喀斯特地区新型异形灌注桩承载特性与影响因素试验研究

张福友，冯健雪，陆志宇，杨济铭，梅国雄

(1.广西大学 土木建筑工程学院，南宁 530004；2.广西大学 工程防灾与结构安全教育部重点实验室，南宁 530004；3.广西大学 广西防灾减灾与工程安全重点实验室，南宁 530004；4.贵州民族大学 建筑工程学院，贵阳 550025)

1 研究背景

喀斯特在我国分布十分广泛，是常见的工程地质灾害之一。在国家战略背景下，喀斯特地区兴建起大量高层建筑、桥梁等结构，钻(冲)孔灌注桩因具有较强的场地适应性和高承载力而在喀斯特地区应用广泛，但在工程实践中也存在不少问题，如：①施工过程中部分桩出现漏浆和孔壁坍塌等现象，少部分出现卡钻、掉锤和地面塌陷等问题[1-3]；②喀斯特发育严重影响桩基质量和承载能力，危害建筑物安全[4-5]。

目前，针对喀斯特地区桩基的研究主要集中在溶洞顶板力学特性和稳定性分析等方面。如赵明华等[6-8]、曹文贵等[9]考虑顶板的整体承载效应，结合不同的强度理论，提出了桩端承载力计算方法与溶洞顶板稳定性评价方法；张慧乐等[10-12]通过室内模型试验，对喀斯特地区桩基承载能力的影响因素进行了研究，发现桩基承载力与溶洞几何特征、位置偏移、围岩特性、以及溶洞顶板厚度等因素密切相关，并总结归纳了若干桩基破坏模式；Pells等[13]根据喀斯特地区桩基的工程特点，推导了喀斯特地区桥梁桩基嵌岩深度计算公式。以上研究都是在常规桩的基础上进行的，对于新型桩基在喀斯特地区的应用却鲜有研究。针对上述问题，受支盘桩分层承载设计思路启发[14-16]，结合喀斯特地区存在溶洞、土洞等天然腔模的特点，笔者团队提出了一种新型异形灌注桩，在现有常规灌注桩的基础上对钢筋笼外面套设柔性布袋包覆件，桩基施工中布袋和混凝土在注浆压力下挤压进溶洞腔体内，桩体形成树枝状的枝状体结构，与桩周基岩紧密结合在一起，进而形成一种布袋灌注桩，简称布袋桩，其结构示意图如图1所示。通过控制注浆压力和包覆件的材料与厚度可控制枝状体长度，目前已获得新型专利授权[17]。

图1 布袋桩示意图Fig.1 Schematic diagram of bag pile

本文通过室内成桩模型试验，探究布袋桩的成桩可行性，并在成桩基础上另设静载试验，研究布袋桩的承载特性与影响因素，为喀斯特地区桩基础的设计与施工提供一种新思路。

2 模型试验设计与方案

2.1 模型试验简化与原理

2.1.1 模型的简化

在静载荷试验中，影响桩承载能力与沉降的关键因素为模型桩的几何尺寸与形状、模拟基岩的物理力学指标[18]；由于室内无法对实际情况全盘考虑，故在模型试验中仅考虑影响试验结果的关键因素。且承载特性试验仅研究布袋桩与等直径桩承载特性和变形性能的对比，因此将模型作适当简化[10]：①不考虑基岩面的形态，均设定为平面；②不考虑地下水的作用，连通孔道无填充；③溶洞与连通孔道等仅分布在桩周附近，基岩为均匀连续体。

2.1.2 相似原理

根据相似原理，如果2个系统相似(原型和模型)，相对应的几何参数、物理力学参数必然互成一定的比例关系[19]。

对于模型桩静载试验，由相似原理，在几何相似与荷载相似的条件下，原型与模型的物理力学参数关系为：

Cσ=ClCρ，Cu=Cl，CE=Cc=Cσ，

Cφ=1 。

(1)

式中：Cσ为应力相似比；Cl为几何相似比；Cρ为密度相似比或重度相似比；Cu为位移相似比；CE为弹性模量相似比；Cc为黏聚力相似比；Cφ为摩擦角相似比。Cl与Cρ在模型试验设计时已经确定，由关系式(1)可以计算出Cσ、Cu、CE、Cc、Cφ，然后根据喀斯特地区的基岩(灰岩)物理力学参数可推出模拟基岩的物理力学参数范围。

2.2 试验准备与装置

本研究在不同尺寸模型箱进行了2个试验，分别为成桩模型试验和承载特性与影响因素模型试验。

2.2.1 布袋桩成桩模型试验

本试验为室内小比尺模型试验，模型箱尺寸为200 mm×200 mm×600 mm，由2个大小相同的模型箱经钢丝绑绳固定合并而成，试验装置设计如图2所示。

图2 布袋桩成桩试验示意图Fig.2 Schematic diagram of pile-forming test

模拟基岩使用石膏制成，其力学性质与模拟的喀斯特地基较为相似[19]，硬度较小，在石膏中进行溶洞等孔道的制作较为方便，经多次调配，石膏与水配比取1.5∶1。喀斯特地基模型中溶洞形态与分布无规律，能更好地反映实际原型地基，以研究布袋桩成桩可行性，如图2。

布袋桩由桩体和布袋包覆件2部分组成，试验桩体材料采用M10水泥砂浆，桩长为500 mm，桩径取60 mm；为更好地形成枝状体结构，布袋尺寸略大于桩体尺寸，布袋包覆件使用直径66 mm、长510 mm、厚0.3 mm的乳胶膜制成，乳胶膜的弹性模量E=0.014 GPa，泊松比v=0.45。模型桩使用注浆泵进行加压注浆现浇而成。

2.2.2 布袋桩承载特性与影响因素模型试验

承载特性模型试验考虑到模型桩尺寸效应的影响，模型箱长、宽尺寸取20倍桩径，桩端距离模型箱底部6倍桩径，即长×宽×高尺寸取值为0.6 m×0.6 m×0.8 m，试验使用角钢加固的木制模型箱，模型箱侧壁涂抹一层凡士林，然后加覆一层聚乙烯薄膜，消除边界效应。

本试验基岩原型为喀斯特地区的灰岩基岩，根据相关文献[20]，对灰岩的物理力学参数进行统计分析，提出其概化参数，如表1所示。

表1 喀斯特地区灰岩概化参数Table 1 Generalized parameters of limestone in karst area

根据试验设计方案，本次模型试验的几何相似比与密度相似比分别取Cl=16、Cρ=1.2，由相似理论得到其他参数相似比Cσ=19.2、CE=19.2、Cc=19.2和Cφ=1。计算得到模拟基岩的物理力学参数要求范围为重度19.1～23.4 kN/m3、抗压强度1.6～6.5 MPa、弹性模量(0.1～0.42)×104MPa、内摩擦角30°～44.6°和黏聚力0.17～0.33 MPa。参考前人研究成果[21]，本试验采用中砂、水泥、石膏粉质量比为6∶0.7∶0.3配比的水泥石膏材料为基岩材料，具体如表2。

表2 模拟基岩材料配比Table 2 Proportions of simulated bedrock materials

相似材料按照配比搅拌均匀后，制成标准试件，在标准条件下养护7 d，经自然风干21 d，进行模拟基岩物理力学参数测试。模拟基岩的物理力学参数由万能试验机和直剪试验测得，所测参数包括：重度、单轴抗压强度、弹性模量、黏聚力和内摩擦角(见表1)，模拟基岩各项参数均在要求范围之内。

模型桩均采用钢管制作，桩长L=600 mm，桩径D=30 mm，模型布袋桩表面全部包覆一层乳胶膜，乳胶膜参数同成桩试验的乳胶膜，试验一共设置3组共8根模型桩，具体枝状体长度、数量和分布位置(与桩顶距离)参数如表3，其中模型布袋桩枝状体端部直径均为25 mm，模型桩示意图如图3所示。

表3 模型桩枝状体参数Table 3 Detailed parameters of the dendritic structures of model piles

图3 模型桩示意图Fig.3 Schematic diagrams of model piles

本次试验加载装置采用反力架。测量系统由以下几部分组成：①磁性表座与千分表，靠近桩顶位置对称设置一对千分表，用于测量桩顶沉降；②测力计精度为0.01 kN，测力计放置在千斤顶上，施加的荷载通过固定垫层直接作用在桩顶，从显示屏读取桩顶荷载；③应变片与应变分析仪精度为1×10-4kPa，量测桩身轴力，应变片贴片分布见图3；④土压力盒和数据采集仪测量桩端阻力。

承载特性试验采用等直径桩与布袋桩的平行对比试验，固定好模型桩，将搅拌好的模拟材料分3次浇筑进模型箱，每次装填振荡均匀，从第一层浇筑至土压力盒埋设位置，土压力盒埋设完毕继续浇筑，浇筑时保持模型桩竖直；基岩养护7 d，组装好加载系统与测量系统。为保证加压稳定，测力计与千斤顶间加装固定孔，室内试验装置如图4；参照建筑基桩检测技术规范[22]，采用慢速维持荷载法，分级加载，模型桩每级加载0.5 kN，第1级按2倍加荷，过5、15、30、45、75、105 min，之后每隔0.5 h分别记录一次沉降，直到沉降稳定(稳定标准为不超过0.01 mm/30 min，并连续出现2次)，继续加下一级荷载，满足以下条件之一终止加载：①某级荷载下，桩顶沉降量大于前一级荷载作用下沉降量的2倍；②桩顶总沉降超过2.5 mm。③超过加载设备最大加载值或者试验仪器量程范围。

图4 布袋桩模型试验装置Fig.4 Laboratory test device for bag pile

3 试验结果与分析

3.1 布袋桩成桩试验结果与分析

模型布袋桩浇筑完成后，静置养护3 d，观察模型桩成桩情况。对于喀斯特地基中的模型桩，从图5可以看出，喀斯特地基模型仍然保持完整，溶洞未被破坏；布袋桩桩身垂直完整，无缩颈、短桩以及断桩等不良情况；乳胶膜包覆件保持完好，没有出现破损漏浆情况；布袋桩在溶洞腔模部位均形成了枝状体结构，在基岩底部的小型溶洞(溶隙)处，枝状体成型不明显，随着溶洞半径的增大，枝状体长度也增大，其值大约是相对应溶洞高度的一半；枝状体端部形状与溶洞大小一样，顶部呈半球形，整体为半球状或类似圆柱状，在注浆压力作用下其与桩周基岩紧密咬合。上述现象表明，布袋桩成桩效果较好，包覆件能够较好地阻止水泥砂浆流失，水泥砂浆能够比较充分地充注连通溶洞，形成的枝状体结构能更好地与基岩结合为整体，较大的溶洞能更好发挥布袋桩枝状体结构的优势。

图5 布袋桩成桩效果Fig.5 Result of bag pile forming

3.2 布袋桩承载特性试验结果与分析

3.2.1 布袋桩和等直径桩荷载-沉降结果与分析

将等直径桩和布袋桩置于同一条件下加载，由试验数据得到2类模型桩的Q-s曲线和s-lgt曲线(限于篇幅未给出)，如图6。参考《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106—2014)，并且结合模型试验，可确定模型桩的极限承载力。在模型等直径桩Q-s曲线中可以发现有比较明显的陡降段，根据陡降点与s-lgt曲线判断模型等直径桩的极限承载力在3 kN。模型布袋桩的Q-s曲线则为缓变型。根据极限承载力判断方法，Q-s曲线没有陡降段，可从s-lgt曲线判断模型布袋桩的承载力为4.5 kN，为前者的1.5倍，可见布袋桩能极大地提高承载力，而且其体积与等直径桩比，增量<10%，具有显著的经济效益。

图6 模型等直径桩与模型布袋桩Q-s曲线Fig.6 Q-s curves of equal-diameter model pile and model bag pile

从图6对比可知，在桩侧摩阻力起作用的荷载初期，布袋桩桩顶沉降非常小，当桩顶施加荷载为1.5 kN时，模型等直径桩的桩顶沉降为0.52 mm，而模型布袋桩沉降<0.1 mm，远小于等直径桩，说明布袋桩的枝状体结构极大地增强了桩身侧摩阻力；继续增加荷载，等直径桩的沉降在荷载作用下增长明显比布袋桩快，在模型等直径桩的极限承载力3 kN作用下，其桩顶沉降约为0.89 mm，而模型布袋桩的沉降为0.51 mm，仅为前者的57%。达到其极限荷载4.5 kN时，模型布袋桩的沉降仅有0.86 mm，之后其承载力随着沉降的增加而平稳缓慢增加，说明仍具有较大的承载潜力。主要原因是布袋桩的枝状体结构承担了一部分荷载，使得更大范围基岩共同承担桩传来的压力，减少了基岩的压缩变形，也提高了布袋桩的单桩承载力。

3.2.2 布袋桩荷载传递规律

由应变片测得各级荷载作用下各桩身断面平均应变值εi，计算得到桩身轴力Qi为

Qi=EAεi。

(1)

式中：A为桩身截面面积;E为桩身弹性模量。

图7为各级荷载作用下模型布袋桩和模型等直径桩的轴力-深度关系曲线。从图7可看到布袋桩与等直径桩的轴力传递存在明显的不同，在枝状体处，布袋桩轴力发生急剧的变化，轴力有较大降低，其损耗的轴力完全由枝状体结构承担，且随着荷载的增加，枝状体处轴力的降低幅度也增大。同时，枝状体结构将荷载传递到更大范围的基岩中，从而减少了桩端阻力，因此布袋桩的沉降远小于等直径桩。

图7 两类模型桩轴力-深度关系曲线Fig.7 Relations between axial force and depth of two types of model piles

3.2.3 布袋桩桩侧摩阻力性状分析

图8是根据试验数据整理的桩顶总荷载和桩侧摩阻力关系。其中：-50～-170 mm桩侧摩阻力为埋深50 mm处桩身断面轴力减去埋深170 mm处桩身断面轴力，其他桩身段侧摩阻力计算相同，布袋桩桩身直杆段从上至下依次命名为首直杆段、中直杆段和尾直杆段。从图8可知：在加载初期，首直杆段桩侧阻力最大，且随着荷载增加，其值逐渐增大直至趋于稳定；中直杆段桩侧阻力次之，加载至3 kN时，其值超越首直杆段，5 kN后趋于稳定，表明首直杆段和中直杆段位移已临近极限值；尾直杆段桩侧阻力也随着总荷载增加而增加，但其后期增长趋势未见衰减，特别是在首、中直杆段侧摩阻力发挥完毕，尾直杆段桩侧阻力仍有较大幅度上升，这说明其侧阻力还未完全发挥。

图8 布袋桩总荷载-桩侧摩阻力关系Fig.8 Relations between total loading and side friction of bag pile

3.2.4 布袋桩枝状体阻力和桩端阻力性状分析

根据枝状体上下端轴力之差可以绘制出布袋桩总荷载与枝状体阻力的关系，由土压力盒可测得桩端阻力，整理绘制如图9(a)。从图9(a)可以发现，前3级荷载作用下，桩端几乎不承担荷载，上、下枝状体起主要承载作用，且上枝状体先发挥较大作用；在上枝状体承担荷载增长变缓慢时，下枝状体开始承担更多的荷载以抵御桩顶总荷载，桩端阻力也开始逐渐增大；当桩顶荷载为4.5 kN时，桩端沉降骤增，更多的荷载转嫁到桩端，桩端阻力急剧上升。以上枝状体阻力和桩端阻力相互转嫁关系可以说明：上、下枝状体和桩端的承载特征存在明显的时间效应，一旦上部枝状体承载力趋于最大值，下部枝状体或桩端依次接替并承载荷载增量，达到一种补偿和平衡作用，这也是布袋桩荷载传递性状的特殊之处。

从图9(a)可知各枝状体阻力、桩端阻力与总荷载的关系，计算出两者占总荷载的百分比，关系曲线如图9(b)。从图9(b)可以发现：第1级荷载1 kN时，枝状体阻力分担将近一半，上枝状体分担比远大于下枝状体。当加载至模型布袋桩极限承载力4.5 kN时，上枝状体、下枝状体和桩端分别承担荷载为1.09、0.77、0.31 kN，各占总荷载的24.22%、17.11%、6.89%，两枝状体阻力和为1.86 kN，分担总荷载41.33%。布袋桩摩阻力(包括枝状体阻力和桩侧摩阻力)分担比达93.11%，远大于桩端阻力比重，很好地证明了布袋桩优越的摩擦性。另外，上枝状体首先分担荷载，且分担荷载比重始终大于下枝状体和桩端。因此，上枝状体的设计和质量至关重要。

图9 布袋桩枝状体阻力关系及桩端阻力综合分析Fig.9 Relations between total loading and resistance of dendritic structure of bag pile

3.2.5 侧摩阻力、枝状体阻力和端阻力综合分析

为了综合分析各分项荷载与桩顶沉降以及相互之间的关系，绘制了桩顶沉降-分项荷载关系曲线和总荷载-分项荷载分担比关系曲线，如图10所示。从图10(a)可见，桩侧阻力和枝状体阻力从很早就开始发挥作用，并且与总荷载保持同步增长的趋势。从图10(b)也可以发现在加载初期两者的分担比均较大，各占50%左右。但加载后期，桩侧阻力的增幅略大于枝状体阻力，这表明只有4个枝状体的布袋桩仍未能发挥出其桩型的最大承载优势。

图10 布袋桩桩顶沉降-分项荷载-总荷载综合分析Fig.10 Curves of dendritic structure’s resistanceand tip resistance proportion of bag pile

从受力机理看，当桩顶沉降为0.8 mm时，对应的总荷载大约为4.3 kN，桩侧摩阻力和枝状体阻力承担90%以上荷载，但随后趋于稳定，而桩端阻力却急剧上升，表明桩端阻力在位移较大时发挥比较好。如果按照规范取桩基极限承载力的一半作为设计荷载，即4.5/2 kN=2.25 kN，在此工作荷载作用下，各分项荷载均处于增长较快的阶段，布袋桩承载性能未能充分发挥，此设计值偏于保守。

3.3 布袋桩承载特性影响因素分析

布袋桩的设计施工中，需要考虑多种因素对其承载力的影响，为此设计了8根模型桩对布袋桩承载特性影响因素进行研究。

3.3.1 枝状体长度

布袋桩施工中通过控制注浆压力可以获得不同的枝状体长度。本次试验中分别设置模型布袋桩BDZ1a、BDZ1b和BDZ1c枝状体长度分别为1/3D(10 mm)、1/2D(15 mm)和2/3D(20 mm)，整理得到不同枝状体长度条件下布袋桩荷载-沉降曲线，如图11(a)所示。由图11(a)可见，前3级荷载下布袋桩沉降均远小于等直径桩，布袋桩承载力随着枝状体长度的增加而增大，枝状体长度从1/3D增加至1/2D时，增长幅度较小，增加至2/3D时，布袋桩承载力得到大幅提升，沉降大幅减少。为更好地解释这种情况，绘制如图11(b)所示布袋桩枝状体阻力分担比。由图11(b)可以发现：随着枝状体长度的增大，枝状体阻力分担比增大，枝状体结构将更多的上部荷载传递到桩周基岩中，减少了布袋桩的沉降，这也从侧面说明发挥好枝状体阻力对提高布袋桩承载力至关重要。因此，在保证布袋包覆件完好的情况下，尽可能地提高枝状体长度有利于提高布袋桩承载力。

图11 不同枝状体长度条件下布袋桩承载特性及枝状体阻力分担比Fig.11 Dendritic structure’s resistance sharing proportion of bag pile with different dendritic structure lengths

3.3.2 枝状体数量和枝状体分布位置

喀斯特地区基岩中溶洞的分布与数量是施工中无法控制的，对应的布袋桩枝状体结构数量与分布也是无法确定的，因此，探究枝状体数量与分布对承载力的影响，可以进一步了解布袋桩的适用范围。

模型布袋桩BDZ2a、BDZ1b、BDZ2b分别设置2、4、6个枝状体，其和模型等直径桩荷载-沉降曲线如图12(a)所示。前两级荷载下，模型布袋桩沉降值相近，均远小于等直径桩；随着沉降增大，枝状体阻力逐渐发挥作用，当沉降为0.8 mm时，模型桩DZZ2、BDZ2a、BDZ1b、BDZ2b承载力分别为2.5、3.71、4.3、6.07 kN。可见，随着枝状体数量的增加，布袋桩的承载力也增加，尤其是加载后期，布袋桩较多的枝状体数量能发挥其减少沉降的优势，但枝状体过多，相对应溶洞数量也多，影响基岩的完整性。因此，在保证基岩完整性的前提下，工程实践中基岩存在溶洞数量应在一个范围内，布袋桩能发挥较大承载力。

第3组试验探究不同分布位置的枝状体对布袋桩承载力的影响，3根模型布袋桩荷载-沉降曲线如图12(b)。可以看出枝状体位置对沉降曲线的影响是比较明显的，以3条曲线的沉降较为接近的点(荷载为2 kN)作为加载前期与加载后期的界限，加载前期枝状体平均位置越深，沉降越大；加载至2 kN以后，曲线差异性逐渐增大，枝状体位置越深，沉降越小。出现这种现象的原因是荷载初期侧阻力占主导，端阻力表现不明显，加载后期枝状体阻力起主导作用，枝状体埋深越大，枝状体阻力越大。由上述分析可知，溶洞在孔壁分布越靠近桩端，则枝状体平均位置越靠下，布袋桩获得越高的承载力。

图12 不同枝状体数量与位置条件下布袋桩Q-s曲线Fig.12 Q-s curves of bag pile with different dendritic structure numbers and locations

4 结 论

本文提出了一种新型异形灌注桩——布袋桩，通过室内模型试验，研究了布袋桩在喀斯特基岩模型中的成桩可行性，以及布袋桩的承载特性与影响因素。基于本次试验结果得到以下结论：

(1)成桩试验中布袋桩的乳胶膜包覆件有效地解决了普通等直径桩浆液流失问题，能够节省大量的抛填物和减少混凝土流失；同时形成的枝状体结构能使桩岩更好地结合，这种结构对于布袋桩的承载力提高有重要作用。

(2)模型布袋桩的极限承载力远大于模型等直径桩，本次试验前者的极限承载力为后者的1.5倍，而两者体积相差不大，说明布袋桩具有显著经济效益，且相同荷载条件下布袋桩的沉降与变形要小得多；对喀斯特地区沉降要求较高的建筑物和构筑物，布袋桩是较理想的桩型。

(3)与等直径桩相比，布袋桩由于特殊枝状体结构的承力性，轴力沿桩身传递过程中，在枝状体位置急剧减少，将荷载传递到更大范围基岩中，提高布袋桩承载能力，这是布袋桩的承载特性。

(4)布袋桩摩阻力(包括枝状体阻力和桩侧摩阻力)分担比达93.11%，具有优越的摩擦性能；且其上、下枝状体和桩端承载特征存在明显的时间效应，一旦上部枝状体承载力趋于最大值，下部枝状体或桩端依次接替并承载荷载增量，达到一种补偿和平衡作用。

(5)布袋桩承载力与枝状体的长度、数量与分布位置埋深均呈正相关关系，在实际工程中，布袋桩比较适用于溶洞数量较多和平均位置靠下的喀斯特地区基岩，且在保证布袋包覆件完整的前提下，获得较大的枝状体长度有助于提高布袋桩承载力。