岩溶地区灌注桩荷载传递特性分析

付继位 （中铁十一局集团有限公司，湖北 武汉 430000）

0 引言

我国西南地区广泛分布着岩溶地貌，岩溶地貌有大量的溶洞与土洞，桩基础施工困难。目前在岩溶地区使用最多的成桩方式为钻孔灌注成桩，但钻孔灌注成桩会引发卡钻、掉锤以及塌孔等问题，而这些问题可能会使桩基础质量变差，从而导致建筑坍塌、人员伤亡等。

目前已有大量学者研究岩溶地区成桩问题，其中黄亮雄[1]以宁横公路桩基为研究对象，总结了复合桩质量控制、设备以及施工技术等宝贵经验，并进行了物理模型试验、光弹性试验以及数值模拟试验，优化了复合桩的设计。龚欢等[2]创新性地使用灌注桩帷幕式施工技术，使桩底混凝土变为有组织扩散，可节约钢护筒，经济效益显著。邓文洪[3]针对灌注桩卡钻、掉锤以及塌孔等问题，使用了超长钻孔灌注桩，并对施工工艺进行了优化。朱佩宁等[4]研究了嵌岩灌注桩的可用性，并对该桩的受力特性进行了研究，结果表明嵌岩灌注桩成桩效果较好，且承载能力较强。苏金凌等[5]研究了桩筏基础以及桩筏基础与CFG 桩组合的施工方案，并对比两者优缺点。黄有桂等[6]应用碎石桩以及注浆联合法加固岩溶地区软弱地基，得到桩的承载特性，并提出了相应的施工工艺。

由上述可知，针对岩溶地区成桩的研究成果十分丰富，但缺失布袋桩的研究。本文以布袋桩为研究对象，探究布袋桩荷载传递特性以及受力特征，为岩溶地区使用布袋桩提供理论依据与参考价值。

1 物理模型试验

为了研究普通桩与布袋桩承载能力的差别，故开展本次模型试验。本模型有以下三条简化，第一，地基的物理力学性质一样，相同配比的水泥砂浆浇筑灰岩；第二，溶洞的大小与桩径相差较小；第三，成桩前溶洞没有填充，成桩后由枝状体填充。模型示意图如图1 所示，本试验各项数据的相似比如表1 所示，并根据相似比计算地基各项参数（见表2）。

表1 相似比

表2 灰岩地基参数

图1 布袋装模型示意图

1.1 成桩试验

模型箱长、宽、高分别为300mm、200mm、650mm，使用厚度2cm木板制作，并使用环氧树脂涂抹在接缝处，防止浆液漏出。模具使用直径50mm 的钢管焊制，两道横杆预留出溶洞位置。钢筋笼由3 根螺杆、6 对螺母、1 根注浆管以及4 块半圆铁皮组成。使用乳胶气球来模拟弹性布袋，乳胶气球厚度为0.3mm，弹性模量为0.014GPa，泊松比为0.45。使用拉力计连接吊缆与钢筋笼，可由拉力值推算出注浆量。使用软管接出钢筋笼注浆管且连接注水泵，并使用压力表测得注浆压力。

试验时向注浆管内泵注入染色自来水，并记录压力表、拉力计以及枝状体长度。观察枝状体长度与布袋桩承载能力关系可以看出，当枝状体长度为桩径D的2/3 时，枝状体结构承载能力可完全发挥，故枝状体长度为2/3D 时命名为长度阈值。在枝状体长度大于长度阈值时，可认为布袋桩可充分发挥其结构优势。故以上枝状体作为基准，当枝状体长度大于长度阈值时，试验可终止。

1.2 静载试验

为了能够布置监测仪器与控制桩体形状，静载试验先成桩，然后浇筑地基。使用4根桩长630mm、桩径30mm 的空心管制作桩体，并在桩内贴双排应变片。在布袋桩表面覆上一层乳胶膜，乳胶膜泊松比为0.45，弹性模量为0.014GPa，表3 为试桩参数。模型箱长为0.6m，宽为0.6m，高为0.9m，使用2cm 厚模板制成，设置4cm 厚长木条于受力集中处。灰岩砂浆由m中砂：m水：m水泥：m石膏粉=6:1:0.7:0.3比例配置。

表3 试桩参数

配置水泥砂浆模拟地基物理力学参数，将水泥砂浆倒入9 个长、宽、高均为150mm 的模具中，并养护7d，然后风干21d，最后将试样进行三轴压缩试验和单轴压缩试验，试验得到材料参数如表2所示。

试验加载系统使用千斤顶以及反力架，且放置监测系统。监测系统由百分表、测力计和数显仪、应变片和应变分析仪、土压力盒与数据采集仪组成，其中百分表量程为0～50mm，测力计量程为-1000～1000kg，土压力盒量程为0～6MPa。

2 试验结果分析

2.1 成桩试验

成桩试验后布袋桩的桩径均匀，桩身较完整，且乳胶膜未出现破损，没有出现渗漏现象。由此可见布袋桩可有效防止浆液渗漏，应用前景良好。

Hencky 曾提出可把枝状体凸出问题视为在边界约束条件下，在圆薄膜中心部位受到均布载荷，从而产生对称变形。其中薄膜最大挠度计算公式为：

式中，P为无量纲参数，计算公式为：

式中，E是圆薄膜的弹性模量；h是圆薄膜的厚度；P是圆薄膜受到的压强；v是圆薄膜的泊松比。

常数c取自式（3）、（4）：

g（c）取自式（5）：

由于圆薄膜是确定的，薄膜厚度、半径、泊松比、弹性模量均为已知量，因此最大挠度仅和压强有关。通过式（1）-式（5）可得上、下枝体长度，如表4所示。

表4 成桩试验数据

2.2 静载试验

图2 为4 根桩的静载试验结果。从图中可以看出，随着桩顶荷载增大，普通桩（TBP）桩顶沉降逐渐变大，在荷载大于4.2kN 时，沉降增加幅度较大。而试验桩（TBPa、TBPb、TBPc）增长趋势相同，且增长幅度较小。普通桩极限承载力（3.9kN）小于试桩TPa（4.5kN）、TPb（5.4kN）、TPc（6.0kN）的极限承载力布袋桩，可见布袋桩能有效提高桩基承载力。此外，在直径相同的情况下，布袋桩体积比普通桩仅仅大10%，经济效益显著。

图2 桩顶荷载与沉降变化曲线

为了研究布袋桩各部分受力情况，故将布袋桩（TBPa）分段命名，如表5 所示。

表5 桩分段

枝状体阻力、侧摩阻力、桩端阻力荷载变化值如图3 所示。由图可知，随着总荷载增加，三种承载力逐渐增大，侧摩阻力增加幅度最大。在加载过程中侧摩阻力作用最大，桩端阻力最小。

图3 荷载与分段荷载变化曲线

三种端承力发挥规律如图3（b）所示，可以看出随着总荷载增大，下枝状体和桩端阻力逐渐增大，而上枝状体先增大然后趋于稳定。在总荷载小于4kN时，上柱状体发挥作用最大。

三种摩擦段阻力发挥规律如图3（c）所示，可以看到随着总荷载增大，下摩擦段增长迅速，发挥作用逐渐变大，上摩擦段增大幅度较小。

综上所述，布袋桩在受到荷载时，侧摩阻力承担的荷载最多，在加载后期侧摩阻力承担作用远大于桩端阻力，由此可见布袋桩的枝状体尚未完全发挥。此外，布袋桩上枝状、下枝状体与桩端交替承载，有传递效应，这也为布袋桩承载的典型特征。

枝状体阻力、侧摩阻力、桩端阻力与总荷载比例关系如图4（a）所示。可以看到，侧摩阻力在开始时承担了约72%荷载，随着总荷载增加，侧摩阻力所占比例逐渐降低，并趋于稳定（55%）。图4（b）为上枝状体、下枝状体与桩端阻力所占荷载比例。由图可知，在大多数时间里上枝状体承担比例大于下枝状体与桩端阻力，由此可见上枝状体的设计尤为重要。

图4 分段荷载占比图

3 结论

为了研究普通桩与布袋桩承载能力的差别，开展了布袋桩与普通桩的物理模型试验，并通过成桩试验与静载试验，得到布袋桩成桩数据与受荷载情况，得到以下结论。

①Hencky 公式计算出上枝状体长度与实际长度相差分别为7.02%、2.56%、4.13%，下枝状体计算长度与实际长度相差分别为4.77%、3.57%、5.96%，可以看出实际长度与推算长度误差较小。

②普通桩极限承载力（3.9kN）小于试桩TPa（4.5kN）、TPb（5.4kN）、TPc（6.0kN）的极限承载力布袋桩，可见布袋桩能有效提高桩基承载力。此外，在直径相同的情况下，布袋桩体积比普通桩仅仅大10%，经济效益显著。

③布袋桩在受到荷载时，侧摩阻力承担的荷载最多，在加载后期侧摩阻力承担作用远大于桩端阻力，布袋桩的枝状体尚未完全发挥。此外，布袋桩上枝状体、下枝状体与桩端交替承载，有传递效应，这也为布袋桩承载的典型特征。

④侧摩阻力在开始时承担了约72%荷载，随着总荷载增加，侧摩阻力所占比例逐渐降低，并趋于稳定（55%）。在大多数时间里上枝状体承担比例大于下枝状体与桩端阻力，上枝状体的设计尤为重要。