桩体刺入全过程褥垫层的工作特性

周志军，郑昊

(1.五邑大学 土木建筑学院，广东 江门 529020；2.通山县交通建设工程质量监督站，湖北 通山 437600)

褥垫层是桩体复合地基的核心构成[1-7]，通过褥垫层的变形协调作用，使得桩、土共同承担上部荷载。

在褥垫层发挥变形协调作用时，桩体逐渐刺入褥垫层。目前，关于桩体刺入褥垫层的研究较多[8-14]，毛前等[8]认为褥垫层在桩体刺入时呈球孔破坏模式，适用Vesic小孔扩张理论；陶景晖等[9]基于Meyerhof理论分析褥垫层的作用机理；刘杰等[10]、亓乐等[11]、肖耀廷等[12]基于桩顶垫层刺入破坏模式及等沉面思想推导出桩体刺入量计算公式；郑俊杰等[13]分别采用Terzaghi破坏模式、Mandel-Salencon破坏模式、冲剪破坏模式研究褥垫层厚度不同时的工作特性；朱小军等[14]通过可视化模型箱研究了复合地基垫层刺入量的有关因素。研究表明，桩体刺入时褥垫层的变形过程较复杂，存在多种破坏模式。现有研究大多是基于褥垫层为某一厚度时，其变形特性符合某种理论破坏模式假定。然而，事实证明，在桩体刺入褥垫层的过程中，随着刺入深度变化，褥垫层的受力与变形特性会发生很大变化。目前，对桩体刺入褥垫层的全过程工作性状的研究还较少见。

通过室内模型试验，观测桩体刺入褥垫层不同深度的桩顶压力、桩顶位移量、褥垫层变形等试验结果，来研究褥垫层的全过程工作特性，并分析了桩间土压力、桩径等对褥垫层的影响。

1 室内模型试验

1.1 试验模拟条件

实际工程中，随上部荷载逐级施加，褥垫层所受压力多变，另一方面，地基土的固结、蠕变变形，导致桩、土之间的荷载转移[15]。因此，褥垫层的实际受力情况很难完全模拟，试验模拟条件做如下简化：1)褥垫层受到的桩间土压力在某一工况下恒定不变，不同工况对应不同的恒载值。2)桩体以匀速刺入褥垫层。3)试验仅考虑刚性基础的情况。

为了方便分析，把图1(a)所示褥垫层受力模型倒置过来，桩体从上往下刺入，褥垫层底部为刚性基础，如图1(b)所示。

图1 褥垫层受力图Fig.1 Stress diagram of the

1.2 试验装置

模型桩：采用不同直径的金属压杆模拟桩体，杆径分别为50、76、100 mm，模型试验的比例系数为1∶8，模拟的实际桩径分别为400、608、800 mm。

试验箱：内径360 mm，高300 mm的金属筒。按一根桩所分担的处理地基面积的等效圆直径de=360 mm，反算桩间距s与桩径d的比值，结果见表1。由表1可知，桩间距在3～7倍桩径范围内，属于桩体复合地基的常见情况。

表1 桩间距与桩径的比值s/dTable 1 Ratio of pile spacing s to pile diameter d

褥垫层：采用干燥中细砂，最大粒径不超过1.18 mm，由筛分实验测得其级配曲线见图2，计算不均匀系数Cu≈2.86，曲率系数Cc≈0.94。按模型比例，试验模拟的现场褥垫层材料最大粒径不大于10 mm，符合规范[16]要求。由直剪试验测得平均内摩擦角约为36.2°。试验中，褥垫层厚度均大于150 mm(对应于实际厚度1.2 m)，目的是研究桩体刺入时褥垫层从厚变薄整个过程的工作性状。

图2 砂的级配曲线Fig.2 Grading curves of the

褥垫层的初始密实度是模型试验的重要影响因素，由于试验的褥垫层为干燥中细砂，故以干重度γd作为控制指标。实验通过称量褥垫层总重G和褥垫层初始厚度h0算得干重度γd值，结果见表2。

表2 褥垫层在各工况下的试验参数值Table 2 Parameter values of the cushion under various test conditions

加压装置：采用SANS压力试验机，通过与电脑连接自动控制加载过程，试验数据方便保存。

1.3 试验主要过程

先把装有褥垫层的试验箱放在SANS压力试验机加载平台，再在褥垫层上施加恒载模拟桩间土压力，然后开机加载，使模型桩以速率2 mm/min刺入褥垫层，当桩顶压力接近10 MPa时停止加载。电脑实时记录试验测得的桩顶压力值和位移量。

以恒载0、270、578、1 195 N分别模拟4种工况的桩间土压力，模型桩直径分别为50、76、100 mm，褥垫层在各工况下的试验参数见表2。图3显示了50 mm模型桩在4种工况下的试验场景。

图3 50 mm模型桩刺入褥垫层的试验场景Fig.3 Test scene of the 50 mm model pile penetrating

1.4 试验结果

做了12组试验(3种桩、4种工况)，且每组试验重复做了3次，共做了36个试验。

用“褥垫层承载厚度h”表示褥垫层初始厚度与桩体刺入深度的差值，把褥垫层附加恒载值转化为桩间土压力σs，整理试验数据，以褥垫层承载厚度h为横坐标，“桩顶压力σp为纵坐标绘制褥垫层的σp与h关系曲线，图4显示了50mm模型桩刺入时，褥垫层在每种工况下的3次试验曲线。

为了便于对比分析，在图4各工况下的3次试验曲线中选取居中的曲线作为代表，如图5所示。同理，76、100mm模型桩刺入时，代表曲线对比情况见图6和图7。

图4 50mm模型桩刺入时σp与h曲线图Fig.4 Relation curves between σp and h of the cushion when the 50 mm model pile

图5 50 mm模型桩刺入时σp与h代表曲线对比图Fig.5 Comparison diagram of the representative curves between σp and h when the 50 mm model pile

图6 76 mm模型桩刺入时σp与h代表曲线对比图Fig.6 Comparison diagram of the representative curves between σp and h when the 76 mm model pile

图7 100 mm模型桩刺入时σp与h代表曲线对比图Fig.7 Comparison diagram of the representative curves between σp and h when the 100 mm model pile

2 褥垫层的全过程工作特性分析

2.1 褥垫层的压密变形阶段

在桩体刺入初期，褥垫层表面除了靠近桩头附近稍有沉陷外，其他基本没有变形，如图8所示。同时，随着桩体刺入深度的增加桩顶压力，大致呈线性增大，见图4～图7曲线的初始上升段。结果表明，桩体刺入褥垫层，桩顶下砂颗粒向下沉降，砂颗粒被逐渐压密，褥垫层以局部压密变形为主。

图8 50 mm模型桩在刺入初期的试验场景Fig.8 Test scene of the 50 mm model pile at

2.2 褥垫层的剪切变形阶段

在桩体刺入中期，观测到褥垫层表面出现环形隆起，见图9，褥垫层局部发生向桩周围、向上的剪切隆起变形，此部分褥垫层大多已处于极限状态。在此阶段，桩顶压力总体上随着刺入深度的增加而逐渐增大，对应于图4～图7的中间平缓上升段曲线。桩体刺入深度增加，桩顶周围的超载值增大，因而桩顶压力值也增大。褥垫层在此阶段的承载特性符合地基极限承载力理论。

图9 76 mm模型桩刺入中期时褥垫层表面的局部隆起Fig.9 The local uplift of the cushion surface in the middle penetration of the 76 mm model

2.3 褥垫层的压碎变形阶段

在桩体刺入末期，图4～图7曲线的桩顶压力呈快速增长态势。试验结束后，分离出桩顶下剩余的褥垫层，发现砂颗粒大都已被压碎，形成一个很密实的薄饼状块体，见图10，说明这个阶段褥垫层主要是砂颗粒的压碎变形。颗粒破碎、颗粒间的孔隙变小，垫层材料更加致密，其承担的桩顶压力越来越大。显然，以剪切变形为主的地基极限承载力理论在此阶段已不太适用。

图10 压碎变形的褥垫层Fig.10 The Crushing deformation of the

综上，褥垫层在桩体刺入的全过程中，表现出完全不同的三阶段工作特性。褥垫层既有压密变形，又有剪切变形和材料压碎变形，图4-7的试验曲线大致呈“N”字形的三段式。如前所述，现有研究成果大都局限于揭示褥垫层在某个阶段的工作性状，还不全面。

2.4 桩间土压力的影响分析

由图5-7可知：在相同桩径条件下，桩间土压力大，曲线就往坐标值大的方向偏移，曲线的相对位置越高，即相同桩径和相同褥垫层承载厚度时，桩间土压力越大，褥垫层能承受的桩顶压力就越大。

以桩顶压力σp=9MPa为例，从图5-7的试验曲线中读取褥垫层承载厚度值，见表3。由表中数据绘制褥垫层承载厚度h与桩间土压力σs的关系曲线，见图11。

表3 σp=9 MPa时褥垫层的承载厚度h值(mm)Table 3 The thickness value of cushion when the pressure at the top of the pile is 9 MPa(mm)

由图11和表3可知：相同桩径和桩顶压力时，褥垫层承载厚度随桩间土压力的增大而增大，且增长率总体呈先大后小趋势。

2.5 模型桩直径的影响分析

在图5-7中，选取相同工况条件下各模型桩的试验曲线进行对比，以桩间土压力σs=5.68 kPa为例，结果见图12所示。

图12的曲线初始段和中间段与桩径之间没有明显的相关性，但在曲线急速上升阶段，各曲线的先后位置与桩径之间又存在关联，其定量关系见表3。桩径的影响主要在褥垫层压碎变形阶段，相同桩间土压力和桩顶压力时，褥垫层在压碎变形阶段的承载厚度随桩径的增大而增大，且基本呈线性增加。

图11 σp=9 MPa时h与σs的关系曲线Fig.11 Relation curves of h and σs when σp=9

图12 σs=5.68 kPa时3种桩的代表曲线Fig.12 Representative curves of the three kinds of

3 几个关键问题的探讨

3.1 规范推荐的褥垫层厚度

《建筑地基处理技术规范》[16]对褥垫层设计厚度，有规定：CFG桩复合地基的褥垫层厚度宜取0.4～0.6倍桩径；水泥搅拌桩的褥垫层厚度可取200～300 mm。

试验的桩径为50～100 mm，按规范的0.4～0.6倍桩径计算，褥垫层试验厚度在20～60 mm之间。按规范的200～300 mm取值，因模型比例为1∶8，对应于试验厚度为25～37.5 mm。

从图5-7的试验曲线来看，褥垫层的压碎变形厚度基本上在0～60 mm范围内。如按规范推荐的褥垫层厚度，褥垫层只可能有初始的压密变形和后期的材料压碎变形，而剪切滑移变形很难发生。

文献[6]的褥垫层试验，模型桩径300 mm，褥垫层厚度在100～240 mm，与规范推荐厚度差不多。文献[6]的图4表示了桩体刺入量与加载值的关系，桩体刺入量在加载初期增速较快，在荷载值较大时桩体刺入量反而增长较慢。并未出现褥垫层在加载到某个阶段后，刺入量持续增大而荷载值增加不多的情况，因此，文献[6]也说明了褥垫层在规范推荐厚度时很难发生剪切变形。

3.2 褥垫层的最小极限承载力

取褥垫层在剪切变形阶段承受的最小桩顶压力作为褥垫层的最小极限承载力pu，该承载力是一个与褥垫层的内摩擦角、密实度、附加荷载等紧密相关的重要设计参量。从图5-7中读取各次试验的褥垫层最小极限承载力值，结果列于表4。

表4 模型试验曲线读取的褥垫层最小极限承载力Table 4 The minimum ultimate bearing capacity of cushion obtained from model test curves

需要说明：当图5-7的曲线中间段有波峰和波谷时，取各波谷的最小值作为最小极限承载力；当曲线中间段无波峰和波谷时，通过对曲线中间段的线性拟合来确定最小极限承载力，图5和图6的工况3、工况4曲线都属于此情况，限于篇幅，仅把图6的工况3曲线拟合情况列出，见图13所示。

图13 76 mm模型桩在工况3下的试验曲线中间段的拟合情况Fig.13 The fitting of the test curve in the middle section about the 76 mm model pile under the third working

由表4可知，桩径一定时，褥垫层的最小极限承载力随着桩间土压力的增大而增大，桩间土压力一定时，褥垫层的最小极限承载力也随桩径的变大而增大。假定褥垫层的最小极限承载力pu与桩径d、桩间土压力σs均为线型关系，拟合分析后按下式计算

(1)

式中：a、b为待定系数。根据式(1)及表4数据绘制褥垫层最小极限承载力pu与桩径d、桩间土压力σs的关系曲线，见图14。由图14可知，试验值与拟合值相差不多，基本符合线性变化规律。

图14 最小极限承载力与桩径、桩间土压力的关系曲线Fig.14 The relationship among the minimum ultimate bearingcapacity and pile diameter and the pressure

3.3 试验曲线的波峰和波谷

在图5-7的曲线中，当桩间土压力σs=0时，3种模型桩的试验曲线在剪切变形阶段均有明显的波峰和波谷；当桩间土压力σs≠0时，试验曲线的波峰和波谷有的不明显，有的就没有出现，如图5、图6的工况3、工况4曲线。

褥垫层在桩体刺入初期是个逐渐压密的过程，即使σs=0，桩头以下的褥垫层在剪切阶段也达到密实状态，所以试验曲线出现波峰和波谷，这与密砂的应变软化特性是相符的[17]。然而，褥垫层在桩间土压力作用下本应该更加密实，试验曲线却未有明显的应变软化特征。经分析发现，本试验的桩间土压力是采用刚性混凝土板上堆重物的方法施加的，见图15，刚性混凝土板会阻止褥垫层局部向上隆起变形，导致砂的剪切变形被限制，所以波峰和波谷就不明显。

图15 刚性混凝土承载板Fig.15 Rigid concrete bearing

3.4 对比试验的差异性

比较图4各工况下的3个试验曲线，总体而言，差异主要在褥垫层的压密变形阶段和剪切变形阶段，最后压碎变形阶段的曲线基本趋于相同。

经对比分析，造成差异的原因主要是褥垫层的初始密实度，密实度(或干密度)大的褥垫层，砂颗粒的咬合作用较大，颗粒之间发生相对滑移较为困难，例如，图4(d)中，试验1的曲线中间段相对位置最高，试验2最低，试验3居中，从表2中读取各试验的干密度，试验1为16.05 kN/m3，试验2为15.79 kN/m3，试验3为15.96 kN/m3，说明了干密实大的褥垫层在剪切变形阶段能承担更大的桩顶压力，其他几组试验也都表现出相同规律。在压碎变形阶段时，桩顶下的褥垫层所受压力越来越大，材料破碎并慢慢趋于致密状态，因此褥垫层初始密实度的影响逐渐降低

4 结 论

1)通过室内模型试验，揭示了褥垫层在桩体刺入全过程中存在3个阶段，分别为桩体刺入初期的压密变形阶段，桩体刺入中期的剪切变形阶段，桩体刺入末期的压碎变形阶段；并获得了褥垫层承载能力(即桩顶压力)与褥垫层承载厚度的关系曲线。

2)分析了桩间土压力、桩径对褥垫层的影响，结论为：桩间土压力对褥垫层的整个刺入过程均有影响，相同桩径和褥垫层承载厚度时，桩顶压力随着桩间土压力的增大而增大；相同桩径和桩顶压力时，褥垫层承载厚度随桩间土压力的增大而增大，且增长率总体呈先大后小趋势；桩径对褥垫层的影响主要在压碎变形阶段，相同桩间土压力和桩顶压力时，褥垫层承载厚度随桩径的增大而增大，且基本呈线性增加。

3)讨论了规范推荐的褥垫层厚度、褥垫层最小极限承载力等问题，结果表明：褥垫层在规范推荐厚度时很难发生剪切变形；褥垫层的最小极限承载力与桩径、桩间土附加压力等密切相关；褥垫层的密实度对其压密变形和剪切变形存在影响。