碎石樁樁身鼓脹變形測(cè)試技術(shù)研究*

張　玲，趙明華，羅　宏

(湖南大學(xué) 巖土工程研究所，湖南 長(zhǎng)沙　410082)

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碎石樁樁身鼓脹變形測(cè)試技術(shù)研究*

張玲?，趙明華，羅宏

(湖南大學(xué) 巖土工程研究所，湖南 長(zhǎng)沙410082)

摘要：：針對(duì)豎向荷載作用下碎石樁等散體材料樁樁身豎向壓縮同時(shí)伴有側(cè)向鼓脹變形這一特性，自行開(kāi)發(fā)研制出量測(cè)樁身鼓脹變形的測(cè)試儀器，其原理是通過(guò)量測(cè)變形后的樁身周長(zhǎng)來(lái)確定碎石樁的鼓脹量.通過(guò)與水玻璃膠結(jié)碎石樁量測(cè)其變形后周長(zhǎng)等方法測(cè)試結(jié)果對(duì)比分析，驗(yàn)證碎石樁樁身鼓脹變形測(cè)試技術(shù)的可行性和測(cè)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(cè)，測(cè)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(jí)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(cè)試技術(shù)；碎石樁；鼓脹變形

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(jiǎn)單、造價(jià)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(jì)計(jì)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(duì)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(duì)較少、時(shí)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(duì)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(shí)伴有側(cè)向鼓脹變形，如何量測(cè)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(lái)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(lái)，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(guò)配置一透明材料模擬樁間軟土，來(lái)研究在加載過(guò)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(wú)法反應(yīng)鼓脹變形隨荷載增加的發(fā)展變化過(guò)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(lái)，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(cè)技術(shù)的研發(fā)對(duì)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(duì)碎石樁等散體材料樁鼓脹變形的量測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究.

1碎石樁受力變形機(jī)理

碎石樁屬于散體材料樁，樁體自身缺乏粘結(jié)強(qiáng)

度，需靠樁周土體的環(huán)箍作用才能成樁.荷載作用下，碎石樁較易發(fā)生鼓脹變形.圖1為南京水科院孟廣訓(xùn)等[16]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)測(cè)得的碎石樁軸向和徑向應(yīng)力沿深度的變化情況.該模型樁置于粉質(zhì)黏土中，樁體軸向和徑向應(yīng)力通過(guò)埋于不同深度截面和側(cè)面處的土壓力傳感器測(cè)得.圖1中pp為樁頂表面荷載，σz和σr分別表示樁體軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力.由圖1可見(jiàn)，碎石樁樁身軸向應(yīng)力σz隨深度迅速衰減，3dp(dp為樁徑)深度處樁體軸向應(yīng)力平均值只有表面荷載pp的27.4%，而且在(2～3)dp深度內(nèi)樁身軸向應(yīng)力和徑向應(yīng)力均較大，為高應(yīng)力區(qū).Hughes和Withers[7]也曾得到類似的試驗(yàn)結(jié)論(圖2)，2dp深度范圍內(nèi)樁的側(cè)向位移比較大，深度超過(guò)(2～3)dp時(shí)，徑向位移可忽略不計(jì)，其原因主要是隨深度的增大，樁身軸向應(yīng)力逐漸減小，而樁間土能提供的抵抗側(cè)向位移的約束力則逐漸增大.

圖1　σr，σz隨深度變化曲線

(徑向位移/dp)/%

由此可見(jiàn)，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(duì)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(shí)，碎石樁極易發(fā)生側(cè)向鼓脹而導(dǎo)致整個(gè)復(fù)合地基失效.

2碎石樁鼓脹變形測(cè)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(zhǎng)的變化，通過(guò)量測(cè)變形后的樁身周長(zhǎng)來(lái)確定碎石樁的鼓脹量，其工作原理如圖3所示.

圖3　碎石樁鼓脹變形量測(cè)原理圖

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(cè)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(guò)定位片連接于位移傳感器.碎石樁受荷載鼓脹變形時(shí)，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(dòng)，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(guò)位移傳感器量測(cè)牽引繩長(zhǎng)度的減小量來(lái)反應(yīng)碎石樁鼓脹變形引起的樁身周長(zhǎng)增量.

圖4　 散體材料樁鼓脹變形測(cè)試儀

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(kāi)，減小牽引繩的滑動(dòng)摩擦，因?yàn)槿翡摻z繩外露，被軟土包裹，牽引繩的滑動(dòng)受到很大的阻力，進(jìn)而會(huì)約束碎石樁的鼓脹變形，甚至?xí)斐稍跍y(cè)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(shí)，會(huì)導(dǎo)致鋼絲繩有彎折，鋼絲繩與片材之間會(huì)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(guò)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(shù)脂材料(穩(wěn)定性好，摩擦系數(shù)小)，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(cè)試儀的可行性及測(cè)試精度，采用3種不同測(cè)試方法對(duì)4根長(zhǎng)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(cè)，方法1的測(cè)試思路如圖5所示，沿直徑方向布置3個(gè)交叉60°的量測(cè)裝置，通過(guò)量測(cè)變形前后樁徑的變化來(lái)反應(yīng)樁體的鼓脹變形情況，量測(cè)裝置埋設(shè)位置距樁頂200 mm；方法2是試驗(yàn)完成后通過(guò)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(cè)變形后的樁身周長(zhǎng)增量，圖6為試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)挖出的膠結(jié)碎石樁實(shí)物圖，量測(cè)的位置距樁頂225 mm.方法3是采用自行研制的膨脹變形測(cè)試儀進(jìn)行量測(cè)，測(cè)試儀埋置于距樁頂250 mm處．各種方法測(cè)試結(jié)果如表1所示，其中方法1對(duì)應(yīng)的平均周長(zhǎng)增量為該方法3個(gè)直徑增量換算成周長(zhǎng)增量再取平均所得.

圖5　方法1的測(cè)試原理示意圖

mm

雖然3種方法碎石樁樁身的測(cè)量位置不相同，方法1-3測(cè)點(diǎn)距樁頂?shù)木嚯x分別為200 mm，225 mm，250 mm，但各測(cè)點(diǎn)相對(duì)間隔較近，由表1可見(jiàn)，3種方法結(jié)果較為接近.方法1所得周長(zhǎng)增量較方法3偏大，其原因除了由于鼓脹變形測(cè)試儀(方法3)對(duì)樁體附加環(huán)向加筋作用，使鼓脹變形測(cè)試儀對(duì)應(yīng)位置樁身鼓脹變形偏小外，主要是由各方法測(cè)試位置不同所引起，方法1測(cè)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(cè)周長(zhǎng)增量大小為：方法1>方法2>方法3.

此外，方法1通過(guò)直接測(cè)試直徑的變化反應(yīng)碎石樁的鼓脹變形情況，3個(gè)方向的測(cè)試結(jié)果有離散性(表1)，且3個(gè)方向的直徑變化不能全面反應(yīng)整個(gè)周長(zhǎng)的變化；同時(shí)3個(gè)方向的測(cè)試裝置埋設(shè)，對(duì)樁體也會(huì)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(wú)法反應(yīng)鼓脹變形隨荷載增加的發(fā)展變化過(guò)程.經(jīng)對(duì)比分析可見(jiàn)，本課題組研發(fā)的散體材料樁鼓脹變形測(cè)試儀是可行的，可在試驗(yàn)中推廣應(yīng)用.

圖6　水玻璃膠結(jié)成型碎石樁實(shí)物圖

3模型試驗(yàn)中的應(yīng)用

3.1鼓脹變形測(cè)試儀的布置

將自行研發(fā)的散體材料樁鼓脹變形測(cè)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(cè)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(gè)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(jì)與步驟另文敘述.圖9為試驗(yàn)操作過(guò)程中鼓脹變形測(cè)試儀的安裝.

圖7　鼓脹變形測(cè)試儀及側(cè)向土壓力盒布置 (單位：m)

圖8　模型試驗(yàn)樁位布置圖 (單位：mm)

3.2試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

圖10為由鼓脹變形測(cè)試儀實(shí)測(cè)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(shí)間的變化情況.圖中各時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的荷載與試驗(yàn)進(jìn)程相關(guān)：2008年11月4日開(kāi)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(jiàn)，隨著作用于樁頂豎向荷載的逐漸增加，距樁頂3個(gè)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.

圖9　試驗(yàn)中散體材料樁鼓脹變形測(cè)試儀的安裝

日期/2008年

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(cè)試儀量測(cè)的樁身周長(zhǎng)增量轉(zhuǎn)化為徑向位移數(shù)據(jù)，如圖11所示.由圖11可見(jiàn)，本次試驗(yàn)中距樁頂3個(gè)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)/%

圖11　碎石樁鼓脹變形(直徑)隨荷載的變化

4結(jié)束語(yǔ)

1) 針對(duì)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(cè)試系統(tǒng)裝置，提出了相應(yīng)的測(cè)試技術(shù)方法，并成功應(yīng)用于室內(nèi)模型試驗(yàn).該測(cè)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(cè)試技術(shù)通過(guò)量測(cè)受荷前后碎石樁樁身周長(zhǎng)的變化以反應(yīng)碎石樁的鼓脹變形情況，通過(guò)沿不同深度處埋設(shè)鼓脹變形測(cè)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(jí)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.

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A New Measuring Technique for Lateral Bulging of Stone Columns

ZHANG Ling?, ZHAO Ming-hua, LUO Hong

(Institute of Geotechnical Engineering, Hunan Univ, Changsha, Hunan410082, China)

Abstract:It is known that axial compressive deformation is usually generated in a stone column under vertical loads, and often accompanied by a radial expansion against the surrounding soil near the top portion of the column. With the consideration of this deformation characteristic of the stone column, a new technique to measure the lateral bulging of the stone column was proposed, where the lateral bulging of the column was determined by circumferential measurements. The variability and accuracy of the proposed measuring technique was fully verified by the comparison with the other measuring methods. Moreover, this measuring technique was employed to study the deformation behavior of stone columns in an indoor laboratory test. The measuring results show that the lateral bulging of the stone column increases with the increase of vertical loads. Furthermore, under a certain load, the column bulging increases along with the column length firstly, then decreases with the column length after the maximum bulging.

Key words:laboratory test；measuring technique；stone column；lateral bulging

中圖分類號(hào)：U416.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：張玲(1982-)，女，浙江臺(tái)州人, 湖南大學(xué)助理教授, 博士?通訊聯(lián)系人，E-mail: zhanglhd@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2006AA11Z104)；國(guó)家自然科學(xué)基金(青年基金)資助項(xiàng)目(51208191), National Natural Science Foundation of China(51208191); 湖南大學(xué)青年教師成長(zhǎng)計(jì)劃資助項(xiàng)目

*收稿日期：2015-04-14

文章編號(hào)：1674-2974(2016)03-0149-06