縮徑基樁豎向承載性能的透明土試驗(yàn)研究

徐志軍 王云泰 杜建平 王政權(quán) 周洋 王爽

摘要：基于透明土試驗(yàn)，對1根完整基樁及8根縮徑基樁進(jìn)行了豎向加載試驗(yàn)，研究了縮徑基樁的豎向承載性能.利用MatPIV軟件對樁周土體顆粒的散斑場進(jìn)行處理，得到樁周土體變形規(guī)律.在此基礎(chǔ)上，通過對比完整樁，分析了縮徑基樁豎向承載力的變化原因.研究結(jié)果表明：縮徑對基樁豎向承載力有顯著的影響.當(dāng)縮徑長度為樁長10%時(shí)，承載力損失可達(dá)45%；當(dāng)縮徑直徑為樁徑20%時(shí)，承載力損失27.3%.其原因?yàn)榭s徑尺寸較大時(shí)，縮徑處的土體產(chǎn)生斜向下變形，降低了樁身與土體的相對位移，減小了樁身側(cè)摩阻力，導(dǎo)致基樁承載力減小. 對于某些工況，在縮徑產(chǎn)生的阻力、樁端阻力及側(cè)摩阻力的共同作用下基樁豎向承載力無變化，但其沉降較大，不宜承載.當(dāng)縮徑位于樁身淺部與中部時(shí)，承載力損失明顯；當(dāng)縮徑位于深部時(shí)，縮徑處土體與樁端土體會發(fā)生貫通現(xiàn)象，土體發(fā)生剪切破壞，削弱了樁的承載力.研究結(jié)果可為基樁的合理設(shè)計(jì)和加固提供一定的理論和技術(shù)參考.

關(guān)鍵詞：縮徑基樁；承載性能；透明土試驗(yàn)；土體變形；樁-土相互作用

中圖分類號：TU473.1文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Experimental Study on Vertical Bearing Capacity of Necking Pile Assisted with Transparent Soil Test

XU Zhijun1，WANG Yuntai1，DU Jianping1，WANG Zhengquan1，ZHOU Yang1，WANG Shuang2

（1. School of Civil Engineering，Henan University of Technology，Zhengzhou 450001，China；2. China Construction Seventh Engineering Division Co. Ltd.，Zhengzhou 450004，China）

Abstract：A vertical loading test is carried out on one intact pile and eight necking piles through transparent soil technology，and the vertical capacity of the necking pile is studied. The speckle field of soil around the pile is processed using MatPIV software to obtain the soil displacement law. On this basis，the reasons for the change of vertical bearing capacity of piles are analyzed compared with the intact pile. The results show that the necking has a significant contribution to pile capacity. When the necking length is 10% of the pile length，the bearing capacity loss can be as high as 45%；When the necking diameter is 20%，the bearing capacity loss is 27.3%. The reason is that when the necking dimension is large，the soil around the necking develops inclined and downward displacement，causing the relative displacement of the pile shaft and the soil to reduce，and reducing the side shaft friction of the pile. Consequently，the necking makes the pile capacity reduce. For some necking piles，the pile capacity is insensitive to the necking because of the combined action of the resistance generated by the necking，the resistance at the pile end，and the shaft friction. However，its large settlement leads to the result that it is unsuitable for bearing. When the necking locates in the shallow or middle parts of pile shaft，the pile capacity is seriously lost. When the necking locates in the deep parts of the pile shaft，the soil at the necking position and at the end of the pile runs through each other，and its shear failure occurs. The research achievement can provide theoretical and technical references for the design and reinforcement of pile foundations.

Key words：necking pile；bearing performance；transparent soil test；soil displacement；pile-soil interaction

隨著我國“一帶一路”倡議的提出和實(shí)施，山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)需求日益增長.樁基因其承載力高、沉降小、施工方便等優(yōu)點(diǎn)在我國的山區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用[1-2].由于施工技術(shù)和水文地質(zhì)條件等原因，樁在施工和使用過程中易出現(xiàn)縮徑、夾泥和斷樁等質(zhì)量缺陷，因此樁完整性檢測尤為重要[3-4].然而，山區(qū)因其特殊的地形和地質(zhì)條件等原因，導(dǎo)致基樁的完整性檢測十分復(fù)雜.因此，明晰缺陷樁承載性能對樁基合理設(shè)計(jì)尤其是山區(qū)樁基工程的設(shè)計(jì)施工具有重要的意義.

縮徑是常見的基樁質(zhì)量缺陷形式[5].目前，國內(nèi)外學(xué)者對縮徑缺陷樁進(jìn)行了大量的研究.Lee等[6]提出了一種利用電磁波無損檢測鉆孔灌注樁縮徑缺陷的方法，證明了電磁波可以有效檢測鉆孔灌注樁不同位置的縮徑缺陷；楊軍等[7]通過模型樁平行地震波試驗(yàn)，研究了缺陷樁的應(yīng)力波傳遞規(guī)律，發(fā)現(xiàn)平行地震波判別樁身缺陷的效果明顯；范小雪等[8]研究了飽和土中帶有缺陷的大直徑灌注樁的水平震動響應(yīng)問題，研究表明樁頂處的縮徑會導(dǎo)致樁頂復(fù)阻抗的顯著降低，而對樁中部與端部影響較??；Ni等[9]利用連續(xù)小波變換技術(shù)確定出樁長和基樁缺陷的位置；Farenyuk等[10]利用低頻脈沖波的方法，得到了關(guān)于樁的應(yīng)力-應(yīng)變狀態(tài)的信息，不僅確定出樁的長度和缺陷的位置，同時(shí)識別了樁的缺陷類型和幾何形狀.目前，關(guān)于縮徑基樁的研究主要集中于缺陷監(jiān)測和識別方面.在樁-土相互作用研究方面，Sang等[11]研究了帶承臺樁和無承臺樁樁端和樁周土體的變形規(guī)律，得知了承臺可提高樁的承載力；周航等[12]提出一種新的異形截面樁沉樁模型試驗(yàn)技術(shù)，研究了圓形樁和XCC樁沉樁擠土的位移場變化規(guī)律.但由于縮徑缺陷的存在，導(dǎo)致豎向荷載作用下樁周土體顆粒的細(xì)觀運(yùn)動機(jī)理、土體內(nèi)部變形特征及荷載傳遞機(jī)理頗為復(fù)雜，因此，厘清豎向荷載下縮徑基樁樁- 土相互作用規(guī)律，揭示樁的承載性能尤為重要.

樁基屬于隱蔽工程，對其進(jìn)行直觀的試驗(yàn)研究難度頗大[13].透明土試驗(yàn)技術(shù)解決了傳統(tǒng)土工試驗(yàn)的不可視和內(nèi)置傳感器等問題，實(shí)現(xiàn)了對內(nèi)部土體顆粒運(yùn)動特征的全面觀測[14].Ding等[15]將透明土應(yīng)用于土石混合料模型試驗(yàn)中，通過物理試驗(yàn)比較了人工合成透明土與天然砂土的物理力學(xué)性質(zhì)，發(fā)現(xiàn)兩者具有很高的相似性；雷華陽等[16]對比不同的孔隙流液配比和摻入硅粉的質(zhì)量比，得到了透明土的最佳可視度配合比；孔綱強(qiáng)等[17]比較了透明砂土、天然砂土和福建標(biāo)準(zhǔn)砂的動變形及動強(qiáng)度特性，發(fā)現(xiàn)透明砂土的動變形和動強(qiáng)度特性與天然砂土相似，可以模擬天然砂土相關(guān)試驗(yàn)；周東等[18]通過透明土技術(shù)，研究了不同埋深下被動樁的樁周土體位移.近年來，透明土技術(shù)被應(yīng)用于土體內(nèi)部滲流和觀察、土與結(jié)構(gòu)相互作用等巖土試驗(yàn)中，王壯等[19]通過透明土模型試驗(yàn)研究坡頂荷載作用下土巖界面接觸滑移機(jī)理和規(guī)律；Li等[20]提出了一種基于輪廓旋轉(zhuǎn)插值法、3D打印技術(shù)和透明土技術(shù)的3D打印透明土顆粒的技術(shù)，其研究表明3D打印透明土可用于考察形狀對宏觀力學(xué)性質(zhì)的影響，且可以捕捉土體變形；曹兆虎等[21]結(jié)合透明土試驗(yàn)技術(shù)與數(shù)值模擬研究了基樁在水平荷載作用下樁周土體位移場的發(fā)展變化規(guī)律；孔綱強(qiáng)等[22]通過透明土模型試驗(yàn)對比分析了水平荷載下擴(kuò)底楔形樁和等截面樁以及楔形樁的極限承載力、基樁變形對樁周土體位移場的擾動規(guī)律以及樁-土相互作用機(jī)理；Zhang等[23]使用透明土技術(shù)研究了單個(gè)隧道在地表和正下方地層中的三維垂直和水平變形模式；Liu等[24]采用透明土模型試驗(yàn)技術(shù)研究了在砂質(zhì)場地上開挖平行隧道引起的地表和地層沉降特性.隨著透明土技術(shù)的不斷發(fā)展與廣泛應(yīng)用，該技術(shù)已經(jīng)成為巖土工程模擬試驗(yàn)的一個(gè)有力工具.

為了探究豎向荷載下縮徑基樁樁周土變形規(guī)律及樁體沉降和承載力變化規(guī)律，本文利用透明土技術(shù)，對1組完整樁和8組含不同縮徑缺陷的基樁進(jìn)行豎向加載試驗(yàn)，通過荷載位移曲線研究了縮徑樁承載力變化規(guī)律，利用MatPIV軟件對土體的散斑場進(jìn)行處理，得到樁周土體位移矢量圖.在此基礎(chǔ)上，利用土體變化規(guī)律分析了縮徑樁承載力的變化原因.

1試驗(yàn)方案及材料選擇

1.1模型試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)系統(tǒng)主要由豎向加載系統(tǒng)、散斑制作系統(tǒng)、模型箱以及圖像采集系統(tǒng)4部分組成，見圖1[25].其中豎向加載系統(tǒng)包括荷載量程為0～500 N的步進(jìn)電機(jī)，精度為0.3 N的壓力傳感器及位移量程為0～600 mm、精度為0.001 mm的位移傳感器，由加載控制系統(tǒng)施加荷載并采集力和位移數(shù)據(jù).散斑制作系統(tǒng)包括可調(diào)節(jié)強(qiáng)度的激光發(fā)射器MW-GX-532/2000mW和光學(xué)棱鏡.圖像采集系統(tǒng)包括工業(yè)CCD相機(jī)、相機(jī)采集控制計(jì)算機(jī).模型箱采用鋼化玻璃制作而成.為了避免邊界效應(yīng)的影響，參照文獻(xiàn)［26］中基樁貫入對周圍土體的影響范圍，并考慮配制透明土的最大透明度，選定尺寸為320 mm×180 mm×350 mm（長×寬×高）的模型箱.對于模型樁，模型箱尺寸與樁徑之比（L/D=16）和模型樁直徑與土顆粒平均粒徑之比（D/d=47）滿足邊界效應(yīng)和粒度效應(yīng)要求[25].

1.2試驗(yàn)材料

試驗(yàn)所用透明土由熔融石英砂和折射率匹配的孔隙流液制成，熔融石英砂純度為99.9%.為了充分模擬砂土及獲得更優(yōu)的散斑場，選用顆粒粒徑為0.5～1 mm和1～2 mm的熔融石英砂，按照質(zhì)量比為1：2配制的混合固體顆粒作為透明土的骨架顆粒，熔融石英砂與標(biāo)準(zhǔn)砂顆粒級配曲線見圖2.孔隙液采用正十二烷和90#白油按照體積比為1：8.8進(jìn)行配制，可得到20 ℃下折射率為1.458 0的孔隙流液.透明土的基本參數(shù)和實(shí)物分別見表1和圖3.透明土的力學(xué)性質(zhì)與天然砂土相似，在模型試驗(yàn)中，可作為模擬天然砂土的替代物[27-29].根據(jù)相似理論[30]，將實(shí)體樁尺寸按比例縮小得到模型樁尺寸[31]，樁身材料采用有機(jī)玻璃制作而成[25].為了減少光的反射，且考慮摩擦的影響，對模型樁樁身采用砂紙通體打磨，并使用摩擦角法測量模型樁摩擦因數(shù)，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）[32]對砂土與混凝土之間摩擦因數(shù)的規(guī)定，使其摩擦因數(shù)位于0.4～0.5，即為打磨完成.縮徑尺寸（直徑和長度）和模型樁的尺寸見圖4.

1.3試驗(yàn)方案

為了確保試驗(yàn)結(jié)果的一致性，對于每種工況，控制模型槽內(nèi)透明土的質(zhì)量及高度一致，以保證試驗(yàn)過程中透明土的密實(shí)度相同.對裝料完成后的透明土進(jìn)行抽真空處理，排除顆?？紫吨械臍怏w.根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）[33]，試驗(yàn)采用慢速荷載維持法進(jìn)行基樁抗壓試驗(yàn)，逐級加載，每級荷載20 N，當(dāng)樁頂沉降速率連續(xù)兩次出現(xiàn)小于0.1 mm/h時(shí)，認(rèn)定該級加載穩(wěn)定，記錄樁頂沉降量，對土體散斑場進(jìn)行拍照，然后進(jìn)行下一級加載.當(dāng)樁體的沉降量達(dá)到30 mm時(shí)，加載結(jié)束.

2豎向承載力分析

將8根縮徑樁分3組進(jìn)行試驗(yàn)對比分析，見圖4.根據(jù)規(guī)范確定樁的豎向承載力[33].考慮縮徑參數(shù)（不同長度、不同位置和不同直徑）的影響，荷載-沉降曲線見圖5.由圖5（a）可知，當(dāng)縮徑直徑和位置一定時(shí)，隨著縮徑長度的增大，基樁豎向承載力明顯下降.當(dāng)縮徑長度為樁長的10%且縮徑直徑為完整樁的20%時(shí)，承載力損失高達(dá)45%，這會給工程造成嚴(yán)重的安全隱患.由圖5（b）可知，對比完整樁，SMT樁、MMT樁和DMT樁極限承載力分別損失了18.2%、18.2%和9.1%，且在達(dá)到極限荷載前，縮徑樁的曲線斜率明顯較大.由圖5（c）可知，對比完整樁，MLW樁、MLM樁和MLT樁極限承載力分別損失了0%、0%和27.3%.對于MLW樁及MLM樁，雖然承載力相對于完整樁并無變化，但觀察基樁荷載-沉降曲線，MLW樁與MLM樁在達(dá)到極限承載力時(shí)基樁沉降大于完整樁，故不適合承載[33].

另外，荷載-沉降曲線均呈陡降型，各樁在達(dá)到極限承載力前，隨著荷載等級的增大，沉降大致呈線性增加；達(dá)到極限荷載后，沉降值急劇增大.以下將根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析縮徑樁樁周土體位移規(guī)律，并與完整樁對比，從土體位移方面揭示縮徑承載力變化原因.

3樁-土相互作用分析

由以上分析可知，在豎向荷載作用下，厘清不同縮徑長度、不同縮徑位置及不同縮徑直徑樁的樁周土體變化規(guī)律是分析承載力變化原因的關(guān)鍵.MatPIV軟件是處理土體散斑場的有效工具[25].使用MatPIV軟件處理樁周土體散斑場，可得到土體位移矢量圖.基樁豎向抗壓是軸對稱的，選取一半的位移場數(shù)據(jù)和沉降值達(dá)到4 mm時(shí)樁周土體的變形并對其進(jìn)行分析.

為更好地對比分析，將完整樁樁周土體變形分為三個(gè)區(qū)域[34].區(qū)域①為樁側(cè)土體變形區(qū)域，范圍為1倍樁徑；區(qū)域②為樁端壓縮變形過渡區(qū)；區(qū)域③為樁端壓縮變形區(qū)，樁端變形范圍為2倍樁徑.完整樁樁端土體變形主要集中于樁端位置，樁身附近位移較小.隨著基樁向下位移，樁端土體承受基樁的豎向壓力，樁端土體被壓縮，密實(shí)度增大.以下將以完整樁樁周土體變形為依據(jù)，對縮徑樁樁周土體變形規(guī)律進(jìn)行分析.

3.1不同縮徑長度樁-土體相互作用分析

圖6給出了完整樁與SST樁、SMT樁和SLT樁的樁周土體位移矢量圖.對于縮徑處（區(qū)域①）的土體，由于SST樁的縮徑長度較小，區(qū)域①未發(fā)生明顯的變形，側(cè)摩阻力損失最小，樁的承載力降低最少；隨著縮徑長度的增大，SMT樁的區(qū)域①位置土體出現(xiàn)明顯的隨樁下移；縮徑長度繼續(xù)增大，SLT樁的區(qū)域①處土體開始出現(xiàn)遠(yuǎn)離樁身的斜向下變形，縮徑處的土體向下變形使樁身與土體的相對位移減小，導(dǎo)致此處的側(cè)摩阻力降低，樁的承載力下降.對于樁端土體變形（區(qū)域②和區(qū)域③），隨著縮徑長度的不斷增大，樁端土體變形范圍不斷增大，說明樁端承擔(dān)了部分損失的側(cè)摩阻力.SST樁樁端土體變形主要集中在區(qū)域③，而SMT樁與SLT樁樁端土體變形主要集中于區(qū)域②.SMT樁樁端土體產(chǎn)生了更多的水平變形，SLT樁樁端土體逐漸產(chǎn)生斜向上變形，較多的樁端荷載開始向四周傳遞，說明樁存在縮徑時(shí)，調(diào)動更多的土體承擔(dān)荷載.然而，由于縮徑的存在，側(cè)摩阻力損失較大，樁端阻力不能彌補(bǔ)承載力全部的損失，最終導(dǎo)致縮徑樁極限承載力降低.

3.2不同縮徑位置樁-土體相互作用分析

圖7為完整樁與SMT樁、MMT樁和DMT樁的樁周土體位移矢量圖.縮徑處（區(qū)域①）土體均發(fā)生了明顯的變形.對于SMT樁，土體變形主要集中于樁頂附近；MMT樁樁周土體變形集中在樁身附近；而對于DMT樁，由于縮徑位置與樁端距離較近，縮徑處土體與樁端土體發(fā)生貫通現(xiàn)象，土體變形集中在了樁端附近.由于側(cè)摩阻力是自上而下逐步發(fā)揮的，縮徑的存在導(dǎo)致側(cè)摩阻力減小.縮徑位置離樁頂越遠(yuǎn)，縮徑對側(cè)摩阻力的影響越小，樁的承載力損失越小. 觀察樁端土體，淺部縮徑樁端土體變形主要集中于樁端壓縮變形過渡區(qū)（區(qū)域③），而中部縮徑樁樁端土體變形主要集中于樁端壓縮區(qū)（區(qū)域②），說明淺部縮徑樁調(diào)動了更多的土體彌補(bǔ)損失的一部分承載力，使得淺部縮徑樁與中部縮徑樁的極限承載力相同.

3.3不同縮徑直徑樁-土體相互作用分析

圖8為完整樁與MLW樁、MLM樁和MLT樁的樁周土體位移矢量圖.分析位移矢量圖，縮徑處（區(qū)域①）土體出現(xiàn)明顯的變形，且隨著縮徑直徑的縮小，MLT樁的區(qū)域①處土體出現(xiàn)向上隆起的現(xiàn)象，土體發(fā)生了剪切破壞，極大降低了此處樁身的摩阻力，導(dǎo)致樁的極限承載力明顯降低.對比完整樁樁端土體變形，縮徑樁樁端產(chǎn)生了更大范圍的土體變形，說明縮徑導(dǎo)致側(cè)摩阻力的損失主要由樁端承擔(dān).對比樁端土體（區(qū)域②和區(qū)域③）變形，發(fā)現(xiàn)MLW樁變形集中于區(qū)域③，MLW樁的區(qū)域②土體出現(xiàn)水平變形，MLT樁的區(qū)域②土體開始繞樁向上變形，表明樁端下方的土體被壓縮后的承載力達(dá)到極限，荷載開始向水平方向傳遞，由于土體圍壓的原因，荷載又開始逐漸向上方傳遞.對于MLW樁和MLM樁，縮徑阻力及樁端承載力彌補(bǔ)了損失的側(cè)摩阻力，最終在縮徑阻力、樁端阻力及側(cè)摩阻力的共同作用下，相對于完整樁，MLW樁和MLM樁承載力沒有變化，但其沉降較大，不宜承載[33].

綜上，對于縮徑缺陷基樁，影響樁豎向承載力的因素為：樁側(cè)摩阻力、由不均勻樁身與土體相互作用產(chǎn)生的阻力（縮徑阻力）以及樁端阻力.損失的側(cè)摩阻力大于縮徑阻力及樁端阻力之和，導(dǎo)致承載力下降.然而對于MLW樁和MLM樁，縮徑阻力及樁端阻力彌補(bǔ)了損失的側(cè)摩阻力，使其承載力沒有變化，但沉降過大，不宜承載.

4結(jié)論

通過透明土模型試驗(yàn)，對1根完整樁及8根不同參數(shù)的縮徑樁進(jìn)行分級加載，研究了縮徑長度、縮徑位置以及縮徑直徑對基樁承載力以及樁周土體變形的影響，得出以下結(jié)論：

1）縮徑的存在導(dǎo)致基樁承載力降低.當(dāng)縮徑長度為樁長10%時(shí)，承載力損失高達(dá)45%；縮徑位置離樁頂越近，承載力損失越嚴(yán)重；當(dāng)縮徑直徑為樁徑20%時(shí)，承載力損失27.3%.

2）縮徑的存在使縮徑處與樁端的土體發(fā)生明顯變形.隨著縮徑長度的增大及縮徑直徑的減小，縮徑處及樁端的土體變形范圍更大，使得土體與樁身相對位移明顯下降，導(dǎo)致豎向承載力降低.隨著縮徑尺寸的不斷增大，樁端土體從豎直向下變形到逐漸沿樁身向上變形，需要調(diào)動更多的土體承擔(dān)損失的承載力.

3）在縮徑阻力、樁端承載力及側(cè)摩阻力的共同作用下，部分縮徑樁承載力沒有變化，但其沉降過大，不宜承載.當(dāng)縮徑位于深部時(shí)，縮徑處土體與樁端土體會發(fā)生貫通現(xiàn)象，導(dǎo)致樁端土體發(fā)生剪切破壞，承載力下降明顯.

4）本文結(jié)合透明土與PIV技術(shù)，研究了縮徑樁的承載力與樁周土體的變化規(guī)律，為基樁的合理設(shè)計(jì)和加固提供一定的理論和技術(shù)參考.但研究僅針對單一的砂土，對其他土質(zhì)情況并未進(jìn)行研究.另外，縮徑對承載力影響的理論計(jì)算未深入研究，日后將針對這些不足進(jìn)行下一步的研究.

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