縮徑承臺(tái)基樁豎向承載力及樁周土體變形

崔延衛(wèi)，徐志軍，邢 軍，王自召，焦 帥，韓曉林，楊澎坡

(1.河南省建筑工程施工圖設(shè)計(jì)文件審查所有限公司，河南 鄭州 450003；2.河南工業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；3.中建七局總承包有限公司，河南 鄭州 450003)

0 引言

樁基礎(chǔ)作為常用的深基礎(chǔ)形式，在土木工程中得到了廣泛應(yīng)用[1-2]。由于施工工藝、現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件及施工管理等原因，基樁易產(chǎn)生各種各樣的缺陷[3]?？s徑缺陷是影響基樁承載性能的主要缺陷形式。缺陷樁數(shù)量巨大，處理不當(dāng)會(huì)給工程帶來(lái)極大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失[4]。

目前，對(duì)于縮徑樁的研究主要集中于缺陷成因、檢測(cè)及缺陷處理方面[5-7]。關(guān)于缺陷樁承載性能方面的研究較少。文獻(xiàn)[8]采用有限元方法對(duì)縮徑缺陷樁進(jìn)行分析，得到了荷載沉降性狀、摩擦阻力與端阻力發(fā)揮特性。文獻(xiàn)[9]對(duì)缺陷樁開(kāi)展了模型試驗(yàn)，研究了樁身缺陷對(duì)基樁承載性能的影響。文獻(xiàn)[10]通過(guò)試驗(yàn)及數(shù)值模擬對(duì)縮徑基樁進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)樁身深部縮徑缺陷對(duì)基樁的豎向承載力影響較大。對(duì)于承臺(tái)基樁，由于承臺(tái)和縮徑缺陷的存在，導(dǎo)致樁在荷載作用下，不僅存在樁-土相互作用，而且存在土-承臺(tái)的相互作用，形成了較為復(fù)雜的樁-土-承臺(tái)相互作用體系，因此，對(duì)縮徑承臺(tái)基樁承載性能進(jìn)行研究至關(guān)重要。

傳統(tǒng)的土工試驗(yàn)方法的不足之處有：傳感器埋入土體，試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)有限，導(dǎo)致試驗(yàn)數(shù)據(jù)離散性大；試驗(yàn)測(cè)量精度會(huì)受到傳感器的靈敏性、剛度、尺寸和接觸等干擾。自文獻(xiàn)[11]發(fā)現(xiàn)透明飽和兩相介質(zhì)具有土壤的力學(xué)性質(zhì)后，國(guó)內(nèi)外學(xué)者使用透明土進(jìn)行了土-結(jié)構(gòu)相互作用的模型試驗(yàn)，取得了良好的研究結(jié)果。文獻(xiàn)[12]使用透明土試驗(yàn)技術(shù)對(duì)楔形樁沉樁過(guò)程中的變形規(guī)律及其沉樁影響半徑進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[13]使用透明土試驗(yàn)技術(shù)對(duì)被動(dòng)樁側(cè)土體變形進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[14]通過(guò)透明土試驗(yàn)技術(shù)揭示了承臺(tái)周圍土體的變形規(guī)律，研究了樁圍的土體變形。透明土試驗(yàn)技術(shù)可以很好地觀察樁周土體的變形情況，且解決了傳統(tǒng)接觸式試驗(yàn)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的干擾。

本文以縮徑位于樁體深部為例，通過(guò)透明土模型試驗(yàn)，研究縮徑的軸向尺寸和徑向尺寸對(duì)承載力和樁周土體的影響，揭示承載力的變化原因。研究成果可為工程中基樁出現(xiàn)縮徑缺陷及類似缺陷的加固處理提供一定的理論和技術(shù)支持。

1 透明土模型加載試驗(yàn)方案

1.1 透明土參數(shù)

試驗(yàn)中所用的透明土由熔融石英砂和折射率匹配的孔隙流體制成。熔融石英砂是由0.5～1.0 mm和1.0～2.0 mm粒徑按質(zhì)量比1∶2混合制成，其純度為99.9%。熔融石英砂的相關(guān)參數(shù)和粒度分布曲線分別見(jiàn)表1和圖1?？紫读黧w由正十二烷和15#白油按體積比1∶4.75混合而成，折射率為1.459 0(室溫20 ℃)，與熔融石英砂的折射率相匹配，制成的透明土見(jiàn)圖2。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[15-17]。

表1 熔融石英砂參數(shù)

圖1 熔融石英砂粒度分布曲線

圖2 透明土模型

1.2 試驗(yàn)裝置及方案

透明土模型試驗(yàn)加載裝置見(jiàn)圖3[18]。試驗(yàn)前，先將配制好的透明土放入1個(gè)由玻璃制成的模型槽中，模型槽的內(nèi)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為320 mm×180 mm×350 mm，然后將樁體模型推入土中。對(duì)模型槽內(nèi)部的透明土抽真空，排除顆?？紫吨械臍怏w并使土體內(nèi)部的孔隙壓力消失。抽真空步驟完成后，將模型槽放置在加載平臺(tái)上靜置24 h。通過(guò)控制系統(tǒng)對(duì)承臺(tái)樁進(jìn)行分級(jí)加載。加載前，將面激光與模型樁軸線對(duì)齊，保證圖像平面在面激光上。工業(yè)相機(jī)放置在距離模型盒約1 000 mm處，其光軸垂直于面激光，并在加載過(guò)程中捕捉圖像，承臺(tái)頂沉降1 mm捕捉1次圖像，并利用MatPIV軟件進(jìn)行圖像處理[19]。

1.加載裝置；2.電控箱；3.圖像采集系統(tǒng)； 4.面激光裝置；5.透明土模型槽。

根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[20]，按分級(jí)加載法將荷載作用于承臺(tái)上。每1步荷載是最大荷載或估算承載力的1/10。施加每1步荷載后，記錄承臺(tái)頂沉降，直到承臺(tái)頂沉降完成為止。然后，對(duì)帶承臺(tái)縮徑基樁施加下一步荷載。判定每1步沉降完成的依據(jù)是承臺(tái)頂沉降小于0.1 mm/h，且連續(xù)發(fā)生2次。當(dāng)在某1加載步出現(xiàn)急劇沉降或沉降大于允許值時(shí)，加載試驗(yàn)結(jié)束。為了確保試驗(yàn)結(jié)果的一致性，每次試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，控制每次模型槽內(nèi)透明土的質(zhì)量及高度一致，保證每次試驗(yàn)時(shí)透明土的密實(shí)度相同。每個(gè)模型試驗(yàn)重復(fù)3次，加載數(shù)據(jù)取3次試驗(yàn)的平均結(jié)果，采集的圖像取與加載數(shù)據(jù)平均值相近的1組圖像。

1.3 模型樁設(shè)計(jì)及其材料

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)1根完整承臺(tái)基樁和6根深部縮徑承臺(tái)基樁。根據(jù)相似理論[21]，采用1∶50的縮尺比例對(duì)文獻(xiàn)[22]所研究的承臺(tái)基樁進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)。承臺(tái)尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為40 mm×40 mm×15 mm，縮徑底部距離樁端的長(zhǎng)度為40 mm。模型樁由有機(jī)玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate，PMMA)透明材料制成。模型樁主要參數(shù)見(jiàn)表2?？s徑承臺(tái)樁描述和縮徑參數(shù)見(jiàn)表3。模型樁實(shí)物圖及尺寸見(jiàn)圖4。

表2 模型樁主要參數(shù)

表3 縮徑承臺(tái)樁描述和縮徑參數(shù)

(a) 模型樁實(shí)物圖

2 承載力分析

對(duì)設(shè)計(jì)的模型樁進(jìn)行分級(jí)加載，每級(jí)荷載為20 N，樁的荷載-沉降曲線見(jiàn)圖5。由圖5可知：曲線呈緩變型，位移隨著荷載的增長(zhǎng)而逐級(jí)增大。荷載小于200 N時(shí)，沉降值呈線性增大，荷載大于200 N時(shí)，曲線開(kāi)始出現(xiàn)不同程度的下降。根據(jù)JGJ 106—2014《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[20]，承臺(tái)頂沉降4 mm時(shí)的荷載為極限承載力，則極限承載力分別為完整樁216 N、SW樁211 N、ST樁201 N、MW樁198 N、MT樁181 N、LW樁195 N和LT樁178 N。縮徑對(duì)樁的豎向承載力有顯著影響?？s徑尺寸越大，豎向承載力損失越明顯。例如，在徑向尺寸相同的條件下，縮徑軸向尺寸在5 mm時(shí)，承載力為201 N，軸向尺寸為20 mm時(shí)，承載力為178 N，損失率為17.59%，承載力損失頗為顯著。圖6給出了承載力與縮徑之間的關(guān)系。由圖6可知：當(dāng)縮徑徑向尺寸相同時(shí)，縮徑軸向長(zhǎng)度越長(zhǎng)，承臺(tái)縮徑基樁承載力越?。划?dāng)縮徑軸向尺寸相同時(shí)，縮徑徑向尺寸越大，承載力損失越大。

(a) 完整樁、LW樁、SW樁及MW樁

圖6 不同縮徑軸向長(zhǎng)度承臺(tái)基樁的極限承載力

3 樁周土體位移場(chǎng)分析

取承臺(tái)頂沉降達(dá)到4 mm(極限承載力)時(shí)的樁周土體變形為研究對(duì)象。模型試驗(yàn)沿樁中心軸呈對(duì)稱分布，故選取試驗(yàn)1/2部分(右部)進(jìn)行分析。采用MatPIV軟件對(duì)7種模型樁土體位移散斑圖像進(jìn)行處理，得到土體位移矢量圖和等值線圖，見(jiàn)圖7～圖13。為更好地對(duì)比分析，將完整樁的樁周土體變形分為3個(gè)區(qū)域[23]，即承臺(tái)周圍土體變形范圍、樁身周圍土體變形范圍與樁底土體變形范圍。

圖7為位移4 mm下完整樁樁周土體位移矢量圖與等值線圖。由圖7可發(fā)現(xiàn)：樁周土體變形主要發(fā)生在樁端和承臺(tái)周圍，樁身周圍土體變形較小。其中，承臺(tái)周圍土體變形的主要方向?yàn)樾毕蛏希秶鸀槌信_(tái)下方4倍樁徑、承臺(tái)右方5倍樁徑；樁身周圍土體以隨樁下移為主，范圍為1倍樁徑；樁底土體的位移方向?yàn)樾毕蛳?，范圍?倍樁徑。完整樁承臺(tái)周圍土體最大位移發(fā)生在地表1.5倍樁徑處，承臺(tái)周圍和樁端土體的最大位移幾乎相同。以下研究將基于完整樁土體變形特點(diǎn)，分析縮徑樁樁周土體的變形規(guī)律，從而揭示縮徑基樁承載力變化的原因。

(a) 位移矢量圖

圖8與圖9分別為L(zhǎng)W樁與LT樁的樁周土體位移圖與等值線圖。由圖8和圖9可知：LW樁承臺(tái)周圍土體變形范圍小于完整樁，但其變形方向和最大變形量與完整樁相似；縮徑周圍土體產(chǎn)生了斜向下的集中變形，范圍為1倍樁徑。LT樁承臺(tái)周圍土體變形范圍和土體變形方向與完整樁相似，但其最大位移量大于完整樁；同時(shí)縮徑周圍產(chǎn)生較大的斜向下變形。對(duì)于樁端土體變形，LW樁土體變形基本與完整樁相似，而LT樁土體變形相較于完整樁增大了20%，變形方向相較于完整樁出現(xiàn)了更多的水平位移與斜向上位移?？s徑和樁端之間的土體發(fā)生了同步變形，產(chǎn)生了貫通現(xiàn)象。LT樁的貫通變形相較于LW樁范圍更大，說(shuō)明縮徑徑向尺寸越大，貫通現(xiàn)象越明顯，承載力損失越大。

(a) 位移矢量圖

(a) 位移矢量圖

圖10與圖11分別為MW樁與MT樁樁周土體位移圖與等值線圖。由圖10和圖11可知：MW樁承臺(tái)周圍土體變形范圍小于完整樁，而MT樁承臺(tái)周圍土體變形與完整樁相似，且最大位移量均小于完整樁。而在縮徑周圍土體變形方面，MW樁與MT樁均出現(xiàn)了較大的變形，且縮徑周圍土體的變形量相同，但小于縮徑軸向尺寸為20 mm的LT樁和LW樁，變形方向沿樁身向下。對(duì)于樁端土體變形，MW樁土體位移量小于完整樁土體位移量，而MT樁則大于完整樁土體位移量，說(shuō)明了MT樁承載力損失大于MW樁。

(a) 位移矢量圖

(a) 位移矢量圖

圖12與圖13分別為SW樁與ST樁樁周土體位移圖與等值線圖。由圖12和圖13可知：SW樁和ST縮徑周圍的土體無(wú)明顯變形，說(shuō)明縮徑尺寸越小，縮徑對(duì)樁周土體的影響越小。承臺(tái)周圍土體的變形范圍均小于完整樁，但樁端的土體位移量大于完整樁。樁頂在相同位移下，縮徑的存在導(dǎo)致樁端土體位移增大，降低了樁的承載力。且ST樁樁端土體變形量大于SW樁。但SW樁和ST樁相較其他尺寸的縮徑樁，對(duì)樁影響最小。進(jìn)一步說(shuō)明了縮徑尺寸越大，對(duì)樁承載力以及樁-土相互作用影響越大。

(a) 位移矢量圖

(a) 位移矢量圖

4 縮徑基樁承載力變化原因分析

由前面的分析可知，縮徑的出現(xiàn)嚴(yán)重影響了承臺(tái)基樁的樁周土體變形。

對(duì)于承臺(tái)周圍土體變形，由于承臺(tái)基樁的向下位移，承臺(tái)下方土體被擠壓，發(fā)生壓縮變形，使得土體豎直向下變形。隨著壓縮變形達(dá)到極限，荷載開(kāi)始向四周傳遞，土體運(yùn)動(dòng)也從豎直向下位移變?yōu)榭拷鼧渡淼耐馏w斜向下位移，距離地表近的土體斜向上位移。

對(duì)于縮徑周圍土體變形，易出現(xiàn)斜向下的集中變形現(xiàn)象，且隨著縮徑尺寸的增大，現(xiàn)象越明顯；深部縮徑與樁端之間易發(fā)生貫通現(xiàn)象，大大降低了縮徑與樁端之間土體與樁身的相對(duì)位移，使得承臺(tái)基樁損失更多側(cè)摩阻力。

對(duì)于樁底土體變形，樁底下方土體受到豎向壓應(yīng)力，土體被壓縮，土體密度增大，土體變形方向主要為豎直向下；而樁底一部分土壓力向四周產(chǎn)生水平應(yīng)力，土體主應(yīng)力方向也逐漸由垂直向下轉(zhuǎn)變?yōu)樗椒较?，故樁底部分土體運(yùn)動(dòng)方向也從垂直向下逐漸變?yōu)樗较蛴摇?/p>

因此，縮徑的出現(xiàn)降低了樁的極限承載力，承載力損失量隨縮徑尺寸的增大而增大。承載力最大損失率為17.59%。究其原因?yàn)椋?1)縮徑和承臺(tái)周圍的土體產(chǎn)生了較大的位移，減少了樁土相對(duì)位移及摩擦面積，導(dǎo)致樁的側(cè)摩阻力降低，從而降低了樁的承載力；(2)縮徑與樁端土體之間產(chǎn)生了貫通現(xiàn)象，使得樁身深部周圍土體與樁身沒(méi)有完全發(fā)揮摩阻力作用，從而損失了樁的承載能力。

5 結(jié)論

(1)縮徑缺陷會(huì)降低樁的承載力，且縮徑尺寸對(duì)樁承載力有顯著影響。當(dāng)縮徑尺寸較大時(shí)(軸向尺寸為20 mm，徑向尺寸為8 mm)，極限承載力損失可達(dá)17.59%。

(2)縮徑周圍土體產(chǎn)生較大的變形，隨著縮徑尺寸的增大，樁端、縮徑周圍土體變形量增大?？s徑周圍和樁端之間的土體變形易發(fā)生貫通現(xiàn)象，縮徑越嚴(yán)重，現(xiàn)象越明顯。

(3)縮徑和承臺(tái)周圍的土體產(chǎn)生相對(duì)位移，以及縮徑與樁端土體之間產(chǎn)生了貫通現(xiàn)象是導(dǎo)致承載力變化的原因。

(4)本文結(jié)合透明土與MatPIV軟件，研究了縮徑樁的承載力與樁周土體的變化規(guī)律，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。但本文僅針對(duì)單一的砂土，對(duì)其他土質(zhì)情況并未進(jìn)行研究。另外，縮徑對(duì)承載力影響的理論計(jì)算未深入，還需要針對(duì)這些不足進(jìn)行下一步的研究。