模型嵌岩桩推出试验及其填隙材料遴选研究

李安钡，范昕然，吴同情

（1重庆交通大学土木学院，重庆400074；2重庆交通大学河海学院，重庆400074；3重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331）

模型嵌岩桩推出试验及其填隙材料遴选研究

Push-out Test of Rock-socketed Pile Model and Filler Materials Selection

李安钡1，范昕然2，吴同情3

（1重庆交通大学土木学院，重庆400074；2重庆交通大学河海学院，重庆400074；3重庆科技学院建筑工程学院，重庆401331）

嵌岩桩模型试验，需要在桩身贴片，而现浇桩贴片困难，所以采用预制桩的形式，这就需要解决预制桩与桩周岩面的接触面问题。试验采用不同类型胶凝材料填补桩岩界面缝隙，也选用了不同类型基岩，并进行推出试验探索其承载特性，并遴选出最优的填隙材料进行嵌岩桩模型试验。试验结果表明：高强度水泥砂浆能较好地模拟桩岩界面接触作用。

嵌岩桩；推出试验；填隙材料

近年来，为了探索嵌岩桩的承载机理，许多专家和学者都通过不同的方式对其进行了深入研究。随着科技的进步，试验的研究也更加深入、完善，而模型试验以其经济且对比数值模型具有更真实的试验成果的优势，受到研究者的青睐。大部分模型试验，需要在桩身安置应变量测装置，这就限制了模型现浇桩的运用，从而转向使用模型预制桩。而使用模型预制桩进行试验，就必须要解决模拟真实情况下桩岩间接触面的问题。为此，本文进行了3组不同条件下的推出试验。

1 试验方法

推出试验，即类似桩底制作为空洞的嵌岩桩模型试验[1]，加载过程中没有端阻力产生，所有的轴向荷载均由侧摩阻力承担。

模型桩桩身材料为钢筋混凝土[2]，混凝土标号为C30，其中水泥选用普通硅酸盐水泥，强度等级为42.5，水泥、水、碎石和砂按照质量比为1∶0.52∶2.77∶1.63的比例进行配置，碎石粒径为5～20mm；钢筋采用4根直径为5mm的二级带肋钢筋作为模型桩的主筋，用直径为2mm的铁丝作为箍筋，箍筋沿主筋按等间距2cm纵向均匀布置，并在桩两端一倍桩径附近处进行箍筋加密，间距为1cm。

模型桩长度为2根500mm和2根600mm，桩径均为100mm。

岩石类型有中风化红砂岩，其形状较为规则，大致为长方体，尺寸约为600mm×600mm×400mm；弱风化青砂岩，工厂切割为形状规则的长方体，尺寸为600mm×750mm×400mm。

嵌岩深度根据重庆地质决定，明可前[3]所做的试验得出：嵌岩深度为4倍桩径时，其承载力发挥最好。所以推出试验的所有嵌岩深度均为400mm。

填隙材料：M30水泥砂浆，水泥强度等级为42.5；配合比（重量比）：水泥∶中砂=1∶3.46；植筋胶，抗拉拔强度大于220MPa。填隙材料填入模型桩与岩石之间嵌岩部分的缝隙中。

试验采用在桩侧等间距粘贴应变片来量测桩身截面的应变，根据所记录的桩身轴向应变以及桩身的几何尺寸和弹性模量，可以计算出桩身轴力及侧摩阻力。

推出试验是将基岩钻通，并用橡胶垫、木棍将孔洞封住，将预制模型桩放入孔中，桩岩界面缝隙处填入胶凝材料。试验时，先将封底去掉，反力架上千斤顶推桩顶，把桩推出，如图1所示。

图1 试验装置三维效果图

试验的过程是，千斤顶向下推桩，桩受到基岩的摩阻力影响，产生桩自身的压缩应变，采用箔式电阻应变片量测桩身的竖向应变，并据此推导出桩截面的轴力，根据轴力的分布，可计算出桩侧摩阻力的分布。

本文试验采用推出试验法，岩体上方的钢反力架能提供500kN的反力，千斤顶最大量程为50t，加载由人工配合压力传感器数值来控制，图2为试验概貌。

图2 试验概貌

试验加载方案[4]为：采用慢速维持荷载法对模型桩进行加载，加载分级进行，逐级等量加载，每级维持30min；分级荷载为最大加载量或预估极限承载力的1/10，其中第一级可取分级荷载的2倍。

各组试验的基岩与填隙材料的具体选择见表1。

表1 基岩与填隙材料

2 试验结果与分析

Z1桩加载至80kN，并维持有一段时间，基岩发生脆性破坏，基岩侧面有明显的贯穿缝，试验无法继续。此时桩顶沉降约14mm，桩底没有明显被推出的痕迹。

Z2桩基岩为弱风化的青砂岩，试验加载至170kN才发生破坏，破坏形式为桩头被压坏，但桩顶沉降量较小，只有不到4mm，这说明基岩的强度对嵌岩桩的极限承载力影响显著。之后将模型桩继续推出，发现桩身夹带砂浆与基岩分离，破坏面在砂浆与基岩之间，破坏形式为桩与砂浆一体，对基岩的剪切破坏。

图3 Q-S曲线

图3 给出了Z1和Z2的荷载-位移曲线（Q-S曲线）。由图3可以看出，所有推出试验的破坏前阶段，都是一条近似直线，这说明在桩岩界面达到极限侧摩阻力前，嵌岩桩的荷载与沉降近似的成正比关系。

Z1和Z2相比较，Z1的极限荷载约为Z2的1/2，最终沉降却几乎是Z2的2倍，这说明，基岩的力学性质对嵌岩桩的侧摩阻力影响显著。

从Z1和Z2的曲线图可以看出，无论是在中风化红砂岩还是在弱风化青砂岩上做推出试验，其发展规律都可以归纳为2个阶段：第1阶段桩顶位移随荷载的增加缓慢变化，并以维持以一定的斜率，到了侧摩阻力极限值时，曲线会突然形成一个拐点，之后第2阶段斜率变陡峭，进入了曲线的陡降段，这时候桩的侧摩阻力已经无法支撑荷载带来的的压力，进入了一个快速的滑移阶段，桩侧摩阻力仅剩下残余摩阻力。

图4 轴力曲线

图5 侧摩阻力曲线

图4 给出了Z1和Z2的桩轴力曲线。可以看出这是很明显的沿嵌岩深度的递减趋势，而且在不同的嵌岩段，直线的斜率也是不同的，越靠近嵌岩段顶端，斜率越大，然后渐渐变缓。直线斜率的大小，代表桩侧摩阻力发挥程度的高低，斜率越大，桩侧摩阻力就越大。

嵌岩桩顶受荷载，使桩身产生压缩变形，桩身与基岩之间也会产生相对位移，这就产生了桩侧摩阻力。而桩顶的荷载向下传递过程中，克服这些桩侧摩阻力，就呈现出轴力递减的趋势。轴力在任一桩截面之间的差值，即为该截面的侧摩阻力值。

根据所测的轴力曲线，可以计算出桩岩界面上的摩阻力分布曲线。

图5为根据嵌岩桩轴力图画出的Z1和Z2的桩侧摩阻力曲线。由图5可以看出，随着桩顶荷载的增大，侧摩阻力也增大，桩侧摩阻力会在嵌岩段顶端附近（约1d范围内）产生侧摩阻力极值，而后会迅速减小。随着嵌岩深度增加，侧摩阻力会出现小峰值，这说明侧摩阻力在出现极值之后，桩身下部分侧摩阻力并不稳定。侧摩阻力出现这种波动峰值，是因为桩身轴力会使桩身产生局部剪胀，这就使得局部桩身对基岩的水平应力增大，从而增大了其侧摩阻力。

Z1和Z2相比较，会发现，在相同荷载条件下，强度更低的中风化红砂岩的侧摩阻力值极值更大，这与文献[5]所述情况不同。究其原因，是因为中风化红砂岩在钻孔时，由于施工工艺原因，加上岩面更加脆弱，使得内壁更加粗糙，从而导致了其与桩身的机械咬合力和摩擦力更大。

从Z1和Z2的曲线图可以看出，其侧摩阻力极值的出现位置与有端承嵌岩桩[6]所述情况类似。由于推出试验的桩端无端承，故而文献[7]提及的桩端阻力对桩侧摩阻力的强化效应没有出现。侧摩阻力极值以下范围的侧摩阻力表现为不稳定的波动形式，会出现小单峰甚至是小双峰，究其原因，是因为桩身受到轴向应力影响，形成剪胀段，剪胀段对基岩内壁有横向挤压作用，从而增大了侧摩阻力，形成小峰值。

Z3的填隙材料是植筋胶，其余参数与Z2相同。这组推出试验是为了对比非砂浆的强力胶凝材料的承载特性。在试验过程中，植筋胶的使用上遇到了两大难点：植筋胶加入固化剂之后，胶液流动性较差，填入缝隙时并不能保证密实；植筋胶具有胶的普遍特性，弹性较好，这样就难以模拟出桩岩界面之间的塑性应变。所以，胶凝材料不论从施工难度上，还是从力学性质上，都达不到高强度砂浆所模拟桩岩接触面的效果。这个补充试验也从反面论证了高强度砂浆作为填隙材料的可靠性。

图6 桩顶荷载与位移曲线图

3 与实际工程的对比分析

如图6所示为重庆港主城港区寸滩作业区三期工程采用自平衡法的2根Φ2000灌注嵌岩桩竖向抗压承载力试验的Q-S曲线图。此曲线也可以近似的分为两个阶段，即缓慢变形阶段和加速沉降阶段，这与模型试验Q-S曲线划分的两个阶段类似。原位试验的嵌岩桩承载力是由上至下发挥的，在初始荷载并不大的情况下，其承载力主要是由桩侧摩阻力承担的，故而前期的荷载位移曲线（Q-S）会表现出相似性，模型试验所显示的规律在一定程度上对工程有着指导意义。

4 结论

（1）推出试验确定了在现场模型试验时，桩岩接触面模拟问题的解决办法，即使用高强度砂浆作为填隙材料。

（2）推出试验探索了嵌岩桩在无端阻情况下，嵌岩桩的侧摩阻力的发挥机理。基岩的力学性质对嵌岩桩的侧摩阻力影响显著，侧摩阻力极限值的出现位置与有端承嵌岩桩具有相似性，但极限侧摩阻力以下侧摩阻力发挥具有不稳定性。

（3）桩岩界面的粗糙度对侧摩阻力的影响显著。

（4）在桩顶荷载并不大的情况下，桩的承载力主要是由桩侧摩阻力承担。

[1]王耀辉，谭国焕，李启光.模型嵌岩桩试验及数值分析[J].岩石力学与工程学报，2007，26（8）：1691－1697.

[2]重庆市城乡建设委员会.重庆市水泥混凝土、砂浆应用技术及参考配合比[S].2015.

[3]明可前.嵌岩桩受力机理分析[J].岩石力学，1998，19（1）：65-69.

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部.JGJ106-2014.建筑基桩检测技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2014.

[5]张建新，吴冬云.桩端阻力与桩侧阻力相互作用研究[J].岩土力学，2008，29（2）：541-544.

[6]汪凡文，秦勤.桥梁工程大直径嵌岩桩的承载性状研究[J].交通科技，2007（3）：8-9.

[7]刘利民，陈竹昌.桩的侧阻力强化效应[J].特种结构，1998（4）：27-29.

责任编辑：孙苏，李红

Rock-socketed pile model test,where the pile body is required to be affixed.The cast-in-place pile is difficult to be affixed,so precast piles are adopted,leaving the problem of the surface between the precast pile and the bedrock.Gelled materials of different types are applied to fill the pile-rock interface cracks,and different types of bedrocks are also adopted.The push-out test is done to explore its load-bearing characteristics,and the best filler materials for rock-socketed pile model test are selected.The results show that the high-strength cement mortar can better simulate pile-rock interface contact effects.

rock-socketed pile;push-out test;filler materials

TU411.93

A

1671-9107（2016）12-0048-04

基金论文：重庆市城乡建设委员会资助项目（大直径嵌岩灌注桩成套关键技术研究，编号：城科字2014第（03）号）。

10.3969／j.issn.1671-9107.2016.12.048

2016-09-25

李安钡（1991-），男，重庆人，研究生，主要从事桩基础承载特性研究。