缩径承台基桩竖向承载力及桩周土体变形

崔延卫，徐志军，邢 军，王自召，焦 帅，韩晓林，杨澎坡

(1.河南省建筑工程施工图设计文件审查所有限公司，河南 郑州 450003；2.河南工业大学 土木工程学院，河南 郑州 450001；3.中建七局总承包有限公司，河南 郑州 450003)

0 引言

桩基础作为常用的深基础形式，在土木工程中得到了广泛应用[1-2]。由于施工工艺、现场地质条件及施工管理等原因，基桩易产生各种各样的缺陷[3]。缩径缺陷是影响基桩承载性能的主要缺陷形式。缺陷桩数量巨大，处理不当会给工程带来极大的安全隐患和经济损失[4]。

目前，对于缩径桩的研究主要集中于缺陷成因、检测及缺陷处理方面[5-7]。关于缺陷桩承载性能方面的研究较少。文献[8]采用有限元方法对缩径缺陷桩进行分析，得到了荷载沉降性状、摩擦阻力与端阻力发挥特性。文献[9]对缺陷桩开展了模型试验，研究了桩身缺陷对基桩承载性能的影响。文献[10]通过试验及数值模拟对缩径基桩进行了研究，发现桩身深部缩径缺陷对基桩的竖向承载力影响较大。对于承台基桩，由于承台和缩径缺陷的存在，导致桩在荷载作用下，不仅存在桩-土相互作用，而且存在土-承台的相互作用，形成了较为复杂的桩-土-承台相互作用体系，因此，对缩径承台基桩承载性能进行研究至关重要。

传统的土工试验方法的不足之处有：传感器埋入土体，试验测点有限，导致试验数据离散性大；试验测量精度会受到传感器的灵敏性、刚度、尺寸和接触等干扰。自文献[11]发现透明饱和两相介质具有土壤的力学性质后，国内外学者使用透明土进行了土-结构相互作用的模型试验，取得了良好的研究结果。文献[12]使用透明土试验技术对楔形桩沉桩过程中的变形规律及其沉桩影响半径进行了研究。文献[13]使用透明土试验技术对被动桩侧土体变形进行了研究。文献[14]通过透明土试验技术揭示了承台周围土体的变形规律，研究了桩围的土体变形。透明土试验技术可以很好地观察桩周土体的变形情况，且解决了传统接触式试验对试验结果的干扰。

本文以缩径位于桩体深部为例，通过透明土模型试验，研究缩径的轴向尺寸和径向尺寸对承载力和桩周土体的影响，揭示承载力的变化原因。研究成果可为工程中基桩出现缩径缺陷及类似缺陷的加固处理提供一定的理论和技术支持。

1 透明土模型加载试验方案

1.1 透明土参数

试验中所用的透明土由熔融石英砂和折射率匹配的孔隙流体制成。熔融石英砂是由0.5～1.0 mm和1.0～2.0 mm粒径按质量比1∶2混合制成，其纯度为99.9%。熔融石英砂的相关参数和粒度分布曲线分别见表1和图1。孔隙流体由正十二烷和15#白油按体积比1∶4.75混合而成，折射率为1.459 0(室温20 ℃)，与熔融石英砂的折射率相匹配，制成的透明土见图2。透明土的力学性质与天然砂土相似，在模型试验中，可作为模拟天然砂土的替代物[15-17]。

表1 熔融石英砂参数

图1 熔融石英砂粒度分布曲线

图2 透明土模型

1.2 试验装置及方案

透明土模型试验加载装置见图3[18]。试验前，先将配制好的透明土放入1个由玻璃制成的模型槽中，模型槽的内尺寸(长×宽×高)为320 mm×180 mm×350 mm，然后将桩体模型推入土中。对模型槽内部的透明土抽真空，排除颗粒孔隙中的气体并使土体内部的孔隙压力消失。抽真空步骤完成后，将模型槽放置在加载平台上静置24 h。通过控制系统对承台桩进行分级加载。加载前，将面激光与模型桩轴线对齐，保证图像平面在面激光上。工业相机放置在距离模型盒约1 000 mm处，其光轴垂直于面激光，并在加载过程中捕捉图像，承台顶沉降1 mm捕捉1次图像，并利用MatPIV软件进行图像处理[19]。

1.加载装置；2.电控箱；3.图像采集系统； 4.面激光装置；5.透明土模型槽。

根据JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》[20]，按分级加载法将荷载作用于承台上。每1步荷载是最大荷载或估算承载力的1/10。施加每1步荷载后，记录承台顶沉降，直到承台顶沉降完成为止。然后，对带承台缩径基桩施加下一步荷载。判定每1步沉降完成的依据是承台顶沉降小于0.1 mm/h，且连续发生2次。当在某1加载步出现急剧沉降或沉降大于允许值时，加载试验结束。为了确保试验结果的一致性，每次试验准备时，控制每次模型槽内透明土的质量及高度一致，保证每次试验时透明土的密实度相同。每个模型试验重复3次，加载数据取3次试验的平均结果，采集的图像取与加载数据平均值相近的1组图像。

1.3 模型桩设计及其材料

本试验设计1根完整承台基桩和6根深部缩径承台基桩。根据相似理论[21]，采用1∶50的缩尺比例对文献[22]所研究的承台基桩进行尺寸设计。承台尺寸(长×宽×高)为40 mm×40 mm×15 mm，缩径底部距离桩端的长度为40 mm。模型桩由有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，polymethyl methacrylate，PMMA)透明材料制成。模型桩主要参数见表2。缩径承台桩描述和缩径参数见表3。模型桩实物图及尺寸见图4。

表2 模型桩主要参数

表3 缩径承台桩描述和缩径参数

(a) 模型桩实物图

2 承载力分析

对设计的模型桩进行分级加载，每级荷载为20 N，桩的荷载-沉降曲线见图5。由图5可知：曲线呈缓变型，位移随着荷载的增长而逐级增大。荷载小于200 N时，沉降值呈线性增大，荷载大于200 N时，曲线开始出现不同程度的下降。根据JGJ 106—2014《建筑基桩检测技术规范》[20]，承台顶沉降4 mm时的荷载为极限承载力，则极限承载力分别为完整桩216 N、SW桩211 N、ST桩201 N、MW桩198 N、MT桩181 N、LW桩195 N和LT桩178 N。缩径对桩的竖向承载力有显著影响。缩径尺寸越大，竖向承载力损失越明显。例如，在径向尺寸相同的条件下，缩径轴向尺寸在5 mm时，承载力为201 N，轴向尺寸为20 mm时，承载力为178 N，损失率为17.59%，承载力损失颇为显著。图6给出了承载力与缩径之间的关系。由图6可知：当缩径径向尺寸相同时，缩径轴向长度越长，承台缩径基桩承载力越小；当缩径轴向尺寸相同时，缩径径向尺寸越大，承载力损失越大。

(a) 完整桩、LW桩、SW桩及MW桩

图6 不同缩径轴向长度承台基桩的极限承载力

3 桩周土体位移场分析

取承台顶沉降达到4 mm(极限承载力)时的桩周土体变形为研究对象。模型试验沿桩中心轴呈对称分布，故选取试验1/2部分(右部)进行分析。采用MatPIV软件对7种模型桩土体位移散斑图像进行处理，得到土体位移矢量图和等值线图，见图7～图13。为更好地对比分析，将完整桩的桩周土体变形分为3个区域[23]，即承台周围土体变形范围、桩身周围土体变形范围与桩底土体变形范围。

图7为位移4 mm下完整桩桩周土体位移矢量图与等值线图。由图7可发现：桩周土体变形主要发生在桩端和承台周围，桩身周围土体变形较小。其中，承台周围土体变形的主要方向为斜向上，范围为承台下方4倍桩径、承台右方5倍桩径；桩身周围土体以随桩下移为主，范围为1倍桩径；桩底土体的位移方向为斜向下，范围为3倍桩径。完整桩承台周围土体最大位移发生在地表1.5倍桩径处，承台周围和桩端土体的最大位移几乎相同。以下研究将基于完整桩土体变形特点，分析缩径桩桩周土体的变形规律，从而揭示缩径基桩承载力变化的原因。

(a) 位移矢量图

图8与图9分别为LW桩与LT桩的桩周土体位移图与等值线图。由图8和图9可知：LW桩承台周围土体变形范围小于完整桩，但其变形方向和最大变形量与完整桩相似；缩径周围土体产生了斜向下的集中变形，范围为1倍桩径。LT桩承台周围土体变形范围和土体变形方向与完整桩相似，但其最大位移量大于完整桩；同时缩径周围产生较大的斜向下变形。对于桩端土体变形，LW桩土体变形基本与完整桩相似，而LT桩土体变形相较于完整桩增大了20%，变形方向相较于完整桩出现了更多的水平位移与斜向上位移。缩径和桩端之间的土体发生了同步变形，产生了贯通现象。LT桩的贯通变形相较于LW桩范围更大，说明缩径径向尺寸越大，贯通现象越明显，承载力损失越大。

(a) 位移矢量图

(a) 位移矢量图

图10与图11分别为MW桩与MT桩桩周土体位移图与等值线图。由图10和图11可知：MW桩承台周围土体变形范围小于完整桩，而MT桩承台周围土体变形与完整桩相似，且最大位移量均小于完整桩。而在缩径周围土体变形方面，MW桩与MT桩均出现了较大的变形，且缩径周围土体的变形量相同，但小于缩径轴向尺寸为20 mm的LT桩和LW桩，变形方向沿桩身向下。对于桩端土体变形，MW桩土体位移量小于完整桩土体位移量，而MT桩则大于完整桩土体位移量，说明了MT桩承载力损失大于MW桩。

(a) 位移矢量图

(a) 位移矢量图

图12与图13分别为SW桩与ST桩桩周土体位移图与等值线图。由图12和图13可知：SW桩和ST缩径周围的土体无明显变形，说明缩径尺寸越小，缩径对桩周土体的影响越小。承台周围土体的变形范围均小于完整桩，但桩端的土体位移量大于完整桩。桩顶在相同位移下，缩径的存在导致桩端土体位移增大，降低了桩的承载力。且ST桩桩端土体变形量大于SW桩。但SW桩和ST桩相较其他尺寸的缩径桩，对桩影响最小。进一步说明了缩径尺寸越大，对桩承载力以及桩-土相互作用影响越大。

(a) 位移矢量图

(a) 位移矢量图

4 缩径基桩承载力变化原因分析

由前面的分析可知，缩径的出现严重影响了承台基桩的桩周土体变形。

对于承台周围土体变形，由于承台基桩的向下位移，承台下方土体被挤压，发生压缩变形，使得土体竖直向下变形。随着压缩变形达到极限，荷载开始向四周传递，土体运动也从竖直向下位移变为靠近桩身的土体斜向下位移，距离地表近的土体斜向上位移。

对于缩径周围土体变形，易出现斜向下的集中变形现象，且随着缩径尺寸的增大，现象越明显；深部缩径与桩端之间易发生贯通现象，大大降低了缩径与桩端之间土体与桩身的相对位移，使得承台基桩损失更多侧摩阻力。

对于桩底土体变形，桩底下方土体受到竖向压应力，土体被压缩，土体密度增大，土体变形方向主要为竖直向下；而桩底一部分土压力向四周产生水平应力，土体主应力方向也逐渐由垂直向下转变为水平方向，故桩底部分土体运动方向也从垂直向下逐渐变为水平向右。

因此，缩径的出现降低了桩的极限承载力，承载力损失量随缩径尺寸的增大而增大。承载力最大损失率为17.59%。究其原因为：(1)缩径和承台周围的土体产生了较大的位移，减少了桩土相对位移及摩擦面积，导致桩的侧摩阻力降低，从而降低了桩的承载力；(2)缩径与桩端土体之间产生了贯通现象，使得桩身深部周围土体与桩身没有完全发挥摩阻力作用，从而损失了桩的承载能力。

5 结论

(1)缩径缺陷会降低桩的承载力，且缩径尺寸对桩承载力有显著影响。当缩径尺寸较大时(轴向尺寸为20 mm，径向尺寸为8 mm)，极限承载力损失可达17.59%。

(2)缩径周围土体产生较大的变形，随着缩径尺寸的增大，桩端、缩径周围土体变形量增大。缩径周围和桩端之间的土体变形易发生贯通现象，缩径越严重，现象越明显。

(3)缩径和承台周围的土体产生相对位移，以及缩径与桩端土体之间产生了贯通现象是导致承载力变化的原因。

(4)本文结合透明土与MatPIV软件，研究了缩径桩的承载力与桩周土体的变化规律，可为基桩的合理设计和加固提供一定的理论和技术参考。但本文仅针对单一的砂土，对其他土质情况并未进行研究。另外，缩径对承载力影响的理论计算未深入，还需要针对这些不足进行下一步的研究。