巖溶地區灌注樁荷載傳遞特性分析

付繼位 （中鐵十一局集團有限公司，湖北 武漢 430000）

0 引言

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。

1 物理模型試驗

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小；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

1.1 成樁試驗

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。

1.2 靜載試驗

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。灰巖砂漿由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。

2 試驗結果分析

2.1 成樁試驗

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

2.2 靜載試驗

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。可以看到，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

3 結論

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。