張豫川,劉辰麟,盧連長,李春輝

(蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室,蘭州 730000)

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灌注樁的成孔型式對樁側(cè)摩阻力影響的研究

張豫川,劉辰麟,盧連長,李春輝

(蘭州大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院,西部災(zāi)害與環(huán)境力學(xué)教育部重點實驗室,蘭州 730000)

摘要:通過現(xiàn)場試驗和室內(nèi)模型試驗，采用空底樁單樁豎向抗壓載荷的方法測定樁側(cè)摩阻力。研究結(jié)果表明，灌注樁的側(cè)摩阻力會隨著樁周土密實度的增長而提高；擠土成孔樁和螺旋灌注樁的側(cè)摩阻力相對于非擠土樁有了明顯提高；給出了非擠土挖孔樁、擠土成孔樁和螺旋擠土樁的極限側(cè)摩阻力的計算。研究成果用以指導(dǎo)樁基礎(chǔ)的設(shè)計和施工，能使之達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。

關(guān)鍵詞:灌注樁；樁側(cè)摩阻力；成孔型式；密實度

樁基礎(chǔ)[1]的承載力是樁與土共同作用的結(jié)果,其間的應(yīng)力傳遞機理與過程極其復(fù)雜。樁在豎向荷載作用下,樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮先于樁端阻力,樁側(cè)摩阻力對基樁承載力的貢獻(xiàn)占有很重要的地位,特別是對于沒有很堅硬樁端土層的樁、長徑比大的超長樁,提高樁側(cè)摩阻力的措施和準(zhǔn)確確定樁側(cè)摩阻力對樁基承載力的設(shè)計意義重大,這樣,分析樁側(cè)摩阻力的影響因素是很有必要的。

近年來,許多學(xué)者開展了關(guān)于樁側(cè)摩阻力的影響因素的研究,并取得了一定的成果。李輝等[2]總結(jié)說,樁周土的性質(zhì)是影響樁側(cè)摩阻力最直接的決定因素,一般說來,樁周土的強度越高,相應(yīng)的樁側(cè)摩阻力就越大;Massakiro，et al[3]提出,非黏性土中的樁側(cè)摩阻力存在著明顯的尺寸效應(yīng),這種尺寸效應(yīng)源于鉆、挖孔時側(cè)壁土的應(yīng)力松弛;施峰等[4]進(jìn)行了300根埋設(shè)量測元件的人工挖孔樁承載力的測試,得出在同樣的樁側(cè)土條件下,樁端持力層強度越高,樁端阻力越大,樁端沉降越小,樁側(cè)摩阻力就越高。學(xué)者們從樁周土性質(zhì)、樁的幾何特征、樁端條件等不同角度進(jìn)行了研究,分析了其對樁側(cè)摩阻力的影響,但很少人深入研究灌注樁的成孔型式和樁周土密實度對樁側(cè)摩阻力的影響。

在研究和工程實踐中發(fā)現(xiàn),樁的成孔型式和樁周土的性質(zhì)是樁側(cè)摩阻力的主要影響因素。樁基礎(chǔ)根據(jù)其成樁孔工藝對土層的影響可以分為非擠土成孔樁、部分?jǐn)D土成孔樁和擠土成孔樁三大類[5]。非擠土挖孔樁應(yīng)用很廣,而擠土成孔樁由于樁徑較小,樁長短,承載力低,很難滿足設(shè)計要求,應(yīng)用范圍較小,所以,新型的螺旋擠土樁[6]就應(yīng)運而生。樁的成孔型式不同,樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮也不同。同樣,樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮也與樁周土的性質(zhì)密切相關(guān),而樁周土的性質(zhì)重要表現(xiàn)為樁周土密實度(文中的密實度,定義為土體干密度與最大干密度的比值),且也與樁成孔型式有關(guān)。

因此,研究灌注樁的成孔型式和樁周土密實度等因素對樁側(cè)摩阻力的影響,對于充分發(fā)揮樁側(cè)摩阻力,進(jìn)而提高樁基單樁承載力,有著現(xiàn)實意義和社會意義,研究成果用以指導(dǎo)樁基礎(chǔ)的設(shè)計和施工,能使之達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理的目的。筆者結(jié)合現(xiàn)場試驗和室內(nèi)模型試驗,針對不同成孔型式、不同密實度的樁周土體,分析灌注樁側(cè)摩阻力的影響因素。

1樁側(cè)摩阻力的現(xiàn)場試驗測試

樁側(cè)摩阻力測試采用受壓空底樁法。空底樁在鋼筋籠底部焊接一個20 mm厚圓形鋼板,鋼板直徑略小于樁孔直徑,澆筑混凝土?xí)r將鋼筋籠吊住,使其底部懸空1 m,由此得的摩阻力更接近實際,測試結(jié)果如表1所示。

表1　非擠土挖孔樁側(cè)摩阻力極限值

從表中可以看出,樁周土平均密實度達(dá)到0.90時,對應(yīng)的非擠土挖孔樁的極限側(cè)摩阻力平均值為64～82 kPa,而樁周土平均密實度達(dá)到0.94時,對應(yīng)的非擠土挖孔樁的極限側(cè)摩阻力平均值為86～117 kPa,樁側(cè)摩阻力提高34%～44%。

非擠土挖孔樁一般施工在以同一密實度均勻分布的天然地基和人工地基(人工地基經(jīng)擠密處理后,土體由于多樁擠土效應(yīng)的重疊,而且隨機布樁,近似可看成密實度是均勻分布的)上,所以非擠土挖孔樁的樁周土密實度是均勻分布的;而擠土成孔樁和螺旋擠土樁在成孔過程中,發(fā)生了側(cè)向擠密作用,導(dǎo)致靠近樁體的土體密實度較高,而遠(yuǎn)離樁體的土體密實度較低,所以擠土成孔樁和螺旋擠土樁的樁周土體密實度是沿著徑向逐漸減小的漸變分布。灌注樁成孔型式和樁周土密實度分布形式的不同,對樁側(cè)摩阻力的影響也不同,室內(nèi)試驗分別進(jìn)行了測試。

2非擠土挖孔對樁側(cè)摩阻力的影響

在室內(nèi)模型試驗中,所用土樣取自蘭州市榆中縣的黃土,土質(zhì)均勻,屬粘質(zhì)粉土。采用分層夯實法配制不同密實度的均勻地基土,三種樁的樁徑均為60 mm,樁長為280～300 mm。非擠土挖孔樁是利用自制洛陽鏟取土成孔,擠土成孔樁是利用反力架和千斤頂將擠土鉆頭壓入地基土中成孔,螺旋擠土樁是人工控制扭矩和豎向壓力掘進(jìn)螺旋鉆頭成孔,成孔后均灌注水泥砂漿成樁,之后在自然條件下養(yǎng)護(hù)28天。最后利用反力架、千斤頂和應(yīng)力環(huán)進(jìn)行樁側(cè)摩阻力測試,以研究樁周土體均勻的密實度對樁側(cè)摩阻力的影響。

所測的非擠土挖孔樁極限側(cè)摩阻力隨樁周土密實度的變化結(jié)果如表2、圖1所示。

由表2和圖1中可知,非擠土挖孔樁的極限側(cè)摩阻力會隨著樁周土密實度增長而提高,每提高0.01的密實度,增長幅度為3～5 kPa,但增長幅度逐漸變小?？梢?工程中使用非擠土挖孔樁,當(dāng)樁承載力難以滿足設(shè)計要求時,可先對地基土進(jìn)行處理,使其密實度達(dá)到一定數(shù)值,從而提高樁側(cè)摩阻力,滿足承載力的要求。表2中還列出了現(xiàn)場試驗的兩組數(shù)據(jù),由此可以看出,室內(nèi)模型試驗與現(xiàn)場試驗數(shù)據(jù)比較吻合,說明本次室內(nèi)模型試驗的數(shù)據(jù)還是比較接近實際情況,具有很好的實際參考價值。

表2　非擠土挖孔樁的極限側(cè)摩阻力的對比

圖1　非擠土挖孔樁極限側(cè)摩阻力與樁周土平均密實度的關(guān)系Fig.1　Relation of compaction dig-hole pile side limitedresistance with average degree of density

另外,如圖1所示,非擠土挖孔樁樁身極限側(cè)摩阻力與樁周土密實度關(guān)系符合對數(shù)函數(shù),可以用式(1)表示。

(1)

3擠土成孔對樁側(cè)摩阻的影響

通過試驗研究擠土成孔樁樁周土密實度的分布規(guī)律、對樁側(cè)摩阻力的影響以及樁側(cè)摩阻力的計算。

室內(nèi)模型試驗得到擠土成孔和非擠土挖孔兩種工藝的灌注樁極限側(cè)摩阻力,結(jié)果如圖2所示。

圖2　灌注樁極限側(cè)摩阻力隨地基土初始密實度變化的曲線Fig.2　Curve of changing bored pile side limited resistancealong with initial degree of density

由圖2可知,當(dāng)?shù)鼗脸跏济軐嵍认嗤瑫r,擠土成孔樁的極限側(cè)摩阻力相對于非擠土挖孔樁提高了28%～68%,且隨著地基土初始密實度增長,極限側(cè)摩阻力的提高幅度逐漸變小,原因就是非擠土挖孔過程中幾乎不改變樁周土的密實度,而擠密成孔過程中的側(cè)向擠密作用會提高樁周土體的密實度,增大側(cè)向土壓力強度,極限側(cè)摩阻力也相應(yīng)提高;隨著地基土初始密實度的增長,逐步接近最大密實度,擠土成孔的難度增大,樁周土體密實度的增長緩慢,極限側(cè)摩阻力的提高幅度也相應(yīng)減小。

擠土成孔樁的樁周土密實度為沿著徑向逐漸減小的漸變式,其對樁側(cè)摩阻力的影響應(yīng)取決于樁周一定范圍內(nèi)土體的密實度,首先取地基土初始密實度為0.85的擠土成孔樁作為研究對象。測試得到擠土成孔樁樁周土密實度沿徑向距離的分布如圖3,可以看出,密實度變化呈下降趨勢,而且在一定范圍內(nèi),樁周土的密實度變化很快,然后變化較緩,密實度沿徑向的分布規(guī)律符合冪指數(shù)函數(shù),可以用式(2)表示,

(2)

式中:x=l/d,l是樁周土距樁心的徑向距離,d為樁孔的直徑;ηc為樁周土的密實度。

圖3　擠土成孔樁樁周土密實度沿徑向距離的關(guān)系Fig.3　Relationship to degree of density along theradial distance of compaction pile

表3　不同密實度情況下的擠土成孔樁極限側(cè)摩阻力的修正系數(shù)

如表3所示,擠土成孔樁的極限側(cè)摩阻力都高于非擠土挖孔樁。盡管兩種樁型的樁周土一定范圍內(nèi)的平均密實度相同,但擠土成孔樁周土體漸變的密實度更有利于側(cè)摩阻力的發(fā)揮。擠土成孔樁離樁土界面近的土體密實度偏高,而距離樁土界面越近的土體對樁側(cè)摩阻力的貢獻(xiàn)越大,這樣高密實度的土體會對側(cè)摩阻力產(chǎn)生很大貢獻(xiàn),導(dǎo)致側(cè)摩阻力的提高。這種擠土成孔樁周土體漸變的密實度對樁側(cè)摩阻力的影響用系數(shù)β1修正,β1可取1.15。所以,擠土成孔樁樁身極限側(cè)摩阻力與樁周土密實度關(guān)系可以用式(3)表示:

(3)

4螺旋擠土對樁側(cè)摩阻的影響

螺旋擠土樁屬于典型的擠土成孔樁類型,其樁徑為250～800 mm,最大樁長可達(dá)30 m,其利用特制的螺旋鉆頭將樁孔中的土體擠入樁周和樁下土體之中,并在擠擴(kuò)成的樁孔中進(jìn)行混凝土壓灌成樁,最終形成圓柱形的擠擴(kuò)樁。此樁適用于可壓縮的砂土、粉土、黃土、黏土和強風(fēng)化土地層,且在蘭州新區(qū)已有工程采用螺旋擠土灌注樁。

圖4　兩種樁周土密實度的對比Fig.4　Comparison of density degree of two piles

螺旋擠土樁的樁周土體密實度的徑向分布型式與擠土成孔樁相同,都是漸變式,如圖4所示。分析比較“有效擠密區(qū)”內(nèi)的兩種樁周土體的密實度,螺旋擠土樁比擠土成孔樁只高出約0.5%,也就是說,螺旋擠土樁與擠土成孔樁的擠密效果相差不大。

但螺旋擠土樁的極限側(cè)摩阻力卻大于擠土成孔樁的6.2%,如圖5所示。分析原因可知，螺旋擠土鉆頭下旋過程中,土體受到螺旋鉆頭旋轉(zhuǎn)擠擴(kuò)作用的情況下,螺紋削切土體,類似于土體受到剪切作用,鉆頭螺紋接觸的土顆粒發(fā)生重新排列,擠密后的土體表面成螺紋型,造成灌注樁與樁周土有相較于擠土成孔樁更明顯的“嚙合”效應(yīng)[8],這增加了土體與樁接觸面的粗糙程度,因而螺旋擠土樁的樁側(cè)極限摩阻力會大于擠土成孔樁的。這種“嚙合”效應(yīng)對樁側(cè)摩阻力的貢獻(xiàn)可用系數(shù)β2修正,通過對比試驗

測得的樁側(cè)摩阻力值,螺旋擠土樁的樁側(cè)摩阻力修正系數(shù)β2可取1.05。螺旋擠土樁樁身極限側(cè)摩阻力與樁周土密實度關(guān)系可以用式(4)表示:

(4)

圖5　擠土成孔樁極限樁側(cè)摩阻力的對比Fig.5　Comparison limited side resistance of compaction pile

5結(jié)論

1) 通過現(xiàn)場工程試驗可知,地基土平均密實度達(dá)到0.90，0.94時,對應(yīng)的非擠土挖孔樁的極限側(cè)摩阻力分別為74 kPa，100 kPa,相比原狀土的極限側(cè)摩阻力有了很大提高。

3) 當(dāng)?shù)鼗脸跏济軐嵍认嗤瑫r,擠土成孔樁的極限側(cè)摩阻力相對于非擠土挖孔樁的有了明顯提高,但隨著地基土初始密實度增長,極限側(cè)摩阻力的提高幅度逐漸變小。

4) 采用“有效擠密區(qū)”內(nèi)的平均密實度評價擠土成孔的擠土效果,這樣,擠土成孔樁周土體漸變的密實度對樁側(cè)摩阻力的影響可用系數(shù)β1=1.15修正。

5) 螺旋擠土樁與擠土成孔樁的擠土效果相差不大,但螺旋擠土樁的“嚙合”效應(yīng)也會使樁側(cè)摩阻力提高,其貢獻(xiàn)可用系數(shù)β2=1.05修正。

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(編輯：朱倩)

Research on Influence of the Pore Forming Type on Pile Side Friction Resistance

ZHANG Yuchuan,LIU Chenlin,LU Lianchang,LI Chunhui

(SchoolofCivilEngineeringandMechanics,LanzhouUniversity，KeyLaboratoryofMechanicsonDisasterandEnvironmentinWesternChinaofMinistryofEducation,Gansu,Lanzhou730000,China)

Abstract:In the field test and indoor model test,pile side friction resistance was determined by the method of vertical compressive load of single pile with empty bottom.Research results show that bored pile side friction resistance rises with increase of soil density degree,pile side friction resistance of compaction pile and spiral compaction pile is obviously improved compared with that of digging hole pile.The pile side limit friction resistance calculation of digging hole pile,compaction pile and spiral compaction was conducted also.The research results can be used to guide the design and construction of pile foundation,and make it economic and reasonable.

Key words:bored pile;pile side friction resistance;pore forming type;degree of density

中圖分類號:TU473.1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

DOI：10.16355/j.cnki.issn1007-9432tyut.2016.01.008

作者簡介：張豫川 (1963- )，女，寧夏銀川人，博士生，副教授，主要從事巖土工程及濕陷性黃土的處理的研究,(E-mail)yuch99999@sina.com

收稿日期：2015-08-19

文章編號:1007-9432(2016)01-0036-05