含缺陷桩复合地基重复加卸载下临近桩顶部侧移规律试验

焦隆华，周德泉，胡伟飘,3，李健

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司, 湖南 永顺 416700; 2.长沙理工大学 土木工程学院；3.湖南省建筑设计院有限公司)

1 前言

桩体复合地基在软基处理工程中大量采用，取得了良好的工程效果。但是，桩体断裂、缩径、扩径、倾斜等缺陷难以避免，常引起工程病害。与基础工程中大直径桩不同的是，地基处理工程中桩的直径小、数量多，较小的缺陷率也导致缺陷桩数量往往很大，其质量评定及逐桩处治有较大困难。粉喷桩在软土地基加固中具有侧向约束效果，笔者提出在坡脚主动设置桩体(该文称为临近桩)形成组合型复合地基控制倾斜软基或者含缺陷桩复合地基的侧向移动，但其工作机制复杂，设计具有盲目性。此时的临近桩属于被动桩。被动桩问题比较复杂，目前已取得了部分研究成果。Poulos利用弹性半无限体的Mindlin方程计算桩土之间的相互作用，得到桩体内力和挠曲变形;Matsui等为验证Ito等提出的抗滑桩侧向土压力计算公式，开展模型试验，认为侧向土压力随土体位移增大而增加，达到峰值后，黏土的侧向压力基本不随位移再增大，而砂土有所减少;Bransby通过三维有限元法验证了桩土间相互作用;李国豪建立桩-土之间的弹性平衡微分方程，剖析桩身受力变形与侧向位移;杨敏等结合堆载引起某厂房坍塌事故，采用有限元分析了堆载下土体侧移及对邻桩作用;周健等对被动侧向受荷桩进行了模型试验及颗粒流数值模拟;王恺敏等运用三维数值方法，分析大面积堆载条件下桩身负摩阻力及变形;李忠诚等通过三维数值方法，模拟地面堆载作用下土体受力变形规律，提出了堆载条件下邻近桩受力变形的实用计算方法;梁发云等采用非线性p-y曲线法及Winkler模型，研究土体侧移时临近桩的变形，获得了土体变形与桩体承受的垂直荷载之间的相互作用规律;吴琼开展模型试验，研究侧向堆载作用下砂土中单桩的受力变形规律。以上研究主要集中在均质地基上堆载对侧向桩体的影响。桩体复合地基上堆载时，笔者采用模型试验，研究了桩体复合地基重复加、卸载过程中不同间距临近桩变位规律及路堤重复加卸载下坡脚处顶部约束双排倾斜摩擦桩变位规律，但是，含缺陷桩复合地基重复加卸载过程中临近桩顶部侧移规律未见报道。该文采用模型试验，研究含缺陷桩复合地基4次重复加(卸)载过程中，临近桩(桩底自由和桩底嵌固，桩顶自由和连梁连接)顶部位移变化规律与差异，以指导处治含缺陷桩复合地基的临近桩工程设计。

2 模型试验概况

2.1 模型土和模型槽参数

模型试验是在室内尺寸为2.5 m×1.5 m×1.5 m(长×宽×高)的钢筋混凝土模型槽内进行，使用的模型土由过筛后室内存放6年的干燥花岗岩残积土与建设用砂等比拌和、“砂雨法”自重填筑而成，以模拟全风化花岗岩及其残积土快速填方工程，填土厚度为1.1 m。经测试，填筑后土体密度1.80 g/cm3，相对密度2.62，含水量2%，曲率系数Cc=1.39，不均匀系数Cu=5.36，最大粒径5 mm，级配良好。

临近桩的4根模型桩(编号为A、B、C、D)采用边长为50 mm的方形截面水泥砂浆桩，参数见表1，其中，A、C两根桩的底端嵌固、长度120 cm，B、D两根桩的底端自由、长度为110 cm。复合地基的9根模型桩(编号为Z1～Z9)采用边长8 cm、桩长80 cm的方形桩，弹性模量为9.52 GPa，桩底自由，其中，Z1、Z2和Z3 分别为1/4、2/4和3/4缩径桩，Z4、Z5和Z6分别为2/4断桩、正常桩和1/4断桩，Z7、Z8和Z9分别是1/4、2/4和3/4扩径桩。

表1 模型桩参数

注：① A与B、C与D之间的中心距为20 cm，B与C之间的中心距为15 cm；② A与D对称、顶部自由，B与C对称、顶部用连梁连接；③ 模型桩弹性模量采用简支梁法测定。

2.2 模型设置及试验过程

试验前，在模型桩侧面粘帖应变片，在临近桩侧面固定压力盒。填土前，先按图1(a)确定各桩在模型槽内的分布位置。A、C两根桩嵌固底端的方法是：将设桩位置的混凝土地板用清水洗涤干净、晾干，然后将地板和桩底分别涂抹足量AB胶并黏合至足够牢固，最后用相同办法在桩底周围用混凝土小试块围箍、胶水黏合。A与B、C与D之间的中心距为20 cm(4倍桩径)，B与C之间的中心距为15 cm(3倍桩径)，并且B桩(底端自由)与C桩(底端嵌固)桩顶用连梁连接。采取分层均匀填土，确保在填土时桩体垂直、平面位置准确。填土完成后，在Z1～Z9桩顶部和土顶部设置土压力盒和沉降标，在每根临近桩桩顶处架设百分表。静置30 d，让模型土自重沉降。

图1 模型桩布置图

模型槽上端设有平台，码堆足量砝码以提供反力，采用油压千斤顶在720 mm×720 mm的加肋钢板上共进行了4次加载和卸载循环，加肋钢板的3个方向与槽内壁均相距390 mm,第4个方向相距140 mm设置临近桩。试验现场见图1(c)。试验按规范进行。要点为：预加载5～6 kN再卸载，以校核加载装置的整体性能；第1级加载4 MPa(油压表)，根据油压表整数分级加载，荷载增量为2 MPa(油压表)，每级加载前后测读承压板沉降量和临近桩的侧移，以后每0.5 h测读1次，当1 h内承压板沉降小于0.1 mm时加下一级荷载；根据变形特征与平台反力决定终载；小心操作油泵旋纽、尽量分级卸载，每级维持 0.5 h，测读承压板沉降量和临近桩的水平位移。每次加载卸载完成后，间隔12 h进行下次加载卸载循环。获得了含缺陷桩复合地基4次重复加(卸)载过程中，临近桩(桩底自由和桩底嵌固，桩顶自由和连梁连接)顶部位移变化规律与差异(获得的其他规律另文讨论)，为采用临近桩处治含缺陷桩复合地基提供试验依据。为表达简便，该文将桩底自由的模型桩称为摩擦桩，将桩底嵌固的模型桩称为嵌岩桩。

3 试验结果与分析

3.1 含缺陷桩复合地基重复加卸载P-S曲线规律

图2为含缺陷桩复合地基的4次重复加(卸)载P-S曲线。

图2 含缺陷桩复合地基P-S曲线

由图2可知:

其加载曲线均呈上凸形，首次加载产生的沉降量最大，第4次加载产生的沉降量最小，加载沉降量随加载次数增加而减小，说明预压可以完成大部分沉降量。第1～4次加载终点(即第1～4次卸载起点)对应荷载分别为70.59、83.17、95.75、102.04 kN,沉降分别为10.122 5、13.198 5、16.143 5、17.362 5 mm。第2、3、4次加载终点均位于首次加载曲线的延长线上，卸载曲线均呈下凹形，说明含缺陷桩复合地基具有土地基相似特征，也说明测试系统正常。

3.2 临近桩顶部侧移随重复加载变化规律

图3为含缺陷桩复合地基上4次加载过程中，临近桩(A、B、C、D)顶部侧移随重复加载变化曲线对比。

由图3可知：

(1)含缺陷桩复合地基4次加载过程中，临近桩(A、B、C、D)顶部侧移均随压力增加而逐渐增大。首次加载时，侧移增长经历3个阶段：低压阶段(0～30 kN)侧移呈线性增长且增长较快，这是因为模型土孔隙较大；中压阶段(30～60 kN)侧移平缓增长，压力超过一定值(60 kN)时侧移快速增长。第2、3、4次加载时，到达前次加载最大荷载期间，侧移缓慢增长，超过前次加载最大荷载后，侧移快速增长。所以，第2、3、4次加载时侧移增长经历两个阶段，曲线在前次加载最大荷载处有明显拐点。

(2)相同条件下，嵌岩桩顶部侧移小于摩擦桩。图3中，嵌岩桩A的侧移曲线都在摩擦桩D曲线左侧，嵌岩桩C的侧移曲线都在摩擦桩B曲线左侧。

(3)相比嵌岩桩，摩擦桩顶部侧移对重复加载的敏感性较强。图3(b)、(c)、(d)中，嵌岩桩C和A的曲线变化率小，摩擦桩B和D的曲线变化率大。

(4)相同条件下，相比桩顶自由，连梁连接桩顶产生较大侧移。图3中，顶部通过连梁连接的C桩侧移曲线都位于顶部自由的A桩侧移曲线右侧，顶部通过连梁连接的B桩侧移曲线都位于顶部自由的D桩侧移曲线右侧。分析认为，一方面，桩顶通过连梁连接，桩顶侧移具有叠加效应，类似于摩擦桩群沉降产生的群桩效应；另一方面，桩排的中部比两端受力稍大。

3.3 临近桩顶部侧移随重复卸载变化规律

图4为含缺陷桩复合地基4次卸载过程中，临近桩(A、B、C、D)顶部侧移随重复卸载变化曲线对比。

由图4可知:

(1)卸载曲线的最后1～2级荷载处出现明显拐点。类似于桩体复合地基重复卸载过程中侧向约束桩侧移回弹曲线和地基土的沉降回弹曲线，卸载初期，弹性变形很小，最后1～2级卸载时才出现较大的弹性变形。完全卸载时，弹性变形最大。

(2)相比嵌岩桩，摩擦桩顶部侧移对重复卸载较敏感。卸载初期，摩擦桩B和D的卸载曲线表现较大的弹性变形，而嵌岩桩C和A的卸载曲线几乎与纵坐标平行，弹性变形很小。

图3 临近桩顶部侧移随重复加载变化曲线对比

图4 临近桩顶部侧移随重复卸载变化曲线对比

(3)桩顶约束条件对回弹变形影响小。连梁连接桩顶的嵌岩桩C和桩顶自由的嵌岩桩A、连梁连接桩顶的摩擦桩B和桩顶自由的摩擦桩D，其卸载曲线几乎平行。

3.4 不同加载阶段桩顶侧移变化规律

图5为临近桩(A、B、C、D)在不同加载阶段的桩顶侧移变化曲线。

由图5可知:

(1)4次加载过程中，桩顶侧移均随加载增大而增大，其增长率随加载次数增加而减小。分析认为，前次加载期间，桩土发生了较大的塑性变形。

(2)4次加载过程中，若加载超过前次最大荷载，曲线将回到首次加载曲线的延长线，类似于正常桩体复合地基加载过程中侧向桩顶部侧移曲线和地基土垂直受压的沉降曲线。

(3)相比嵌岩桩，摩擦桩对重复加载较敏感。比较图5(a)、(d)，第2、3、4次加载过程中，顶部自由摩擦桩D的侧移变化率大于顶部自由嵌岩桩A的侧移变化率。比较图5(b)、(c)，第2、3、4次加载过程中，顶部约束摩擦桩B的侧移变化率大于顶部约束嵌岩桩C的侧移变化率。

(4)相比桩顶连梁连接的桩，桩顶自由单桩对重复加载较敏感。比较图5(a)、(c)，第2、3、4次加载过程中，桩顶自由的桩A的侧移变化率大于桩顶连梁连接的桩C。比较图5(b)、(d)，第2、3、4次加载过程中，桩顶自由的桩D的侧移变化率大于桩顶连梁连接的桩B。

图5 4次加载过程中桩顶侧移规律对比

3.5 不同卸载阶段桩顶侧移变化规律

图6为临近桩(A、B、C、D)在不同卸载阶段的桩顶侧移变化曲线。

由图6可知:

(1)卸载初期，桩顶侧移基本恒定，卸载到最后1～2级时，桩顶侧移才减小。说明高压力阶段的变形主要为不会因卸载而恢复的塑性变形。后次卸载曲线总在前次卸载曲线右侧，说明塑性变形随加载次数增加而增加。

(2)卸载过程中，相比摩擦桩，嵌岩桩的桩顶侧移更难恢复，塑性变形的比例较高。

4 结论

(1)含缺陷桩复合地基加卸载曲线与一般地基加卸载曲线相似，加载曲线呈上凸形，首次加载产生的沉降量最大，单次加载沉降量随加载次数增加而减小，卸载曲线呈下凹形。

图6 4次卸载过程中桩顶侧移规律对比

(2)临近桩顶部侧移随含缺陷桩复合地基压力增加而逐渐增大。首次加载时，侧移经历快速增长、平缓增长、快速增长3个阶段。第2、3、4次加载时，侧移经历平缓增长、快速增长两个阶段。摩擦桩顶部侧移比嵌岩桩大、对重复加载敏感。顶部通过连梁连接的桩顶部侧移比顶部自由单桩大、对重复加载不敏感。桩顶侧移增长率随加载次数增加而减小。若荷载超过前次加载的最大荷载，曲线将回到首次加载曲线的延长线。

(3)卸载初期，桩顶侧移主要为塑性变形，在最后1～2级荷载时才开始出现弹性变形。桩顶约束条件对回弹变形影响小。

(4)嵌岩桩比摩擦桩的侧向约束效果好。桩顶通过连梁连接比桩顶自由单桩产生较大位移，对重复加载不敏感。实际工程中，复合地基内缺陷桩很多时，建议在侧面设置顶部通过连梁连接的嵌岩桩控制含缺陷桩复合地基的水平移动。

(5)首次通过室内模型试验，揭示了含缺陷桩复合地基重复加卸载曲线特征，获得了临近嵌岩桩、摩擦桩及其桩顶自由或者通过连梁连接时顶部水平位移变化规律，可为临近桩设计提供试验依据。