根系樁的豎向承載力試驗研究

蘭 滔，顧長才，王遠(yuǎn)明

(1.河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098； 2. 河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院，南京 210098； 3. 黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，哈爾濱 150081)

0 引 言

樁作為一種荷載傳遞方式被廣泛應(yīng)用于工程界，例如，橋梁基礎(chǔ)[1, 2]、高鐵路基[3, 4]、高速公路[5, 6]、城市地鐵[7-9]、邊坡治理[10, 11]、碼頭建設(shè)[12, 13]等工程領(lǐng)域。因此，開展樁的研究實有必要，一來服務(wù)于工程，此為其實際意義；二來揭示樁的受力與破壞機(jī)理，此為其理論意義。

目前，樁的研究大致分為兩類：①樁型研究；②樁的實際工程應(yīng)用?？偟膩碚f，樁的研究都取得了豐碩的成果。在樁型研究方面，出現(xiàn)了管樁[14]、X型樁[5, 6]、擴(kuò)底楔形樁[15]、變截面螺紋樁[16]和異形樁[17]等成果；在沉井基礎(chǔ)方面出現(xiàn)了根式沉井[18, 19]的成果。在實際工程應(yīng)用方面，出現(xiàn)了港珠澳大橋的高壓旋噴樁[20]、高樁碼頭[21]、地基處理[22]等方面的研究。

盡管如此，樁在實際應(yīng)用中仍然存在一些不足。例如：灘涂上樁的下沉、抗潮汐能力差和施工難度大等問題。事實上，灘涂上的樁大多是摩擦樁，樁的下沉是由于常規(guī)樁的樁側(cè)光滑，所提供的樁側(cè)阻力較小，在觀測儀器的自重或其他偶然的外力作用下，逐漸下沉。一些新型的樁，例如異性樁[17]、X型樁[5, 6]、樹根樁[23]以及擴(kuò)底楔形樁[15]，其樁側(cè)也都是光滑的，不能從根本上解決上述問題；變截面螺紋樁[16]雖然在樁身制造了螺紋但是螺紋深度淺所提高的樁側(cè)阻力也是有限的。因此，灘涂地區(qū)摩擦樁豎向承載力低仍然是一個有待解決的問題。

針對灘涂地區(qū)的樁基下沉問題，增加樁側(cè)阻力是解決該問題的關(guān)鍵，為此本文提出一種新樁型即根系樁，但根系樁的樁型較之前的樁有區(qū)別，因此，其承載機(jī)理、破壞模式仍有待進(jìn)一步研究，其設(shè)計方法尚無規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)可循。因此，本文將以根系樁為研究對象，制作了三種材質(zhì)相同的模型樁(空心圓樁、錨刺樁與根系樁)，采用室內(nèi)模型試驗的方法，對根系樁的豎向承載力進(jìn)行了研究，以期為類似工程提供一種新的、有效的思路。

1 根系樁的簡介

1.1 根系樁的結(jié)構(gòu)

圖 1(a)給出了根系樁的結(jié)構(gòu)與施工工藝示意圖。下就根系樁的結(jié)構(gòu)說明如下：

根系樁包括兩部分：一是樁底膨脹段；二是樁身膨脹段,詳見圖 1(a)。在材質(zhì)方面，根系樁選用的是鋼管樁，壁厚為6～20 mm，樁徑為100～150 mm(樁徑不應(yīng)該小于100 mm，否則將會對混凝土的灌注造成困難)，樁底膨脹段長度應(yīng)大于等于2倍樁徑。樁身膨脹段主要由一圈一圈的活動膨脹插銷組成，膨脹插銷的圈數(shù)應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場的地質(zhì)情況而設(shè)定，如圖 1(a)所示。

考慮到根系樁受環(huán)境的影響，當(dāng)根系樁處于海水環(huán)境下，根系樁可以涂刷海船生漆、瀝青或者直接采用鍍鋅鋼管；當(dāng)樁處于淡水環(huán)境下，根系樁可以涂刷煙粉漆或者防銹漆。需要說明的是，本文將不含樁底膨脹段的樁型定義為錨刺樁，鑒于篇幅所限就不單獨給出圖示。錨刺樁的定義是為了討論樁側(cè)阻力和樁端阻力的比重。

1.2 根系樁的施工工藝

在介紹施工工藝之前，需要首先介紹施工器械，包括：反力架、根系樁、外張倒錐(需要具有足夠的剛度)、倒錐分離器、內(nèi)張倒錐(需要具有足夠的剛度)、活動膨脹插銷、反力蓋、液壓千斤頂(或者手拉葫蘆)、夾頭、鋼筋等，詳見圖 1(a)。具體的施工工序如下：

(1)選擇適當(dāng)?shù)姆绞匠煽?沖擊成孔；振動成孔；錘擊成孔；水沖成孔等)；

(2)樁體的膨脹施工(核心工序)，圖1(a)～(c)給出了樁體膨脹施工的整個過程。首先，采用千斤頂(或者手拉葫蘆)拉拔倒錐擠壓樁底膨脹段實現(xiàn)根系樁的第一次膨脹，如圖1(a)所示；

(3)繼續(xù)拉拔倒錐擠壓二次膨脹插銷實現(xiàn)樁底膨脹段的二次膨脹，如圖1(a)所示；

(4)向下擠壓并同時旋轉(zhuǎn)倒錐離合器實現(xiàn)外張倒錐與內(nèi)張倒錐的分離，如圖1(b)所示；

(5)千斤頂繼續(xù)拉拔內(nèi)張倒錐，擠壓活動膨脹插銷實現(xiàn)樁體的膨脹，如圖1(c)所示；

(6)向樁體內(nèi)灌注混凝土，施工結(jié)束，如圖1(d)所示。

需要說明的是在樁身膨脹插銷和樁體內(nèi)的混凝土的共同作用下，灘涂地區(qū)的根系樁不會出現(xiàn)向上傾覆的情況。

施工的具體意見如下：①鋼管的厚度在4～15 mm都能實現(xiàn)底部的膨脹；②在混凝土灌注方面，當(dāng)鋼管埋深4 m以上需要在鋼管內(nèi)插入排氣管方便混凝土的灌入；③樁頂宜設(shè)置刻度，方便推算膨脹的角度。

1.3 工藝的優(yōu)缺點

本工藝相比PCC樁[24]的施工不需要樁模等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，根系樁的鋼管樁部分兼具樁模的功能，也因此，少了PCC樁施工中提升樁模的工序。另外，由于本工藝中的反力架的存在，在近海灘涂施工時可以同步沉樁過程與膨脹施工過程。因此，本工藝在近海灘涂地區(qū)具有“一舉兩得”的優(yōu)點。根據(jù)在斗龍港的現(xiàn)場施工來看，施工全程只需要三個人，也不需要大型沉樁設(shè)備。因此，本法具有施工成本低、簡單、靈活、實用等優(yōu)點。綜上，根系樁在施工上是可行的、簡單的、特別適合灘涂地區(qū)。

需要說明的是，由于受手拉葫蘆和千斤頂?shù)臉O限拉伸長度的限制，本工藝在超長樁的施工中需要不斷地調(diào)節(jié)夾頭的位置。這是施工器械的限制帶來的麻煩。

圖1 根系樁的結(jié)構(gòu)和施工工藝Fig.1 Structure and construction techniques of root pile

1.4 受力機(jī)理分析

圖2給出了根系樁的受力機(jī)理。圖 2表明根系樁的承載能力主要來至于三個方面：一是插銷的反力，二是樁側(cè)摩擦力，三是樁端阻力。為了簡化根系樁的極限承載力計算，做出如下的假設(shè)[25]：① 根系樁處于極限狀態(tài)時，樁側(cè)土體、插銷下的土體以及樁端土體均達(dá)到極限承載力狀態(tài)；②根系樁的極限承載力計算符合線性疊加原理；③由于插銷的直徑不大，所以忽略插銷對樁側(cè)阻力的影響。

則根系樁的豎向極限承載力可以表示為式(1)：

Qu=Qdu+Qcu+Qju

(1)

式中：Qu為根系樁豎向極限承載力；Qdu為根系樁的樁端極限阻力；Qcu為根系樁的樁側(cè)極限阻力；Qju為根系樁的插銷極限阻力。

圖2 根系樁的受力機(jī)理Fig.2 Bearing capacity mechanism of root pile

對于Qdu、Qcu、Qju的計算如下：

(1)樁側(cè)阻力等于樁周土體所提供的極限摩擦力，如式(2)所示：

(2)

式中：U表示根系樁外壁的周長；li為相應(yīng)土層的厚度；qui為樁底土體的極限摩阻力。

(2)樁端阻力等于樁端以下土體所達(dá)到的極限承載力，如式(3)所示：

(3)

式中：D表示鋼管樁的直徑；L表示膨脹段的長度；θ表示膨脹段與水平方向所成的角度；qdui表示樁底土體的極限承載力。

(3) 插銷的反力等于其以下土體所達(dá)到的極限承載力，如式(4)所示：

(4)

式中：s表示插銷的長度；d表示插銷的直徑；qjui表示插銷以下土體的極限承載力。

2 室內(nèi)模型試驗

考慮到砂土較為均勻，可以得到較好的試驗規(guī)律，而且，砂土的本構(gòu)模型相對比較成熟、土體參數(shù)也較易獲取，方便進(jìn)一步的數(shù)值仿真對比。因此，本文選用了砂土進(jìn)行試驗。

為了研究根系樁的豎向承載能力，制作了圓樁和錨刺樁作為對比模型樁。下就幾何模型、試驗步驟以及試驗方法敘述如下。

2.1 幾何模型

圖3給出了室內(nèi)模型試驗的幾何模型及其尺寸，它們包括圓樁、錨刺樁、根系樁和土工槽。需要首先說明的是，所有的模型樁是根據(jù)斗龍港現(xiàn)場原型樁的直徑進(jìn)行制作的。所有模型樁的高度均100 cm，其外徑均為6.5 cm，內(nèi)徑均為5 cm，活動膨脹插銷伸出樁體外的長度均為30 cm，底部膨脹段的長度為13 cm。土工槽的長、寬和高分別為150 cm、100 cm和50 cm。

2.2 試驗步驟

就本試驗步驟敘述如下：

(1)在土工槽內(nèi)鋪砂如圖 3(d)所示，在此步中應(yīng)盡量將砂鋪平；

(2)將4根同類型的模型樁埋入砂中，埋深設(shè)定為20 cm并呈正方形布置，邊長60 cm，如圖3(a)～(c)所示；

(3)在4根模型樁上布置木板并利用水準(zhǔn)尺調(diào)節(jié)模型樁的高度使木板水平居中；

(4)利用手拉葫蘆將空鐵箱放置在木板的正中，其中，空鐵箱的旁邊設(shè)置有水位觀測管以便加載控制與數(shù)據(jù)記錄；

(5)利用水泵抽水往鐵箱內(nèi)注水從而實現(xiàn)重力式加載，同時記錄每個荷載工況下4根樁的穩(wěn)定沉降。

2.3 試驗荷載工況

本文采用重力式加載，具體的加載方式是利用抽水泵往鐵箱里加水，利用水和鐵箱的重力來施加荷載。其中，鐵箱的長、寬和高分別為50 cm、50 cm和80 cm。在鐵箱的旁邊設(shè)置有水位觀測管，通過水位來換算荷載的重量。本中的試驗包括了4個荷載工況，它們是26.5 cm水位、49.5 cm水位、73 cm水位和80 cm水位(滿水工況)。

3 試驗結(jié)果

圖4給出了三種樁型的試驗結(jié)果對比。從圖4(c)可知，錨刺樁在下沉的過程中將在土體表面形成“漣漪”，如圖4(c)所示。形成“漣漪”的原因是：①土在自重應(yīng)力在下部較上部密實，因此上部土體更容易出現(xiàn)凹陷；②在樁側(cè)膨脹插銷的作用下，樁周土體將和樁體一起向下沉陷。此外，如圖4(d)所示的根系樁在試驗全過程中沒有出現(xiàn)“漣漪”現(xiàn)象，這也說明了根系樁較錨刺樁的豎向承載力高。

圖3 三種模型樁與土工槽Fig.3 Three model piles and geotextile box

圖4 試驗結(jié)果Fig.4 Test result

4 討 論

4.1 根系樁的豎向承載力分析與對比

圖 5給出了三種樁型的試驗結(jié)果。試驗結(jié)果表明同樣的試驗條件(相同的地基土、相同荷載工況、相同的邊界條件、相同的材質(zhì)、相同的試驗步驟)下，根系樁的最大沉降量約為0.5 cm，錨刺樁的最大沉降量為6.1 cm，圓樁的最大沉降量為22.4 cm。從最大沉降量的角度看，根系樁比錨刺樁的沉降減少了91.8%，根系樁比圓樁的沉降減少了97.8%，錨刺樁比圓樁的沉降減少72.8%。由于錨刺樁不考慮樁底的膨脹，因此，根系樁的樁底膨脹段較圓樁而言減少了25%的沉降。綜上，通過室內(nèi)試驗對比，可以得到以下結(jié)論：①根系樁的豎向承載能力較圓樁和錨刺樁高； ②根系樁的膨脹插銷對沉降控制的貢獻(xiàn)比樁底膨脹段大，兩者沉降控制的貢獻(xiàn)比約為3∶1，這也說明了樁側(cè)膨脹插銷是顯著地提高豎向承載能力的主要原因。

圖5 沉降對比Fig.5 Comparison of settlement

此外，雖然本文跟文獻(xiàn)[16]所研究的樁型不同(根系樁是增加了樁側(cè)的膨脹插銷而文獻(xiàn)[16]是在樁側(cè)增加螺紋)，但5.1節(jié)所述第二條結(jié)論跟文獻(xiàn)[16]所提試驗現(xiàn)象相印，反過來也說明了本試驗的可靠性。同時，文獻(xiàn)[16]所提變截面螺紋樁比直樁的沉降減少了約61.5%而本文的根系樁比直樁的沉降減少了97.8%，這說明了根系樁的豎向承載力比變截面螺紋樁[16]高。造成這結(jié)果的原因是：變截面螺紋樁的螺紋深度較根系樁的膨脹插銷小，因此，根系樁可以通過膨脹插銷將上部荷載擴(kuò)散到更遠(yuǎn)的地基，從而提高其豎向承載能力，這也解釋了根系樁在近海灘涂能經(jīng)四年而不沉的原因。

根系樁豎向承載力的提高，原因有二：① 膨脹插銷刺入樁周土增加了樁側(cè)阻力，此時的樁側(cè)阻力由樁土之間的摩擦力和膨脹插銷的錨固力組成；② 樁底膨脹段位于混凝土基礎(chǔ)上增加了樁端阻力，如圖2(d)所示。

此外，針對上述的“3∶1”的沉降貢獻(xiàn)比，本文做出如下解釋：雖然試驗中的根系樁進(jìn)行了樁底的二次膨脹，但樁底其實還是位于砂土基礎(chǔ)(軟基)上，其實屬于摩擦型樁。

此外，根系樁與X型樁[5]、螺紋樁[16]、擴(kuò)底樁[15]的不同之處在于樁側(cè)的膨脹插銷，同時兼具擴(kuò)底樁的優(yōu)點。膨脹插銷刺入樁側(cè)土給樁側(cè)阻力增加了一個錨固力，可以顯著提高根系樁的承載能力。

4.2 應(yīng)用前景及研究不足

圖6給出了根系樁在江蘇省鹽城市大豐區(qū)的川東閘和鹽城市射陽縣的斗龍港中的應(yīng)用實例。圖 6(a)給現(xiàn)場三個人進(jìn)行根系樁膨脹施工的過程。因此，根系樁施工工藝具有簡單、靈活、方便的特點，并且費(fèi)用低，因此也適合邊坡加固、河道防沖刷、軟基處理等工程。

由于加載條件所限，加載中并沒有出現(xiàn)樁極限承載力階段的特征，這是本研究的不足之處。

圖6 工程應(yīng)用Fig.6 Engineering application

5 結(jié)論與展望

本文從施工工藝和豎向承載力兩個方面論述了根系樁的施工可行性和承載力有效性，得到主要結(jié)論如下：

(1)根系樁在施工上，是可行的、簡單的、實用的；在承載力上，根系樁比錨刺樁的沉降減少了91.8%，比圓樁的沉降減少了97.8%。因此，根系樁是一種有效的樁型；

(2)摩擦型根系樁之所以具有較高的豎向承載能力是因為樁側(cè)的膨脹插銷給樁側(cè)阻力增加了一個錨固力，上部的荷載通過膨脹插銷將應(yīng)力擴(kuò)散出去。

本文僅僅分析了根系樁的豎向承載能力，其動力荷載下的分析正在進(jìn)行中。

最后值得一提的是，該技術(shù)已在江蘇省鹽城市大豐區(qū)的川東閘和射陽縣的斗龍港中的海平面高程觀測中得到了應(yīng)用，4年多來，現(xiàn)場40多根根系樁沉降的沉降約2 cm，抗潮汐能力強(qiáng)，如圖6所示。

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