静钻根植竹节桩荷载传递机理模型试验

周佳锦，龚晓南，王奎华，张日红，严天龙

（1.浙江大学 滨海与城市岩土工程研究中心，浙江 杭州310058；

2.浙江大学 软弱土与环境土工教育部重点实验室，浙江 杭州310058；3.浙东建材集团，浙江 宁波315000）

静钻根植竹节桩是一种新型组合桩基，其运用静钻根植工法在预定桩位处用特定螺旋钻喷浆搅拌形成水泥土，待水泥土搅拌均匀螺旋钻移出钻孔后放入预制竹节桩形成组合桩基.这种组合桩基既可以避免预制桩在打入过程中的挤土效应，也不会出现钻孔灌注桩施工过程中大量泥浆排放的情况.

埋入式竹节桩在日本已经得到了广泛的应用，一些日本学者也对这种桩型的承载性能以及荷载传递机理进行了研究［1-5］，由于日本的地质情况不同于中国，而且描述土体性质所用参数也与中国不同，虽然日本关于竹节桩的研究对竹节桩在我国的应用与研究有一定的指导作用，但不能适用于我国的软土地区.静钻根植竹节桩在我国东南沿海软土地区已经有了初步应用，笔者对这些工程中的试桩数据进行了收集与整理，并对竹节桩的荷载传递机理进行了一些研究［6］.

现场静载试验很难测出竹节桩周围水泥土中的应力，而水泥土作为静钻根植竹节桩的重要组成部分在荷载传递过程中起着十分重要的作用，因此，对水泥土中的应力进行研究有着重要意义.为了对静钻根植竹节桩的荷载传递机理进行更加深入的研究，笔者进行了静钻根植竹节桩的单桩模型试验，通过贴在桩身与PVC管上的应变片以及土压力传感器分别对桩身轴力、水泥土应力以及桩端阻力进行测量，通过模型试验实测数据对静钻根植竹节桩的荷载传递机理进行详细的分析.

1 竹节桩模型试验准备

1.1 模型桩

试验所用模型桩采用尺寸比为1：5，模拟450（300）mm型竹节桩（竹节处直径为450 mm，桩身直径为300 mm的竹节桩）.模型桩竹节处直径为90 mm，桩身直径为60 mm，相邻竹节间距为200 mm，每段模型桩桩长1 m，共2段，模型桩总长2 m.静钻根植竹节桩中桩身竹节的作用主要是增加竹节桩与桩周水泥土的黏结力，模型试验中竹节桩桩身较短，桩周土体所能提供的侧摩阻力也不是很大，可以认为节间距的改变对静钻根植竹节桩的承载性能影响不大.在现场试验中，450（300）mm型竹节桩搅拌直径为550 mm，桩端扩大头高度约为3倍搅拌直径，扩大头直径约为1.5倍搅拌直径，所以模型试验中桩周水泥土直径为110 mm，桩端扩大头直径为165 mm，扩大头高度为330 mm.

为了对竹节桩桩身轴力以及桩周水泥土在各级荷载作用下轴力的变化进行测量，需在桩身及水泥土中布置应变测量仪器.本试验中采用桩身贴应变片组成全桥电路的方法测量竹节桩桩身轴力，自桩头开始每隔0.2 m布置一组应变片，由于两段桩连接处需要进行焊接，该处没有布置应变片，整个桩身共布置了8组应变片全桥电路，且每组电桥的4个应变片分别均匀布置在桩身圆周的4个表面上以增加测试数据的准确性.贴应变片时先用砂纸将所需贴应变片位置处抹平并涂上无水酒精，待无水酒精挥发后再贴上应变片，并挤压应变片消除应变片与桩身之间的气泡，最后在应变片外涂上环氧树脂对其进行保护.桩周水泥土中应力的测试可以采用弹性模量与水泥土较为相近的PVC管上布置应变片电桥的方法来实现［7-8］.为了对竹节桩桩端阻力进行测量，在桩底放置了一个土压力传感器.模型竹节桩及PVC管如图1和图2所示.

图1 模型竹节桩示意图Fig.1 Sketch of model nodular pile

图2 PVC管示意图Fig.2 Sketch of PVC pipe

1.2 模型槽及地基土制备

考虑到模型试验的尺寸效应，模型槽选用长宽都为1.8 m，高度为2.5 m的铁质模型箱，模型桩竹节处直径为90 mm，模型桩距模型箱边界距离为10倍的桩径.除此之外，为了在填土完成后对地基土进行饱和，模型箱内壁安装了4根内径为10 mm的不锈钢薄管，钢管需通到模型箱底部.模型箱底部安装4个阀门，便于地基土饱和后进行排水.

试验采用地基土的土层布置形式是桩侧为黏土，桩端为砂土，其基本物理性质如表1所示，其中D为土层深度，γ为土体重度，c为土体黏聚力，φm和φr分别为土体内摩擦角的最大值和残余值，Ks为土体压缩模量.模型试验采用分层击实后饱和上水的方式进行地基土填筑，填土过程中在保证土体密度、含水量等指标达到设计要求的同时需要使地基土具备较好的均匀性.

表1 试验所用土体的物理力学指标Tab.1 Physical and mechanical properties of soil in test

模型试验采用分层击实的方法填筑地基土，使每层土体在压实后厚度为0.1 m，模型槽尺寸为1.8 m×1.8 m，则压实后每层土体相应的土方量和ΔV和土体质量Δm分别为

Dysregulation of the Wnt/β-catenin signaling pathway is seen in some neuroendocrine tumors of the gut.

式中：L为模型槽边长，Δh为每层土体厚度，ρ为土体密度.

在填筑过程中通过控制填土干密度来控制填土量，通过室内土工试验测得桩侧黏土干密度为1.50 g／cm3左右，桩端砂土干密度为1.60 g／cm3左右.则填土过程中土体的实际密度为

式中：ρd为土体干密度，w（水）为土体中水的质量分数（含水量）.

试验所用黏土含水质量分数为20%左右，砂土含水质量分数为6%左右，根据所设定干密度通过式（3）可以得到土体的实际密度，再通过式（2）得到每层填土的质量.填土时将一层所需填土量倒入模型箱内，然后人工分块振实直到土体达到模型箱内预先画好的刻度线.每层填土振实到预定刻度线后取3个测点测土体密度，所测平均密度以及其中2组以上试样的密度比设定密度差值不超过5%认为合格，可进行下一层填土，否则需要将该层进行重新填筑至达到合格标准.由于桩端扩大头的存在，模型桩需要先进行扩大头的制作并预埋在土槽中心处；而由于静钻根植竹节桩所采用的独特的施工工法，在填土工程中需预埋一根外径为110 mm的铁管并均匀地套在模型桩外侧，在地基土制备完成后将铁管拔出，并将搅拌均匀的液态水泥土灌入到预留的孔中，在灌入过程中不断用细铁棒进行人工振捣使液态水泥土足够密实，而且有一部分液态的水泥土能够渗入到周边土中，这种方法能够使成型后的模型桩中竹节桩-水泥土和水泥土-桩周土界面紧密接触，与原型静钻根植竹节桩相似.

填土完成后对地基土进行饱和，在模型箱反力架上放置4个水桶分别对模型箱内预先设好的4根水管进行注水.模型箱反力架高出土面0.4 m，水桶内水面高于填土表面0.5 m左右，水通过管道慢慢渗透入土体中，待土体表面有积水出现则可以认为土体已完成饱和.饱和时间约为10天左右.在饱和完成后，将模型箱底部安装的4个阀门打开，进行排水.土体排水后，在模型槽取土进行室内物理力学性质试验，并对模型槽内土层进行静力触探试验.

1.3 加载系统

模型试验采用液压千斤顶直接对模型桩进行加载，千斤顶量程为300 k N.测试系统由压力传感器、百分表、静态应变测试仪及数据采集装置组成.数据采集装置连接压力传感器，压力传感器量程为300 k N，压力传感器及数采装置预先在压力机上进行标定，试验所用百分表量程为60 mm.

1.4 水泥土试验

作为静载根植桩的重要组成部分，水泥土在组合桩的荷载传递过程中起着重要作用，水泥土的强度和弹性模量的变化都会对组合桩的承载力产生影响.而桩周水泥土与桩端水泥土在组合桩中所起的作用也不同：桩周水泥土作为一个过渡层主要起着改善桩与桩周土体接触面的摩擦性质的作用，而桩端扩大头则需要分担一部分桩端阻力.在实际工程中，桩端扩大头注浆体积为整个桩端扩大头的体积，即理论上桩端处泥浆将被水泥浆完全替换，而桩侧注浆量为桩侧体积的1／2；桩端注入水泥浆的水灰比（即水灰质量比）为0.6，桩侧水泥浆水灰质量比为1.0.考虑到在实际工程中泥浆不会被水泥浆所完全替换，并参考现场取芯水泥土试块试验结果，一般将桩端水泥浆与泥浆的体积比定为2：1，桩侧水泥浆与泥浆的体积比为0.3：1.通过室内试验测得现场泥浆含水质量分数为50%左右.为了研究该种配比情况下水泥土的强度及弹性模量，以及在实际工程运用中最优水灰质量比及水泥浆与泥浆体积比，将桩侧水泥土水灰质量比分别取为1.0和1.5，水泥浆与泥浆体积比为0.3：1；桩端水泥土水灰比为0.6，水泥浆与泥浆体积比分别为1∶1、1.5∶1，、2∶1.考虑到水泥土中水泥掺入量较大，制样时参考砂浆制样方法，并参照已有水泥土力学性能试验方法［9-10］，利用砂浆试块模具（70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm）进行制样，将上述5种不同配比的水泥土分别放入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方体模具中进行制样；在标准养护室养护中28 d后在万能试验机上进行无侧限抗压强度试验，试验结果如表2所示，其中ps为水泥土无侧限抗压强度；Kcs和Ec分别为为水泥土的压缩模量和弹性模量.

表2 不同配比水泥土无侧限抗压强度试验结果Tab.2 Testing results of unconfined compressive strength of cemented soil with different ratio

从表2可以看到，对于桩侧水泥土，当水灰质量比为1.5时，试块无侧限抗压强度为0.340 MPa，而当水灰质量比变为1.0时，试块无侧限抗压强度变为0.706 MPa，是水灰质量比为1.5时强度的2.08倍，考虑到桩基设计的安全性，不宜将桩侧水泥土的配比进行更改.对于桩端水泥土，当水泥浆和泥浆的体积比分别为1.0、1.5和2.0时，水泥土试块无侧限抗压强度分别为7.08、9.37和11.10 MPa；当体积比为1.5时，水泥土试块无侧限抗压强度已经达到了9.37 MPa，能够满足实际工程中所需的水泥土强度，考虑到桩基设计的经济性，可以适当减小桩端水泥浆的注入量.

2 竹节桩静载试验

2.1 竹节桩单桩静载试验

模型试验单桩竖向静荷载试验执行建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）［11］.采用液压千斤顶对模型桩进行加载，使用百分表测量桩顶沉降，静态应变测试仪对桩身轴力以及水泥土中的轴力进行测量.试验采用慢速维持荷载法，分级加载进行试验，理论上荷载分级为设计预估最大试验荷载的1／8～1／12取值，由于没有明确的静钻根植竹节桩这种新型桩基的承载力计算公式，为了保证试验曲线的完整，本次加载的分级荷载取值偏保守.每级加载后按时间间隔5、15、30、45、60、90 min…测读沉降量，直到沉降达到稳定（稳定标准为不超过0.1 mm／h），再继续加下一级荷载；卸载值为每级加载值的2倍，按第15、30、60 min测读，卸载至零后维持时间为3 h.模型试验装置如图3所示，根据试验所测得的数据，经整理后所绘制的试桩荷载位移曲线如图4所示，其中F为桩顶荷载，S为桩顶位移.从图4中可以看出，试桩在加载过程中，各级沉降稳定、连续、无突变，属于缓变型曲线；结合建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2003）标准4.4.2条，该模型桩单桩极限承载力为70 k N.从图4中还可以看出，卸载后试桩的回弹量很小，这是因为模型竹节桩为实心钢桩，在加载至破坏阶段时桩身几乎没有压缩量，而桩底砂土层回弹量也不大，所以卸载后回弹量很小.

图3 模型试验图Fig.3 Sketch of model test

图4 试桩荷载位移曲线Fig.4 Load-displacement curve of test pile

2.2 竹节桩桩身轴力分析

竹节桩桩身轴力以及桩周水泥土中轴力由布置在桩身表面以及PVC管上的应变片测得，桩端阻力则由预埋在桩端土体处的土压力传感器进行测量.竹节桩及桩周水泥土在各级荷载作用下的轴力分布曲线如图5和图6所示，其中FB和Fc分别为竹节桩及水泥土轴力，L为试桩桩身深度.

从图5中可以看出，在各级荷载作用下，竹节桩桩身轴力自桩身到桩端逐渐减小，这是由于桩周土体为了阻止桩身下沉对桩体产生了向上的侧摩阻力.从图5中还可以看出，当桩顶加载10 k N时，桩身下部轴力为零，随着荷载的增加，桩侧摩阻力得到进一步的发挥，同时，管桩的轴力也在增加，桩身下部逐渐产生轴力，此时，桩端阻力也开始发挥，且端阻所占比例逐渐增大.从图中可以看出，静钻根植竹节桩在不同荷载作用下的桩身轴力曲线与传统桩基的桩身轴力曲线基本一致.

图5 各级荷载作用下竹节桩桩身轴力曲线Fig.5 Axial force of nodular pile under different loads

图6 各级荷载作用下桩周水泥土轴力曲线Fig.6 Axial force of cemented soil under different loads

从图6中可以看出，桩侧水泥土中轴力沿着试桩桩身基本保持不变，且随着桩顶荷载的增加桩周水泥土中轴力增量较小，说明桩周水泥土起着传递荷载过渡层的作用，不直接分担荷载，所以对桩侧水泥土的强度要求不高.从图6中还可以看出，在距离桩顶1.4～1.6 m处，桩周水泥土中轴力突然增大.而在模型桩桩端扩大头高度为0.33 m，深度1.6 m处模型桩周围水泥土仍为桩侧水泥土，当桩顶荷载为70 k N时，在1.6 m深处水泥土中轴力为1.84 k N，应力为0.28 MPa，小于0.71 MPa.虽然本实验中桩侧水泥土强度达到了要求，但由于桩侧水泥土强度远小于桩端水泥土强度，而在靠近桩端水泥土处的桩侧水泥土中应力会突然增大，在实际工程中需要特别注意增强该部分水泥土的强度.从图6中还可以得知，桩端水泥土中轴力明显比桩周水泥土中轴力要大，在加载到70 k N时，桩端水泥土轴力为11.6 k N，此时水泥土中应力为1.46 MPa，而竹节桩桩身桩端力为40.2 k N，所以桩端水泥土承担了整个复合桩桩端阻力的22.4%，桩端水泥土起着承担桩端阻力的作用.

2.3 竹节桩桩侧摩阻力与桩土相对位移

静钻根植竹节桩是预制竹节桩与桩周水泥土组合在一起的组合桩基，在受荷过程中竹节桩与水泥土为一个整体，所以在计算其桩土相对位移时只需考虑水泥土与桩周土之间的相对位移.第i段桩土相对位移量δi可用下式进行计算［12］：

式中：L j为第j段桩桩长；εj、εj+1分别为第j和j+1截面处钢筋应力计应变.由于本次试验所采用的模型竹节桩为实心钢桩，实验过程中桩身几乎没有应变，桩侧摩阻力与桩土相对位移曲线如图7所示，其中ppf为桩侧摩阻力，S1为桩土相对位移.而根据地基土建筑完成后进行静力触探所得数据以及土体的室内土工试验，并参照建筑桩基技术规范JGJ94-2008［13］中关于土体极限侧摩阻力取值的说明，对模型箱内各层土体极限侧摩阻力标准值进行归纳如表3所示，其中pf为土层极限侧摩阻力标准值.由表1知，在0～1.8 m深度范围内土体为黏土，而在1.8～2.0 m深度范围内土体为砂土，从表3中可以看出，土所能提供的侧摩阻力随土层埋深的增加而增大，桩端附近砂层所能提供的侧摩阻力比黏土所能提供的侧摩阻力大.

图7 试桩桩侧摩阻力-桩土相对位移曲线Fig.7 Skin friction versus pile-soil relative displacement

表3 试验用土侧摩阻力标准值______Tab.3 Proposed skin friction of soil layer

从图7中可以看出，随着桩土相对位移的增加，各个土层所提供的侧摩阻力也逐渐增大；当桩土相对位移达到某一值后，桩侧摩阻力达到极限值，随着桩土相对位移的增加桩侧摩阻力基本保持不变.从图7中还可以看出，在1.6～2.0 m埋深处的土体在桩侧摩阻力达到极限值后，随着桩土相对位移的增加桩侧摩阻力会有所减小，并逐渐趋于稳定，即该土层出现了软化现象.

对比图7和表3可以发现，模型试验中实测的各个土层所提供的极限侧摩阻力值是用静力触探试验和室内土工试验归纳的极限侧摩阻力值的1.20～1.47倍，这比文献［7］中提到的静钻根植竹节桩所受桩侧摩阻力是一般灌注桩的1.05～1.10倍还要高.这很可能是因为模型试验中水泥土搅拌很均匀，水泥土强度及水泥土与周边土体的接触都比较好，而施工现场虽然有专业设备对水泥浆与泥浆进行搅拌，考虑到施工现场场地条件的复杂性，水泥土均匀程度以及水泥土与桩周土体的接触面摩擦性质可能没有模型试验中的水泥土效果好，因此，通过对上述实验数据的比较可以得到在实际施工过程中提高水泥土的搅拌均匀度可以提高静钻根植竹节桩的承载力.

2.4 竹节桩桩端阻力

模型桩桩端阻力与桩端位移曲线如图8所示，其中F t为桩端阻力，S2为桩端位移.图中3条曲线分别为组合桩基总桩端阻力、竹节桩承担桩端阻力以及桩端水泥土承担桩端阻力与桩端位移之间的关系，其中组合桩基总的端阻为竹节桩与桩端水泥土承担端阻之和.从图8可以看出，当桩端位移较小时，竹节桩中桩端轴力和桩端水泥土中轴力随着桩端位移的增加而增大；当桩端位移超过7.5 mm时，竹节桩桩端轴力继续随着桩端位移的增加而增大，而桩端水泥土中轴力基本保持不变，这很可能是因为竹节桩与桩端水泥土的弹性模量不同，随着桩端阻力的增加，竹节桩与桩端水泥土中应力也随之增加，而桩端水泥土中应变比竹节桩应变要大，桩端处水泥土与竹节桩之间产生了相对位移，所以当桩端位移超过7.5 mm时，随着桩端位移的增加，桩端水泥土中轴力基本保持稳定.

图9为竹节桩桩端及桩端水泥土承担桩端阻力随着组合桩总的桩端阻力的变化曲线，其中Fpt和Fct分别为竹节桩及桩端水泥土中承担的桩端阻力.从图9可以看出，当组合桩基桩端阻力较小时，竹节桩桩端与桩端水泥土中的轴力几乎相同；当桩端阻力大于18 k N时，随着桩端阻力的增加竹节桩桩端轴力与水泥土中轴力差慢慢增大，当组合桩基桩端阻力达到56.7 k N时，竹节桩桩端轴力为45.1 k N，桩端水泥土中轴力为11.6 k N，竹节桩桩端和桩端水泥土轴力比为4：1.当试桩达到极限承载力时，桩端水泥土所承担荷载为组合桩基桩端总荷载的20%，说明桩端水泥土的确承担着分担一部分桩端阻力的作用.

图8 试桩桩端阻力-桩端位移曲线Fig.8 Mobilized tip resistance versus tip displacement

图9 试桩桩端阻力分配曲线Fig.9 Proportion of mobilized base load

2.5 竹节桩桩端位移计算

有学者对桩基的桩端沉降进行过研究，并提出过一些桩基沉降计算公式，其中文献［14］中提出的桩端沉降计算公式运用较为广泛：式中：Sb为桩端沉降，Pb为桩端荷载，μ为土体泊松比，Gb为土体剪切模量，rb为桩端半径.模型试验中桩端砂土泊松比μ=0.3，桩端半径为82.5 mm.

从图8中可以看到试桩桩端阻力和桩端位移之间呈非线性关系，文献［15］中提出了一个用桩端土体剪切模量的改变来模拟桩端阻力与桩端位移之间的关系：

式中：Gb为桩端土体剪切模量，Gbi为桩端土体初始剪切模量，Rf为破坏比，Qb为最大桩端阻力，Pb为桩端阻力.根据图8中桩端阻力与位移曲线的初始部分及公式（5）可算得桩端土体初始剪切模量为11.5 MPa；破坏比Rf取为0.65.

模型试验实测桩端荷载位移曲线与计算所得曲线如图10所示.从图10可以看出，在桩端阻力较小时实测曲线与计算所得曲线基本吻合；当桩端阻力超过27.5 k N时，计算所得曲线与实测曲线出现了一些偏差，这很可能是由于在桩端注浆过程中有水泥浆渗透到了土层中使得桩端持力层土体强度增加.从整体上看，当Rf=0.65时，上述理论计算公式能较好地表达试桩桩端阻力与位移曲线.

图10 试桩桩端阻力-位移对比曲线Fig.10 Contrast curves of tip displacement versus base load

3 结 论

本文介绍了静钻根植竹节桩这种新型桩基的模型试验，对其在荷载传递过程中预制竹节桩及桩周水泥土所起的作用进行了研究，通过对模型试验的结果进行分析可以得到以下结论：

（1）桩周水泥土与桩端水泥土在静钻根植竹节桩荷载传递机理中所起的作用不同，桩侧水泥土起着传递荷载过渡层的作用，而桩端水泥土需要承担一部分桩端荷载.

（2）在加载过程中，靠近桩端水泥土处的桩侧水泥土中应力会突然增大，在实际工程中需对该区域的水泥土强度进行增强.

（3）模型试验中水泥土与桩周土之间的极限侧摩阻力要比现场试验中所测得水泥土与桩周土的极限侧摩阻力大，说明在现场搅拌水泥土时提高搅拌均匀性可以提高桩侧摩阻力.

（4）运用传统桩基桩端沉降计算公式所得的桩端阻力和位移曲线与试桩实测曲线形状及走向基本一致，说明可以用传统桩基沉降计算公式计算静钻根植竹节桩的桩端沉降.

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