灌注樁樁底沉渣對樁體承載力影響的模型試驗研究

馬露　王鈺軻　陳帥

摘要 灌注樁在成樁過程中易產(chǎn)生樁底沉渣，樁底沉渣對樁體承載特性的影響一直是本領(lǐng)域的研究問題之一。本文考慮到混凝土灌注樁及沉渣質(zhì)量的不易控制，所以采用鋼管代替鉆孔灌注樁，簡化制樁過程；沉渣采用質(zhì)地軟弱的泡沫板代替，試驗采用均質(zhì)砂土，研究分析沉渣對承載性狀的影響。發(fā)現(xiàn)沉渣的存在確會降低樁體的極限承載力，承載力的降低值與沉渣的厚度有一定的規(guī)律性。

關(guān)鍵詞 鉆孔灌注樁；樁底沉渣；承載特性；模型試驗

中圖分類號 TU4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095—6363（2016）12—0105—02

灌注樁基礎(chǔ)具有較其他類型基礎(chǔ)突出的優(yōu)點，因此近年來在工程中的應(yīng)用越來越多，成為現(xiàn)代建筑基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的主要形式之一。由于受到施工工藝、操作人員技術(shù)水平、施工現(xiàn)場環(huán)境和地質(zhì)條件等方面因素的影響，在成樁過程中易產(chǎn)生樁底沉渣。肖宏彬等對單樁荷載一沉降關(guān)系的數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究；張明遠(yuǎn)等利用有限單元法軟件對大直徑鋼管樁的承載特性進(jìn)行研究；孫文懷等基于FLAC3D對單樁負(fù)摩阻力特性進(jìn)行了研究。

考慮到沉渣和灌注樁的制備難度較大以及樁體質(zhì)量的不易控制，本次室內(nèi)試驗采用以泡沫板代替沉渣，鋼管代替灌注樁的方法。所得結(jié)論能夠在制定提高樁基承載力措施時，提供參考。

1試驗器材

1.1試驗槽及加壓裝置

試驗中采用的試驗槽尺寸為800mm×400mm×400mm，兩側(cè)為鋼板，另兩側(cè)為有機(jī)玻璃，上部有一32t千斤頂。試驗利用千斤頂作為加載設(shè)備，荷載值的大小通過安置在千斤頂與樁頂之間的鋼環(huán)確定，考慮到樁體的極限承載力，試驗所采用的鋼環(huán)量級為10t，變形參數(shù)為12.122 33kN/mm。

1.2百分表及重錘

試驗中采用百分表量測樁頂?shù)某两盗浚瑸楸ＷC量測準(zhǔn)確，在樁頂放置一塊剛性板，本試驗采用鋼板，并使樁頂、鋼板中心、鋼環(huán)軸線和千斤頂處在同一軸線，百分表固定在一側(cè)，通過量測鋼板的沉降量來確定樁頂?shù)某两盗俊?/p>

2試驗材料性質(zhì)

2.1砂土直剪試驗

根據(jù)庫侖定律，土體的內(nèi)摩擦力與剪切面上的法向壓力成正比。試驗前，用試驗土體制備8個土樣，分成4組，每組在不同的法向壓力下進(jìn)行剪切試驗，記錄試驗數(shù)據(jù)，得出土體剪壞時剪應(yīng)力，即抗剪強(qiáng)度τ。根據(jù)土體的剪切定律確定土體參數(shù)φ=34.2°和c=4.5kPa。

2.2砂土含水量試驗

稱取3組試驗砂土，重量控制在15g～30g之間，放入稱量好的鋁盒內(nèi)，立即蓋好盒蓋，使用電子稱稱重并記錄，精確至0.01g。由以上實驗測得含水量平均為13.8%。

3試驗方案

3.1試驗準(zhǔn)備

試驗所用土體為均質(zhì)砂土，考慮到試驗中土體的穩(wěn)定性和土體的壓實難易程度，此次試驗土體密度控制在1.4g/cm³～1.45g/cm³為宜，即保證試驗土體為中砂。

本次試驗采用泡沫板代替沉渣。試驗共模擬0mm、20mm、40mm、60mm、80mm、100mm六種厚度的沉渣，一種厚度進(jìn)行兩次單樁試驗，結(jié)果取其平均值。

3.2單樁載荷

為準(zhǔn)確方便量測樁頂沉降，在樁頂置一剛性板，該試驗采用鋼板作為端頭板，鋼環(huán)置于剛性板之上，千斤頂之下，并使以上裝置的軸線在同一條豎直線上。為保證鋼環(huán)穩(wěn)定，千斤頂可適當(dāng)加載，使鋼環(huán)夾緊。百分表固定在試驗槽支架上，通過量測剛性板的沉降來確定樁頂?shù)某两怠?/p>

4試驗數(shù)據(jù)分析

4.1沉渣厚度t對極限承載力Q的影響曲線

針對不同厚度的沉渣，繪制t～Q曲線，以分析沉渣厚度和極限承載力的關(guān)系，如圖1所示。

從上圖可以看出，樁底存在沉渣時樁體的極限承載力明顯小于無沉渣時的極限承載力，這種影響下的承載力損失幅度值隨著沉渣厚度的增加而逐漸減小。

1）當(dāng)沉渣厚度t≤40mm時，樁體的極限承載力變化較大，下降幅度大。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因，主要是上部荷載傳至樁底時，樁體會通過壓縮持力層來獲得端阻，性質(zhì)軟弱的沉渣會使獲得相同端阻時的壓縮量增大，又會加劇沉渣所承受的荷載，導(dǎo)致其壓縮量再一次增大，直至出現(xiàn)突然破壞。2）當(dāng)荷載厚度t≥60mm時，樁體的極限承載力持續(xù)減小，但變化幅度小，曲線趨于平緩。分析出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，此時較厚的沉渣如要達(dá)到能夠提供相當(dāng)?shù)亩俗杈托枰^大的壓縮量，但樁體的側(cè)摩阻力有限，在沉渣能夠提供端阻之前，側(cè)摩阻力就已達(dá)到極限，樁體破壞，所以，此時樁體的極限承載力主要由側(cè)摩阻力提供，變化值不大，趨于平穩(wěn)。

4.2沉渣厚度t與極限承載力降低率c的關(guān)系

沉渣厚度t=20mm、40mm、60mm、80mm、100mm時，樁體極限承載力降低率分別為8.5%、11.9%、13.6%、14.5%、15%。如圖2所示。

由圖2分析得：1）樁底沉渣厚度t=0mm～40mm時，樁體極限承載力降低率較小，但變化幅度很大。分析原因為，樁端原土層性質(zhì)堅硬，承載力較高，而沉渣的性質(zhì)軟弱，當(dāng)樁底被沉渣填充時，樁端受荷初期沉渣還能提供一定支持力，隨著荷載增大，沉渣壓縮增大直至屈服破壞；2）樁底沉渣厚度t=60mm～1000mm時，樁體極限承載力降低率較大，但變化幅度較小。分析原因為，樁底沉渣過厚時，其受荷初期還能提供彈性支持力，荷載增大后，壓縮量迅速增大，相比沉渣較薄時樁端荷載向下傳遞所需的位移增大，這就進(jìn)一步促使樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，使樁體在較小荷載時即達(dá)到極限承載力沉渣厚度較大時，樁體極限承載率變化的幅度較小。由圖2數(shù)據(jù)經(jīng)MATLAB擬合，曲線指數(shù)函數(shù)如下，沉渣厚度大于100mm的極限承載率變化不大，可近似取t=100mm時對應(yīng)值。

5結(jié)論

通過試驗數(shù)據(jù)研究了沉渣厚度對單樁承載特性的影響，得到：1）沉渣厚度t≤40mm時，曲線的變化形式近似一種漸變形，樁體的破壞形式?jīng)]有大的變化，樁體的極限承載力降低較大；2）沉渣厚度t≥60mm時，曲線的變化形式為突變形，樁體的破壞具有突發(fā)性，屬于刺入破壞，即在樁體達(dá)到極限承載力時，樁項的沉降具有明顯的陡增，但樁體的極限承載力此時變化相對不大。endprint