模型嵌巖樁推出試驗及其填隙材料遴選研究

李安鋇，范昕然，吳同情

（1重慶交通大學(xué)土木學(xué)院，重慶400074；2重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074；3重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶401331）

模型嵌巖樁推出試驗及其填隙材料遴選研究

Push-out Test of Rock-socketed Pile Model and Filler Materials Selection

李安鋇1，范昕然2，吳同情3

（1重慶交通大學(xué)土木學(xué)院，重慶400074；2重慶交通大學(xué)河海學(xué)院，重慶400074；3重慶科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，重慶401331）

嵌巖樁模型試驗，需要在樁身貼片，而現(xiàn)澆樁貼片困難，所以采用預(yù)制樁的形式，這就需要解決預(yù)制樁與樁周巖面的接觸面問題。試驗采用不同類型膠凝材料填補樁巖界面縫隙，也選用了不同類型基巖，并進(jìn)行推出試驗探索其承載特性，并遴選出最優(yōu)的填隙材料進(jìn)行嵌巖樁模型試驗。試驗結(jié)果表明：高強度水泥砂漿能較好地模擬樁巖界面接觸作用。

嵌巖樁；推出試驗；填隙材料

近年來，為了探索嵌巖樁的承載機理，許多專家和學(xué)者都通過不同的方式對其進(jìn)行了深入研究。隨著科技的進(jìn)步，試驗的研究也更加深入、完善，而模型試驗以其經(jīng)濟且對比數(shù)值模型具有更真實的試驗成果的優(yōu)勢，受到研究者的青睞。大部分模型試驗，需要在樁身安置應(yīng)變量測裝置，這就限制了模型現(xiàn)澆樁的運用，從而轉(zhuǎn)向使用模型預(yù)制樁。而使用模型預(yù)制樁進(jìn)行試驗，就必須要解決模擬真實情況下樁巖間接觸面的問題。為此，本文進(jìn)行了3組不同條件下的推出試驗。

1 試驗方法

推出試驗，即類似樁底制作為空洞的嵌巖樁模型試驗[1]，加載過程中沒有端阻力產(chǎn)生，所有的軸向荷載均由側(cè)摩阻力承擔(dān)。

模型樁樁身材料為鋼筋混凝土[2]，混凝土標(biāo)號為C30，其中水泥選用普通硅酸鹽水泥，強度等級為42.5，水泥、水、碎石和砂按照質(zhì)量比為1∶0.52∶2.77∶1.63的比例進(jìn)行配置，碎石粒徑為5～20mm；鋼筋采用4根直徑為5mm的二級帶肋鋼筋作為模型樁的主筋，用直徑為2mm的鐵絲作為箍筋，箍筋沿主筋按等間距2cm縱向均勻布置，并在樁兩端一倍樁徑附近處進(jìn)行箍筋加密，間距為1cm。

模型樁長度為2根500mm和2根600mm，樁徑均為100mm。

巖石類型有中風(fēng)化紅砂巖，其形狀較為規(guī)則，大致為長方體，尺寸約為600mm×600mm×400mm；弱風(fēng)化青砂巖，工廠切割為形狀規(guī)則的長方體，尺寸為600mm×750mm×400mm。

嵌巖深度根據(jù)重慶地質(zhì)決定，明可前[3]所做的試驗得出：嵌巖深度為4倍樁徑時，其承載力發(fā)揮最好。所以推出試驗的所有嵌巖深度均為400mm。

填隙材料：M30水泥砂漿，水泥強度等級為42.5；配合比（重量比）：水泥∶中砂=1∶3.46；植筋膠，抗拉拔強度大于220MPa。填隙材料填入模型樁與巖石之間嵌巖部分的縫隙中。

試驗采用在樁側(cè)等間距粘貼應(yīng)變片來量測樁身截面的應(yīng)變，根據(jù)所記錄的樁身軸向應(yīng)變以及樁身的幾何尺寸和彈性模量，可以計算出樁身軸力及側(cè)摩阻力。

推出試驗是將基巖鉆通，并用橡膠墊、木棍將孔洞封住，將預(yù)制模型樁放入孔中，樁巖界面縫隙處填入膠凝材料。試驗時，先將封底去掉，反力架上千斤頂推樁頂，把樁推出，如圖1所示。

圖1 試驗裝置三維效果圖

試驗的過程是，千斤頂向下推樁，樁受到基巖的摩阻力影響，產(chǎn)生樁自身的壓縮應(yīng)變，采用箔式電阻應(yīng)變片量測樁身的豎向應(yīng)變，并據(jù)此推導(dǎo)出樁截面的軸力，根據(jù)軸力的分布，可計算出樁側(cè)摩阻力的分布。

本文試驗采用推出試驗法，巖體上方的鋼反力架能提供500kN的反力，千斤頂最大量程為50t，加載由人工配合壓力傳感器數(shù)值來控制，圖2為試驗概貌。

圖2 試驗概貌

試驗加載方案[4]為：采用慢速維持荷載法對模型樁進(jìn)行加載，加載分級進(jìn)行，逐級等量加載，每級維持30min；分級荷載為最大加載量或預(yù)估極限承載力的1/10，其中第一級可取分級荷載的2倍。

各組試驗的基巖與填隙材料的具體選擇見表1。

表1 基巖與填隙材料

2 試驗結(jié)果與分析

Z1樁加載至80kN，并維持有一段時間，基巖發(fā)生脆性破壞，基巖側(cè)面有明顯的貫穿縫，試驗無法繼續(xù)。此時樁頂沉降約14mm，樁底沒有明顯被推出的痕跡。

Z2樁基巖為弱風(fēng)化的青砂巖，試驗加載至170kN才發(fā)生破壞，破壞形式為樁頭被壓壞，但樁頂沉降量較小，只有不到4mm，這說明基巖的強度對嵌巖樁的極限承載力影響顯著。之后將模型樁繼續(xù)推出，發(fā)現(xiàn)樁身夾帶砂漿與基巖分離，破壞面在砂漿與基巖之間，破壞形式為樁與砂漿一體，對基巖的剪切破壞。

圖3 Q-S曲線

圖3 給出了Z1和Z2的荷載-位移曲線（Q-S曲線）。由圖3可以看出，所有推出試驗的破壞前階段，都是一條近似直線，這說明在樁巖界面達(dá)到極限側(cè)摩阻力前，嵌巖樁的荷載與沉降近似的成正比關(guān)系。

Z1和Z2相比較，Z1的極限荷載約為Z2的1/2，最終沉降卻幾乎是Z2的2倍，這說明，基巖的力學(xué)性質(zhì)對嵌巖樁的側(cè)摩阻力影響顯著。

從Z1和Z2的曲線圖可以看出，無論是在中風(fēng)化紅砂巖還是在弱風(fēng)化青砂巖上做推出試驗，其發(fā)展規(guī)律都可以歸納為2個階段：第1階段樁頂位移隨荷載的增加緩慢變化，并以維持以一定的斜率，到了側(cè)摩阻力極限值時，曲線會突然形成一個拐點，之后第2階段斜率變陡峭，進(jìn)入了曲線的陡降段，這時候樁的側(cè)摩阻力已經(jīng)無法支撐荷載帶來的的壓力，進(jìn)入了一個快速的滑移階段，樁側(cè)摩阻力僅剩下殘余摩阻力。

圖4 軸力曲線

圖5 側(cè)摩阻力曲線

圖4 給出了Z1和Z2的樁軸力曲線。可以看出這是很明顯的沿嵌巖深度的遞減趨勢，而且在不同的嵌巖段，直線的斜率也是不同的，越靠近嵌巖段頂端，斜率越大，然后漸漸變緩。直線斜率的大小，代表樁側(cè)摩阻力發(fā)揮程度的高低，斜率越大，樁側(cè)摩阻力就越大。

嵌巖樁頂受荷載，使樁身產(chǎn)生壓縮變形，樁身與基巖之間也會產(chǎn)生相對位移，這就產(chǎn)生了樁側(cè)摩阻力。而樁頂?shù)暮奢d向下傳遞過程中，克服這些樁側(cè)摩阻力，就呈現(xiàn)出軸力遞減的趨勢。軸力在任一樁截面之間的差值，即為該截面的側(cè)摩阻力值。

根據(jù)所測的軸力曲線，可以計算出樁巖界面上的摩阻力分布曲線。

圖5為根據(jù)嵌巖樁軸力圖畫出的Z1和Z2的樁側(cè)摩阻力曲線。由圖5可以看出，隨著樁頂荷載的增大，側(cè)摩阻力也增大，樁側(cè)摩阻力會在嵌巖段頂端附近（約1d范圍內(nèi)）產(chǎn)生側(cè)摩阻力極值，而后會迅速減小。隨著嵌巖深度增加，側(cè)摩阻力會出現(xiàn)小峰值，這說明側(cè)摩阻力在出現(xiàn)極值之后，樁身下部分側(cè)摩阻力并不穩(wěn)定。側(cè)摩阻力出現(xiàn)這種波動峰值，是因為樁身軸力會使樁身產(chǎn)生局部剪脹，這就使得局部樁身對基巖的水平應(yīng)力增大，從而增大了其側(cè)摩阻力。

Z1和Z2相比較，會發(fā)現(xiàn)，在相同荷載條件下，強度更低的中風(fēng)化紅砂巖的側(cè)摩阻力值極值更大，這與文獻(xiàn)[5]所述情況不同。究其原因，是因為中風(fēng)化紅砂巖在鉆孔時，由于施工工藝原因，加上巖面更加脆弱，使得內(nèi)壁更加粗糙，從而導(dǎo)致了其與樁身的機械咬合力和摩擦力更大。

從Z1和Z2的曲線圖可以看出，其側(cè)摩阻力極值的出現(xiàn)位置與有端承嵌巖樁[6]所述情況類似。由于推出試驗的樁端無端承，故而文獻(xiàn)[7]提及的樁端阻力對樁側(cè)摩阻力的強化效應(yīng)沒有出現(xiàn)。側(cè)摩阻力極值以下范圍的側(cè)摩阻力表現(xiàn)為不穩(wěn)定的波動形式，會出現(xiàn)小單峰甚至是小雙峰，究其原因，是因為樁身受到軸向應(yīng)力影響，形成剪脹段，剪脹段對基巖內(nèi)壁有橫向擠壓作用，從而增大了側(cè)摩阻力，形成小峰值。

Z3的填隙材料是植筋膠，其余參數(shù)與Z2相同。這組推出試驗是為了對比非砂漿的強力膠凝材料的承載特性。在試驗過程中，植筋膠的使用上遇到了兩大難點：植筋膠加入固化劑之后，膠液流動性較差，填入縫隙時并不能保證密實；植筋膠具有膠的普遍特性，彈性較好，這樣就難以模擬出樁巖界面之間的塑性應(yīng)變。所以，膠凝材料不論從施工難度上，還是從力學(xué)性質(zhì)上，都達(dá)不到高強度砂漿所模擬樁巖接觸面的效果。這個補充試驗也從反面論證了高強度砂漿作為填隙材料的可靠性。

圖6 樁頂荷載與位移曲線圖

3 與實際工程的對比分析

如圖6所示為重慶港主城港區(qū)寸灘作業(yè)區(qū)三期工程采用自平衡法的2根Φ2000灌注嵌巖樁豎向抗壓承載力試驗的Q-S曲線圖。此曲線也可以近似的分為兩個階段，即緩慢變形階段和加速沉降階段，這與模型試驗Q-S曲線劃分的兩個階段類似。原位試驗的嵌巖樁承載力是由上至下發(fā)揮的，在初始荷載并不大的情況下，其承載力主要是由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)的，故而前期的荷載位移曲線（Q-S）會表現(xiàn)出相似性，模型試驗所顯示的規(guī)律在一定程度上對工程有著指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

（1）推出試驗確定了在現(xiàn)場模型試驗時，樁巖接觸面模擬問題的解決辦法，即使用高強度砂漿作為填隙材料。

（2）推出試驗探索了嵌巖樁在無端阻情況下，嵌巖樁的側(cè)摩阻力的發(fā)揮機理。基巖的力學(xué)性質(zhì)對嵌巖樁的側(cè)摩阻力影響顯著，側(cè)摩阻力極限值的出現(xiàn)位置與有端承嵌巖樁具有相似性，但極限側(cè)摩阻力以下側(cè)摩阻力發(fā)揮具有不穩(wěn)定性。

（3）樁巖界面的粗糙度對側(cè)摩阻力的影響顯著。

（4）在樁頂荷載并不大的情況下，樁的承載力主要是由樁側(cè)摩阻力承擔(dān)。

[1]王耀輝，譚國煥，李啟光.模型嵌巖樁試驗及數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2007，26（8）：1691－1697.

[2]重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會.重慶市水泥混凝土、砂漿應(yīng)用技術(shù)及參考配合比[S].2015.

[3]明可前.嵌巖樁受力機理分析[J].巖石力學(xué)，1998，19（1）：65-69.

[4]中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.JGJ106-2014.建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.

[5]張建新，吳冬云.樁端阻力與樁側(cè)阻力相互作用研究[J].巖土力學(xué)，2008，29（2）：541-544.

[6]汪凡文，秦勤.橋梁工程大直徑嵌巖樁的承載性狀研究[J].交通科技，2007（3）：8-9.

[7]劉利民，陳竹昌.樁的側(cè)阻力強化效應(yīng)[J].特種結(jié)構(gòu)，1998（4）：27-29.

責(zé)任編輯：孫蘇，李紅

Rock-socketed pile model test,where the pile body is required to be affixed.The cast-in-place pile is difficult to be affixed,so precast piles are adopted,leaving the problem of the surface between the precast pile and the bedrock.Gelled materials of different types are applied to fill the pile-rock interface cracks,and different types of bedrocks are also adopted.The push-out test is done to explore its load-bearing characteristics,and the best filler materials for rock-socketed pile model test are selected.The results show that the high-strength cement mortar can better simulate pile-rock interface contact effects.

rock-socketed pile;push-out test;filler materials

TU411.93

A

1671-9107（2016）12-0048-04

基金論文：重慶市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會資助項目（大直徑嵌巖灌注樁成套關(guān)鍵技術(shù)研究，編號：城科字2014第（03）號）。

10.3969／j.issn.1671-9107.2016.12.048

2016-09-25

李安鋇（1991-），男，重慶人，研究生，主要從事樁基礎(chǔ)承載特性研究。