泥皮對(duì)灌注樁摩阻性能影響的模型試驗(yàn)研究

陳詠泉，雷金山，許凌，王冠，代忠

泥皮對(duì)灌注樁摩阻性能影響的模型試驗(yàn)研究

陳詠泉1，雷金山2，許凌1，王冠1，代忠2

(1. 湖南益馬高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 益陽 413400；2. 中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075)

通過室內(nèi)模型模擬益馬高速公路典型砂卵石地層摩擦樁，開展泥漿護(hù)壁摩阻試驗(yàn)，研究樁側(cè)和樁端阻力在各級(jí)荷載下的分布規(guī)律；針對(duì)不同泥漿護(hù)壁條件，對(duì)比分析不同膨潤(rùn)土濃度、不同添加劑種類與濃度條件下泥皮對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)泥漿濃度大于12%時(shí)，樁側(cè)摩阻力會(huì)降低30%以上，建議施工過程中成孔時(shí)泥漿膨潤(rùn)土濃度不宜超過9%；水泥作為泥漿添加劑會(huì)有效優(yōu)化泥漿性能，改善樁基的荷載?沉降性狀，降低泥漿對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響。

模型試驗(yàn)；泥漿護(hù)壁; 樁側(cè)阻力；泥漿添加劑

膨潤(rùn)土泥漿作為樁基鉆孔沖洗循環(huán)液，在鉆孔周圍形成泥皮，能有效防止孔壁坍塌[1?3]。某橋梁工程樁基礎(chǔ)的地質(zhì)情況主要為種植土、粉砂、細(xì)沙、卵石和板巖，其中側(cè)摩阻力主要由砂卵石地層提供。采用泥漿作為鉆孔沖洗循環(huán)液，在進(jìn)行樁基自平衡試驗(yàn)時(shí)，由于泥皮的存在降低了樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，初始加載條件下上段樁位移已超過規(guī)范值，致使實(shí)驗(yàn)失敗。因此，有必要針對(duì)膨潤(rùn)土泥漿對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響進(jìn)行深入研究。本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析不同膨潤(rùn)土濃度、不同添加劑種類與濃度條件下泥皮對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，通常將影響試驗(yàn)指標(biāo)的條件稱為因素[4]。在本試驗(yàn)中，選取影響側(cè)阻力發(fā)揮的3個(gè)主要因素：膨潤(rùn)土濃度，添加劑種類與用量。分析不同膨潤(rùn)土濃度、不同添加劑種類與濃度條件下泥皮對(duì)樁側(cè)摩阻力產(chǎn)生的影響。

試驗(yàn)在一個(gè)長(zhǎng)2 m，高2 m，寬0.5 m的模型試驗(yàn)槽進(jìn)行。試驗(yàn)土樣為中砂，膨潤(rùn)土材料為納基膨潤(rùn)土，添加劑分別為石灰、水泥和粉煤灰[5?7]。試驗(yàn)樁采用鋼筋外包混凝土模擬[8]，監(jiān)測(cè)儀器主要包括百分表和應(yīng)變儀等。

本次試驗(yàn)共分2組，每組4根模型樁。第1組為膨潤(rùn)土濃度試驗(yàn)，膨潤(rùn)土濃度分別選取3%，6%，9%和12%進(jìn)行研究。試驗(yàn)完成后進(jìn)行第2組試驗(yàn)，選定3%膨潤(rùn)土濃度后分別添加粉煤灰、石灰和水泥，其摻量均為3%。第2組第4根試驗(yàn)樁泥漿為清水，進(jìn)行對(duì)比分析。

試驗(yàn)分組見表1，樁位布置示意圖如圖1所示。

表1 樁基模型試驗(yàn)分組表

注：P—膨潤(rùn)土；F—粉煤灰；C—石灰；S—水泥；0—清水。

單位：cm

2 試驗(yàn)過程與步驟

2.1 制作模型箱

試驗(yàn)箱采用高強(qiáng)度鐵板及槽鋼支架等焊接加工制成，正面和背面采用了可拆卸的有機(jī)玻璃模板來限制側(cè)向變形，便于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察。試驗(yàn)箱尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=200 cm×60 cm×200 cm。

2.2 制作圓鋼，黏貼應(yīng)變片

為了更好地模擬樁表面與砂土間的粗糙接觸，試驗(yàn)樁采用混凝土內(nèi)包圓鋼的形式。圓鋼直徑為20 mm，底端焊接直徑75 mm，厚度5 mm的鐵餅，最終形成的復(fù)合模型樁的外徑為75 mm。本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆稑堕L(zhǎng)=800 mm，直徑=75 mm。應(yīng)變片在澆筑混凝土前貼在圓鋼表面，黏貼前先對(duì)圓鋼黏貼處進(jìn)行打磨，再涂抹酒精，然后用502膠水黏貼應(yīng)變片和接線片，烘干后焊接導(dǎo)線，最后把AB膠膠涂在應(yīng)變片、接線片和接點(diǎn)表層[9]。應(yīng)變片黏貼示意圖如圖2所示。

單位：cm

2.3 鋪設(shè)中砂，預(yù)埋PVC管

本次試驗(yàn)設(shè)計(jì)中砂埋設(shè)厚度為1.05 m，分層攤鋪，樁底土層厚度為25 cm，其余各層厚度為20 cm。在鋪設(shè)底層中砂時(shí)，使用室內(nèi)輕型夯錘進(jìn)行多遍夯擊，直至砂土面達(dá)到設(shè)計(jì)高度，同時(shí)記錄中砂用量，鋪設(shè)下一層砂時(shí)確保砂土用量。如此往復(fù)，鋪設(shè)每一砂層，完成后靜置12 h以上，使砂在自重作用下壓密，以保證每次試驗(yàn)樣本的均一性[10]。

本次試驗(yàn)填土過程中，在鋪設(shè)第1層砂土后在模型樁布置位置處預(yù)埋直徑為75 mm的PVC管與貼好應(yīng)變片的圓鋼，然后繼續(xù)鋪設(shè)土層。土層鋪設(shè)完成后，拔出PVC管，即可形成鉆孔。

2.4 制備泥漿

使用膨潤(rùn)土配置泥漿時(shí)，不同的攪拌方法對(duì)膨潤(rùn)土溶脹程度影響很大。經(jīng)高速攪拌機(jī)拌制的泥漿其流變參數(shù)遠(yuǎn)優(yōu)于低速攪拌機(jī)攪拌的泥漿，因此必須使用高速攪拌機(jī)拌制。攪拌時(shí)間控制在4~5 min。對(duì)于使用前要放置較長(zhǎng)時(shí)間的泥漿，攪拌時(shí)間為4 min左右。對(duì)于攪拌好后立即就用的泥漿，攪拌時(shí)間為7 min左右[11]。

2.5 成孔

在土層鋪設(shè)完畢12 h后，將鋼筋插入PVC管上部的鉆孔，一邊旋轉(zhuǎn)，一邊將PVC管向上拔出。

2.6 灌注泥漿，形成泥漿護(hù)壁

在成孔后，不斷向孔內(nèi)補(bǔ)充新鮮泥漿，本次泥漿的使用方法為靜止方式。

2.7 灌注混凝土

成孔12 h后，澆筑混凝土?；炷敛牧蠟榧?xì)砂，425水泥，10 mm直徑卵石。

2.8 設(shè)置基準(zhǔn)梁，安放百分表

混凝土養(yǎng)護(hù)28 d后，設(shè)置基準(zhǔn)梁，安放百分表。

2.9 加載，記錄數(shù)據(jù)

本次模型試驗(yàn)中加載裝置由千斤頂，剛性板，反力梁，百分表及應(yīng)變儀組成。通過一個(gè)小型手動(dòng)帶油壓表千斤頂對(duì)模型樁施加豎向荷載,千斤頂放置在樁頭上的剛性板上。根據(jù)規(guī)范要求[12]，每級(jí)荷載量為極限承載力的1/10。每級(jí)加載后，每10 min測(cè)讀一次，累計(jì)30 min后，若樁的沉降量連續(xù)2次測(cè)讀在半小時(shí)內(nèi)小于0.1 mm，視為穩(wěn)定，并進(jìn)行下級(jí)加荷。每級(jí)加載穩(wěn)定后用應(yīng)變儀記錄應(yīng)變片讀數(shù)。當(dāng)樁頂沉降量為0.1時(shí)，為本次試驗(yàn)的卸載條件[13]。

2.10 卸載

2.11 將砂撤出試驗(yàn)箱

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 樁基靜載試驗(yàn)荷載~位移曲線

在進(jìn)行靜載試驗(yàn)時(shí)，用百分表記錄各級(jí)荷載下的樁頂位移，圖3為各樁在各級(jí)荷載下的荷載?沉降曲線。

圖3 試驗(yàn)樁基荷載?沉降曲線

從圖3中可以看出，各試驗(yàn)樁基荷載?沉降曲線均為緩降型。對(duì)比A1~A4試樁曲線可以看出，隨著泥漿膨潤(rùn)土濃度的減小，樁的荷載?沉降曲線變得較為緩和，前4級(jí)荷載條件下樁頂沉降較小，從第5級(jí)荷載開始每級(jí)荷載下樁頂位移增量較大。

對(duì)比圖中A1和B1~B3曲線可以看出，在泥漿膨潤(rùn)土濃度為3%的條件下，不同添加劑對(duì)樁的荷載?沉降曲線的影響不同。當(dāng)添加劑為3%水泥時(shí)(B3)，荷載較小時(shí)該樁的荷載?沉降曲線比無添加劑的樁基(A1)緩和，但當(dāng)荷載較大時(shí)，兩樁基的荷載?沉降曲線趨勢(shì)相近。說明膨潤(rùn)土泥漿添加一定量的水泥時(shí)會(huì)改善樁基的荷載?沉降性狀。

3.2 樁基靜載試驗(yàn)側(cè)阻力分析

樁身各截面軸力已由應(yīng)變片應(yīng)變計(jì)算得出，相鄰兩截面軸力差即為該段樁的樁側(cè)的摩擦力[14]，則摩擦力：

在求得該段樁的摩擦力后，則該段樁的平均側(cè)摩阻力即為相鄰兩截面軸力差除以該段樁的側(cè)表面積：

式中：為該段樁摩阻力，kPa；為樁直徑，m；為該段樁樁長(zhǎng)，m。

圖4~11為各樁基在各級(jí)荷載下的側(cè)阻力分布曲線，從各圖中看出，在荷載較小時(shí)，上段樁的側(cè)摩阻力先于下段樁發(fā)揮，位于樁端附近的側(cè)摩阻力非常小，隨著荷載持續(xù)增大，下段樁側(cè)摩阻力增長(zhǎng)明顯，而上段樁側(cè)摩阻力增長(zhǎng)較小，當(dāng)荷載較大時(shí)，側(cè)摩阻力最大值一般發(fā)生在樁端附近，這說明端阻力的發(fā)揮對(duì)側(cè)阻力的發(fā)揮有強(qiáng)化作用。

圖4 A1樁側(cè)阻力分布趨勢(shì)圖

圖5 A2樁側(cè)阻力分布趨勢(shì)圖

圖11，4~7分別為不同膨潤(rùn)土濃度下試樁的側(cè)阻力分布趨勢(shì)圖，其膨潤(rùn)土濃度分別為0，3%，6%，9%和12%。其中B4(清水樁)樁極限側(cè)摩阻力平均值最大，為14.9 kPa；A4(12%膨潤(rùn)土)樁極限側(cè)摩阻力平均值最小，為10.38 kPa。樁極限側(cè)摩阻力降低了31%，降低幅度較大。對(duì)比各樁的圖表發(fā)現(xiàn)，隨著泥漿膨潤(rùn)土濃度的增大，各樁的極限側(cè)摩阻力平均值逐漸降低。當(dāng)膨潤(rùn)土濃度從0增加到3%時(shí)，樁的極限側(cè)摩阻力平均值下降較大，但膨潤(rùn)土濃度從3%增加到6%和9%時(shí)樁的極限側(cè)摩阻力平均值下降趨勢(shì)都較為平緩，而當(dāng)膨潤(rùn)土濃度大于9%時(shí)，隨著膨潤(rùn)土濃度的增大，樁的極限側(cè)摩阻力降低趨勢(shì)較快。這說明泥漿會(huì)影響樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，且當(dāng)泥漿濃度大于12%時(shí)，樁的極限側(cè)摩阻力會(huì)降低30%以上。建議施工過程中成孔時(shí)泥漿膨潤(rùn)土濃度不超過9%。

圖6 A3樁側(cè)阻力分布趨勢(shì)圖

圖7 A4樁側(cè)阻力分布趨勢(shì)圖

圖6，8~10為各試樁在相同膨潤(rùn)土濃度條件下添加不同添加劑后的側(cè)阻力分布趨勢(shì)圖，各樁膨潤(rùn)土濃度均為3%，添加劑分別為3%粉煤灰、3%石灰和3%水泥。從圖中可以看出，在3%膨潤(rùn)土條件下加入3%石灰(B2)后該樁的極限側(cè)摩阻力為10.48 kPa，明顯小于3%膨潤(rùn)土(A1)樁的極限側(cè)摩阻力；3%膨潤(rùn)土條件下加入3%粉煤灰(B1)后該樁的極限側(cè)摩阻力為12.27 kPa，略小于A1樁；3%膨潤(rùn)土條件下加入3%水泥(B3)后該樁的極限側(cè)摩阻力為14.03 kPa，僅小于清水樁，大于其余各試驗(yàn)樁基。這說明石灰作為泥漿添加劑會(huì)降低樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，是不可行的；粉煤灰作為泥漿添加劑對(duì)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮影響不大；而水泥作為泥漿添加劑會(huì)有效改善泥漿性能，優(yōu)化膨潤(rùn)土泥漿，降低泥漿對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響。

圖8 B1樁側(cè)阻力分布趨勢(shì)圖

圖9 B2樁側(cè)阻力分布趨勢(shì)圖

3.3 樁基靜載試驗(yàn)端、側(cè)阻力分布

各樁基在各級(jí)荷載下的側(cè)阻力比重分布趨勢(shì)如圖12所示。從圖中可以看出：初級(jí)加載和終極加載側(cè)阻力比重最大的都是B4樁(清水樁)，這充分說明泥漿會(huì)影響樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮；在整體上各個(gè)樁基的側(cè)阻力比重隨著荷載的增大而減小，這說明試驗(yàn)中樁側(cè)摩阻力先于樁端阻力發(fā)揮，隨著樁端土層的壓密，樁端阻力也逐漸發(fā)揮；在相同荷載條件下，隨著泥漿濃度的增大，樁側(cè)摩阻力比重減小，且當(dāng)泥漿濃度大于9%，樁側(cè)摩阻力比重下降明顯。

圖10 B3樁側(cè)阻力分布趨勢(shì)圖

圖11 B4樁側(cè)阻力分布趨勢(shì)圖

圖12 各級(jí)荷載下樁側(cè)阻力占比圖

4 結(jié)論

1) 泥漿膨潤(rùn)土濃度對(duì)樁側(cè)土體的物理力學(xué)性狀影響較大。泥漿膨潤(rùn)土濃度越小，樁的荷載?沉降曲線越緩和；膨潤(rùn)土泥漿添加一定量的水泥，會(huì)改善樁基的荷載?沉降性狀。

2) 當(dāng)泥漿濃度大于12%時(shí)，樁側(cè)摩阻力會(huì)降低30%以上，建議施工過程中泥漿膨潤(rùn)土濃度不宜超過9%。

3) 石灰作為泥漿添加劑會(huì)降低樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮；粉煤灰對(duì)樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮影響不大；而水泥會(huì)有效改善泥漿性能，降低泥漿對(duì)樁側(cè)摩阻力的影響。

4) 樁側(cè)摩阻力先于樁端阻力發(fā)揮，隨著樁端土層的壓密，樁端阻力也逐漸發(fā)揮；在相同荷載條件下，隨著泥漿濃度的增大，樁側(cè)摩阻力比重減小，且當(dāng)泥漿濃度大于9%，樁側(cè)摩阻力比重下降明顯。

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Model test study on influence of mud cake on friction performance of pouring pile

CHEN Yongquan1, LEI Jinshan2, XU Ling1, WANG Guan1, DAI Zhong2

(1. Hunan Yi-ma Expressway Construction and Development Corporation, Yiyang 413400, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Through the medium sand chamber in the drilling of the grouting pile mud wall indoor model test, the distribution trend and distribution law of pile end and pile side resistance at all levels were studied; for different mud wall conditions, the effects of different clay concentrations, different additive types and concentration on the friction resistance of the mud on the pile side were compared and analyzed. The result shows that the pile side friction will be reduced by more than 30% when the mud concentration is greater than 12%, it is recommended that the concentration of bentonite during construction should not exceed 9%. When the cement as a slurry additive, the mud performance can be effectively optimized, the load-sedimentation behavior of the pile can be improved, and the influence of the mud on the pile-side friction can be reduced.

model test; mud wall; pile side resistance; mud additive

TU413

A

1672 ? 7029(2019)07? 1660 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.008

2018?09?07

湖南省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2017JJ2316)；益馬高速建設(shè)科技計(jì)劃項(xiàng)目(YM201501)

雷金山(1973?)，男，湖南湘鄉(xiāng)人，高級(jí)工程師，博士，從事巖土工程教學(xué)與科研工作；E?mail：5822673@qq.com

(編輯 涂鵬)