巖溶地區(qū)新型灌注樁承載機(jī)理試驗(yàn)及模擬研究

梅國雄 陸志宇 陳家勛 張福友 楊濟(jì)銘 蔣明杰

摘要：基于布袋樁成樁試驗(yàn)與4組室內(nèi)靜載荷試驗(yàn)，結(jié)合7組數(shù)值模型，對布袋樁的成樁可行性與樁身荷載的傳遞特性及其承載機(jī)理進(jìn)行研究.結(jié)果表明：1）布袋樁在解決巖溶地區(qū)成樁時漿液滲漏問題的同時，具有成樁質(zhì)量良好、成樁形狀可預(yù)測的特征.在等樁徑、等加載條件下，布袋樁的極限承載力為傳統(tǒng)樁的1.15倍以上，樁頂沉降遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)樁；2）布袋樁承載時，各段樁體從上至下依次發(fā)揮作用，交替承載.枝狀體的端承作用對承載力的增益大于布袋對側(cè)摩阻力的削弱，此為布袋樁的承載特征；3）枝狀體結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了樁-巖間的結(jié)合能力，其中，枝狀體下部起主要承載作用，上部僅起結(jié)構(gòu)作用；4）枝狀體的非對稱分布是承載的不利因素之一，對布袋樁的抗彎能力提出設(shè)計(jì)要求.試驗(yàn)及數(shù)值模擬結(jié)果展示了布袋樁的成樁過程，揭示了布袋樁獨(dú)有的承載機(jī)理，驗(yàn)證了布袋樁承載性能的優(yōu)越性，可為布袋樁在巖溶地區(qū)的應(yīng)用提供思路和依據(jù).

關(guān)鍵詞：巖溶地區(qū)；樁基工程；傳遞特性；有限元；承載機(jī)理

中圖分類號：TU318文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Experiment and Simulation Research on Bearing Mechanism of a New Type Grouted Pile in Karst Area

MEI Guoxiong1，2，3，LU Zhiyu1，2，3，CHEN Jiaxun1，ZHANG Fuyou4，YANG Jiming5，JIANG Mingjie1，2，3

（1. College of Civil Engineering and Architecture，Guangxi University，Nanning 530004，China；2. Key Laboratory of Disaster Prevention and Structural Safety of Ministry of Education（Guangxi University），Nanning 530004，China；3. Guangxi Key Laboratory7 of Disaster Prevention and Engineering Safety （Guangxi University），Nanning 530004，China；4. Guangxi Xinfazhan Communication Group Co. Ltd.，Nanning 530029，China；5. Guangxi Transportation Science and Technology7 Group Co. Ltd.，Nanning 530007，China）

Abstract：Based on the bag-sealed pile formation test and four sets of indoor static load tests，combined with seven sets of numerical models，the feasibility of pile formation，pile load transfer characteristics and load-bearing mechanism of bag-sealed piles were studied. The research results show that：1）The bag-sealed pile has the characteristics of good pile quality and predictable pile shape while solving the problem of slurry leakage during pile formation in karst areas. Under the conditions of equal pile diameter and equal loading，the ultimate bearing capacity of the bag-sealed pile is more than 1.15 times that of the traditional pile，the settlement of the pile top is much smaller than that of the traditional pile；and the settlement of the pile top is much smaller than that of the latter. 2）When the bag-sealed pile is loaded，each pile section plays in turn from top to bottom and carries the load alternately. The enhancement of the end-bearing effect of the branched section on the load bearing capacity is greater than the weakening of the bag on the side friction resistance，which is the load-bearing characteristics of the bag-sealed pile. 3）The branched section enhances the pile-rock bonding capacity，in which the lower part of the branched section plays the main bearing role and the upper part only plays the structural role. 4）The asymmetric distribution of the branched sections is one of the unfavorable factors for load bearing，which puts forward a requirement for the design of the bending resistance of the bag-sealed pile. The experimental and numerical simulation results demonstrate the pile formation process of the bag-sealed pile，reveal its unique bearing mechanism and verify its superiority of bearing performance. The research findings can provide ideas and bases for the application of bag-sealed piles in karst areas.

Key words：karst area；pile-fit foundation work；ttransfer characteristics；finite element；bearing mechanism

巖溶地貌在我國西南部地區(qū)分布廣泛，其地貌特征為存有大量土洞、溶洞等，對樁基礎(chǔ)施工十分不利[1-2].鉆孔灌注成樁是巖溶地區(qū)最常見的成樁方式[3-4]，但在應(yīng)用時，各類施工事故屢見不鮮，如在成孔過程中出現(xiàn)塌孔、掉錘和卡鉆等現(xiàn)象[5-7]；在成樁過程中混凝土漿液沿巖溶通道外逸，造成樁基質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重的將會危害建筑物安全[8-9].

拋填法和注漿法是處理溶洞的兩大方法[10-11].拋填法是指在溶洞內(nèi)無充填或半充填且溶洞高度不太大時，用礫石或片石填充溶洞[12-13].該施工方法應(yīng)用廣泛，但無法保證溶洞的填筑質(zhì)量，易導(dǎo)致樁基承載力的降低；注漿法是指將某些能固化的漿液注入巖土地基的裂縫或溶洞中，以達(dá)到充填和封堵的效果，改善其物理力學(xué)性質(zhì)[14-15]，但遇到大型連通溶洞時，巨量的漿液消耗將導(dǎo)致施工成本增加.

為克服巖溶地區(qū)因溶洞、孔洞存在而無法成樁的問題，作者團(tuán)隊(duì)從成樁方式入手，結(jié)合巖溶地基的孔洞特性，參考擠擴(kuò)支盤樁增大樁身截面的思路[16-17]，提出了一種新型灌注樁[18].其特別之處為：預(yù)先在鋼筋骨架外套設(shè)一層柔彈性膜，該彈性膜厚度擬定為樁徑D的5‰，且不小于2 mm（保證膜的強(qiáng)度），不大于4 mm（減小其對樁基側(cè)摩阻力的不利影響）.彈性膜通過特別設(shè)計(jì)的樁端夾持件固定，并用鉛絲收束于鋼筋籠表面后垂直吊入樁孔，成樁時向彈性薄膜中注漿以防止?jié){液外逸，同時，注漿壓力將彈性膜與混凝土擠壓進(jìn)溶洞腔體內(nèi)形成枝狀體結(jié)構(gòu)，有填充溶洞、阻止?jié){液沿連通性孔道滲漏的效果.因設(shè)計(jì)時彈性膜擬采用廉價易得的橡膠袋或土工布袋，故這種新型灌注樁被簡稱為布袋樁.目前該發(fā)明已獲批新型發(fā)明專利[19].

新型樁基礎(chǔ)具有較強(qiáng)的地形針對性，通常起到加強(qiáng)樁-土聯(lián)系、提高樁基承載能力的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景.譚鑫等[20]借助有限差分軟件觀察軟土地基中碎石樁單樁破壞模式，借此分析樁體鼓脹變形、樁側(cè)土壓力演化以及由此決定的單樁破壞模式與典型荷載沉降曲線，同時通過模擬結(jié)果對比驗(yàn)證了碎石樁單樁承載力計(jì)算公式的有效性；楊果林等[21]借助室內(nèi)模型試驗(yàn)開展GFRP靜壓樁模型試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析土的隆起量與徑向擠土壓力，得到土隆起量、沉樁深度與徑向擠土壓力的聯(lián)系，解釋了GFRP樁-土相互作用機(jī)理及壓樁動態(tài)力學(xué)效應(yīng)；龔曉南等[22]借助模型試驗(yàn)研究擴(kuò)大頭尺寸對樁端承載性能的作用效果，向PVC管內(nèi)注漿控制擴(kuò)大頭尺寸，并以此開展室內(nèi)單樁靜載模型試驗(yàn)，最終證明樁端灌注擴(kuò)大頭樁承載能力的優(yōu)越性；張福友[23]通過縮尺模型試驗(yàn)證明了布袋樁的成樁方式具有可行性，并通過布袋樁與等直徑圓柱形傳統(tǒng)樁的對比，證明布袋樁的極限承載力高于傳統(tǒng)嵌巖樁，但受研究手段限制，對布袋樁承載時樁-巖共同作用機(jī)理與枝狀體承載規(guī)律未做進(jìn)一步探究.

本文先設(shè)計(jì)布袋樁成樁模型試驗(yàn)，觀察布袋樁的注漿過程，尋找枝狀體長度的預(yù)測方法；后設(shè)計(jì)4組室內(nèi)靜載試驗(yàn)，并以此為基礎(chǔ)建立7組數(shù)值模型，對比研究布袋樁優(yōu)越的承載性能，分段探究布袋樁各樁段荷載傳遞特性.此外，討論一種特殊情況：枝狀體的非對稱性對布袋樁承載力的影響，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果相互論證，詳細(xì)分析布袋樁所特有的枝狀體結(jié)構(gòu)的承載機(jī)理，以期為現(xiàn)場施工提供詳實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論參考.

1室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

1.1.1模型簡化

試驗(yàn)?zāi)康脑谟谔骄坎即鼧杜c普通樁型承載能力的差異.設(shè)計(jì)試驗(yàn)時，考慮模型為按比收縮而成的試驗(yàn)代表物，無法全盤模擬原型所有參數(shù)，以控制模型幾何相似、物理相似和材料相似為前提.結(jié)合樁體在地基中的形態(tài)，如圖1所示，將本次模型試驗(yàn)作如下簡化：①本研究工況為溶洞大小與樁徑相近；②假設(shè)成樁前溶洞內(nèi)無填充，成樁后溶洞被枝狀體結(jié)構(gòu)充堵；③模擬灰?guī)r由同一配比的水泥砂漿澆筑而成，整塊地基物理力學(xué)性質(zhì)相同.

1.1.2相似理論

根據(jù)模型試驗(yàn)的相似理論，原型與模型在試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定上互成一定的比例關(guān)系[24].本研究試樁尺寸原型取自廣西桂林市全州縣某廠房建設(shè)工程，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備與場地條件，本試驗(yàn)的幾何相似比C₁設(shè)置為16；用原型地基的密度與模型地基澆筑材料的密度相除，得到密度相似比C_p為1.2，分別將幾何相似比C₁、密度相似比C_p代入相似公式，計(jì)算得到本模型試驗(yàn)中的各項(xiàng)相似比，見表1.

分別用上述比值對試驗(yàn)原型地基的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行折算，得到本試驗(yàn)?zāi)M灰?guī)r地基的概化參數(shù)，如表2“折算值”一行所示.

1.2試驗(yàn)準(zhǔn)備與裝置

1.2.1成樁試驗(yàn)

成樁試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)部尺寸為300 mm（長）×200 mm（寬）×650 mm（高），由2 cm厚的木板制成，接縫處涂抹環(huán)氧樹脂防止?jié)仓r漿液滲漏.模具外尺寸與模型箱內(nèi)部尺寸一致，設(shè)2道橫桿預(yù)留溶洞位置，模具由外徑50 mm的鋼管焊接制成，如圖2（a）所示.

鋼筋籠拼裝前后分別如圖2（b）（c）所示，由4塊半圓形鐵片（模擬夾持件）、1根注漿管、3根螺桿（模擬縱向鋼筋）及6對螺母（含墊片）組成.乳膠氣球模擬包裹樁體的彈性布袋，乳膠材料的泊松比v為0.45，彈性模量E為0.014 GPa，厚度h為0.3 mm.

模擬地基成型后，將模型箱頂板拆卸，正面用有機(jī)玻璃板密封，有機(jī)玻璃板內(nèi)側(cè)涂抹硅油，減小試驗(yàn)時有機(jī)玻璃板與乳膠膜摩擦對試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響.吊纜自支架橫桿向下連接拉力計(jì)、鋼筋籠，拉力值由外接數(shù)顯儀讀取，可用于推算注漿量.鋼筋籠的注漿管通過軟管接出并連接至注水泵，設(shè)置壓力表實(shí)時測量注漿壓力.

試驗(yàn)時，用水泵向注漿管內(nèi)泵送染色自來水，過程中記錄多組拉力計(jì)、壓力表讀數(shù)與枝狀體長度.通過探究枝狀體長度對布袋樁承載能力的影響發(fā)現(xiàn)，枝狀體長度達(dá)到樁徑D的2/3時就能完全發(fā)揮枝狀體結(jié)構(gòu)承載能力，因此也將2D/3稱為枝狀體的長度閾值.當(dāng)所有枝狀體長度均達(dá)到閾值時，認(rèn)為該布袋樁在現(xiàn)有地基里能完全發(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢.在本試驗(yàn)中，上、下模擬溶洞存在0.2 m的高度差，上部溶洞受壓強(qiáng)較小，溶洞條件最不利于枝狀體生長.因此，可將上枝狀體作基準(zhǔn)，從有機(jī)玻璃面觀測到上枝狀體長度到達(dá)50 mm（為閾值2D/3向上取整）時，認(rèn)為所有枝狀體長度均滿足要求，可終止試驗(yàn).

1.2.2靜載試驗(yàn)

為了控制樁體形狀及布置監(jiān)測儀器，試驗(yàn)按照先成樁、后澆筑地基的順序進(jìn)行.試驗(yàn)使用的4根試樁均采用空心鋼管制作，樁長L=630 mm，樁徑D=30 mm，空心試樁內(nèi)用環(huán)氧樹脂粘貼雙排應(yīng)變片，布袋樁型試樁表面覆一層彈性模量E=0.014 GPa、泊松比v=0.45的乳膠膜.模型樁位置見圖3，試樁參數(shù)見表3.

模型箱長、寬、高分別為0.6m、0.6m、0.9m，由厚2 cm的模板制成，受力集中處設(shè)厚4 cm長木條加固. 考慮邊界效應(yīng)，水平向上的長、寬為樁徑D的20倍；縱向上，樁底距地基底部300 mm，為樁徑D的10倍，結(jié)合資料認(rèn)為滿足邊界條件[25-26].

基于折算后模擬灰?guī)r地基的概化參數(shù)，結(jié)合相關(guān)資料[27-28]，本試驗(yàn)采用m_中砂：m_水泥：m_石膏粉：m_水=6：0.7：0.3：1的比例配置模擬灰?guī)r砂漿，材料用量見表4.

為測試模擬灰?guī)r地基的物理力學(xué)參數(shù)，配置少量水泥砂漿，倒入9個150mm×150mm×150mm的混凝土試模中，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d、自然風(fēng)干21 d后，得到9塊標(biāo)準(zhǔn)試件，在通過稱重、單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)后，所得地基材料參數(shù)見表2.各項(xiàng)參數(shù)均處于或接近折算值范圍，可以認(rèn)為該配比符合本次試驗(yàn)要求.

試驗(yàn)借助千斤頂與反力架加載并布置監(jiān)測系統(tǒng)，如圖4所示.測量系統(tǒng)由4部分組成：①百分表（量程：0～50 mm，分辨率：0.1 mm），通過測量加載板下降高度得到模型樁樁頂沉降值；②測力計(jì)（量程：-1 000～1 000 kg，精度：1 kg）與數(shù)顯儀；③應(yīng)變片（測量精度：1×10^-4kPa）與應(yīng)變分析儀；④土壓力盒（量程：0～6.0 MPa，精度：≤1%F.S.）與數(shù)據(jù)采集儀，用于測量樁端阻力.應(yīng)變片與土壓力盒布置見圖3.

澆筑模擬灰?guī)r地基前，預(yù)先固定試樁及配置模擬基巖材料.當(dāng)澆筑至高300 mm時，暫停澆筑并埋設(shè)土壓力盒，之后模擬基巖材料分多次澆入模型箱，澆筑穿插小型手提式混凝土震動棒振搗，目的是使地基盡量均勻.地基澆筑完畢后，為達(dá)到試驗(yàn)條件，還需淋水養(yǎng)護(hù)7d，并自然風(fēng)干21 d.

參照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）[29]，本試驗(yàn)采用慢速維持荷載法以0.3 kN/級進(jìn)行加載，第一級荷載為0.6 kN.每級荷載施加后，應(yīng)分別按第5 min、15 min、30 min、45 min、60 min測讀樁頂沉降量，以后每隔30 min測讀一次樁頂沉降量.當(dāng)沉降連續(xù)兩次不超過0.01 mm/30min時，即可加下一級荷載.滿足以下任一條件則停止試驗(yàn)：①某級荷載作用下，樁頂沉降量大于上一級荷載作用下沉降量的2 倍；②加載達(dá)設(shè)備最大加載值或者超出試驗(yàn)儀器量程范圍；③樁體或地基發(fā)生破壞，無法繼續(xù)加載.

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1成樁試驗(yàn)

2.1.1成樁效果分析

由圖5（a）成樁效果示意圖可見，布袋樁樁身完整，樁徑均勻，乳膠膜保持完好未破損，未有滲漏現(xiàn)象.

溶洞處，乳膠膜鼓起形成枝狀體.可以認(rèn)為，布袋樁設(shè)計(jì)具有防止?jié){液滲漏效果，枝狀體結(jié)構(gòu)能夠充堵溶洞，成樁效果良好，具有一定應(yīng)用前景.

2.1.2枝狀體長度分析

枝狀體凸起可看作邊界約束條件下圓薄膜中心部份受均布載荷產(chǎn)生的對稱變形問題，如圖5（b）（c）所示，該問題由Hencky提出，錢偉長修正[30].薄膜最大撓度W_max計(jì)算式為：

式中無量綱數(shù)P取自：

式中：p為圓膜所受壓強(qiáng)；a為圓膜半徑；E為圓膜彈性模量；h為圓膜厚度；v為圓膜泊松比.

常數(shù)c求解自：

g（c）值取自：

在薄膜材料確定的情況下（彈性模量E、薄膜厚度h、泊松比v和圓膜半徑a已知），圓膜最大撓度W_max僅與壓強(qiáng)p相關(guān).結(jié)合上述公式，本試驗(yàn)結(jié)果展示于表5，可以認(rèn)為Hencky問題的解答適用于枝狀體長度推算，枝狀體長度可通過控制壓強(qiáng)p而控制變化.

此外，該解答計(jì)算式存在少量誤差，枝狀體的理論計(jì)算長度均小于實(shí)際長度，這是由于枝狀體在擴(kuò)張過程中，乳膠膜除鼓起變形外還會向溶洞方向輕微滑移，削弱Hencky問題中的邊界約束條件.

2.2荷載-沉降分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制4根樁的Q-s曲線，如圖6所示.試樁極限承載力根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）[29]確定，普通試樁TCP的Q-s曲線有明顯的陡降段（4.2～4.5 kN間），根據(jù)曲線陡降位置判斷，TCP極限承載力為4.2 kN；而根據(jù)樁頂允許最大沉降值判定，樁頂沉降s達(dá)到樁頂位移最大值2.5 mm （規(guī)范值40 mm/幾何相似比G）時所對應(yīng)的荷載為3.9 kN，綜合取保守值，TCP的極限承載力為3.9 kN.試樁TBPa、TBPb、TBPc的Q-s曲線有明顯緩變型特征，根據(jù)沉降判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)s=2.5 mm時，TBPa、TBPb、TBPc的單樁極限承載力分別為4.5 kN、5.4 kN、6.0 kN.可見，采用布袋樁樁型可使樁基承載能力得到提高，從材料損耗角度看，布袋樁樁身體積僅比等直徑普通樁大不到10%，可以預(yù)見，布袋樁樁型的應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益.

2.3樁身各部位受力分析

為節(jié)省篇幅，取TBPa試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.讀取樁身應(yīng)變值ε_i，根據(jù)式（6）計(jì)算得到樁身軸力值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制曲線表現(xiàn)TBPa在各級荷載作用下的總荷載-分荷載關(guān)系，如圖7、圖8所示.

Q_i=EAε_i（6）

式中：A為樁身截面面積；E為樁身彈性模量.

將TBPa樁身分段命名，見表6.

圖7（a）展示了三類承載力值.側(cè)摩阻力在全加載過程中作用最大，其值增長穩(wěn)定；枝狀體阻力值處于三者的中間地位，增長趨勢緩和；樁端阻力值為三者中最小，呈慢速近似線性增長.

圖7（b）所示為三類端承力發(fā)揮的規(guī)律.加載初期，上枝狀體率先發(fā)揮作用，下枝狀體與樁端阻力值交替上升；當(dāng)上枝狀體阻力發(fā)揮臨近極限時，下枝狀體接替承擔(dān)更多荷載，此時樁端阻力值也穩(wěn)步增長.

圖7（c）揭示了摩擦段阻力發(fā)揮的規(guī)律.上摩擦段率先發(fā)揮作用，側(cè)摩阻力增長緩慢；中摩擦段阻力值次之，在全加載過程中保持近似線性增長；下摩擦段樁側(cè)摩阻力發(fā)揮起點(diǎn)低、增速快，加載后期其增長趨勢未見衰減.

綜上，TBPa受荷時，側(cè)摩阻力承擔(dān)大量荷載，尤其在加載后期，側(cè)摩阻力增幅明顯大于枝狀體阻力，說明TBPa樁型的枝狀體結(jié)構(gòu)仍未發(fā)揮完畢.此外，上、下枝狀體與樁端承載行為存在傳遞效應(yīng)，沿樁身縱深方向依次承載，此種交替承載方式是布袋樁的重要承載特征.

圖8（a）展現(xiàn)了三類承載力與總荷載值的比例關(guān)系.側(cè)摩阻力從加載初便發(fā)揮主要承載作用，施加第一級荷載時，側(cè)摩阻力承擔(dān)近72%的荷載，之后該比例逐步下降，最終穩(wěn)定在55%.布袋樁的枝狀體阻力與樁側(cè)摩阻力分擔(dān)比可達(dá)86.11%，這體現(xiàn)了布袋樁優(yōu)越的樁側(cè)承載性能.

結(jié)合圖8（b），在TBPa極限承載力時，枝狀體分擔(dān)約三成總荷載.上枝狀體在大部分時間里，承擔(dān)比遠(yuǎn)高于其余二者，可以推斷上枝狀體的設(shè)計(jì)對承載能力的影響較大.

結(jié)合圖8（c），施加第一級荷載時，上、中、下摩擦段分擔(dān)比呈逐個遞減排列.上、中摩擦段承力占比隨荷載增加有下降趨勢，隨荷載逐級增加，摩擦段由上而下依次發(fā)揮承載性能.

3數(shù)值模型與參數(shù)

3.1數(shù)值模型建立

為探究布袋樁的承載機(jī)理，建立7組數(shù)值分析模型，如圖9所示，圖中枝狀體長度用W表示.NCP1、NCP2均為傳統(tǒng)樁型，差異在于樁-巖間接觸方式；NBP2a與NBP2b為非對稱布袋樁，枝狀體長度為15 mm. NBP1a、NBP1b與NBP1c為布袋樁型，枝狀體長度具有差異；數(shù)值模型優(yōu)先滿足網(wǎng)格連續(xù)性，在不連續(xù)界面使用連接命令，然后建立接觸面.

控制模型邊界位移為0，給地基、樁體、接觸面及側(cè)壓力系數(shù)賦值，分別進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，平衡過程中模型僅受自身重力的影響.加載工況室內(nèi)試驗(yàn)采用相同加載方案，先加荷0.6 kN，后每級荷載在前級基礎(chǔ)上增加0.3 kN，最大加載級數(shù)為29級，最大荷載9.0 kN，每級加載直至不平衡力比小于1.0×10^-5為止.

3.2模型參數(shù)選取

本次數(shù)值模擬計(jì)算，樁體被視為理想彈性體，采用彈性模型，模型地基則被視為理想彈塑性體，采用摩爾-庫倫模型.為保證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，模型灰?guī)r、模型樁體參數(shù)均取自標(biāo)準(zhǔn)試塊的測試結(jié)果. 特別地，參考軟土地基中布袋注漿樁側(cè)摩阻力計(jì)算方式[31]，將布袋樁模型的樁、布袋視為整體，樁-布袋-巖三相接觸簡化為兩相接觸，并設(shè)計(jì)摩擦試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算標(biāo)定得到其接觸參數(shù).數(shù)值模型力學(xué)參數(shù)見表7，接觸面參數(shù)見表8.

4模擬結(jié)果與分析

4.1對稱型布袋樁承載分析

4.1.1荷載-沉降分析

從有限元軟件提取模型樁NCP1、NCP2及模型布袋樁NBPla（對應(yīng)試樁TCP及TBPa）的樁頂荷載、沉降繪制成Q-s曲線如圖10所示.在樁頂荷載達(dá)3.6 kN、3.9 kN、4.5 kN時，NCP2、NCP1、TBP1a分別達(dá)到了豎向承載力的極限值.

對比兩種研究手段所得結(jié)果，Q-s曲線在變化規(guī)律上與依試驗(yàn)結(jié)果繪制的曲線擬合度較高.加載初期，試驗(yàn)普通樁TCP與模擬普通樁NCP1、NCP2的Q-s曲線均接近直線，隨荷載級數(shù)增加，有明顯拐點(diǎn)，進(jìn)入彈塑性階段.布袋樁試樁與模型布袋樁在全加載過程中，Q-s曲線為緩變形，無明顯拐點(diǎn).兩種研究手段所得曲線的數(shù)值、趨勢均相近，判斷數(shù)值模擬結(jié)果真實(shí)可信.

對比NCP1與NCP2的Q-s曲線，布袋接觸（NCP2樁）將降低7.69%的樁基承載力；對比NCP1與NBP1a的Q-s曲線，布袋樁型（NBP1a）將提升15.38%的樁基承載力.在等樁徑條件下，布袋樁的承載能力優(yōu)于傳統(tǒng)樁型（不含布袋樁、枝狀體）.因含有特別的枝狀體結(jié)構(gòu)，可將布袋樁視為一種多支點(diǎn)受力的端承樁，依靠多點(diǎn)支承不僅補(bǔ)償樁-布袋-巖接觸而損失的側(cè)摩阻力，還提高了樁的承載力.綜上，布袋樁在防止巖溶地區(qū)成樁漿液外逸的同時還可以提升樁的受力性能.

4.1.2豎向位移云圖分析

以xOz面作為切面切割數(shù)值模型，得到樁頂荷載為0.6 kN、2.4 kN、3.9 kN時NCP1、NBP1a、NBP1b、NBP1c模型的豎向位移云圖，如圖11所示.在同級荷載作用下，NCP1影響范圍小、傳遞深度更深，NBP1a、NBP1b、NBP1c的豎向沉降云圖呈“倒葫蘆”狀.當(dāng)樁頂荷載為0.6 kN時，枝狀體未發(fā)揮承載作用，兩種樁型位移云圖基本相似.

對布袋樁而言，枝狀體結(jié)構(gòu)針對豎向沉降起阻隔作用，豎向位移影響范圍在枝狀體處擴(kuò)大，這是由于枝狀體的存在使樁身截面面積增大，帶動巖體地基參與承載.

4.2枝狀體結(jié)構(gòu)承載分析

在前13級荷載（0.6～4.2 kN）作用下，針對NBP1a 深度為-220～-180 mm之間40 mm長的樁段，每間距5 mm提取所在深度的樁身軸力，繪制軸力-深度關(guān)系圖，如圖12所示.

結(jié)合上述分析，枝狀體樁段的承載特性作如下解釋：沿樁身縱向，可將枝狀體橫截面輪廓分為上、下兩個等長弧段.在上弧段，因樁身豎向壓縮變形，枝狀體表面未與地基接觸，非枝狀體部分的側(cè)摩阻力承擔(dān)荷載；在下弧段，摩擦力F_τ與壓力F_n共同作用，非枝狀體部分的側(cè)摩阻力亦參與下弧段承載.而下弧段樁段軸力-深度關(guān)系曲線為拋物線狀，且隨深度增加，枝狀體承擔(dān)荷載能力逐漸增強(qiáng)，這種現(xiàn)象說明壓力F_n承載作用大于摩擦力F_τ.

4.3非對稱型布袋樁承載分析

4.3.1荷載-沉降分析

提取樁NCP1、NBP2a、NBP2b與NBPlb在模擬過程中的荷載與沉降，所得Q-s曲線如圖14所示.模型樁NCP1、NBP2a、NBP2b、NBPlb的極限承載力分別為3.9 kN、4.5 kN、3.9 kN、5.4kN.雖非對稱布袋樁NBP2b的極限承載力與常規(guī)樁NCP1相等，但在加載中期，NCP1的樁身沉降更小，這說明枝狀體結(jié)構(gòu)的非對稱分布可能導(dǎo)致布袋樁承載能力降低.非對稱型布袋樁在設(shè)計(jì)時，應(yīng)在探明溶洞位置的條件下對布袋樁承載能力做評估.

4.3.2豎向位移云圖分析

以xOz面作為切面切割數(shù)值模型，調(diào)取NCP1、NBPlb、NBP2a、NBP2b分別達(dá)到自身極限承載力3.9 kN、5.4 kN、4.5 kN、3.9 kN時的豎向應(yīng)力云圖，并統(tǒng)一圖例標(biāo)尺，如圖15所示.

非對稱布袋樁NBP2a、NBP2b在受荷過程中，枝狀體缺失一側(cè)對地基擾動范圍更小，且隨樁體不對稱程度加深，該現(xiàn)象愈發(fā)明顯；非對稱布袋樁樁身存在沉降差異，但這種差異在樁底將得到平衡.

4.3.3樁身應(yīng)力分析

為解釋位移云圖中的沉降平衡現(xiàn)象，分別導(dǎo)出4 組模型樁在極限承載力荷載作用下的豎向應(yīng)力云圖，如圖16所示.

承載時，在非對稱布袋樁樁身兩側(cè)，軸向應(yīng)力變化率不相同.枝狀體側(cè)豎向應(yīng)力經(jīng)過枝狀體時急劇下降，而缺失一側(cè)應(yīng)力均勻、慢速地變化，這印證了枝狀體結(jié)構(gòu)的顯著承載作用.非對稱布袋樁承力時樁身受力不對稱，這需要樁體提供彎矩用于平衡應(yīng)力，對樁體的抗彎能力提出了考驗(yàn).

5結(jié)論

本文借助室內(nèi)試驗(yàn)研究了巖溶地區(qū)布袋樁的成樁過程與承載特性，同時采用有限元法對試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比對，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，在此基礎(chǔ)上通過模擬手段進(jìn)一步探究枝狀體結(jié)構(gòu)的承載特性及布袋樁承載機(jī)理.基于本研究結(jié)果得到以下結(jié)論：

1）借助成樁試驗(yàn)驗(yàn)證了巖溶地區(qū)布袋樁在樁側(cè)溶洞處凸起形成枝狀體結(jié)構(gòu)充堵溶洞、防止?jié){液外逸的特征，Hencky公式的錢偉長解答可以較準(zhǔn)確地計(jì)算枝狀體長度，推演布袋樁樁型.

2）相較傳統(tǒng)樁型，布袋樁的承載能力有15.38%～53.85%的提升.布袋樁的荷載-沉降關(guān)系表現(xiàn)為緩變型，Q-s曲線無明顯陡降點(diǎn)，極限承載力依樁頂沉降最大容許值判定.

3）布袋樁承力時，各樁段從上至下依次發(fā)揮承載能力，交替承載行為顯著；雖然布袋樁所特有的樁-布袋-巖接觸方式較傳統(tǒng)樁的樁-巖接觸而言削弱了樁的側(cè)摩阻力，但布袋樁多點(diǎn)支承的受力方式使得承載能力總體提升.

4）將枝狀體分為上、下等高的兩部分：下部起承載作用，受法向壓力與切向摩擦力，法向承載能力優(yōu)異；上部起結(jié)構(gòu)作用，承載過程中與地基無接觸.枝狀體長度增加時，枝狀體-地基結(jié)合性及枝狀體自身強(qiáng)度增加，提高了布袋樁單樁承載力.

5）極端情況下，布袋樁枝狀體分布非對稱分布，樁身兩側(cè)應(yīng)力、沉降分布有差異，但在樁底處能達(dá)到平衡.這是由于樁體兩側(cè)的非對稱受力引起樁身彎矩平衡了應(yīng)力差異，也因?yàn)闃渡韽澗卮嬖?，非對稱布袋樁在設(shè)計(jì)時還應(yīng)考慮抵抗彎矩能力.

參考文獻(xiàn)

[1]GOLDSCHEIDER N，CHEN Z，AULER AS，et al. Global distribution of carbonate rocks and Karst water resources [J]. Hydrogeology Journal，2020，28（5）：1661-1677.

[2]李天雨，范秋雁，韓偉，等.覆蓋巖溶臨空面對水平承載樁嵌固端承載力的影響試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2020，37（10）：192-199.

LI T Y，F(xiàn)AN Q Y，HAN W，et al. Experimental study on influence of covered karstic free surface on fixed end bearing capacity of laterally loaded pile [J]. Engineering Mechanics，2020，37 （10）：192-199. （In Chinese）

[3]楊光.某高層建筑大直徑嵌巖鉆孔灌注樁的承載力分析[J].工程力學(xué)，1989，6（3）：71-79.

YANG G. The bearing capacity analysis about large bored piles inlaid in rocks of a tall building[J]. Engineering Mechanics，1989，6（3）：71-79.（In Chinese）

[4]肖明貴，陳學(xué)軍，佴磊.巖溶區(qū)沖孔樁施工技術(shù)綜述[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì)，2003（3）：105-108.

XIAO M G，CHEN X J，NIE L. Jetting bore pile construction technique in Karst region [J]. Hydrogeology & Engineering Geology，2003（3）：105-108.（In Chinese）

[5]HE K Q，JIA Y Y，WANG B，et al. Comprehensive fuzzy evaluation model and evaluation of the Karst collapse susceptibility in Zaozhuang Region，China[J]. Natural Hazards，2013，68（2）：613-629

[6]SHARAPOV R. Determination of Karst collapse intensity indicator in area of nuclear power plant construction using incomplete data[J]. IOP Conference Series：Earth and Environmental Science，2014，19：012007

[7]HE K Q，WANG B，ZHOU D Y Mechanism and mechanical model of Karst collapse in an over-pumping area[J]. Environmental Geology，2004，46（8）：1102-1107

[8]WONG C T，YIM K P，LEUNG M K，et al Rock-socketed large diameter bored pile and geophysical survey in cavernous Karst area：tin Shui Wai public library cum indoor recreation centre[J] Procedia Engineering，2011，14：1744-1751

[9]WANG P S，DING H Y，ZHANG P Y. Influence of Karst caves at pile side on the bearing capacity of super-long pile foundation[J]. Mathematical Problems in Engineering，2020，2020：4895735

[10]石振明，沈丹祎，彭銘，等.巖溶地區(qū)樁基施工溶洞處理技術(shù)：以吉安永和大橋樁基施工為例[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2015，23 （6）：1160-1167

SHI Z M，SHEN D Y，PENG M，et al Karst cave disposing technology for pile foundation construction，illustrated with—Yonghe

bridge in Ji'an [J]. Journal of Engineering Geology，2015，23 （6）：1160-1167 （In Chinese）

[11]李陸平，尤繼勤，王吉連.蔡家灣漢江特大橋鉆孔樁施工及巖溶處理技術(shù)[J].橋梁建設(shè)，2009，39（5）：60-63.

LI L P，YOU J Q，WANG J L Techniques of construction and Karst ground handling for bored piles of caijiawanHanjiang River bridge[J]Bridge Construction，2009，39（5）：60-63 （In Chinese）

[12]HU H，ZHANG B W，ZUO Y Y，et al The mechanism and numerical simulation analysis of water bursting in filling Karst tunnel [J]. Geotechnical and Geological Engineering，2018，36（2）：1197-1205

[13]曹建文，夏日元，張慶玉，等.潮濕環(huán)境下典型碳酸鹽巖縫洞系統(tǒng)充填模式探討[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2016，38（1）：56-62.

CAO J W，XIA R Y，ZHANG Q Y，et al Typical filling models of a fractured-vuggy system in carbonate rocks under a moist environment[J]. Petroleum Geology & Experiment，2016，38（1）：56- 62 （In Chinese）

[14]CAO L，LIANG J W，JIANG M Y，et al. Optimization of grout parameters and volume of filling grouting in Karst through simulation experiment[J]. Electronic Journal of Geotechnical Engineering，2019，24（5）：1163-1176.

[15]NIU J D，WANG B，CHEN G J，et al Predicting of the unit grouting quantity in Karst curtain grouting by the water permeability of rock strata[J]. Applied Sciences，2019，9（22）：4814

[16]高笑娟，劉豐軍，李躍輝，等.擠擴(kuò)支盤樁水平承載力計(jì)算和影響因素分析[J].工程力學(xué)，2009，26（7）：97-104.

GAO X J，LIU F J，LI Y H，et al Calculation and influence factor analysis on lateral bearing capacity of squeezed branch and plate pile[J]. Engineering Mechanics，2009，26（7）：97-104 （In Chinese）

[17]王忠福，劉漢東，賈金祿，等.大直徑深長鉆孔灌注樁豎向承載力特性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2012，33（9）：2663-2670.

WANG Z F，LIU H D，JIA J L，et al Experimental study of vertical bearing capacity behavior of large-diameter bored cast-in-situ long pile[J]Rock and Soil Mechanics，2012，33（9）：2663- 2670 （In Chinese）

[18]ZHANG F Y，NI P P，YANG J M，et al Use of bag-sealed bored pile in Karst areas[J]Japanese Geotechnical Society Special Publication，2020，8（7）：267-271

[19]梅國雄，趙艷林，姚銳丹，等.適用于具有連通性通道的巖溶地區(qū)的灌注樁：CN105544508A[P]. 2016-05-04.

MEI G X，ZHAO Y L，YAO R D，et al Cast-in-place pile applicable to Karst region having communicating channels：CN105544508A[P]2016-05-04 （In Chinese）

[20]譚鑫，馮龍健，胡政博，等.豎向荷載下軟土中碎石單樁破壞模式及承載力計(jì)算[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2021，48 （9）：10-19

TAN X，F(xiàn)ENG L J，HU Z B，et al Failure mode and calculationmethod of ultimate bearing capacity of a single stone column insoft soil under vertical loading [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2021，48（9）：10-19.（In Chinese）

[21]楊果林，魏賽賽，關(guān)耀，等.GFRP靜壓樁擠土效應(yīng)模型試驗(yàn)研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2017，44（11）：164-169.

YANG G L，WEI S S，GUAN Y，et al. Model test research on squeezing effect of jacked GFRP pile [J]. Journal of Hunan University（Natural Sciences），2017，44（11）：164-169.（In Chinese）[22]龔曉南，邵佳函，解才，等.樁端擴(kuò)大頭尺寸對承載性能影響模型試驗(yàn)[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2018，45（11）：102-109.

GONG X N，SHAO J H，XIE C，et al. Model test on influence of enlarged head size on bearing capacity of pile end [J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2018，45（11）：102-109. （In Chinese）

[23]張福友.巖溶地區(qū)布袋樁成樁與承載特性研究[D].南寧：廣西大學(xué)，2020.

ZHANG F Y. Research on pile-forming and bearing behaviors of bag-sealed pile in Karst area[D]. Nanning：Guangxi University，2020.（In Chinese）

[24]林韻梅.實(shí)驗(yàn)巖石力學(xué)：模擬研究[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1984.

LIN Y M. Experimental rock mechanics：a simulation study[M]. Beijing：China Coal Industry Publishing House，1984. （In Chinese）

[25]RANDOLPH M F，DOLWIN R，BECK R. Design of driven piles in sand[J]. Geotechniqui，1994，44（3）：427-448.

[26]曹兆虎，孔綱強(qiáng)，劉漢龍，等.基于PIV技術(shù)的沉樁過程土體位移場模型試驗(yàn)研究[J].工程力學(xué)，2014，31（8）：168-174.

CAO Z H，KONG G Q，LIU H L，et al. Model test on deformationcharacteristic of pile driving in sand using piv technique[J]. Engineering Mechanics，2014，31（8）：168-174.（In Chinese）

[27]劉鐵雄，彭振斌，韓金田.灰?guī)r巖性模擬試驗(yàn)研究[J].地下空間與工程學(xué)報，2005，1（6）：878-881.

LIU T X，PENG Z B，HAN J T. Research of simulation testing of limestone's lithology [J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering，2005，1（6）：878-881.（In Chinese）

[28]左保成，陳從新，劉才華，等.相似材料試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2004，25（11）：1805-1808.

ZUO B C，CHEN C X，LIU C H，et al.Research on similar material of slope simulation experiment [J].Rock and Soil Mechanics，2004，25（11）：1805-1808.（In Chinese）

[29]建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范：JGJ 106—2014[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

Technical code for testing of building foundation piles：JGJ 106—2014 [S]. Beijing：China Architecture & Building Press，2014. （In Chinese）

[30]CHIEN W Z. Asymptotic behavior of a thin clamped circular plate under uniform normal pressure at very large deflection[J]. The Science Reports of National Tsinghua University，1948，5（1）：71-94.

[31]胡傳家，戚承志，景彥楠.布袋注漿樁在臨近既有線路基工程中運(yùn)用及其承載力計(jì)算的思考[J].中國建材科技，2018，27 （3）：73-74.

HU C J，QI C Z，JING Y N. Aplication research and thinking of bearing capacity on the big-grouting pile in softing foundation treatment of railway [J]. China Building Materials Science & Technology，2018，27（3）：73-74.（In Chinese）