夯實水泥土樁樁身壓縮量對承載特性的影響

楊志紅，郭忠賢

（1. 河北省建筑科學(xué)研究院，石家莊 050021；2. 石家莊鐵道大學(xué) 土木分院，石家莊 050043)

1 引 言

夯實水泥土樁利用排土法或擠土法在地基中成孔，然后分層夯填水泥土（水泥與土的拌合料），經(jīng)充分夯實而形成夯實水泥土樁。對夯實水泥土樁，施工方法的有特殊性，郭忠賢等[1]介紹了一種測定樁身軸力的方法。對夯實水泥土而言，其材料強度及壓縮模量相對鋼筋混凝土要小許多，夯實水泥土樁荷載傳遞特性與鋼筋混凝土樁存在明顯的差異，受樁身材料強度的限制及樁身壓縮量的影響較大。樁向土中傳遞應(yīng)力的前提是樁土間有相對位移或位移趨勢，而樁身的壓縮是使樁、土間產(chǎn)生相對位移的方式之一。樁身壓縮量是一個很重要的參數(shù)，它直接關(guān)系到樁身荷載傳遞規(guī)律和樁的破壞方式，所以有必要對它進行專門研究，文獻[2－5]研究了鋼筋混凝土樁的壓縮變形問題，但對夯實水泥土樁方面的研究鮮見報道。本文在試驗基礎(chǔ)上，探討夯實水泥土樁樁身壓縮量及其對承載特性的影響。

2 夯實水泥土樁樁身壓縮量的計算與分析

2.1 樁身壓縮量的計算

樁頂受到荷載作用時，樁身各部位在軸向壓力作用下產(chǎn)生壓縮，只要知道樁身軸力的分布，就能準確計算出樁身的壓縮變形。樁身軸力沿深度的變化又與樁側(cè)摩阻力分布和樁端阻力的大小有關(guān)，由于樁側(cè)摩阻力分布和樁端阻力大小受到土性、樁體材料模量及荷載水平等的影響，要想準確計算仍存在較大困難。因此，目前確定樁身軸力的方法多是通過載荷試驗，并在樁身截面中埋設(shè)測試元件，實際測得樁身各截面的軸力（應(yīng)變）。

郭忠賢等[1]、劉煥存等[6]通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)三軸試驗，證明夯實水泥土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系多表現(xiàn)為非線性特征，因此，要準確計算樁身壓縮變形量，就必須考慮其非線性的影響。沿樁身長度方向取軸向長度為 li小段（實際可取兩測試元件之間的距離），在樁身軸向壓力增量ΔN作用下產(chǎn)生應(yīng)力增量Δσ，相應(yīng)的樁身截面產(chǎn)生應(yīng)變增量 Δε。實際計算中，可以假設(shè)相鄰兩截面之間的軸力（應(yīng)變）沿樁長成線性變化，按下述方法計算樁身壓縮量。

設(shè)第i和第i+1截面測得的軸力（應(yīng)變）增量分別為 ΔNi（Δεi）和 ΔNi+1（Δεi+1），該兩截面的距離為li，則距離第 i截面以下為z的截面軸力（應(yīng)變）增量為

相應(yīng)的第i和第i+1截面之間的樁身壓縮增量為

式中：Ep為根據(jù)應(yīng)力水平由應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線確定的樁身變形模量；A為樁身截面積。

假設(shè)在施加軸力（應(yīng)變）增量前，li樁段已產(chǎn)生si-1的壓縮量，則在軸力作用下li樁段產(chǎn)生的累計變形為

全樁身由于樁身壓縮產(chǎn)生的累計沉降變形ss為

相應(yīng)的樁端處沉降為樁頂沉降減樁身壓縮量：

2.2 夯實水泥土樁樁身壓縮量的計算及測試方法

考慮夯實水泥土樁的施工特點，以塑料管為載體在樁身中埋設(shè)電阻片式應(yīng)變傳感器，測定夯實水泥土樁單樁的樁身軸力，方法見文獻[1]。單樁試驗采用慢速維持荷載法。試樁共5根，分為2組：一組水泥摻入比一定（aw= 17%），樁長l = 1.2、2.1、3 m（編號P1～P3）；另一組樁長一定（l = 3 m），水泥摻入比 aw=12%、17%、25%（編號 P3、P4、P5），5根樁樁徑d = 150 mm，分別在樁身不同位置埋設(shè)傳感器，實測的各級荷載下沿樁身各截面的軸向應(yīng)變值。圖1為5根樁實測各級荷載下樁頂截面（距樁頂-0.03 m，標定面）的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，為非線性，即在整個加載過程中樁身變形模量是變量。為準確反映其變化關(guān)系，對該關(guān)系曲線進行擬合，擬合曲線作為樁身各截面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的計算函數(shù)，以確定不同應(yīng)力水平下樁身變形模量。

圖1 樁身截面應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系Fig.1 Curves of stress-strain of rammed soil-cement piles

按上述方法計算所得樁P3（l = 3 m，aw= 17%）在各級荷載下因樁身壓縮變形產(chǎn)生的沉降沿深度的變化如圖2所示。當(dāng)豎向荷載施加于樁頂時，一方面樁身材料由于受力而壓縮，另一方面樁端土受到樁傳來的壓力也會有一個壓縮量，所以樁頂位移應(yīng)包括樁身壓縮量和樁端位移兩部分。圖3為樁頂、樁端位移和樁身壓縮隨荷載變化曲線。

由圖2可以看出，樁身壓縮量主要集中在樁身上部1/3范圍內(nèi)，從曲線變化趨勢看，隨荷載增大，樁身上部壓縮變形的變化率明顯增大，而下部變化率比較緩慢，變化位置約1.2 m（8d）附近。由圖3可見，樁身壓縮變形在樁頂位移中占較大比例。荷載前期，樁身壓縮與樁頂位移曲線非常近，說明樁端受力較小，以樁側(cè)摩阻力為主；荷載后期，樁身壓縮與樁頂位移曲線開始分離，說明樁端承載力開始發(fā)揮，但由于樁身上部壓縮變形的快速增加，使樁身材料產(chǎn)生破壞(壓縮變形快速增大)，限制樁端承載力的發(fā)揮。因此，對夯實水泥土樁在設(shè)計中應(yīng)考慮這一因素，不能過高估計樁的承載力。

圖2 各級荷載下樁身不同深度壓縮變形Fig.2 Pile compression with depths under varied loads

圖3 樁頂、樁端位移和樁身壓縮隨荷載變化Fig.3 Displacements of pile top,pile end and pile compression under loads

3 樁身壓縮變形對承載特性的影響

3.1 長徑比的影響

圖4、5分別為樁 P1～P3在相同水泥摻入比（aw=17%）不同樁長（長徑比L/d=8、14、20）使用荷載（承載力特征值）時，樁身壓縮和樁端壓縮在樁頂位移中所占比例αs、βs與樁側(cè)摩阻力和樁端荷載在樁頂軸向壓力中所占比例αp、βp的變化曲線。由圖4可知，當(dāng)長徑比由8、14增大到20時，αs逐漸增大，由32%增加到82%，隨長徑比近似為線性關(guān)系，而βs相反。相應(yīng)的αp（βp）隨長徑比的增加略有增大（減小）（見圖 5），其樁側(cè)摩阻力占樁頂軸向壓力的比例 αp都大于 80%。表面上看，樁身壓縮量大小對荷載傳遞特性影響不大，實際上主要是因樁身壓縮沿樁身分布極其不均勻造成的。所以，對夯實水泥土樁多表現(xiàn)為純摩擦樁的特性。

圖4 αs、βs隨長徑比變化Fig.4 Changes of αs,βsin varied L/d

圖5 αp、βp隨長徑比變化Fig.5 Changes of αp,βpin varied L/d

3.2 樁身水泥土摻入比的影響

圖6、7為樁P3～P5在相同樁長（L/d=20）不同水泥摻入比（aw=12%、17%、25%）使用荷載時，樁身壓縮和樁端壓縮在樁頂位移中所占比例 αs、βs與樁側(cè)摩阻力和樁端荷載在樁頂軸向壓力中所占比例 αp、βp變化曲線。

圖6 αs、βs隨水泥土摻入比變化Fig.6 Changes of αs,βsin varied aw

圖7 αp、βp隨水泥土摻入比變化Fig.7 Changes of αp,βpin varied aw

由圖6、7可以看出，工程常用摻入量下樁身壓縮在樁頂位移中所占比例αs都達到80%以上，樁側(cè)摩阻力占樁頂軸向壓力的比例 αp超過 90%。說明水泥摻入比的變化，對荷載傳遞特性無顯著影響。

4 樁身壓縮變形對樁側(cè)摩阻力的影響

施加于樁頂?shù)暮奢d，使樁身材料從上而下產(chǎn)生樁身壓縮，從而產(chǎn)生相對于土的向下位移，而樁周土體為了阻止樁的向下位移，在樁側(cè)表面會產(chǎn)生向上的側(cè)摩阻力。由于樁側(cè)阻力從上層到下層逐漸傳遞，使樁身軸力隨深度遞減，相應(yīng)的樁身壓縮量也會隨深度遞減。樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮取決于樁土的相對位移大小，或者說在某種程度上取決于樁身壓縮量的大小。圖8為樁P1～P3實測所得各樁段樁側(cè)摩阻力與樁土相對位移的變化，可見3根樁在樁身上部0～0.83 m（約5.5d）范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力平均值要遠大于其它樁段（由地質(zhì)資料各樁段處于同一土層，認為樁周土性質(zhì)相近），表現(xiàn)非常不均勻。主要原因為隨荷載增大樁身上部壓縮變形快速增大（見圖1），使樁側(cè)摩阻力充分快速發(fā)揮。且由于夯實水泥土樁的特殊施工方法，一方面使樁身水泥土與樁周土緊密接觸，另一方面在夯實過程中對樁周土有一定的擠密效應(yīng)，造成夯實水泥土樁樁側(cè)摩阻力大幅度提高，與相同條件下干鉆孔混凝土樁相比可提高1.18～1.92倍[1]。所以造成樁身上部側(cè)摩阻力可達到較高的值，限制了樁身下部摩阻力的發(fā)揮。

圖8 各樁段樁側(cè)摩阻力與樁土相對位移關(guān)系Fig.8 Relations between shaft resistance and pile-soil relative displacements in different sections

5 結(jié) 論

（1）樁身壓縮主要集中在樁身上部約 8d范圍內(nèi)，且其變形速率增加很快，而樁身下部壓縮變形變化緩慢。造成沿樁身樁側(cè)摩阻力分布極不均勻，上部發(fā)揮較為充分，而樁身下部發(fā)揮較少。

（2）樁身壓縮變形占樁頂位移的比例隨長徑比增加近似為線性增大，在工程常用水泥摻入量下，樁身壓縮在樁頂位移中所占比例都達到80%以上。

（3）樁長徑比和水泥摻入比的變化對樁承載特性影響不顯著，樁側(cè)摩阻力占樁頂軸向壓力的比例達80%以上，夯實水泥土樁表現(xiàn)為純摩擦樁特征。

[1]郭忠賢,楊志紅,王占雷. 夯實水泥土樁的荷載傳遞規(guī)律的試驗研究[J]. 巖土力學(xué),2006,27(11): 2020－2024.GUO Zhong-xian,YANG Zhi-hong,WANG Zhan-lei.Experimental study of load transfer behavior of rammed soil-cement piles[J]. Rock and soil Mechanics,2006,27(3): 284－288.

[2]陳竹昌,宋榮. 單樁樁身壓縮量的分析計算[J]. 中國公路學(xué)報,1992,5(1): 69－75.CHEN Zhu-chang,SONG Rong. Shaft compressionanalysis for individual piles[J]. China Journal of Highway and Transport,1992,5(1): 69－75.

[3]任光勇,張忠苗,宋仁乾. 樁身混凝土在豎向荷載作用下的壓縮量試驗研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2004,23(2): 348－354.REN Guang-yong,ZHANG ZHong-miao,SONG Ren-qian. Testing study on compression of pile under vertical load[J]. China Journal of Rock Mechanics and Engineering,2004,23(2): 39－43.

[4]蔣建平. 超長樁樁身壓縮的試驗與數(shù)值模擬研究[J].工程勘察,2006,(12): 19－23.JANG Jian-ping. Tests and numerical simulation on shaft compression of super-long piles[J]. Journal of Geotechnical Investigation & Surveying,2006,(12): 19－23.

[5]楊龍才,周順華,高強. 基于單樁軸力的樁身壓縮變形計算與分析[J]. 工程勘察,2004,31(4): 42－46.YANG Long-cai,ZHOU Shun-hua,GAO Qiang.Calculation and analysis on pile shaft compression of single bored pile[J]. Journal of Geotechnical Investigation & Surveying,2004,31(4): 42－46.

[6]劉煥存,夯實水泥土變形特性試驗研究[J]. 巖土工程技術(shù),1997,(1): 19－24.LIU Huan-cun. Studies on the tests of the deformation properties of compacted soil-cement[J]. Geotechnical Engineering Technique,1997,(1): 19－24.