforced and geogrid-reinforced sand bed over stone column-improved soft clay[J]. Geotextiles and Geomembranes， 2011，29（2）：190-196.

[14]BLACK J A，SIVAKUMAR V，MADHAV M R，et al. Reinforced stone columns in weak deposits： laboratory model study[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2007， 133（9）：1154-1161.

[15]MCKELVEY D，SIVAKUMAR V， BELL A， et al. Modeling vibrated stone columns in soft clay[C]//Proceedings of the Institute of Civil Engineers-Geotechnical Engineering. 2004， 157（3）：137-149.

[16]孟廣訓(xùn)， 沈定賢. 模型碎石樁應(yīng)力的測定及其分析[J]. 水利水運(yùn)工程學(xué)報， 1987， 6（2）：69-80.