喀斯特地區(qū)新型異形灌注樁承載特性與影響因素試驗(yàn)研究

張福友，馮健雪，陸志宇，楊濟(jì)銘，梅國(guó)雄

(1.廣西大學(xué) 土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西大學(xué) 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；3.廣西大學(xué) 廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南寧 530004；4.貴州民族大學(xué) 建筑工程學(xué)院，貴陽(yáng) 550025)

1 研究背景

喀斯特在我國(guó)分布十分廣泛，是常見(jiàn)的工程地質(zhì)災(zāi)害之一。在國(guó)家戰(zhàn)略背景下，喀斯特地區(qū)興建起大量高層建筑、橋梁等結(jié)構(gòu)，鉆(沖)孔灌注樁因具有較強(qiáng)的場(chǎng)地適應(yīng)性和高承載力而在喀斯特地區(qū)應(yīng)用廣泛，但在工程實(shí)踐中也存在不少問(wèn)題，如：①施工過(guò)程中部分樁出現(xiàn)漏漿和孔壁坍塌等現(xiàn)象，少部分出現(xiàn)卡鉆、掉錘和地面塌陷等問(wèn)題[1-3]；②喀斯特發(fā)育嚴(yán)重影響樁基質(zhì)量和承載能力，危害建筑物安全[4-5]。

目前，針對(duì)喀斯特地區(qū)樁基的研究主要集中在溶洞頂板力學(xué)特性和穩(wěn)定性分析等方面。如趙明華等[6-8]、曹文貴等[9]考慮頂板的整體承載效應(yīng)，結(jié)合不同的強(qiáng)度理論，提出了樁端承載力計(jì)算方法與溶洞頂板穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法；張慧樂(lè)等[10-12]通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)喀斯特地區(qū)樁基承載能力的影響因素進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)樁基承載力與溶洞幾何特征、位置偏移、圍巖特性、以及溶洞頂板厚度等因素密切相關(guān)，并總結(jié)歸納了若干樁基破壞模式；Pells等[13]根據(jù)喀斯特地區(qū)樁基的工程特點(diǎn)，推導(dǎo)了喀斯特地區(qū)橋梁樁基嵌巖深度計(jì)算公式。以上研究都是在常規(guī)樁的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，對(duì)于新型樁基在喀斯特地區(qū)的應(yīng)用卻鮮有研究。針對(duì)上述問(wèn)題，受支盤(pán)樁分層承載設(shè)計(jì)思路啟發(fā)[14-16]，結(jié)合喀斯特地區(qū)存在溶洞、土洞等天然腔模的特點(diǎn)，筆者團(tuán)隊(duì)提出了一種新型異形灌注樁，在現(xiàn)有常規(guī)灌注樁的基礎(chǔ)上對(duì)鋼筋籠外面套設(shè)柔性布袋包覆件，樁基施工中布袋和混凝土在注漿壓力下擠壓進(jìn)溶洞腔體內(nèi)，樁體形成樹(shù)枝狀的枝狀體結(jié)構(gòu)，與樁周基巖緊密結(jié)合在一起，進(jìn)而形成一種布袋灌注樁，簡(jiǎn)稱布袋樁，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。通過(guò)控制注漿壓力和包覆件的材料與厚度可控制枝狀體長(zhǎng)度，目前已獲得新型專利授權(quán)[17]。

圖1 布袋樁示意圖Fig.1 Schematic diagram of bag pile

本文通過(guò)室內(nèi)成樁模型試驗(yàn)，探究布袋樁的成樁可行性，并在成樁基礎(chǔ)上另設(shè)靜載試驗(yàn)，研究布袋樁的承載特性與影響因素，為喀斯特地區(qū)樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與施工提供一種新思路。

2 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與方案

2.1 模型試驗(yàn)簡(jiǎn)化與原理

2.1.1 模型的簡(jiǎn)化

在靜載荷試驗(yàn)中，影響樁承載能力與沉降的關(guān)鍵因素為模型樁的幾何尺寸與形狀、模擬基巖的物理力學(xué)指標(biāo)[18]；由于室內(nèi)無(wú)法對(duì)實(shí)際情況全盤(pán)考慮，故在模型試驗(yàn)中僅考慮影響試驗(yàn)結(jié)果的關(guān)鍵因素。且承載特性試驗(yàn)僅研究布袋樁與等直徑樁承載特性和變形性能的對(duì)比，因此將模型作適當(dāng)簡(jiǎn)化[10]：①不考慮基巖面的形態(tài)，均設(shè)定為平面；②不考慮地下水的作用，連通孔道無(wú)填充；③溶洞與連通孔道等僅分布在樁周附近，基巖為均勻連續(xù)體。

2.1.2 相似原理

根據(jù)相似原理，如果2個(gè)系統(tǒng)相似(原型和模型)，相對(duì)應(yīng)的幾何參數(shù)、物理力學(xué)參數(shù)必然互成一定的比例關(guān)系[19]。

對(duì)于模型樁靜載試驗(yàn)，由相似原理，在幾何相似與荷載相似的條件下，原型與模型的物理力學(xué)參數(shù)關(guān)系為：

Cσ=ClCρ，Cu=Cl，CE=Cc=Cσ，

Cφ=1 。

(1)

式中：Cσ為應(yīng)力相似比；Cl為幾何相似比；Cρ為密度相似比或重度相似比；Cu為位移相似比；CE為彈性模量相似比；Cc為黏聚力相似比；Cφ為摩擦角相似比。Cl與Cρ在模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定，由關(guān)系式(1)可以計(jì)算出Cσ、Cu、CE、Cc、Cφ，然后根據(jù)喀斯特地區(qū)的基巖(灰?guī)r)物理力學(xué)參數(shù)可推出模擬基巖的物理力學(xué)參數(shù)范圍。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備與裝置

本研究在不同尺寸模型箱進(jìn)行了2個(gè)試驗(yàn)，分別為成樁模型試驗(yàn)和承載特性與影響因素模型試驗(yàn)。

2.2.1 布袋樁成樁模型試驗(yàn)

本試驗(yàn)為室內(nèi)小比尺模型試驗(yàn)，模型箱尺寸為200 mm×200 mm×600 mm，由2個(gè)大小相同的模型箱經(jīng)鋼絲綁繩固定合并而成，試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 布袋樁成樁試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagram of pile-forming test

模擬基巖使用石膏制成，其力學(xué)性質(zhì)與模擬的喀斯特地基較為相似[19]，硬度較小，在石膏中進(jìn)行溶洞等孔道的制作較為方便，經(jīng)多次調(diào)配，石膏與水配比取1.5∶1?？λ固氐鼗Ｐ椭腥芏葱螒B(tài)與分布無(wú)規(guī)律，能更好地反映實(shí)際原型地基，以研究布袋樁成樁可行性，如圖2。

布袋樁由樁體和布袋包覆件2部分組成，試驗(yàn)樁體材料采用M10水泥砂漿，樁長(zhǎng)為500 mm，樁徑取60 mm；為更好地形成枝狀體結(jié)構(gòu)，布袋尺寸略大于樁體尺寸，布袋包覆件使用直徑66 mm、長(zhǎng)510 mm、厚0.3 mm的乳膠膜制成，乳膠膜的彈性模量E=0.014 GPa，泊松比v=0.45。模型樁使用注漿泵進(jìn)行加壓注漿現(xiàn)澆而成。

2.2.2 布袋樁承載特性與影響因素模型試驗(yàn)

承載特性模型試驗(yàn)考慮到模型樁尺寸效應(yīng)的影響，模型箱長(zhǎng)、寬尺寸取20倍樁徑，樁端距離模型箱底部6倍樁徑，即長(zhǎng)×寬×高尺寸取值為0.6 m×0.6 m×0.8 m，試驗(yàn)使用角鋼加固的木制模型箱，模型箱側(cè)壁涂抹一層凡士林，然后加覆一層聚乙烯薄膜，消除邊界效應(yīng)。

本試驗(yàn)基巖原型為喀斯特地區(qū)的灰?guī)r基巖，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[20]，對(duì)灰?guī)r的物理力學(xué)參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，提出其概化參數(shù)，如表1所示。

表1 喀斯特地區(qū)灰?guī)r概化參數(shù)Table 1 Generalized parameters of limestone in karst area

根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，本次模型試驗(yàn)的幾何相似比與密度相似比分別取Cl=16、Cρ=1.2，由相似理論得到其他參數(shù)相似比Cσ=19.2、CE=19.2、Cc=19.2和Cφ=1。計(jì)算得到模擬基巖的物理力學(xué)參數(shù)要求范圍為重度19.1～23.4 kN/m3、抗壓強(qiáng)度1.6～6.5 MPa、彈性模量(0.1～0.42)×104MPa、內(nèi)摩擦角30°～44.6°和黏聚力0.17～0.33 MPa。參考前人研究成果[21]，本試驗(yàn)采用中砂、水泥、石膏粉質(zhì)量比為6∶0.7∶0.3配比的水泥石膏材料為基巖材料，具體如表2。

表2 模擬基巖材料配比Table 2 Proportions of simulated bedrock materials

相似材料按照配比攪拌均勻后，制成標(biāo)準(zhǔn)試件，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d，經(jīng)自然風(fēng)干21 d，進(jìn)行模擬基巖物理力學(xué)參數(shù)測(cè)試。模擬基巖的物理力學(xué)參數(shù)由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和直剪試驗(yàn)測(cè)得，所測(cè)參數(shù)包括：重度、單軸抗壓強(qiáng)度、彈性模量、黏聚力和內(nèi)摩擦角(見(jiàn)表1)，模擬基巖各項(xiàng)參數(shù)均在要求范圍之內(nèi)。

模型樁均采用鋼管制作，樁長(zhǎng)L=600 mm，樁徑D=30 mm，模型布袋樁表面全部包覆一層乳膠膜，乳膠膜參數(shù)同成樁試驗(yàn)的乳膠膜，試驗(yàn)一共設(shè)置3組共8根模型樁，具體枝狀體長(zhǎng)度、數(shù)量和分布位置(與樁頂距離)參數(shù)如表3，其中模型布袋樁枝狀體端部直徑均為25 mm，模型樁示意圖如圖3所示。

表3 模型樁枝狀體參數(shù)Table 3 Detailed parameters of the dendritic structures of model piles

圖3 模型樁示意圖Fig.3 Schematic diagrams of model piles

本次試驗(yàn)加載裝置采用反力架。測(cè)量系統(tǒng)由以下幾部分組成：①磁性表座與千分表，靠近樁頂位置對(duì)稱設(shè)置一對(duì)千分表，用于測(cè)量樁頂沉降；②測(cè)力計(jì)精度為0.01 kN，測(cè)力計(jì)放置在千斤頂上，施加的荷載通過(guò)固定墊層直接作用在樁頂，從顯示屏讀取樁頂荷載；③應(yīng)變片與應(yīng)變分析儀精度為1×10-4kPa，量測(cè)樁身軸力，應(yīng)變片貼片分布見(jiàn)圖3；④土壓力盒和數(shù)據(jù)采集儀測(cè)量樁端阻力。

承載特性試驗(yàn)采用等直徑樁與布袋樁的平行對(duì)比試驗(yàn)，固定好模型樁，將攪拌好的模擬材料分3次澆筑進(jìn)模型箱，每次裝填振蕩均勻，從第一層澆筑至土壓力盒埋設(shè)位置，土壓力盒埋設(shè)完畢繼續(xù)澆筑，澆筑時(shí)保持模型樁豎直；基巖養(yǎng)護(hù)7 d，組裝好加載系統(tǒng)與測(cè)量系統(tǒng)。為保證加壓穩(wěn)定，測(cè)力計(jì)與千斤頂間加裝固定孔，室內(nèi)試驗(yàn)裝置如圖4；參照建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[22]，采用慢速維持荷載法，分級(jí)加載，模型樁每級(jí)加載0.5 kN，第1級(jí)按2倍加荷，過(guò)5、15、30、45、75、105 min，之后每隔0.5 h分別記錄一次沉降，直到沉降穩(wěn)定(穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為不超過(guò)0.01 mm/30 min，并連續(xù)出現(xiàn)2次)，繼續(xù)加下一級(jí)荷載，滿足以下條件之一終止加載：①某級(jí)荷載下，樁頂沉降量大于前一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍；②樁頂總沉降超過(guò)2.5 mm。③超過(guò)加載設(shè)備最大加載值或者試驗(yàn)儀器量程范圍。

圖4 布袋樁模型試驗(yàn)裝置Fig.4 Laboratory test device for bag pile

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 布袋樁成樁試驗(yàn)結(jié)果與分析

模型布袋樁澆筑完成后，靜置養(yǎng)護(hù)3 d，觀察模型樁成樁情況。對(duì)于喀斯特地基中的模型樁，從圖5可以看出，喀斯特地基模型仍然保持完整，溶洞未被破壞；布袋樁樁身垂直完整，無(wú)縮頸、短樁以及斷樁等不良情況；乳膠膜包覆件保持完好，沒(méi)有出現(xiàn)破損漏漿情況；布袋樁在溶洞腔模部位均形成了枝狀體結(jié)構(gòu)，在基巖底部的小型溶洞(溶隙)處，枝狀體成型不明顯，隨著溶洞半徑的增大，枝狀體長(zhǎng)度也增大，其值大約是相對(duì)應(yīng)溶洞高度的一半；枝狀體端部形狀與溶洞大小一樣，頂部呈半球形，整體為半球狀或類似圓柱狀，在注漿壓力作用下其與樁周基巖緊密咬合。上述現(xiàn)象表明，布袋樁成樁效果較好，包覆件能夠較好地阻止水泥砂漿流失，水泥砂漿能夠比較充分地充注連通溶洞，形成的枝狀體結(jié)構(gòu)能更好地與基巖結(jié)合為整體，較大的溶洞能更好發(fā)揮布袋樁枝狀體結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)。

圖5 布袋樁成樁效果Fig.5 Result of bag pile forming

3.2 布袋樁承載特性試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 布袋樁和等直徑樁荷載-沉降結(jié)果與分析

將等直徑樁和布袋樁置于同一條件下加載，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到2類模型樁的Q-s曲線和s-lgt曲線(限于篇幅未給出)，如圖6。參考《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ 106—2014)，并且結(jié)合模型試驗(yàn)，可確定模型樁的極限承載力。在模型等直徑樁Q-s曲線中可以發(fā)現(xiàn)有比較明顯的陡降段，根據(jù)陡降點(diǎn)與s-lgt曲線判斷模型等直徑樁的極限承載力在3 kN。模型布袋樁的Q-s曲線則為緩變型。根據(jù)極限承載力判斷方法，Q-s曲線沒(méi)有陡降段，可從s-lgt曲線判斷模型布袋樁的承載力為4.5 kN，為前者的1.5倍，可見(jiàn)布袋樁能極大地提高承載力，而且其體積與等直徑樁比，增量<10%，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

圖6 模型等直徑樁與模型布袋樁Q-s曲線Fig.6 Q-s curves of equal-diameter model pile and model bag pile

從圖6對(duì)比可知，在樁側(cè)摩阻力起作用的荷載初期，布袋樁樁頂沉降非常小，當(dāng)樁頂施加荷載為1.5 kN時(shí)，模型等直徑樁的樁頂沉降為0.52 mm，而模型布袋樁沉降<0.1 mm，遠(yuǎn)小于等直徑樁，說(shuō)明布袋樁的枝狀體結(jié)構(gòu)極大地增強(qiáng)了樁身側(cè)摩阻力；繼續(xù)增加荷載，等直徑樁的沉降在荷載作用下增長(zhǎng)明顯比布袋樁快，在模型等直徑樁的極限承載力3 kN作用下，其樁頂沉降約為0.89 mm，而模型布袋樁的沉降為0.51 mm，僅為前者的57%。達(dá)到其極限荷載4.5 kN時(shí)，模型布袋樁的沉降僅有0.86 mm，之后其承載力隨著沉降的增加而平穩(wěn)緩慢增加，說(shuō)明仍具有較大的承載潛力。主要原因是布袋樁的枝狀體結(jié)構(gòu)承擔(dān)了一部分荷載，使得更大范圍基巖共同承擔(dān)樁傳來(lái)的壓力，減少了基巖的壓縮變形，也提高了布袋樁的單樁承載力。

3.2.2 布袋樁荷載傳遞規(guī)律

由應(yīng)變片測(cè)得各級(jí)荷載作用下各樁身斷面平均應(yīng)變值εi，計(jì)算得到樁身軸力Qi為

Qi=EAεi。

(1)

式中：A為樁身截面面積;E為樁身彈性模量。

圖7為各級(jí)荷載作用下模型布袋樁和模型等直徑樁的軸力-深度關(guān)系曲線。從圖7可看到布袋樁與等直徑樁的軸力傳遞存在明顯的不同，在枝狀體處，布袋樁軸力發(fā)生急劇的變化，軸力有較大降低，其損耗的軸力完全由枝狀體結(jié)構(gòu)承擔(dān)，且隨著荷載的增加，枝狀體處軸力的降低幅度也增大。同時(shí)，枝狀體結(jié)構(gòu)將荷載傳遞到更大范圍的基巖中，從而減少了樁端阻力，因此布袋樁的沉降遠(yuǎn)小于等直徑樁。

圖7 兩類模型樁軸力-深度關(guān)系曲線Fig.7 Relations between axial force and depth of two types of model piles

3.2.3 布袋樁樁側(cè)摩阻力性狀分析

圖8是根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理的樁頂總荷載和樁側(cè)摩阻力關(guān)系。其中：-50～-170 mm樁側(cè)摩阻力為埋深50 mm處樁身斷面軸力減去埋深170 mm處樁身斷面軸力，其他樁身段側(cè)摩阻力計(jì)算相同，布袋樁樁身直桿段從上至下依次命名為首直桿段、中直桿段和尾直桿段。從圖8可知：在加載初期，首直桿段樁側(cè)阻力最大，且隨著荷載增加，其值逐漸增大直至趨于穩(wěn)定；中直桿段樁側(cè)阻力次之，加載至3 kN時(shí)，其值超越首直桿段，5 kN后趨于穩(wěn)定，表明首直桿段和中直桿段位移已臨近極限值；尾直桿段樁側(cè)阻力也隨著總荷載增加而增加，但其后期增長(zhǎng)趨勢(shì)未見(jiàn)衰減，特別是在首、中直桿段側(cè)摩阻力發(fā)揮完畢，尾直桿段樁側(cè)阻力仍有較大幅度上升，這說(shuō)明其側(cè)阻力還未完全發(fā)揮。

圖8 布袋樁總荷載-樁側(cè)摩阻力關(guān)系Fig.8 Relations between total loading and side friction of bag pile

3.2.4 布袋樁枝狀體阻力和樁端阻力性狀分析

根據(jù)枝狀體上下端軸力之差可以繪制出布袋樁總荷載與枝狀體阻力的關(guān)系，由土壓力盒可測(cè)得樁端阻力，整理繪制如圖9(a)。從圖9(a)可以發(fā)現(xiàn)，前3級(jí)荷載作用下，樁端幾乎不承擔(dān)荷載，上、下枝狀體起主要承載作用，且上枝狀體先發(fā)揮較大作用；在上枝狀體承擔(dān)荷載增長(zhǎng)變緩慢時(shí)，下枝狀體開(kāi)始承擔(dān)更多的荷載以抵御樁頂總荷載，樁端阻力也開(kāi)始逐漸增大；當(dāng)樁頂荷載為4.5 kN時(shí)，樁端沉降驟增，更多的荷載轉(zhuǎn)嫁到樁端，樁端阻力急劇上升。以上枝狀體阻力和樁端阻力相互轉(zhuǎn)嫁關(guān)系可以說(shuō)明：上、下枝狀體和樁端的承載特征存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，一旦上部枝狀體承載力趨于最大值，下部枝狀體或樁端依次接替并承載荷載增量，達(dá)到一種補(bǔ)償和平衡作用，這也是布袋樁荷載傳遞性狀的特殊之處。

從圖9(a)可知各枝狀體阻力、樁端阻力與總荷載的關(guān)系，計(jì)算出兩者占總荷載的百分比，關(guān)系曲線如圖9(b)。從圖9(b)可以發(fā)現(xiàn)：第1級(jí)荷載1 kN時(shí)，枝狀體阻力分擔(dān)將近一半，上枝狀體分擔(dān)比遠(yuǎn)大于下枝狀體。當(dāng)加載至模型布袋樁極限承載力4.5 kN時(shí)，上枝狀體、下枝狀體和樁端分別承擔(dān)荷載為1.09、0.77、0.31 kN，各占總荷載的24.22%、17.11%、6.89%，兩枝狀體阻力和為1.86 kN，分擔(dān)總荷載41.33%。布袋樁摩阻力(包括枝狀體阻力和樁側(cè)摩阻力)分擔(dān)比達(dá)93.11%，遠(yuǎn)大于樁端阻力比重，很好地證明了布袋樁優(yōu)越的摩擦性。另外，上枝狀體首先分擔(dān)荷載，且分擔(dān)荷載比重始終大于下枝狀體和樁端。因此，上枝狀體的設(shè)計(jì)和質(zhì)量至關(guān)重要。

圖9 布袋樁枝狀體阻力關(guān)系及樁端阻力綜合分析Fig.9 Relations between total loading and resistance of dendritic structure of bag pile

3.2.5 側(cè)摩阻力、枝狀體阻力和端阻力綜合分析

為了綜合分析各分項(xiàng)荷載與樁頂沉降以及相互之間的關(guān)系，繪制了樁頂沉降-分項(xiàng)荷載關(guān)系曲線和總荷載-分項(xiàng)荷載分擔(dān)比關(guān)系曲線，如圖10所示。從圖10(a)可見(jiàn)，樁側(cè)阻力和枝狀體阻力從很早就開(kāi)始發(fā)揮作用，并且與總荷載保持同步增長(zhǎng)的趨勢(shì)。從圖10(b)也可以發(fā)現(xiàn)在加載初期兩者的分擔(dān)比均較大，各占50%左右。但加載后期，樁側(cè)阻力的增幅略大于枝狀體阻力，這表明只有4個(gè)枝狀體的布袋樁仍未能發(fā)揮出其樁型的最大承載優(yōu)勢(shì)。

圖10 布袋樁樁頂沉降-分項(xiàng)荷載-總荷載綜合分析Fig.10 Curves of dendritic structure’s resistanceand tip resistance proportion of bag pile

從受力機(jī)理看，當(dāng)樁頂沉降為0.8 mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的總荷載大約為4.3 kN，樁側(cè)摩阻力和枝狀體阻力承擔(dān)90%以上荷載，但隨后趨于穩(wěn)定，而樁端阻力卻急劇上升，表明樁端阻力在位移較大時(shí)發(fā)揮比較好。如果按照規(guī)范取樁基極限承載力的一半作為設(shè)計(jì)荷載，即4.5/2 kN=2.25 kN，在此工作荷載作用下，各分項(xiàng)荷載均處于增長(zhǎng)較快的階段，布袋樁承載性能未能充分發(fā)揮，此設(shè)計(jì)值偏于保守。

3.3 布袋樁承載特性影響因素分析

布袋樁的設(shè)計(jì)施工中，需要考慮多種因素對(duì)其承載力的影響，為此設(shè)計(jì)了8根模型樁對(duì)布袋樁承載特性影響因素進(jìn)行研究。

3.3.1 枝狀體長(zhǎng)度

布袋樁施工中通過(guò)控制注漿壓力可以獲得不同的枝狀體長(zhǎng)度。本次試驗(yàn)中分別設(shè)置模型布袋樁BDZ1a、BDZ1b和BDZ1c枝狀體長(zhǎng)度分別為1/3D(10 mm)、1/2D(15 mm)和2/3D(20 mm)，整理得到不同枝狀體長(zhǎng)度條件下布袋樁荷載-沉降曲線，如圖11(a)所示。由圖11(a)可見(jiàn)，前3級(jí)荷載下布袋樁沉降均遠(yuǎn)小于等直徑樁，布袋樁承載力隨著枝狀體長(zhǎng)度的增加而增大，枝狀體長(zhǎng)度從1/3D增加至1/2D時(shí)，增長(zhǎng)幅度較小，增加至2/3D時(shí)，布袋樁承載力得到大幅提升，沉降大幅減少。為更好地解釋這種情況，繪制如圖11(b)所示布袋樁枝狀體阻力分擔(dān)比。由圖11(b)可以發(fā)現(xiàn)：隨著枝狀體長(zhǎng)度的增大，枝狀體阻力分擔(dān)比增大，枝狀體結(jié)構(gòu)將更多的上部荷載傳遞到樁周基巖中，減少了布袋樁的沉降，這也從側(cè)面說(shuō)明發(fā)揮好枝狀體阻力對(duì)提高布袋樁承載力至關(guān)重要。因此，在保證布袋包覆件完好的情況下，盡可能地提高枝狀體長(zhǎng)度有利于提高布袋樁承載力。

圖11 不同枝狀體長(zhǎng)度條件下布袋樁承載特性及枝狀體阻力分擔(dān)比Fig.11 Dendritic structure’s resistance sharing proportion of bag pile with different dendritic structure lengths

3.3.2 枝狀體數(shù)量和枝狀體分布位置

喀斯特地區(qū)基巖中溶洞的分布與數(shù)量是施工中無(wú)法控制的，對(duì)應(yīng)的布袋樁枝狀體結(jié)構(gòu)數(shù)量與分布也是無(wú)法確定的，因此，探究枝狀體數(shù)量與分布對(duì)承載力的影響，可以進(jìn)一步了解布袋樁的適用范圍。

模型布袋樁BDZ2a、BDZ1b、BDZ2b分別設(shè)置2、4、6個(gè)枝狀體，其和模型等直徑樁荷載-沉降曲線如圖12(a)所示。前兩級(jí)荷載下，模型布袋樁沉降值相近，均遠(yuǎn)小于等直徑樁；隨著沉降增大，枝狀體阻力逐漸發(fā)揮作用，當(dāng)沉降為0.8 mm時(shí)，模型樁DZZ2、BDZ2a、BDZ1b、BDZ2b承載力分別為2.5、3.71、4.3、6.07 kN?？梢?jiàn)，隨著枝狀體數(shù)量的增加，布袋樁的承載力也增加，尤其是加載后期，布袋樁較多的枝狀體數(shù)量能發(fā)揮其減少沉降的優(yōu)勢(shì)，但枝狀體過(guò)多，相對(duì)應(yīng)溶洞數(shù)量也多，影響基巖的完整性。因此，在保證基巖完整性的前提下，工程實(shí)踐中基巖存在溶洞數(shù)量應(yīng)在一個(gè)范圍內(nèi)，布袋樁能發(fā)揮較大承載力。

第3組試驗(yàn)探究不同分布位置的枝狀體對(duì)布袋樁承載力的影響，3根模型布袋樁荷載-沉降曲線如圖12(b)?？梢钥闯鲋铙w位置對(duì)沉降曲線的影響是比較明顯的，以3條曲線的沉降較為接近的點(diǎn)(荷載為2 kN)作為加載前期與加載后期的界限，加載前期枝狀體平均位置越深，沉降越大；加載至2 kN以后，曲線差異性逐漸增大，枝狀體位置越深，沉降越小。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是荷載初期側(cè)阻力占主導(dǎo)，端阻力表現(xiàn)不明顯，加載后期枝狀體阻力起主導(dǎo)作用，枝狀體埋深越大，枝狀體阻力越大。由上述分析可知，溶洞在孔壁分布越靠近樁端，則枝狀體平均位置越靠下，布袋樁獲得越高的承載力。

圖12 不同枝狀體數(shù)量與位置條件下布袋樁Q-s曲線Fig.12 Q-s curves of bag pile with different dendritic structure numbers and locations

4 結(jié) 論

本文提出了一種新型異形灌注樁——布袋樁，通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了布袋樁在喀斯特基巖模型中的成樁可行性，以及布袋樁的承載特性與影響因素?；诒敬卧囼?yàn)結(jié)果得到以下結(jié)論：

(1)成樁試驗(yàn)中布袋樁的乳膠膜包覆件有效地解決了普通等直徑樁漿液流失問(wèn)題，能夠節(jié)省大量的拋填物和減少混凝土流失；同時(shí)形成的枝狀體結(jié)構(gòu)能使樁巖更好地結(jié)合，這種結(jié)構(gòu)對(duì)于布袋樁的承載力提高有重要作用。

(2)模型布袋樁的極限承載力遠(yuǎn)大于模型等直徑樁，本次試驗(yàn)前者的極限承載力為后者的1.5倍，而兩者體積相差不大，說(shuō)明布袋樁具有顯著經(jīng)濟(jì)效益，且相同荷載條件下布袋樁的沉降與變形要小得多；對(duì)喀斯特地區(qū)沉降要求較高的建筑物和構(gòu)筑物，布袋樁是較理想的樁型。

(3)與等直徑樁相比，布袋樁由于特殊枝狀體結(jié)構(gòu)的承力性，軸力沿樁身傳遞過(guò)程中，在枝狀體位置急劇減少，將荷載傳遞到更大范圍基巖中，提高布袋樁承載能力，這是布袋樁的承載特性。

(4)布袋樁摩阻力(包括枝狀體阻力和樁側(cè)摩阻力)分擔(dān)比達(dá)93.11%，具有優(yōu)越的摩擦性能；且其上、下枝狀體和樁端承載特征存在明顯的時(shí)間效應(yīng)，一旦上部枝狀體承載力趨于最大值，下部枝狀體或樁端依次接替并承載荷載增量，達(dá)到一種補(bǔ)償和平衡作用。

(5)布袋樁承載力與枝狀體的長(zhǎng)度、數(shù)量與分布位置埋深均呈正相關(guān)關(guān)系，在實(shí)際工程中，布袋樁比較適用于溶洞數(shù)量較多和平均位置靠下的喀斯特地區(qū)基巖，且在保證布袋包覆件完整的前提下，獲得較大的枝狀體長(zhǎng)度有助于提高布袋樁承載力。