李仁杰， 何 菲， 王 旭， 張延杰， 杜 婷， 楊進(jìn)財(cái)

（1.蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院，甘肅蘭州 730070； 2.隴東學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅慶陽(yáng) 745000）

0 引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、國(guó)家安全和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在凍土區(qū)修建鐵路、公路、建筑等工程活動(dòng)日益增多［1-3］。樁基礎(chǔ)由于具有承載能力大、適用范圍廣、沉降小、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在多年凍土區(qū)具有廣泛的應(yīng)用。在多年凍土區(qū)應(yīng)用混凝土樁時(shí)，如何減少樁基混凝土水化熱對(duì)凍土溫度場(chǎng)的擾動(dòng)，保證經(jīng)擾動(dòng)的樁周多年凍土在工期容許的時(shí)間內(nèi)回凍、及時(shí)形成混凝土與凍土凍結(jié)強(qiáng)度，即盡早形成樁基承載力，以便上部結(jié)構(gòu)施工，是急需解決的施工難題。

多年凍土區(qū)混凝土樁主要有打入樁、插入樁和灌注樁等。不同的成樁工藝對(duì)樁周地溫的擾動(dòng)程度不同，擾動(dòng)后樁周土的回凍過程及承載力發(fā)揮都表現(xiàn)迥異。20世紀(jì)70年代，中國(guó)科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所、中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司、中鐵西北科學(xué)研究院有限公司等單位根據(jù)當(dāng)時(shí)青藏鐵路建設(shè)的要求，在青藏高原五道梁、清水河、沱沱河、楚瑪爾河和昆侖山口等建立了相關(guān)試驗(yàn)場(chǎng)地，開展了打入樁、插入樁、灌注樁的系列現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，取得了樁基回凍規(guī)律、樁側(cè)凍結(jié)強(qiáng)度等一系列研究成果，已被現(xiàn)行規(guī)范所采用，為多年凍土地區(qū)橋梁設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)［4-6］。在青藏鐵路、青藏公路的橋梁工程建設(shè)中，90% 的橋梁基礎(chǔ)采用鉆孔灌注樁［5］。國(guó)內(nèi)外科研單位和學(xué)者主要針對(duì)多年凍土區(qū)鉆孔灌注樁的溫度場(chǎng)［6-7］、回凍過程［8-10］、樁基承載力［11-17］等進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，有效地指導(dǎo)了相關(guān)工程的設(shè)計(jì)與施工。

凍土作為一種對(duì)溫度具有強(qiáng)烈的敏感性的特殊土，不同成樁工藝引起的熱擾動(dòng)效應(yīng)差異顯著，而凍土溫度場(chǎng)的改變，會(huì)造成凍土的融化與回凍，致使凍結(jié)強(qiáng)度改變，直接影響樁基的承載能力。目前對(duì)凍土地基不同成樁工藝所造成基樁承載力特性的差異研究相對(duì)較少。本文從成樁工藝入手，進(jìn)行樁基承載特性模型試驗(yàn)研究，分析不同成樁工藝對(duì)樁周溫度場(chǎng)、樁身軸力、樁側(cè)凍結(jié)力、樁端阻力的影響，為今后多年凍土區(qū)樁基施工與設(shè)計(jì)提供參考。

1 模型試驗(yàn)概況

1.1 模型樁制作

（1）插入樁和靜壓樁制作

插入樁和靜壓樁均采用混凝土模型樁，樁徑3.8 cm，樁長(zhǎng)65 cm，采用內(nèi)徑為3.8 cm 的PVC 管作為模具，填筑前將其底部封口，在另一端口處附近開一小口便于將應(yīng)變片引線取出。首先在PVC管底部灌入適量的混凝土，充分振搗后，將貼有應(yīng)變片的鋼筋置于PVC 管中心，鋼筋直徑6.5 mm，長(zhǎng)度60 cm。每10 cm 為一層，分層灌入C40微膨脹混凝土并充分振搗。灌注完成，養(yǎng)護(hù)48 h 待成型后進(jìn)行脫模，并將脫模后的模型樁裹在濕棉被中灑水養(yǎng)護(hù)7天，脫模前后的樁體見圖1。

圖1 混凝土預(yù)制樁Fig.1 The concrete precast piles

（2）鉆孔灌注樁制作

鉆孔灌注樁采用成孔灌注方式，樁徑3.8 cm，樁長(zhǎng)65 cm。填土固結(jié)穩(wěn)定后，采用微型鉆機(jī)成孔，成孔直徑為3.8 cm，插入貼有應(yīng)變片的鋼筋，分層澆注C40混凝土，并振搗密實(shí)。

（3）預(yù)留孔灌注樁制作

預(yù)留孔灌注樁采用成孔灌注方式，樁徑3.8 cm，樁長(zhǎng)65 cm。不同于鉆孔灌注樁的是，預(yù)留孔灌注樁是填土過程中在預(yù)定位置放置直徑為3.8 cm PVC管，填土固結(jié)穩(wěn)定后，拔出PVC 管成孔，插入貼有應(yīng)變片的鋼筋，分層澆注C40混凝土，并振搗密實(shí)。

1.2 模型填筑

（1）模型箱與低溫環(huán)境箱

試驗(yàn)采用框架結(jié)構(gòu)模型箱，尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=85 cm×60 cm×80 cm，內(nèi)壁貼有1 cm 厚有機(jī)玻璃，并做密封處理。為模擬實(shí)際環(huán)境和凍土樁基的熱交換過程，將模型箱四周及底部各粘貼2 層2.5 cm 厚致密保溫材料，確保在試驗(yàn)過程中僅通過模型箱上界面進(jìn)行熱交換。

試驗(yàn)中通過反力架對(duì)樁進(jìn)行加載，反力架豎向設(shè)計(jì)承載力為50 kN，主要由上部框架梁、移動(dòng)加載梁、連接桿和底板組成。底板平面尺寸為85 cm×85 cm，模型箱及反力架實(shí)物如圖2所示。

圖2 模型箱及反力架實(shí)物圖Fig.2 Model box and reaction frame physical map

試驗(yàn)時(shí)將模型箱及加載裝置置于低溫環(huán)境箱（圖3）中，環(huán)境箱尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=1.2 m×1.2 m×1.5 m。通過高低溫恒溫液浴循環(huán)機(jī)對(duì)環(huán)境箱進(jìn)行控溫，控溫范圍為-30～30 ℃，控溫精度為0.2 ℃。

圖3 低溫環(huán)境箱Fig.3 The environmental chamber at low temperature

（2）模型填筑及控溫

選取蘭州粉土，其粒徑級(jí)配如表1所示，基本物理性質(zhì)指標(biāo)見表2。

表1 粉土粒徑組成比例Table 1 Silt particle size composition ratio

表2 基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table2 Basic physical property index

填土密度為1.60 g·cm-3，含水率為19%，分層填筑。首先在模型箱底部填筑10 cm 厚土層，按照樁位的布置圖在相應(yīng)位置用PVC 管預(yù)留孔位，如圖4 所示。根據(jù)溫度傳感器的布置深度分層填筑模型。填筑完成后，通過高低溫恒溫系統(tǒng)對(duì)環(huán)境箱內(nèi)進(jìn)行制冷，進(jìn)而對(duì)模型箱內(nèi)土體降溫。由于在青藏線中部分地段多年凍土地溫常介于-1.0～-1.5 ℃，故將試驗(yàn)溫度條件設(shè)定為-1.5 ℃。為了控制降溫時(shí)間，先將環(huán)境箱目標(biāo)溫度設(shè)定為-20 ℃，待土體冷凍數(shù)十天，當(dāng)內(nèi)部溫度降至0 ℃附近后，將目標(biāo)溫度調(diào)至并保持到試驗(yàn)溫度所需的-2 ℃，恒溫階段耗時(shí)約7 天，使土體平均溫度降至試驗(yàn)所需的-1.5 ℃附近，且延長(zhǎng)對(duì)土體溫度的監(jiān)測(cè)時(shí)間發(fā)現(xiàn)，土體溫度變化并不明顯。

圖4 樁位平面布置圖（單位：cm）Fig.4 Pile position plan（unit：cm）

當(dāng)土體溫度降至-1.5 ℃時(shí)，此時(shí)低溫環(huán)境箱內(nèi)的溫度約為-2 ℃，拔出PVC 管成孔，靜壓樁孔徑為3.6 cm，插入樁孔徑為5.0 cm，預(yù)留孔灌注樁孔徑為3.8 cm。將預(yù)制模型樁通過千斤頂壓入靜壓樁孔，另一根模型樁插入到預(yù)留插入樁孔，并在插入樁樁周回灌冰水混合物砂漿。同時(shí)采用直徑為3.8 cm，長(zhǎng)度為67 cm 的鉆機(jī)進(jìn)行鉆孔灌注樁成孔，用0 ℃的水泥砂漿護(hù)壁后，分別往鉆孔灌注樁和預(yù)留孔灌注樁樁孔中插入鋼筋，分層澆注混凝土，振搗密實(shí)，并在低溫環(huán)境箱中每日給樁頭灑水養(yǎng)護(hù)，共養(yǎng)護(hù)7天。

1.3 測(cè)試元件布置

4 種不同成樁工藝的基樁中鋼筋兩側(cè)對(duì)稱粘貼應(yīng)變片，沿深度布置位置相同，如圖5 所示，距樁頂3、9、16、23、30、37、44、51、57、63 cm，共10處。

圖5 應(yīng)變片及溫度傳感器布置圖（單位：cm）Fig.5 Strain gauge and temperature sensor layout（unit：cm）

在距4 種不同成樁工藝的基樁樁側(cè)1.5 cm 處，沿深度布置溫度傳感器，如圖5 所示。距填土頂面2、12、22、32、42、52、62 cm，共7 處。并在預(yù)留孔灌注樁和鉆孔灌注樁之間等間距處加設(shè)溫度傳感器，沿相同深度均勻布置，如圖4所示。

1.4 加載過程控制

根據(jù)《鐵路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》［18］中不同成樁工藝的基樁單樁容許承載力的規(guī)定對(duì)試樁的極限承載力進(jìn)行預(yù)估，得到靜壓樁的極限承載力為11.1 kN；插入樁的極限承載力為7.6 kN；灌注樁的極限承載力為12.8 kN。待灌注樁養(yǎng)護(hù)至齡期滿，使用千斤頂和分壓閥同時(shí)給4根樁進(jìn)行加載，其中在加載測(cè)試過程中低溫環(huán)境箱內(nèi)溫度維持在-2 ℃左右。

本試驗(yàn)采用慢速加載法獲取基樁極限承載力，將試驗(yàn)加載級(jí)數(shù)定為2.0、3.2、4.4、5.6、6.8、8.0、9.2、10.4、11.6、12.8 kN，共10 級(jí)。每級(jí)荷載施加后，在最后24 h 內(nèi)樁下沉量不大于0.5 mm 時(shí)視為穩(wěn)定，施加下一級(jí)荷載，直到在某級(jí)荷載下，連續(xù)10晝夜達(dá)不到穩(wěn)定視為樁基破壞，終止加載［19］。

1.5 測(cè)試過程控制

（1）溫度測(cè)試

溫度測(cè)試采用WPT-PT100 A 型溫度傳感器，其溫度測(cè)量范圍為-50～300 ℃，R0漂移≤0.04%，通過連接溫度巡檢儀記錄溫度變化。靜壓樁和插入樁每12 h 觀測(cè)一次，灌注樁在澆筑完后每2 h 觀測(cè)一次，待加載時(shí)恢復(fù)為每12 h觀測(cè)一次。

（2）沉降測(cè)試

位移測(cè)試采用WBD-30 型機(jī)電百分表，其量程和最小分辨系數(shù)分別為0～30 mm和1 με：0.01 mm，零點(diǎn)溫度飄（F.S）＜0.05%/℃，時(shí)間飄移8h/F.S＜0.5%，電測(cè)綜合誤差系數(shù)≤±6 με，正常工作溫度為-5～45 ℃。每級(jí)荷載施加前后各記錄一次讀數(shù)，荷載穩(wěn)定期間每1 h 記錄一次讀數(shù)。當(dāng)荷載較大時(shí)，由于樁頂沉降過快，每0.5 h記錄一次讀數(shù)。

（3）應(yīng)變測(cè)試

應(yīng)變測(cè)試采用BF350-3AA 溫度補(bǔ)償應(yīng)變片，正常工作溫度為-30～80 ℃，靈敏系數(shù)為（2.11±1.00）%。應(yīng)變片通過連接靜態(tài)應(yīng)變測(cè)試儀進(jìn)行自動(dòng)采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樁側(cè)溫度沿深度分布情況

圖6（a）為成樁前土體各位置處溫度沿深度分布曲線，可知，各樁側(cè)土體及灌入樁間土溫度在同一深度處溫度基本一致，而豎直方向不同深度處的溫度值略有不同，中下部深度處的溫度較為均勻。其中，由于前期-20 ℃低溫處理時(shí)間較長(zhǎng)，上部土體率先和外界環(huán)境進(jìn)行熱交換，且模型上表面熱交換強(qiáng)度較大而箱底因?yàn)楸貙痈魺釤峤粨Q強(qiáng)度較小，使得上部土體溫度數(shù)值較下部偏低。而靠近土層表面2 cm 處，由于對(duì)環(huán)境箱內(nèi)溫度變化較為敏感，當(dāng)開關(guān)箱門時(shí)致使溫度有所升高。

圖6 不同時(shí)間段溫度沿深度分布曲線Fig.6 Temperature distribution along the depth of different time periods

圖6（b）～6（d）分別為試驗(yàn)樁施工完成時(shí)、施工完成后2 天、10 天的溫度曲線。分析圖6（b）可得，2根灌注樁的樁側(cè)溫度分布曲線形狀大致相同，其成樁過程對(duì)地溫場(chǎng)的影響最大，可見在制樁過程中混凝土材料的蓄熱量及硬化過程中的水化熱對(duì)初始地溫場(chǎng)影響劇烈。此外，鉆孔灌注樁的施工伴隨鉆機(jī)對(duì)地基的劇烈擾動(dòng)作用，使得鉆孔灌注樁樁側(cè)溫度平均升高到7 ℃，加之施工對(duì)整個(gè)填土頂面的影響，灌注樁樁側(cè)頂面溫度可高達(dá)12 ℃。而靜壓樁和插入樁樁側(cè)溫度升高幅度不大，由于靜壓樁樁孔孔徑僅比樁徑小2 mm，減小了靜壓樁在成樁過程中對(duì)地基的擾動(dòng)作用，故樁側(cè)溫度升高幅度小。相比靜壓樁，插入樁在樁土間灌入冰水混合物砂漿帶入的熱量不多，使得成樁后插入樁樁側(cè)溫度比靜壓樁稍高。但2 根灌注樁間土體亦受到2 根灌注樁的共同擾動(dòng)和混凝土水化熱的影響，溫度升高至0 ℃以上，且升高幅度大于靜壓樁和插入樁。由此可見，灌注樁對(duì)周圍凍土環(huán)境的擾動(dòng)大，且融化圈范圍要大于靜壓樁和插入樁。

成樁后，隨著環(huán)境箱溫度的降低，填土地基溫度開始降低。由圖6（c）可見，施工完成后2天，各樁樁側(cè)溫度明顯降低，當(dāng)成樁后10 天時(shí)［圖6（d）］，地溫基本穩(wěn)定，各測(cè)點(diǎn)溫度已達(dá)到施工前的95% 以上，可進(jìn)行后續(xù)的加載工作。隨著樁周土體的回凍，2 根灌注樁樁側(cè)降溫速率最大，即灌注樁樁側(cè)降溫回凍比灌注樁間土、靜壓樁和插入樁更快，且處在同一深度處灌注樁樁側(cè)溫度與樁間溫度的溫度梯度隨著時(shí)間的推移在逐漸縮小。

2.2 荷載-沉降曲線分析

單樁豎向靜載試驗(yàn)荷載-沉降（Q-s）曲線是樁土體系荷載傳遞、側(cè)阻和端阻發(fā)揮性狀的綜合反映。4根樁荷載-沉降曲線，如圖7所示。

分析圖7可得：

圖7 荷載-沉降曲線Fig.7 Load-settlement curves

（1）4 種不同成樁工藝的基樁荷載-沉降曲線呈陡降型，均存在明顯拐點(diǎn)。試驗(yàn)中預(yù)留孔灌注樁、鉆孔灌注樁、靜壓樁和插入樁的極限承載力分別為12.8、12.8、11.6、8.0 kN，達(dá)到極限承載力時(shí)所對(duì)應(yīng)的樁頂位移分別為5.81、5.23、4.68、2.62 mm。

（2）靜壓樁屬于擠土樁，成樁過程中靠近樁端、樁側(cè)的土體受到擠密作用，使樁端阻力和樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）得到提高，而插入樁是非擠土樁，由于灌入的砂漿密實(shí)度不如地基土，且樁底土未得到提前預(yù)壓，使得其整體承載力較小，表現(xiàn)出同一荷載作用下插入樁的沉降量比靜壓樁大。

（3）2 根灌注樁的荷載沉降曲線接近，鉆孔灌注樁樁體與孔壁的接觸面粗糙，在灌注時(shí)混凝土的振搗作用使得樁底土的密實(shí)度較高，基樁承載力較大。預(yù)留孔灌注樁-樁側(cè)土的接觸面粗糙程度相比鉆孔灌注樁要小，表現(xiàn)出其樁側(cè)阻力較小，達(dá)到極限承載力時(shí)所對(duì)應(yīng)的樁頂位移較鉆孔灌注增大10% 左右。而且灌注樁屬于非擠土樁，在施工過程中樁底易擾動(dòng)，且存在少量沉渣，當(dāng)施加較大荷載時(shí)相對(duì)較易將荷載傳至樁端，使灌注樁沉降量增大。

2.3 樁身軸力、樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）分析

4 根試驗(yàn)樁樁身軸力沿深度分布如圖8 所示。在上部荷載作用下，基樁軸向彈性壓縮使樁土產(chǎn)生相對(duì)位移，進(jìn)而產(chǎn)生樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力），而上部荷載則克服樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）沿樁身向下傳遞。樁身軸力曲線大致呈拋物線性分布，其中曲線的陡緩程度反映出在該段土層樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）的大小，曲線越緩，樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）越大，反之則越小。

分析圖8 可得，加載初期，施加的荷載較小，樁身壓縮變形量小，樁身軸力不大，沿深度遞減，樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）未充分發(fā)揮，曲線較陡。隨著荷載的增加，曲線逐漸變緩，說明樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）正逐步發(fā)揮，樁底土層也因受到壓縮產(chǎn)生端阻力，且不斷增大。這表明各測(cè)試截面隨著樁頂荷載的增加，樁身壓縮變形量和樁頂位移量逐漸增大，樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）發(fā)揮作用，加快了軸力沿深度的衰減速度。

圖8 樁身軸力-深度分布曲線Fig.8 Pile axial force-depth distribution curves

樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）沿深度分布如圖9所示。分析圖9可得，隨著荷載的增加，樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）逐步發(fā)揮，但由于樁身上部較下部先受到壓縮，率先產(chǎn)生向上的樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力），體現(xiàn)了樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）發(fā)揮的異步性。由樁側(cè)溫度沿深度分布情況可知，距填土表面20 cm 范圍內(nèi)土體溫度較低，并在10 cm 深度處溫度達(dá)到最低。低溫增大了樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力），使得樁身上部樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）相對(duì)于下部而言較大，并在10 cm 處達(dá)到最大值。結(jié)果表明樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）的發(fā)揮主要由樁身上部1/3承擔(dān)。

圖9 樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）-深度分布曲線Fig.9 Pile side friction（freezing force）- depth distribution curves

2 根灌注樁在荷載增大到一定程度時(shí)，靠近樁端位置樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）增大，而靜壓樁和插入樁均未出現(xiàn)這種情況。當(dāng)荷載增加至6.8 kN 時(shí)，主要是由于樁端土層的壓縮加大了樁土相對(duì)位移，使得靠近樁端位置的樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）得到發(fā)揮，并隨著荷載的增大，其樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）逐漸增大，致使2 根灌注樁的極限承載力較靜壓樁和插入樁要大。

圖10 是4 種不同成樁工藝的基樁在荷載為5.6 kN 時(shí)樁身軸力沿深度分布圖。分析圖10可得，樁身軸力均沿深度方向逐漸減小，在相同深度處，F(xiàn)N靜壓樁＞FN預(yù)留孔灌注樁＞FN鉆孔灌注樁＞FN插入樁，即靜壓樁、預(yù)留孔灌注樁、鉆孔灌注樁、插入樁樁身軸力衰減速度依次減小，靜壓樁較其他三種基樁更易把荷載傳遞到凍土區(qū)較深的地基土層中，進(jìn)一步反映了不同成樁工藝對(duì)基樁荷載傳遞性能造成的差異性。

圖10 5.6 kN時(shí)樁身軸力沿深度分布Fig.10 Depth distribution along the axial force of the pile body at 5.6 kN

3 結(jié)論

（1）成樁過程中，2 根灌注樁較靜壓樁和插入樁的樁側(cè)溫度要高，即T鉆孔灌注樁＞T預(yù)留孔灌注樁＞T插入樁＞T靜壓樁，且灌注樁對(duì)周圍凍土環(huán)境及地溫場(chǎng)的擾動(dòng)程度大。伴隨著樁周土體的回凍，2 根灌注樁樁側(cè)的降溫速率最大，即灌注樁樁側(cè)降溫回凍比灌注樁間土、靜壓樁和插入樁更快。

（2）4 種不同成樁工藝的基樁在加載至破壞的過程中，均存在明顯拐點(diǎn)。預(yù)留孔灌注樁和鉆孔灌注樁的極限承載力最大，約為12.8 kN，靜壓樁為11.6 kN，插入樁的極限承載力最小，約為鉆孔灌注樁的2/3。同時(shí)，對(duì)比4 種不同成樁工藝的基樁在不同荷載條件下對(duì)應(yīng)沉降量的差異，體現(xiàn)出成樁工藝對(duì)樁基荷載沉降性能的影響。

（3）4 種不同成樁工藝的基樁樁身軸力曲線形狀相似，隨著荷載的增加，樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）和樁端阻力都隨之增大，其中樁側(cè)摩阻（凍結(jié)力）主要由樁身上部1/3 承擔(dān)。此外，成樁工藝的不同會(huì)影響基樁的荷載傳遞性能，靜壓樁相對(duì)于插入樁和灌注樁而言，更易把荷載傳遞到凍土區(qū)深層地基中，體現(xiàn)出成樁工藝對(duì)荷載傳遞性能的影響。