付繼位 (中鐵十一局集團有限公司,湖北 武漢 430000)
我國西南地區廣泛分布著巖溶地貌,巖溶地貌有大量的溶洞與土洞,樁基礎施工困難。目前在巖溶地區使用最多的成樁方式為鉆孔灌注成樁,但鉆孔灌注成樁會引發卡鉆、掉錘以及塌孔等問題,而這些問題可能會使樁基礎質量變差,從而導致建筑坍塌、人員傷亡等。
目前已有大量學者研究巖溶地區成樁問題,其中黃亮雄[1]以寧橫公路樁基為研究對象,總結了復合樁質量控制、設備以及施工技術等寶貴經驗,并進行了物理模型試驗、光彈性試驗以及數值模擬試驗,優化了復合樁的設計。龔歡等[2]創新性地使用灌注樁帷幕式施工技術,使樁底混凝土變為有組織擴散,可節約鋼護筒,經濟效益顯著。鄧文洪[3]針對灌注樁卡鉆、掉錘以及塌孔等問題,使用了超長鉆孔灌注樁,并對施工工藝進行了優化。朱佩寧等[4]研究了嵌巖灌注樁的可用性,并對該樁的受力特性進行了研究,結果表明嵌巖灌注樁成樁效果較好,且承載能力較強。蘇金凌等[5]研究了樁筏基礎以及樁筏基礎與CFG 樁組合的施工方案,并對比兩者優缺點。黃有桂等[6]應用碎石樁以及注漿聯合法加固巖溶地區軟弱地基,得到樁的承載特性,并提出了相應的施工工藝。
由上述可知,針對巖溶地區成樁的研究成果十分豐富,但缺失布袋樁的研究。本文以布袋樁為研究對象,探究布袋樁荷載傳遞特性以及受力特征,為巖溶地區使用布袋樁提供理論依據與參考價值。
為了研究普通樁與布袋樁承載能力的差別,故開展本次模型試驗。本模型有以下三條簡化,第一,地基的物理力學性質一樣,相同配比的水泥砂漿澆筑灰巖;第二,溶洞的大小與樁徑相差較??;第三,成樁前溶洞沒有填充,成樁后由枝狀體填充。模型示意圖如圖1 所示,本試驗各項數據的相似比如表1 所示,并根據相似比計算地基各項參數(見表2)。
表1 相似比
表2 灰巖地基參數
圖1 布袋裝模型示意圖
模型箱長、寬、高分別為300mm、200mm、650mm,使用厚度2cm木板制作,并使用環氧樹脂涂抹在接縫處,防止漿液漏出。模具使用直徑50mm 的鋼管焊制,兩道橫桿預留出溶洞位置。鋼筋籠由3 根螺桿、6 對螺母、1 根注漿管以及4 塊半圓鐵皮組成。使用乳膠氣球來模擬彈性布袋,乳膠氣球厚度為0.3mm,彈性模量為0.014GPa,泊松比為0.45。使用拉力計連接吊纜與鋼筋籠,可由拉力值推算出注漿量。使用軟管接出鋼筋籠注漿管且連接注水泵,并使用壓力表測得注漿壓力。
試驗時向注漿管內泵注入染色自來水,并記錄壓力表、拉力計以及枝狀體長度。觀察枝狀體長度與布袋樁承載能力關系可以看出,當枝狀體長度為樁徑D的2/3 時,枝狀體結構承載能力可完全發揮,故枝狀體長度為2/3D 時命名為長度閾值。在枝狀體長度大于長度閾值時,可認為布袋樁可充分發揮其結構優勢。故以上枝狀體作為基準,當枝狀體長度大于長度閾值時,試驗可終止。
為了能夠布置監測儀器與控制樁體形狀,靜載試驗先成樁,然后澆筑地基。使用4根樁長630mm、樁徑30mm 的空心管制作樁體,并在樁內貼雙排應變片。在布袋樁表面覆上一層乳膠膜,乳膠膜泊松比為0.45,彈性模量為0.014GPa,表3 為試樁參數。模型箱長為0.6m,寬為0.6m,高為0.9m,使用2cm 厚模板制成,設置4cm 厚長木條于受力集中處?;規r砂漿由m中砂:m水:m水泥:m石膏粉=6:1:0.7:0.3比例配置。
表3 試樁參數
配置水泥砂漿模擬地基物理力學參數,將水泥砂漿倒入9 個長、寬、高均為150mm 的模具中,并養護7d,然后風干21d,最后將試樣進行三軸壓縮試驗和單軸壓縮試驗,試驗得到材料參數如表2所示。
試驗加載系統使用千斤頂以及反力架,且放置監測系統。監測系統由百分表、測力計和數顯儀、應變片和應變分析儀、土壓力盒與數據采集儀組成,其中百分表量程為0~50mm,測力計量程為-1000~1000kg,土壓力盒量程為0~6MPa。
成樁試驗后布袋樁的樁徑均勻,樁身較完整,且乳膠膜未出現破損,沒有出現滲漏現象。由此可見布袋樁可有效防止漿液滲漏,應用前景良好。
Hencky 曾提出可把枝狀體凸出問題視為在邊界約束條件下,在圓薄膜中心部位受到均布載荷,從而產生對稱變形。其中薄膜最大撓度計算公式為:
式中,P為無量綱參數,計算公式為:
式中,E是圓薄膜的彈性模量;h是圓薄膜的厚度;P是圓薄膜受到的壓強;v是圓薄膜的泊松比。
常數c取自式(3)、(4):
g(c)取自式(5):
由于圓薄膜是確定的,薄膜厚度、半徑、泊松比、彈性模量均為已知量,因此最大撓度僅和壓強有關。通過式(1)-式(5)可得上、下枝體長度,如表4所示。
表4 成樁試驗數據
圖2 為4 根樁的靜載試驗結果。從圖中可以看出,隨著樁頂荷載增大,普通樁(TBP)樁頂沉降逐漸變大,在荷載大于4.2kN 時,沉降增加幅度較大。而試驗樁(TBPa、TBPb、TBPc)增長趨勢相同,且增長幅度較小。普通樁極限承載力(3.9kN)小于試樁TPa(4.5kN)、TPb(5.4kN)、TPc(6.0kN)的極限承載力布袋樁,可見布袋樁能有效提高樁基承載力。此外,在直徑相同的情況下,布袋樁體積比普通樁僅僅大10%,經濟效益顯著。
圖2 樁頂荷載與沉降變化曲線
為了研究布袋樁各部分受力情況,故將布袋樁(TBPa)分段命名,如表5 所示。
表5 樁分段
枝狀體阻力、側摩阻力、樁端阻力荷載變化值如圖3 所示。由圖可知,隨著總荷載增加,三種承載力逐漸增大,側摩阻力增加幅度最大。在加載過程中側摩阻力作用最大,樁端阻力最小。
圖3 荷載與分段荷載變化曲線
三種端承力發揮規律如圖3(b)所示,可以看出隨著總荷載增大,下枝狀體和樁端阻力逐漸增大,而上枝狀體先增大然后趨于穩定。在總荷載小于4kN時,上柱狀體發揮作用最大。
三種摩擦段阻力發揮規律如圖3(c)所示,可以看到隨著總荷載增大,下摩擦段增長迅速,發揮作用逐漸變大,上摩擦段增大幅度較小。
綜上所述,布袋樁在受到荷載時,側摩阻力承擔的荷載最多,在加載后期側摩阻力承擔作用遠大于樁端阻力,由此可見布袋樁的枝狀體尚未完全發揮。此外,布袋樁上枝狀、下枝狀體與樁端交替承載,有傳遞效應,這也為布袋樁承載的典型特征。
枝狀體阻力、側摩阻力、樁端阻力與總荷載比例關系如圖4(a)所示??梢钥吹?,側摩阻力在開始時承擔了約72%荷載,隨著總荷載增加,側摩阻力所占比例逐漸降低,并趨于穩定(55%)。圖4(b)為上枝狀體、下枝狀體與樁端阻力所占荷載比例。由圖可知,在大多數時間里上枝狀體承擔比例大于下枝狀體與樁端阻力,由此可見上枝狀體的設計尤為重要。
圖4 分段荷載占比圖
為了研究普通樁與布袋樁承載能力的差別,開展了布袋樁與普通樁的物理模型試驗,并通過成樁試驗與靜載試驗,得到布袋樁成樁數據與受荷載情況,得到以下結論。
①Hencky 公式計算出上枝狀體長度與實際長度相差分別為7.02%、2.56%、4.13%,下枝狀體計算長度與實際長度相差分別為4.77%、3.57%、5.96%,可以看出實際長度與推算長度誤差較小。
②普通樁極限承載力(3.9kN)小于試樁TPa(4.5kN)、TPb(5.4kN)、TPc(6.0kN)的極限承載力布袋樁,可見布袋樁能有效提高樁基承載力。此外,在直徑相同的情況下,布袋樁體積比普通樁僅僅大10%,經濟效益顯著。
③布袋樁在受到荷載時,側摩阻力承擔的荷載最多,在加載后期側摩阻力承擔作用遠大于樁端阻力,布袋樁的枝狀體尚未完全發揮。此外,布袋樁上枝狀體、下枝狀體與樁端交替承載,有傳遞效應,這也為布袋樁承載的典型特征。
④側摩阻力在開始時承擔了約72%荷載,隨著總荷載增加,側摩阻力所占比例逐漸降低,并趨于穩定(55%)。在大多數時間里上枝狀體承擔比例大于下枝狀體與樁端阻力,上枝狀體的設計尤為重要。