泥皮对灌注桩摩阻性能影响的模型试验研究

陈咏泉，雷金山，许凌，王冠，代忠

泥皮对灌注桩摩阻性能影响的模型试验研究

陈咏泉1，雷金山2，许凌1，王冠1，代忠2

(1. 湖南益马高速公路建设开发有限公司，湖南 益阳 413400；2. 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075)

通过室内模型模拟益马高速公路典型砂卵石地层摩擦桩，开展泥浆护壁摩阻试验，研究桩侧和桩端阻力在各级荷载下的分布规律；针对不同泥浆护壁条件，对比分析不同膨润土浓度、不同添加剂种类与浓度条件下泥皮对桩侧摩阻力的影响。试验结果表明：当泥浆浓度大于12%时，桩侧摩阻力会降低30%以上，建议施工过程中成孔时泥浆膨润土浓度不宜超过9%；水泥作为泥浆添加剂会有效优化泥浆性能，改善桩基的荷载−沉降性状，降低泥浆对桩侧摩阻力的影响。

模型试验；泥浆护壁; 桩侧阻力；泥浆添加剂

膨润土泥浆作为桩基钻孔冲洗循环液，在钻孔周围形成泥皮，能有效防止孔壁坍塌[1−3]。某桥梁工程桩基础的地质情况主要为种植土、粉砂、细沙、卵石和板岩，其中侧摩阻力主要由砂卵石地层提供。采用泥浆作为钻孔冲洗循环液，在进行桩基自平衡试验时，由于泥皮的存在降低了桩侧摩阻力的发挥，初始加载条件下上段桩位移已超过规范值，致使实验失败。因此，有必要针对膨润土泥浆对桩侧摩阻力的影响进行深入研究。本文通过室内模型试验，分析不同膨润土浓度、不同添加剂种类与浓度条件下泥皮对桩侧摩阻力的影响。

1 模型试验设计

在科学实验中，通常将影响试验指标的条件称为因素[4]。在本试验中，选取影响侧阻力发挥的3个主要因素：膨润土浓度，添加剂种类与用量。分析不同膨润土浓度、不同添加剂种类与浓度条件下泥皮对桩侧摩阻力产生的影响。

试验在一个长2 m，高2 m，宽0.5 m的模型试验槽进行。试验土样为中砂，膨润土材料为纳基膨润土，添加剂分别为石灰、水泥和粉煤灰[5−7]。试验桩采用钢筋外包混凝土模拟[8]，监测仪器主要包括百分表和应变仪等。

本次试验共分2组，每组4根模型桩。第1组为膨润土浓度试验，膨润土浓度分别选取3%，6%，9%和12%进行研究。试验完成后进行第2组试验，选定3%膨润土浓度后分别添加粉煤灰、石灰和水泥，其掺量均为3%。第2组第4根试验桩泥浆为清水，进行对比分析。

试验分组见表1，桩位布置示意图如图1所示。

表1 桩基模型试验分组表

注：P—膨润土；F—粉煤灰；C—石灰；S—水泥；0—清水。

单位：cm

2 试验过程与步骤

2.1 制作模型箱

试验箱采用高强度铁板及槽钢支架等焊接加工制成，正面和背面采用了可拆卸的有机玻璃模板来限制侧向变形，便于实验现象的观察。试验箱尺寸为：长×宽×高=200 cm×60 cm×200 cm。

2.2 制作圆钢，黏贴应变片

为了更好地模拟桩表面与砂土间的粗糙接触，试验桩采用混凝土内包圆钢的形式。圆钢直径为20 mm，底端焊接直径75 mm，厚度5 mm的铁饼，最终形成的复合模型桩的外径为75 mm。本次试验模型桩桩长=800 mm，直径=75 mm。应变片在浇筑混凝土前贴在圆钢表面，黏贴前先对圆钢黏贴处进行打磨，再涂抹酒精，然后用502胶水黏贴应变片和接线片，烘干后焊接导线，最后把AB胶胶涂在应变片、接线片和接点表层[9]。应变片黏贴示意图如图2所示。

单位：cm

2.3 铺设中砂，预埋PVC管

本次试验设计中砂埋设厚度为1.05 m，分层摊铺，桩底土层厚度为25 cm，其余各层厚度为20 cm。在铺设底层中砂时，使用室内轻型夯锤进行多遍夯击，直至砂土面达到设计高度，同时记录中砂用量，铺设下一层砂时确保砂土用量。如此往复，铺设每一砂层，完成后静置12 h以上，使砂在自重作用下压密，以保证每次试验样本的均一性[10]。

本次试验填土过程中，在铺设第1层砂土后在模型桩布置位置处预埋直径为75 mm的PVC管与贴好应变片的圆钢，然后继续铺设土层。土层铺设完成后，拔出PVC管，即可形成钻孔。

2.4 制备泥浆

使用膨润土配置泥浆时，不同的搅拌方法对膨润土溶胀程度影响很大。经高速搅拌机拌制的泥浆其流变参数远优于低速搅拌机搅拌的泥浆，因此必须使用高速搅拌机拌制。搅拌时间控制在4~5 min。对于使用前要放置较长时间的泥浆，搅拌时间为4 min左右。对于搅拌好后立即就用的泥浆，搅拌时间为7 min左右[11]。

2.5 成孔

在土层铺设完毕12 h后，将钢筋插入PVC管上部的钻孔，一边旋转，一边将PVC管向上拔出。

2.6 灌注泥浆，形成泥浆护壁

在成孔后，不断向孔内补充新鲜泥浆，本次泥浆的使用方法为静止方式。

2.7 灌注混凝土

成孔12 h后，浇筑混凝土。混凝土材料为细砂，425水泥，10 mm直径卵石。

2.8 设置基准梁，安放百分表

混凝土养护28 d后，设置基准梁，安放百分表。

2.9 加载，记录数据

本次模型试验中加载装置由千斤顶，刚性板，反力梁，百分表及应变仪组成。通过一个小型手动带油压表千斤顶对模型桩施加竖向荷载,千斤顶放置在桩头上的刚性板上。根据规范要求[12]，每级荷载量为极限承载力的1/10。每级加载后，每10 min测读一次，累计30 min后，若桩的沉降量连续2次测读在半小时内小于0.1 mm，视为稳定，并进行下级加荷。每级加载稳定后用应变仪记录应变片读数。当桩顶沉降量为0.1时，为本次试验的卸载条件[13]。

2.10 卸载

2.11 将砂撤出试验箱

3 试验结果分析

3.1 桩基静载试验荷载~位移曲线

在进行静载试验时，用百分表记录各级荷载下的桩顶位移，图3为各桩在各级荷载下的荷载−沉降曲线。

图3 试验桩基荷载−沉降曲线

从图3中可以看出，各试验桩基荷载−沉降曲线均为缓降型。对比A1~A4试桩曲线可以看出，随着泥浆膨润土浓度的减小，桩的荷载−沉降曲线变得较为缓和，前4级荷载条件下桩顶沉降较小，从第5级荷载开始每级荷载下桩顶位移增量较大。

对比图中A1和B1~B3曲线可以看出，在泥浆膨润土浓度为3%的条件下，不同添加剂对桩的荷载−沉降曲线的影响不同。当添加剂为3%水泥时(B3)，荷载较小时该桩的荷载−沉降曲线比无添加剂的桩基(A1)缓和，但当荷载较大时，两桩基的荷载−沉降曲线趋势相近。说明膨润土泥浆添加一定量的水泥时会改善桩基的荷载−沉降性状。

3.2 桩基静载试验侧阻力分析

桩身各截面轴力已由应变片应变计算得出，相邻两截面轴力差即为该段桩的桩侧的摩擦力[14]，则摩擦力：

在求得该段桩的摩擦力后，则该段桩的平均侧摩阻力即为相邻两截面轴力差除以该段桩的侧表面积：

式中：为该段桩摩阻力，kPa；为桩直径，m；为该段桩桩长，m。

图4~11为各桩基在各级荷载下的侧阻力分布曲线，从各图中看出，在荷载较小时，上段桩的侧摩阻力先于下段桩发挥，位于桩端附近的侧摩阻力非常小，随着荷载持续增大，下段桩侧摩阻力增长明显，而上段桩侧摩阻力增长较小，当荷载较大时，侧摩阻力最大值一般发生在桩端附近，这说明端阻力的发挥对侧阻力的发挥有强化作用。

图4 A1桩侧阻力分布趋势图

图5 A2桩侧阻力分布趋势图

图11，4~7分别为不同膨润土浓度下试桩的侧阻力分布趋势图，其膨润土浓度分别为0，3%，6%，9%和12%。其中B4(清水桩)桩极限侧摩阻力平均值最大，为14.9 kPa；A4(12%膨润土)桩极限侧摩阻力平均值最小，为10.38 kPa。桩极限侧摩阻力降低了31%，降低幅度较大。对比各桩的图表发现，随着泥浆膨润土浓度的增大，各桩的极限侧摩阻力平均值逐渐降低。当膨润土浓度从0增加到3%时，桩的极限侧摩阻力平均值下降较大，但膨润土浓度从3%增加到6%和9%时桩的极限侧摩阻力平均值下降趋势都较为平缓，而当膨润土浓度大于9%时，随着膨润土浓度的增大，桩的极限侧摩阻力降低趋势较快。这说明泥浆会影响桩侧摩阻力的发挥，且当泥浆浓度大于12%时，桩的极限侧摩阻力会降低30%以上。建议施工过程中成孔时泥浆膨润土浓度不超过9%。

图6 A3桩侧阻力分布趋势图

图7 A4桩侧阻力分布趋势图

图6，8~10为各试桩在相同膨润土浓度条件下添加不同添加剂后的侧阻力分布趋势图，各桩膨润土浓度均为3%，添加剂分别为3%粉煤灰、3%石灰和3%水泥。从图中可以看出，在3%膨润土条件下加入3%石灰(B2)后该桩的极限侧摩阻力为10.48 kPa，明显小于3%膨润土(A1)桩的极限侧摩阻力；3%膨润土条件下加入3%粉煤灰(B1)后该桩的极限侧摩阻力为12.27 kPa，略小于A1桩；3%膨润土条件下加入3%水泥(B3)后该桩的极限侧摩阻力为14.03 kPa，仅小于清水桩，大于其余各试验桩基。这说明石灰作为泥浆添加剂会降低桩侧摩阻力的发挥，是不可行的；粉煤灰作为泥浆添加剂对桩侧摩阻力的发挥影响不大；而水泥作为泥浆添加剂会有效改善泥浆性能，优化膨润土泥浆，降低泥浆对桩侧摩阻力的影响。

图8 B1桩侧阻力分布趋势图

图9 B2桩侧阻力分布趋势图

3.3 桩基静载试验端、侧阻力分布

各桩基在各级荷载下的侧阻力比重分布趋势如图12所示。从图中可以看出：初级加载和终极加载侧阻力比重最大的都是B4桩(清水桩)，这充分说明泥浆会影响桩侧摩阻力的发挥；在整体上各个桩基的侧阻力比重随着荷载的增大而减小，这说明试验中桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥，随着桩端土层的压密，桩端阻力也逐渐发挥；在相同荷载条件下，随着泥浆浓度的增大，桩侧摩阻力比重减小，且当泥浆浓度大于9%，桩侧摩阻力比重下降明显。

图10 B3桩侧阻力分布趋势图

图11 B4桩侧阻力分布趋势图

图12 各级荷载下桩侧阻力占比图

4 结论

1) 泥浆膨润土浓度对桩侧土体的物理力学性状影响较大。泥浆膨润土浓度越小，桩的荷载−沉降曲线越缓和；膨润土泥浆添加一定量的水泥，会改善桩基的荷载−沉降性状。

2) 当泥浆浓度大于12%时，桩侧摩阻力会降低30%以上，建议施工过程中泥浆膨润土浓度不宜超过9%。

3) 石灰作为泥浆添加剂会降低桩侧摩阻力的发挥；粉煤灰对桩侧摩阻力的发挥影响不大；而水泥会有效改善泥浆性能，降低泥浆对桩侧摩阻力的影响。

4) 桩侧摩阻力先于桩端阻力发挥，随着桩端土层的压密，桩端阻力也逐渐发挥；在相同荷载条件下，随着泥浆浓度的增大，桩侧摩阻力比重减小，且当泥浆浓度大于9%，桩侧摩阻力比重下降明显。

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Model test study on influence of mud cake on friction performance of pouring pile

CHEN Yongquan1, LEI Jinshan2, XU Ling1, WANG Guan1, DAI Zhong2

(1. Hunan Yi-ma Expressway Construction and Development Corporation, Yiyang 413400, China; 2. School of Civil Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

Through the medium sand chamber in the drilling of the grouting pile mud wall indoor model test, the distribution trend and distribution law of pile end and pile side resistance at all levels were studied; for different mud wall conditions, the effects of different clay concentrations, different additive types and concentration on the friction resistance of the mud on the pile side were compared and analyzed. The result shows that the pile side friction will be reduced by more than 30% when the mud concentration is greater than 12%, it is recommended that the concentration of bentonite during construction should not exceed 9%. When the cement as a slurry additive, the mud performance can be effectively optimized, the load-sedimentation behavior of the pile can be improved, and the influence of the mud on the pile-side friction can be reduced.

model test; mud wall; pile side resistance; mud additive

TU413

A

1672 − 7029(2019)07− 1660 − 06

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.07.008

2018−09−07

湖南省自然科学基金资助项目(2017JJ2316)；益马高速建设科技计划项目(YM201501)

雷金山(1973−)，男，湖南湘乡人，高级工程师，博士，从事岩土工程教学与科研工作；E−mail：5822673@qq.com

(编辑 涂鹏)