泥皮對灌注樁摩阻性能影響的模型試驗研究

陳詠泉，雷金山，許凌，王冠，代忠

泥皮對灌注樁摩阻性能影響的模型試驗研究

陳詠泉1，雷金山2，許凌1，王冠1，代忠2

(1. 湖南益馬高速公路建設開發有限公司，湖南 益陽 413400；2. 中南大學 土木工程學院，湖南 長沙 410075)

通過室內模型模擬益馬高速公路典型砂卵石地層摩擦樁，開展泥漿護壁摩阻試驗，研究樁側和樁端阻力在各級荷載下的分布規律；針對不同泥漿護壁條件，對比分析不同膨潤土濃度、不同添加劑種類與濃度條件下泥皮對樁側摩阻力的影響。試驗結果表明：當泥漿濃度大于12%時，樁側摩阻力會降低30%以上，建議施工過程中成孔時泥漿膨潤土濃度不宜超過9%；水泥作為泥漿添加劑會有效優化泥漿性能，改善樁基的荷載?沉降性狀，降低泥漿對樁側摩阻力的影響。

模型試驗；泥漿護壁; 樁側阻力；泥漿添加劑

膨潤土泥漿作為樁基鉆孔沖洗循環液，在鉆孔周圍形成泥皮，能有效防止孔壁坍塌[1?3]。某橋梁工程樁基礎的地質情況主要為種植土、粉砂、細沙、卵石和板巖，其中側摩阻力主要由砂卵石地層提供。采用泥漿作為鉆孔沖洗循環液，在進行樁基自平衡試驗時，由于泥皮的存在降低了樁側摩阻力的發揮，初始加載條件下上段樁位移已超過規范值，致使實驗失敗。因此，有必要針對膨潤土泥漿對樁側摩阻力的影響進行深入研究。本文通過室內模型試驗，分析不同膨潤土濃度、不同添加劑種類與濃度條件下泥皮對樁側摩阻力的影響。

1 模型試驗設計

在科學實驗中，通常將影響試驗指標的條件稱為因素[4]。在本試驗中，選取影響側阻力發揮的3個主要因素：膨潤土濃度，添加劑種類與用量。分析不同膨潤土濃度、不同添加劑種類與濃度條件下泥皮對樁側摩阻力產生的影響。

試驗在一個長2 m，高2 m，寬0.5 m的模型試驗槽進行。試驗土樣為中砂，膨潤土材料為納基膨潤土，添加劑分別為石灰、水泥和粉煤灰[5?7]。試驗樁采用鋼筋外包混凝土模擬[8]，監測儀器主要包括百分表和應變儀等。

本次試驗共分2組，每組4根模型樁。第1組為膨潤土濃度試驗，膨潤土濃度分別選取3%，6%，9%和12%進行研究。試驗完成后進行第2組試驗，選定3%膨潤土濃度后分別添加粉煤灰、石灰和水泥，其摻量均為3%。第2組第4根試驗樁泥漿為清水，進行對比分析。

試驗分組見表1，樁位布置示意圖如圖1所示。

表1 樁基模型試驗分組表

注：P—膨潤土；F—粉煤灰；C—石灰；S—水泥；0—清水。

單位：cm

2 試驗過程與步驟

2.1 制作模型箱

試驗箱采用高強度鐵板及槽鋼支架等焊接加工制成，正面和背面采用了可拆卸的有機玻璃模板來限制側向變形，便于實驗現象的觀察。試驗箱尺寸為：長×寬×高=200 cm×60 cm×200 cm。

2.2 制作圓鋼，黏貼應變片

為了更好地模擬樁表面與砂土間的粗糙接觸，試驗樁采用混凝土內包圓鋼的形式。圓鋼直徑為20 mm，底端焊接直徑75 mm，厚度5 mm的鐵餅，最終形成的復合模型樁的外徑為75 mm。本次試驗模型樁樁長=800 mm，直徑=75 mm。應變片在澆筑混凝土前貼在圓鋼表面，黏貼前先對圓鋼黏貼處進行打磨，再涂抹酒精，然后用502膠水黏貼應變片和接線片，烘干后焊接導線，最后把AB膠膠涂在應變片、接線片和接點表層[9]。應變片黏貼示意圖如圖2所示。

單位：cm

2.3 鋪設中砂，預埋PVC管

本次試驗設計中砂埋設厚度為1.05 m，分層攤鋪，樁底土層厚度為25 cm，其余各層厚度為20 cm。在鋪設底層中砂時，使用室內輕型夯錘進行多遍夯擊，直至砂土面達到設計高度，同時記錄中砂用量，鋪設下一層砂時確保砂土用量。如此往復，鋪設每一砂層，完成后靜置12 h以上，使砂在自重作用下壓密，以保證每次試驗樣本的均一性[10]。

本次試驗填土過程中，在鋪設第1層砂土后在模型樁布置位置處預埋直徑為75 mm的PVC管與貼好應變片的圓鋼，然后繼續鋪設土層。土層鋪設完成后，拔出PVC管，即可形成鉆孔。

2.4 制備泥漿

使用膨潤土配置泥漿時，不同的攪拌方法對膨潤土溶脹程度影響很大。經高速攪拌機拌制的泥漿其流變參數遠優于低速攪拌機攪拌的泥漿，因此必須使用高速攪拌機拌制。攪拌時間控制在4~5 min。對于使用前要放置較長時間的泥漿，攪拌時間為4 min左右。對于攪拌好后立即就用的泥漿，攪拌時間為7 min左右[11]。

2.5 成孔

在土層鋪設完畢12 h后，將鋼筋插入PVC管上部的鉆孔，一邊旋轉，一邊將PVC管向上拔出。

2.6 灌注泥漿，形成泥漿護壁

在成孔后，不斷向孔內補充新鮮泥漿，本次泥漿的使用方法為靜止方式。

2.7 灌注混凝土

成孔12 h后，澆筑混凝土。混凝土材料為細砂，425水泥，10 mm直徑卵石。

2.8 設置基準梁，安放百分表

混凝土養護28 d后，設置基準梁，安放百分表。

2.9 加載，記錄數據

本次模型試驗中加載裝置由千斤頂，剛性板，反力梁，百分表及應變儀組成。通過一個小型手動帶油壓表千斤頂對模型樁施加豎向荷載,千斤頂放置在樁頭上的剛性板上。根據規范要求[12]，每級荷載量為極限承載力的1/10。每級加載后，每10 min測讀一次，累計30 min后，若樁的沉降量連續2次測讀在半小時內小于0.1 mm，視為穩定，并進行下級加荷。每級加載穩定后用應變儀記錄應變片讀數。當樁頂沉降量為0.1時，為本次試驗的卸載條件[13]。

2.10 卸載

2.11 將砂撤出試驗箱

3 試驗結果分析

3.1 樁基靜載試驗荷載~位移曲線

在進行靜載試驗時，用百分表記錄各級荷載下的樁頂位移，圖3為各樁在各級荷載下的荷載?沉降曲線。

圖3 試驗樁基荷載?沉降曲線

從圖3中可以看出，各試驗樁基荷載?沉降曲線均為緩降型。對比A1~A4試樁曲線可以看出，隨著泥漿膨潤土濃度的減小，樁的荷載?沉降曲線變得較為緩和，前4級荷載條件下樁頂沉降較小，從第5級荷載開始每級荷載下樁頂位移增量較大。

對比圖中A1和B1~B3曲線可以看出，在泥漿膨潤土濃度為3%的條件下，不同添加劑對樁的荷載?沉降曲線的影響不同。當添加劑為3%水泥時(B3)，荷載較小時該樁的荷載?沉降曲線比無添加劑的樁基(A1)緩和，但當荷載較大時，兩樁基的荷載?沉降曲線趨勢相近。說明膨潤土泥漿添加一定量的水泥時會改善樁基的荷載?沉降性狀。

3.2 樁基靜載試驗側阻力分析

樁身各截面軸力已由應變片應變計算得出，相鄰兩截面軸力差即為該段樁的樁側的摩擦力[14]，則摩擦力：

在求得該段樁的摩擦力后，則該段樁的平均側摩阻力即為相鄰兩截面軸力差除以該段樁的側表面積：

式中：為該段樁摩阻力，kPa；為樁直徑，m；為該段樁樁長，m。

圖4~11為各樁基在各級荷載下的側阻力分布曲線，從各圖中看出，在荷載較小時，上段樁的側摩阻力先于下段樁發揮，位于樁端附近的側摩阻力非常小，隨著荷載持續增大，下段樁側摩阻力增長明顯，而上段樁側摩阻力增長較小，當荷載較大時，側摩阻力最大值一般發生在樁端附近，這說明端阻力的發揮對側阻力的發揮有強化作用。

圖4 A1樁側阻力分布趨勢圖

圖5 A2樁側阻力分布趨勢圖

圖11，4~7分別為不同膨潤土濃度下試樁的側阻力分布趨勢圖，其膨潤土濃度分別為0，3%，6%，9%和12%。其中B4(清水樁)樁極限側摩阻力平均值最大，為14.9 kPa；A4(12%膨潤土)樁極限側摩阻力平均值最小，為10.38 kPa。樁極限側摩阻力降低了31%，降低幅度較大。對比各樁的圖表發現，隨著泥漿膨潤土濃度的增大，各樁的極限側摩阻力平均值逐漸降低。當膨潤土濃度從0增加到3%時，樁的極限側摩阻力平均值下降較大，但膨潤土濃度從3%增加到6%和9%時樁的極限側摩阻力平均值下降趨勢都較為平緩，而當膨潤土濃度大于9%時，隨著膨潤土濃度的增大，樁的極限側摩阻力降低趨勢較快。這說明泥漿會影響樁側摩阻力的發揮，且當泥漿濃度大于12%時，樁的極限側摩阻力會降低30%以上。建議施工過程中成孔時泥漿膨潤土濃度不超過9%。

圖6 A3樁側阻力分布趨勢圖

圖7 A4樁側阻力分布趨勢圖

圖6，8~10為各試樁在相同膨潤土濃度條件下添加不同添加劑后的側阻力分布趨勢圖，各樁膨潤土濃度均為3%，添加劑分別為3%粉煤灰、3%石灰和3%水泥。從圖中可以看出，在3%膨潤土條件下加入3%石灰(B2)后該樁的極限側摩阻力為10.48 kPa，明顯小于3%膨潤土(A1)樁的極限側摩阻力；3%膨潤土條件下加入3%粉煤灰(B1)后該樁的極限側摩阻力為12.27 kPa，略小于A1樁；3%膨潤土條件下加入3%水泥(B3)后該樁的極限側摩阻力為14.03 kPa，僅小于清水樁，大于其余各試驗樁基。這說明石灰作為泥漿添加劑會降低樁側摩阻力的發揮，是不可行的；粉煤灰作為泥漿添加劑對樁側摩阻力的發揮影響不大；而水泥作為泥漿添加劑會有效改善泥漿性能，優化膨潤土泥漿，降低泥漿對樁側摩阻力的影響。

圖8 B1樁側阻力分布趨勢圖

圖9 B2樁側阻力分布趨勢圖

3.3 樁基靜載試驗端、側阻力分布

各樁基在各級荷載下的側阻力比重分布趨勢如圖12所示。從圖中可以看出：初級加載和終極加載側阻力比重最大的都是B4樁(清水樁)，這充分說明泥漿會影響樁側摩阻力的發揮；在整體上各個樁基的側阻力比重隨著荷載的增大而減小，這說明試驗中樁側摩阻力先于樁端阻力發揮，隨著樁端土層的壓密，樁端阻力也逐漸發揮；在相同荷載條件下，隨著泥漿濃度的增大，樁側摩阻力比重減小，且當泥漿濃度大于9%，樁側摩阻力比重下降明顯。

圖10 B3樁側阻力分布趨勢圖

圖11 B4樁側阻力分布趨勢圖

圖12 各級荷載下樁側阻力占比圖

4 結論

1) 泥漿膨潤土濃度對樁側土體的物理力學性狀影響較大。泥漿膨潤土濃度越小，樁的荷載?沉降曲線越緩和；膨潤土泥漿添加一定量的水泥，會改善樁基的荷載?沉降性狀。

2) 當泥漿濃度大于12%時，樁側摩阻力會降低30%以上，建議施工過程中泥漿膨潤土濃度不宜超過9%。

3) 石灰作為泥漿添加劑會降低樁側摩阻力的發揮；粉煤灰對樁側摩阻力的發揮影響不大；而水泥會有效改善泥漿性能，降低泥漿對樁側摩阻力的影響。

4) 樁側摩阻力先于樁端阻力發揮，隨著樁端土層的壓密，樁端阻力也逐漸發揮；在相同荷載條件下，隨著泥漿濃度的增大，樁側摩阻力比重減小，且當泥漿濃度大于9%，樁側摩阻力比重下降明顯。

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Model test study on influence of mud cake on friction performance of pouring pile

CHEN Yongquan1, LEI Jinshan2, XU Ling1, WANG Guan1, DAI Zhong2

(1. Hunan Yi-ma Expressway Construction and Development Corporation, Yiyang 413400, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Through the medium sand chamber in the drilling of the grouting pile mud wall indoor model test, the distribution trend and distribution law of pile end and pile side resistance at all levels were studied; for different mud wall conditions, the effects of different clay concentrations, different additive types and concentration on the friction resistance of the mud on the pile side were compared and analyzed. The result shows that the pile side friction will be reduced by more than 30% when the mud concentration is greater than 12%, it is recommended that the concentration of bentonite during construction should not exceed 9%. When the cement as a slurry additive, the mud performance can be effectively optimized, the load-sedimentation behavior of the pile can be improved, and the influence of the mud on the pile-side friction can be reduced.

model test; mud wall; pile side resistance; mud additive

TU413

A

1672 ? 7029(2019)07? 1660 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.07.008

2018?09?07

湖南省自然科學基金資助項目(2017JJ2316)；益馬高速建設科技計劃項目(YM201501)

雷金山(1973?)，男，湖南湘鄉人，高級工程師，博士，從事巖土工程教學與科研工作；E?mail：5822673@qq.com

(編輯 涂鵬)