缩径基桩竖向承载性能的透明土试验研究

徐志军，王云泰，杜建平，王政权，周洋，王爽

（1.河南工业大学土木工程学院，河南郑州 450001；2.中国建筑第七工程局有限公司，河南郑州 450004）

随着我国“一带一路”倡议的提出和实施，山区基础设施的建设需求日益增长.桩基因其承载力高、沉降小、施工方便等优点在我国的山区基础设施建设中得到广泛应用［1-2］.由于施工技术和水文地质条件等原因，桩在施工和使用过程中易出现缩径、夹泥和断桩等质量缺陷，因此桩完整性检测尤为重要［3-4］.然而，山区因其特殊的地形和地质条件等原因，导致基桩的完整性检测十分复杂.因此，明晰缺陷桩承载性能对桩基合理设计尤其是山区桩基工程的设计施工具有重要的意义.

缩径是常见的基桩质量缺陷形式［5］.目前，国内外学者对缩径缺陷桩进行了大量的研究.Lee 等［6］提出了一种利用电磁波无损检测钻孔灌注桩缩径缺陷的方法，证明了电磁波可以有效检测钻孔灌注桩不同位置的缩径缺陷；杨军等［7］通过模型桩平行地震波试验，研究了缺陷桩的应力波传递规律，发现平行地震波判别桩身缺陷的效果明显；范小雪等［8］研究了饱和土中带有缺陷的大直径灌注桩的水平震动响应问题，研究表明桩顶处的缩径会导致桩顶复阻抗的显著降低，而对桩中部与端部影响较小；Ni 等［9］利用连续小波变换技术确定出桩长和基桩缺陷的位置；Farenyuk 等［10］利用低频脉冲波的方法，得到了关于桩的应力-应变状态的信息，不仅确定出桩的长度和缺陷的位置，同时识别了桩的缺陷类型和几何形状.目前，关于缩径基桩的研究主要集中于缺陷监测和识别方面.在桩-土相互作用研究方面，Sang 等［11］研究了带承台桩和无承台桩桩端和桩周土体的变形规律，得知了承台可提高桩的承载力；周航等［12］提出一种新的异形截面桩沉桩模型试验技术，研究了圆形桩和XCC 桩沉桩挤土的位移场变化规律.但由于缩径缺陷的存在，导致竖向荷载作用下桩周土体颗粒的细观运动机理、土体内部变形特征及荷载传递机理颇为复杂，因此，厘清竖向荷载下缩径基桩桩-土相互作用规律，揭示桩的承载性能尤为重要.

桩基属于隐蔽工程，对其进行直观的试验研究难度颇大［13］.透明土试验技术解决了传统土工试验的不可视和内置传感器等问题，实现了对内部土体颗粒运动特征的全面观测［14］.Ding 等［15］将透明土应用于土石混合料模型试验中，通过物理试验比较了人工合成透明土与天然砂土的物理力学性质，发现两者具有很高的相似性；雷华阳等［16］对比不同的孔隙流液配比和掺入硅粉的质量比，得到了透明土的最佳可视度配合比；孔纲强等［17］比较了透明砂土、天然砂土和福建标准砂的动变形及动强度特性，发现透明砂土的动变形和动强度特性与天然砂土相似，可以模拟天然砂土相关试验；周东等［18］通过透明土技术，研究了不同埋深下被动桩的桩周土体位移.近年来，透明土技术被应用于土体内部渗流和观察、土与结构相互作用等岩土试验中，王壮等［19］通过透明土模型试验研究坡顶荷载作用下土岩界面接触滑移机理和规律；Li 等［20］提出了一种基于轮廓旋转插值法、3D打印技术和透明土技术的3D打印透明土颗粒的技术，其研究表明3D 打印透明土可用于考察形状对宏观力学性质的影响，且可以捕捉土体变形；曹兆虎等［21］结合透明土试验技术与数值模拟研究了基桩在水平荷载作用下桩周土体位移场的发展变化规律；孔纲强等［22］通过透明土模型试验对比分析了水平荷载下扩底楔形桩和等截面桩以及楔形桩的极限承载力、基桩变形对桩周土体位移场的扰动规律以及桩-土相互作用机理；Zhang 等［23］使用透明土技术研究了单个隧道在地表和正下方地层中的三维垂直和水平变形模式；Liu等［24］采用透明土模型试验技术研究了在砂质场地上开挖平行隧道引起的地表和地层沉降特性.随着透明土技术的不断发展与广泛应用，该技术已经成为岩土工程模拟试验的一个有力工具.

为了探究竖向荷载下缩径基桩桩周土变形规律及桩体沉降和承载力变化规律，本文利用透明土技术，对1组完整桩和8组含不同缩径缺陷的基桩进行竖向加载试验，通过荷载位移曲线研究了缩径桩承载力变化规律，利用MatPIV 软件对土体的散斑场进行处理，得到桩周土体位移矢量图.在此基础上，利用土体变化规律分析了缩径桩承载力的变化原因.

1 试验方案及材料选择

1.1 模型试验装置

试验系统主要由竖向加载系统、散斑制作系统、模型箱以及图像采集系统4 部分组成，见图1［25］.其中竖向加载系统包括荷载量程为0～500 N 的步进电机，精度为0.3 N 的压力传感器及位移量程为0～600 mm、精度为0.001 mm 的位移传感器，由加载控制系统施加荷载并采集力和位移数据.散斑制作系统包括可调节强度的激光发射器MW-GX-532/2000mW和光学棱镜.图像采集系统包括工业CCD相机、相机采集控制计算机.模型箱采用钢化玻璃制作而成.为了避免边界效应的影响，参照文献［26］中基桩贯入对周围土体的影响范围，并考虑配制透明土的最大透明度，选定尺寸为320 mm×180 mm×350 mm（长×宽×高）的模型箱.对于模型桩，模型箱尺寸与桩径之比（L/D=16）和模型桩直径与土颗粒平均粒径之比（D/d50=47）满足边界效应和粒度效应要求［25］.

图1 透明土模型试验加载系统Fig.1 Loading system of transparent soil model experiment

1.2 试验材料

试验所用透明土由熔融石英砂和折射率匹配的孔隙流液制成，熔融石英砂纯度为99.9%.为了充分模拟砂土及获得更优的散斑场，选用颗粒粒径为0.5～1 mm 和1～2 mm 的熔融石英砂，按照质量比为1∶2 配制的混合固体颗粒作为透明土的骨架颗粒，熔融石英砂与标准砂颗粒级配曲线见图2.孔隙液采用正十二烷和90#白油按照体积比为1∶8.8 进行配制，可得到20 ℃下折射率为1.458 0的孔隙流液.透明土的基本参数和实物分别见表1 和图3.透明土的力学性质与天然砂土相似，在模型试验中，可作为模拟天然砂土的替代物［27-29］.根据相似理论［30］，将实体桩尺寸按比例缩小得到模型桩尺寸［31］，桩身材料采用有机玻璃制作而成［25］.为了减少光的反射，且考虑摩擦的影响，对模型桩桩身采用砂纸通体打磨，并使用摩擦角法测量模型桩摩擦因数，根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）［32］对砂土与混凝土之间摩擦因数的规定，使其摩擦因数位于0.4～0.5，即为打磨完成.缩径尺寸（直径和长度）和模型桩的尺寸见图4.

图2 熔融石英砂颗粒级配曲线Fig.2 Grain grading curve of fused quartz sand

表1 透明土的基本性质Tab.1 Basic properties of transparent soil

图4 模型桩（单位：mm）Fig.4 Model piles（unit：mm）

1.3 试验方案

为了确保试验结果的一致性，对于每种工况，控制模型槽内透明土的质量及高度一致，以保证试验过程中透明土的密实度相同.对装料完成后的透明土进行抽真空处理，排除颗粒孔隙中的气体.根据《建筑基桩检测技术规范》（JGJ 106—2014）［33］，试验采用慢速荷载维持法进行基桩抗压试验，逐级加载，每级荷载20 N，当桩顶沉降速率连续两次出现小于0.1 mm/h 时，认定该级加载稳定，记录桩顶沉降量，对土体散斑场进行拍照，然后进行下一级加载.当桩体的沉降量达到30 mm时，加载结束.

2 竖向承载力分析

将8 根缩径桩分3 组进行试验对比分析，见图4.根据规范确定桩的竖向承载力［33］.考虑缩径参数（不同长度、不同位置和不同直径）的影响，荷载-沉降曲线见图5.由图5（a）可知，当缩径直径和位置一定时，随着缩径长度的增大，基桩竖向承载力明显下降.当缩径长度为桩长的10%且缩径直径为完整桩的20%时，承载力损失高达45%，这会给工程造成严重的安全隐患.由图5（b）可知，对比完整桩，SMT 桩、MMT桩和DMT 桩极限承载力分别损失了18.2%、18.2%和9.1%，且在达到极限荷载前，缩径桩的曲线斜率明显较大.由图5（c）可知，对比完整桩，MLW 桩、MLM 桩和MLT 桩极限承载力分别损失了0%、0%和27.3%.对于MLW 桩及MLM 桩，虽然承载力相对于完整桩并无变化，但观察基桩荷载-沉降曲线，MLW桩与MLM 桩在达到极限承载力时基桩沉降大于完整桩，故不适合承载［33］.

图5 完整桩和缩径桩的荷载-沉降曲线Fig.5 Load-settlement curves for intact and necking piles

另外，荷载-沉降曲线均呈陡降型，各桩在达到极限承载力前，随着荷载等级的增大，沉降大致呈线性增加；达到极限荷载后，沉降值急剧增大.以下将根据试验结果分析缩径桩桩周土体位移规律，并与完整桩对比，从土体位移方面揭示缩径承载力变化原因.

3 桩-土相互作用分析

由以上分析可知，在竖向荷载作用下，厘清不同缩径长度、不同缩径位置及不同缩径直径桩的桩周土体变化规律是分析承载力变化原因的关键.MatPIV软件是处理土体散斑场的有效工具［25］.使用MatPIV 软件处理桩周土体散斑场，可得到土体位移矢量图.基桩竖向抗压是轴对称的，选取一半的位移场数据和沉降值达到4 mm时桩周土体的变形并对其进行分析.

为更好地对比分析，将完整桩桩周土体变形分为三个区域［34］.区域①为桩侧土体变形区域，范围为1 倍桩径；区域②为桩端压缩变形过渡区；区域③为桩端压缩变形区，桩端变形范围为2 倍桩径.完整桩桩端土体变形主要集中于桩端位置，桩身附近位移较小.随着基桩向下位移，桩端土体承受基桩的竖向压力，桩端土体被压缩，密实度增大.以下将以完整桩桩周土体变形为依据，对缩径桩桩周土体变形规律进行分析.

3.1 不同缩径长度桩-土体相互作用分析

图6 给出了完整桩与SST 桩、SMT 桩和SLT 桩的桩周土体位移矢量图.对于缩径处（区域①）的土体，由于SST 桩的缩径长度较小，区域①未发生明显的变形，侧摩阻力损失最小，桩的承载力降低最少；随着缩径长度的增大，SMT 桩的区域①位置土体出现明显的随桩下移；缩径长度继续增大，SLT 桩的区域①处土体开始出现远离桩身的斜向下变形，缩径处的土体向下变形使桩身与土体的相对位移减小，导致此处的侧摩阻力降低，桩的承载力下降.对于桩端土体变形（区域②和区域③），随着缩径长度的不断增大，桩端土体变形范围不断增大，说明桩端承担了部分损失的侧摩阻力.SST 桩桩端土体变形主要集中在区域③，而SMT 桩与SLT 桩桩端土体变形主要集中于区域②.SMT 桩桩端土体产生了更多的水平变形，SLT 桩桩端土体逐渐产生斜向上变形，较多的桩端荷载开始向四周传递，说明桩存在缩径时，调动更多的土体承担荷载.然而，由于缩径的存在，侧摩阻力损失较大，桩端阻力不能弥补承载力全部的损失，最终导致缩径桩极限承载力降低.

图6 完整桩、SST桩、SMT桩与SLT桩桩周土体位移矢量图Fig.6 Vector graphs of soil displacements around intact pile，SST pile，SMT pile and SLT pile

3.2 不同缩径位置桩-土体相互作用分析

图7 为完整桩与SMT 桩、MMT 桩和DMT 桩的桩周土体位移矢量图.缩径处（区域①）土体均发生了明显的变形.对于SMT桩，土体变形主要集中于桩顶附近；MMT 桩桩周土体变形集中在桩身附近；而对于DMT 桩，由于缩径位置与桩端距离较近，缩径处土体与桩端土体发生贯通现象，土体变形集中在了桩端附近.由于侧摩阻力是自上而下逐步发挥的，缩径的存在导致侧摩阻力减小.缩径位置离桩顶越远，缩径对侧摩阻力的影响越小，桩的承载力损失越小.观察桩端土体，浅部缩径桩端土体变形主要集中于桩端压缩变形过渡区（区域③），而中部缩径桩桩端土体变形主要集中于桩端压缩区（区域②），说明浅部缩径桩调动了更多的土体弥补损失的一部分承载力，使得浅部缩径桩与中部缩径桩的极限承载力相同.

图7 完整桩、SMT桩、MMT桩与DMT桩桩周土体位移矢量图Fig.7 Vector graphs of soil displacements around intact pile，SMT pile，MMT pile and DMT pile

3.3 不同缩径直径桩-土体相互作用分析

图8为完整桩与MLW 桩、MLM 桩和MLT桩的桩周土体位移矢量图.分析位移矢量图，缩径处（区域①）土体出现明显的变形，且随着缩径直径的缩小，MLT 桩的区域①处土体出现向上隆起的现象，土体发生了剪切破坏，极大降低了此处桩身的摩阻力，导致桩的极限承载力明显降低.对比完整桩桩端土体变形，缩径桩桩端产生了更大范围的土体变形，说明缩径导致侧摩阻力的损失主要由桩端承担.对比桩端土体（区域②和区域③）变形，发现MLW 桩变形集中于区域③，MLW 桩的区域②土体出现水平变形，MLT 桩的区域②土体开始绕桩向上变形，表明桩端下方的土体被压缩后的承载力达到极限，荷载开始向水平方向传递，由于土体围压的原因，荷载又开始逐渐向上方传递.对于MLW 桩和MLM 桩，缩径阻力及桩端承载力弥补了损失的侧摩阻力，最终在缩径阻力、桩端阻力及侧摩阻力的共同作用下，相对于完整桩，MLW 桩和MLM 桩承载力没有变化，但其沉降较大，不宜承载［33］.

图8 完整桩、MLW桩、MLM桩与MLT桩位移矢量图Fig.8 Vector graphs of soil displacements around intact pile，MLW pile，MLM pile and MLT pile

综上，对于缩径缺陷基桩，影响桩竖向承载力的因素为：桩侧摩阻力、由不均匀桩身与土体相互作用产生的阻力（缩径阻力）以及桩端阻力.损失的侧摩阻力大于缩径阻力及桩端阻力之和，导致承载力下降.然而对于MLW 桩和MLM 桩，缩径阻力及桩端阻力弥补了损失的侧摩阻力，使其承载力没有变化，但沉降过大，不宜承载.

4 结论

通过透明土模型试验，对1根完整桩及8根不同参数的缩径桩进行分级加载，研究了缩径长度、缩径位置以及缩径直径对基桩承载力以及桩周土体变形的影响，得出以下结论：

1）缩径的存在导致基桩承载力降低.当缩径长度为桩长10%时，承载力损失高达45%；缩径位置离桩顶越近，承载力损失越严重；当缩径直径为桩径20%时，承载力损失27.3%.

2）缩径的存在使缩径处与桩端的土体发生明显变形.随着缩径长度的增大及缩径直径的减小，缩径处及桩端的土体变形范围更大，使得土体与桩身相对位移明显下降，导致竖向承载力降低.随着缩径尺寸的不断增大，桩端土体从竖直向下变形到逐渐沿桩身向上变形，需要调动更多的土体承担损失的承载力.

3）在缩径阻力、桩端承载力及侧摩阻力的共同作用下，部分缩径桩承载力没有变化，但其沉降过大，不宜承载.当缩径位于深部时，缩径处土体与桩端土体会发生贯通现象，导致桩端土体发生剪切破坏，承载力下降明显.

4）本文结合透明土与PIV 技术，研究了缩径桩的承载力与桩周土体的变化规律，为基桩的合理设计和加固提供一定的理论和技术参考.但研究仅针对单一的砂土，对其他土质情况并未进行研究.另外，缩径对承载力影响的理论计算未深入研究，日后将针对这些不足进行下一步的研究.