梅國(guó)雄，陸志宇，陳家勛，張福友，楊濟(jì)銘，蔣明杰?

（1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西南寧 530004；2.工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣西大學(xué)），廣西南寧 530004；3.廣西防災(zāi)減災(zāi)與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（廣西大學(xué)），廣西南寧 530004；4.廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530029；5.廣西交科集團(tuán)有限公司，廣西南寧 530007）

巖溶地貌在我國(guó)西南部地區(qū)分布廣泛，其地貌特征為存有大量土洞、溶洞等，對(duì)樁基礎(chǔ)施工十分不利［1-2］.鉆孔灌注成樁是巖溶地區(qū)最常見的成樁方式［3-4］，但在應(yīng)用時(shí)，各類施工事故屢見不鮮，如在成孔過程中出現(xiàn)塌孔、掉錘和卡鉆等現(xiàn)象［5-7］；在成樁過程中混凝土漿液沿巖溶通道外逸，造成樁基質(zhì)量缺陷，嚴(yán)重的將會(huì)危害建筑物安全［8-9］.

拋填法和注漿法是處理溶洞的兩大方法［10-11］.拋填法是指在溶洞內(nèi)無(wú)充填或半充填且溶洞高度不太大時(shí)，用礫石或片石填充溶洞［12-13］.該施工方法應(yīng)用廣泛，但無(wú)法保證溶洞的填筑質(zhì)量，易導(dǎo)致樁基承載力的降低；注漿法是指將某些能固化的漿液注入巖土地基的裂縫或溶洞中，以達(dá)到充填和封堵的效果，改善其物理力學(xué)性質(zhì)［14-15］，但遇到大型連通溶洞時(shí)，巨量的漿液消耗將導(dǎo)致施工成本增加.

為克服巖溶地區(qū)因溶洞、孔洞存在而無(wú)法成樁的問題，作者團(tuán)隊(duì)從成樁方式入手，結(jié)合巖溶地基的孔洞特性，參考擠擴(kuò)支盤樁增大樁身截面的思路［16-17］，提出了一種新型灌注樁［18］.其特別之處為：預(yù)先在鋼筋骨架外套設(shè)一層柔彈性膜，該彈性膜厚度擬定為樁徑D的5‰，且不小于2 mm（保證膜的強(qiáng)度），不大于4 mm（減小其對(duì)樁基側(cè)摩阻力的不利影響）.彈性膜通過特別設(shè)計(jì)的樁端夾持件固定，并用鉛絲收束于鋼筋籠表面后垂直吊入樁孔，成樁時(shí)向彈性薄膜中注漿以防止?jié){液外逸，同時(shí)，注漿壓力將彈性膜與混凝土擠壓進(jìn)溶洞腔體內(nèi)形成枝狀體結(jié)構(gòu)，有填充溶洞、阻止?jié){液沿連通性孔道滲漏的效果.因設(shè)計(jì)時(shí)彈性膜擬采用廉價(jià)易得的橡膠袋或土工布袋，故這種新型灌注樁被簡(jiǎn)稱為布袋樁.目前該發(fā)明已獲批新型發(fā)明專利［19］.

新型樁基礎(chǔ)具有較強(qiáng)的地形針對(duì)性，通常起到加強(qiáng)樁-土聯(lián)系、提高樁基承載能力的作用，具有廣泛的應(yīng)用前景.譚鑫等［20］借助有限差分軟件觀察軟土地基中碎石樁單樁破壞模式，借此分析樁體鼓脹變形、樁側(cè)土壓力演化以及由此決定的單樁破壞模式與典型荷載沉降曲線，同時(shí)通過模擬結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了碎石樁單樁承載力計(jì)算公式的有效性；楊果林等［21］借助室內(nèi)模型試驗(yàn)開展GFRP 靜壓樁模型試驗(yàn)研究，重點(diǎn)分析土的隆起量與徑向擠土壓力，得到土隆起量、沉樁深度與徑向擠土壓力的聯(lián)系，解釋了GFRP 樁-土相互作用機(jī)理及壓樁動(dòng)態(tài)力學(xué)效應(yīng)；龔曉南等［22］借助模型試驗(yàn)研究擴(kuò)大頭尺寸對(duì)樁端承載性能的作用效果，向PVC管內(nèi)注漿控制擴(kuò)大頭尺寸，并以此開展室內(nèi)單樁靜載模型試驗(yàn)，最終證明樁端灌注擴(kuò)大頭樁承載能力的優(yōu)越性；張福友［23］通過縮尺模型試驗(yàn)證明了布袋樁的成樁方式具有可行性，并通過布袋樁與等直徑圓柱形傳統(tǒng)樁的對(duì)比，證明布袋樁的極限承載力高于傳統(tǒng)嵌巖樁，但受研究手段限制，對(duì)布袋樁承載時(shí)樁-巖共同作用機(jī)理與枝狀體承載規(guī)律未做進(jìn)一步探究.

本文先設(shè)計(jì)布袋樁成樁模型試驗(yàn)，觀察布袋樁的注漿過程，尋找枝狀體長(zhǎng)度的預(yù)測(cè)方法；后設(shè)計(jì)4組室內(nèi)靜載試驗(yàn)，并以此為基礎(chǔ)建立7 組數(shù)值模型，對(duì)比研究布袋樁優(yōu)越的承載性能，分段探究布袋樁各樁段荷載傳遞特性.此外，討論一種特殊情況：枝狀體的非對(duì)稱性對(duì)布袋樁承載力的影響，數(shù)值模擬與試驗(yàn)結(jié)果相互論證，詳細(xì)分析布袋樁所特有的枝狀體結(jié)構(gòu)的承載機(jī)理，以期為現(xiàn)場(chǎng)施工提供詳實(shí)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論參考.

1 室內(nèi)模型試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)前期準(zhǔn)備

1.1.1 模型簡(jiǎn)化

試驗(yàn)?zāi)康脑谟谔骄坎即鼧杜c普通樁型承載能力的差異.設(shè)計(jì)試驗(yàn)時(shí)，考慮模型為按比收縮而成的試驗(yàn)代表物，無(wú)法全盤模擬原型所有參數(shù)，以控制模型幾何相似、物理相似和材料相似為前提.結(jié)合樁體在地基中的形態(tài)，如圖1 所示，將本次模型試驗(yàn)作如下簡(jiǎn)化：①本研究工況為溶洞大小與樁徑相近；②假設(shè)成樁前溶洞內(nèi)無(wú)填充，成樁后溶洞被枝狀體結(jié)構(gòu)充堵；③模擬灰?guī)r由同一配比的水泥砂漿澆筑而成，整塊地基物理力學(xué)性質(zhì)相同.

圖1 布袋樁示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the bag-sealed pile

1.1.2 相似理論

根據(jù)模型試驗(yàn)的相似理論，原型與模型在試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定上互成一定的比例關(guān)系［24］.本研究試樁尺寸原型取自廣西桂林市全州縣某廠房建設(shè)工程，結(jié)合試驗(yàn)設(shè)備與場(chǎng)地條件，本試驗(yàn)的幾何相似比Cl設(shè)置為16；用原型地基的密度與模型地基澆筑材料的密度相除，得到密度相似比Cρ為1.2，分別將幾何相似比Cl、密度相似比Cρ代入相似公式，計(jì)算得到本模型試驗(yàn)中的各項(xiàng)相似比，見表1.

表1 各項(xiàng)相似比Tab.1 The similarity ratios

分別用上述比值對(duì)試驗(yàn)原型地基的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)進(jìn)行折算，得到本試驗(yàn)?zāi)M灰?guī)r地基的概化參數(shù)，如表2“折算值”一行所示.

表2 灰?guī)r地基概化參數(shù)Tab.2 Probabilistic parameters of tuff foundation

1.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備與裝置

1.2.1 成樁試驗(yàn)

成樁試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鋬?nèi)部尺寸為300 mm（長(zhǎng)）×200 mm（寬）×650 mm（高），由2 cm 厚的木板制成，接縫處涂抹環(huán)氧樹脂防止?jié)仓r(shí)漿液滲漏.模具外尺寸與模型箱內(nèi)部尺寸一致，設(shè)2 道橫桿預(yù)留溶洞位置，模具由外徑50 mm的鋼管焊接制成，如圖2（a）所示.

鋼筋籠拼裝前后分別如圖2（b）（c）所示，由4 塊半圓形鐵片（模擬夾持件）、1 根注漿管、3 根螺桿（模擬縱向鋼筋）及6 對(duì)螺母（含墊片）組成.乳膠氣球模擬包裹樁體的彈性布袋，乳膠材料的泊松比ν為0.45，彈性模量E為0.014 GPa，厚度h為0.3 mm.

圖2 成樁試驗(yàn)示意圖Fig.2 Schematic diagrams of pile formation test

模擬地基成型后，將模型箱頂板拆卸，正面用有機(jī)玻璃板密封，有機(jī)玻璃板內(nèi)側(cè)涂抹硅油，減小試驗(yàn)時(shí)有機(jī)玻璃板與乳膠膜摩擦對(duì)試驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響.吊纜自支架橫桿向下連接拉力計(jì)、鋼筋籠，拉力值由外接數(shù)顯儀讀取，可用于推算注漿量.鋼筋籠的注漿管通過軟管接出并連接至注水泵，設(shè)置壓力表實(shí)時(shí)測(cè)量注漿壓力.

試驗(yàn)時(shí)，用水泵向注漿管內(nèi)泵送染色自來水，過程中記錄多組拉力計(jì)、壓力表讀數(shù)與枝狀體長(zhǎng)度.通過探究枝狀體長(zhǎng)度對(duì)布袋樁承載能力的影響發(fā)現(xiàn)，枝狀體長(zhǎng)度達(dá)到樁徑D的2/3 時(shí)就能完全發(fā)揮枝狀體結(jié)構(gòu)承載能力，因此也將2D/3 稱為枝狀體的長(zhǎng)度閾值.當(dāng)所有枝狀體長(zhǎng)度均達(dá)到閾值時(shí)，認(rèn)為該布袋樁在現(xiàn)有地基里能完全發(fā)揮其結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì).在本試驗(yàn)中，上、下模擬溶洞存在0.2 m 的高度差，上部溶洞受壓強(qiáng)較小，溶洞條件最不利于枝狀體生長(zhǎng).因此，可將上枝狀體作基準(zhǔn)，從有機(jī)玻璃面觀測(cè)到上枝狀體長(zhǎng)度到達(dá)50 mm（為閾值2D/3 向上取整）時(shí)，認(rèn)為所有枝狀體長(zhǎng)度均滿足要求，可終止試驗(yàn).

1.2.2 靜載試驗(yàn)

為了控制樁體形狀及布置監(jiān)測(cè)儀器，試驗(yàn)按照先成樁、后澆筑地基的順序進(jìn)行.試驗(yàn)使用的4 根試樁均采用空心鋼管制作，樁長(zhǎng)L=630 mm，樁徑D=30 mm，空心試樁內(nèi)用環(huán)氧樹脂粘貼雙排應(yīng)變片，布袋樁型試樁表面覆一層彈性模量E=0.014 GPa、泊松比ν=0.45 的乳膠膜.模型樁位置見圖3，試樁參數(shù)見表3.

表3 試樁參數(shù)Tab.3 Parameters of test piles

圖3 試驗(yàn)樁示意圖Fig.3 Schematic diagrams of test piles

模型箱長(zhǎng)、寬、高分別為0.6 m、0.6 m、0.9 m，由厚2 cm 的模板制成，受力集中處設(shè)厚4 cm 長(zhǎng)木條加固.考慮邊界效應(yīng)，水平向上的長(zhǎng)、寬為樁徑D的20 倍；縱向上，樁底距地基底部300 mm，為樁徑D的10 倍，結(jié)合資料認(rèn)為滿足邊界條件［25-26］.

基于折算后模擬灰?guī)r地基的概化參數(shù)，結(jié)合相關(guān)資料［27-28］，本試驗(yàn)采用m中砂∶m水泥∶m石膏粉∶m水=6∶0.7∶0.3∶1的比例配置模擬灰?guī)r砂漿，材料用量見表4.

表4 試驗(yàn)地基材料Tab.4 Materials for the test foundation

為測(cè)試模擬灰?guī)r地基的物理力學(xué)參數(shù)，配置少量水泥砂漿，倒入9個(gè)150 mm×150 mm×150 mm 的混凝土試模中，在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)7 d、自然風(fēng)干21 d后，得到9 塊標(biāo)準(zhǔn)試件，在通過稱重、單軸壓縮試驗(yàn)和三軸壓縮試驗(yàn)后，所得地基材料參數(shù)見表2.各項(xiàng)參數(shù)均處于或接近折算值范圍，可以認(rèn)為該配比符合本次試驗(yàn)要求.

試驗(yàn)借助千斤頂與反力架加載并布置監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖4 所示.測(cè)量系統(tǒng)由4 部分組成：①百分表（量程：0～50 mm，分辨率：0.1 mm），通過測(cè)量加載板下降高度得到模型樁樁頂沉降值；②測(cè)力計(jì)（量程：-1 000～1 000 kg，精度：1 kg）與數(shù)顯儀；③應(yīng)變片（測(cè)量精度：1×10-4kPa）與應(yīng)變分析儀；④土壓力盒（量程：0～6.0 MPa，精度：≤1%F.S.）與數(shù)據(jù)采集儀，用于測(cè)量樁端阻力.應(yīng)變片與土壓力盒布置見圖3.

圖4 模型試驗(yàn)裝置圖Fig.4 Schematic diagrams of the model test

澆筑模擬灰?guī)r地基前，預(yù)先固定試樁及配置模擬基巖材料.當(dāng)澆筑至高300 mm 時(shí)，暫停澆筑并埋設(shè)土壓力盒，之后模擬基巖材料分多次澆入模型箱，澆筑穿插小型手提式混凝土震動(dòng)棒振搗，目的是使地基盡量均勻.地基澆筑完畢后，為達(dá)到試驗(yàn)條件，還需淋水養(yǎng)護(hù)7 d，并自然風(fēng)干21 d.

參照《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）［29］，本試驗(yàn)采用慢速維持荷載法以0.3 kN/級(jí)進(jìn)行加載，第一級(jí)荷載為0.6 kN.每級(jí)荷載施加后，應(yīng)分別按第5 min、15 min、30 min、45 min、60 min測(cè)讀樁頂沉降量，以后每隔30 min測(cè)讀一次樁頂沉降量.當(dāng)沉降連續(xù)兩次不超過0.01 mm/30 min時(shí)，即可加下一級(jí)荷載.滿足以下任一條件則停止試驗(yàn)：①某級(jí)荷載作用下，樁頂沉降量大于上一級(jí)荷載作用下沉降量的2倍；②加載達(dá)設(shè)備最大加載值或者超出試驗(yàn)儀器量程范圍；③樁體或地基發(fā)生破壞，無(wú)法繼續(xù)加載.

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 成樁試驗(yàn)

2.1.1 成樁效果分析

由圖5（a）成樁效果示意圖可見，布袋樁樁身完整，樁徑均勻，乳膠膜保持完好未破損，未有滲漏現(xiàn)象.

溶洞處，乳膠膜鼓起形成枝狀體.可以認(rèn)為，布袋樁設(shè)計(jì)具有防止?jié){液滲漏效果，枝狀體結(jié)構(gòu)能夠充堵溶洞，成樁效果良好，具有一定應(yīng)用前景.

2.1.2 枝狀體長(zhǎng)度分析

枝狀體凸起可看作邊界約束條件下圓薄膜中心部份受均布載荷產(chǎn)生的對(duì)稱變形問題，如圖5（b）（c）所示，該問題由Hencky 提出，錢偉長(zhǎng)修正［30］.薄膜最大撓度Wmax計(jì)算式為：

圖5 成樁效果示意圖Fig.5 Schematic diagrams of pile formation effect

式中無(wú)量綱數(shù)P取自：

式中：p為圓膜所受壓強(qiáng)；a為圓膜半徑；E為圓膜彈性模量；h為圓膜厚度；ν為圓膜泊松比.

常數(shù)c求解自：

g（c）值取自：

在薄膜材料確定的情況下（彈性模量E、薄膜厚度h、泊松比ν和圓膜半徑a已知），圓膜最大撓度Wmax僅與壓強(qiáng)p相關(guān).結(jié)合上述公式，本試驗(yàn)結(jié)果展示于表5，可以認(rèn)為Hencky 問題的解答適用于枝狀體長(zhǎng)度推算，枝狀體長(zhǎng)度可通過控制壓強(qiáng)p而控制變化.

表5 成樁試驗(yàn)結(jié)果Tab.5 Results of piling tests

此外，該解答計(jì)算式存在少量誤差，枝狀體的理論計(jì)算長(zhǎng)度均小于實(shí)際長(zhǎng)度，這是由于枝狀體在擴(kuò)張過程中，乳膠膜除鼓起變形外還會(huì)向溶洞方向輕微滑移，削弱Hencky問題中的邊界約束條件.

2.2 荷載-沉降分析

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果繪制4 根樁的Q-s曲線，如圖6 所示.試樁極限承載力根據(jù)《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》（JGJ 106—2014）［29］確定，普通試樁TCP 的Q-s曲線有明顯的陡降段（4.2～4.5 kN 間），根據(jù)曲線陡降位置判斷，TCP 極限承載力為4.2 kN；而根據(jù)樁頂允許最大沉降值判定，樁頂沉降s達(dá)到樁頂位移最大值2.5 mm（規(guī)范值40 mm/幾何相似比Cl）時(shí)所對(duì)應(yīng)的荷載為3.9 kN，綜合取保守值，TCP 的極限承載力為3.9 kN.試樁TBPa、TBPb、TBPc 的Q-s曲線有明顯緩變型特征，根據(jù)沉降判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)s=2.5 mm時(shí)，TBPa、TBPb、TBPc 的單樁極限承載力分別為4.5 kN、5.4 kN、6.0 kN.可見，采用布袋樁樁型可使樁基承載能力得到提高，從材料損耗角度看，布袋樁樁身體積僅比等直徑普通樁大不到10%，可以預(yù)見，布袋樁樁型的應(yīng)用具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益.

圖6 試樁Q-s曲線Fig.6 Q-s curves of the test piles

2.3 樁身各部位受力分析

為節(jié)省篇幅，取TBPa 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析.讀取樁身應(yīng)變值εi，根據(jù)式（6）計(jì)算得到樁身軸力值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制曲線表現(xiàn)TBPa 在各級(jí)荷載作用下的總荷載-分荷載關(guān)系，如圖7、圖8所示.

式中：A為樁身截面面積；E為樁身彈性模量.

將TBPa樁身分段命名，見表6.

表6 TBPa樁身分段Tab.6 TBPa identity section

圖7（a）展示了三類承載力值.側(cè)摩阻力在全加載過程中作用最大，其值增長(zhǎng)穩(wěn)定；枝狀體阻力值處于三者的中間地位，增長(zhǎng)趨勢(shì)緩和；樁端阻力值為三者中最小，呈慢速近似線性增長(zhǎng).

圖7（b）所示為三類端承力發(fā)揮的規(guī)律.加載初期，上枝狀體率先發(fā)揮作用，下枝狀體與樁端阻力值交替上升；當(dāng)上枝狀體阻力發(fā)揮臨近極限時(shí)，下枝狀體接替承擔(dān)更多荷載，此時(shí)樁端阻力值也穩(wěn)步增長(zhǎng).

圖7（c）揭示了摩擦段阻力發(fā)揮的規(guī)律.上摩擦段率先發(fā)揮作用，側(cè)摩阻力增長(zhǎng)緩慢；中摩擦段阻力值次之，在全加載過程中保持近似線性增長(zhǎng)；下摩擦段樁側(cè)摩阻力發(fā)揮起點(diǎn)低、增速快，加載后期其增長(zhǎng)趨勢(shì)未見衰減.

圖7 TBPa總荷載-分段荷載曲線Fig.7 Total loading-divided loading curves for TBPa

綜上，TBPa 受荷時(shí)，側(cè)摩阻力承擔(dān)大量荷載，尤其在加載后期，側(cè)摩阻力增幅明顯大于枝狀體阻力，說明TBPa 樁型的枝狀體結(jié)構(gòu)仍未發(fā)揮完畢.此外，上、下枝狀體與樁端承載行為存在傳遞效應(yīng)，沿樁身縱深方向依次承載，此種交替承載方式是布袋樁的重要承載特征.

圖8（a）展現(xiàn)了三類承載力與總荷載值的比例關(guān)系.側(cè)摩阻力從加載初便發(fā)揮主要承載作用，施加第一級(jí)荷載時(shí)，側(cè)摩阻力承擔(dān)近72%的荷載，之后該比例逐步下降，最終穩(wěn)定在55%.布袋樁的枝狀體阻力與樁側(cè)摩阻力分擔(dān)比可達(dá)86.11%，這體現(xiàn)了布袋樁優(yōu)越的樁側(cè)承載性能.

結(jié)合圖8（b），在TBPa 極限承載力時(shí)，枝狀體分擔(dān)約三成總荷載.上枝狀體在大部分時(shí)間里，承擔(dān)比遠(yuǎn)高于其余二者，可以推斷上枝狀體的設(shè)計(jì)對(duì)承載能力的影響較大.

結(jié)合圖8（c），施加第一級(jí)荷載時(shí)，上、中、下摩擦段分擔(dān)比呈逐個(gè)遞減排列.上、中摩擦段承力占比隨荷載增加有下降趨勢(shì)，隨荷載逐級(jí)增加，摩擦段由上而下依次發(fā)揮承載性能.

圖8 TBPa總荷載-分段荷載分擔(dān)比曲線Fig.8 Total loading-divided loading sharing ratio curves for TBPa

3 數(shù)值模型與參數(shù)

3.1 數(shù)值模型建立

為探究布袋樁的承載機(jī)理，建立7 組數(shù)值分析模型，如圖9 所示，圖中枝狀體長(zhǎng)度用W表示.NCP1、NCP2 均為傳統(tǒng)樁型，差異在于樁-巖間接觸方式；NBP2a 與NBP2b 為非對(duì)稱布袋樁，枝狀體長(zhǎng)度為15 mm.NBP1a、NBP1b 與NBP1c為布袋樁型，枝狀體長(zhǎng)度具有差異；數(shù)值模型優(yōu)先滿足網(wǎng)格連續(xù)性，在不連續(xù)界面使用連接命令，然后建立接觸面.

圖9 模型樁及數(shù)值模型Fig.9 Schematic diagrams of model piles and numerical model

控制模型邊界位移為0，給地基、樁體、接觸面及側(cè)壓力系數(shù)賦值，分別進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，平衡過程中模型僅受自身重力的影響.加載工況室內(nèi)試驗(yàn)采用相同加載方案，先加荷0.6 kN，后每級(jí)荷載在前級(jí)基礎(chǔ)上增加0.3 kN，最大加載級(jí)數(shù)為29級(jí)，最大荷載9.0 kN，每級(jí)加載直至不平衡力比小于1.0×10-5為止.

3.2 模型參數(shù)選取

本次數(shù)值模擬計(jì)算，樁體被視為理想彈性體，采用彈性模型，模型地基則被視為理想彈塑性體，采用摩爾-庫(kù)倫模型.為保證數(shù)值模擬結(jié)果的可靠性，模型灰?guī)r、模型樁體參數(shù)均取自標(biāo)準(zhǔn)試塊的測(cè)試結(jié)果.特別地，參考軟土地基中布袋注漿樁側(cè)摩阻力計(jì)算方式［31］，將布袋樁模型的樁、布袋視為整體，樁-布袋-巖三相接觸簡(jiǎn)化為兩相接觸，并設(shè)計(jì)摩擦試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算標(biāo)定得到其接觸參數(shù).數(shù)值模型力學(xué)參數(shù) 見表7，接觸面參數(shù)見表8.

表7 數(shù)值模型的力學(xué)參數(shù)Tab.7 Mechanical parameters of the numerical model

表8 數(shù)值模型的接觸面參數(shù)Tab.8 Contact surface parameters for numerical model

4 模擬結(jié)果與分析

4.1 對(duì)稱型布袋樁承載分析

4.1.1 荷載-沉降分析

從有限元軟件提取模型樁NCP1、NCP2 及模型布袋樁NBP1a（對(duì)應(yīng)試樁TCP 及TBPa）的樁頂荷載、沉降繪制成Q-s曲線如圖10所示.在樁頂荷載達(dá)3.6 kN、3.9 kN、4.5 kN 時(shí)，NCP2、NCP1、TBP1a 分別達(dá)到了豎向承載力的極限值.

圖10 模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的Q-s曲線Fig.10 Q-s curves of the model test and the numerical simulation

對(duì)比兩種研究手段所得結(jié)果，Q-s曲線在變化規(guī)律上與依試驗(yàn)結(jié)果繪制的曲線擬合度較高.加載初期，試驗(yàn)普通樁TCP 與模擬普通樁NCP1、NCP2 的Q-s曲線均接近直線，隨荷載級(jí)數(shù)增加，有明顯拐點(diǎn)，進(jìn)入彈塑性階段.布袋樁試樁與模型布袋樁在全加載過程中，Q-s曲線為緩變形，無(wú)明顯拐點(diǎn).兩種研究手段所得曲線的數(shù)值、趨勢(shì)均相近，判斷數(shù)值模擬結(jié)果真實(shí)可信.

對(duì) 比NCP1 與NCP2 的Q-s曲 線，布 袋 接 觸（NCP2 樁）將降低7.69%的樁基承載力；對(duì)比NCP1與NBP1a 的Q-s曲線，布袋樁型（NBP1a）將提升15.38%的樁基承載力.在等樁徑條件下，布袋樁的承載能力優(yōu)于傳統(tǒng)樁型（不含布袋樁、枝狀體）.因含有特別的枝狀體結(jié)構(gòu)，可將布袋樁視為一種多支點(diǎn)受力的端承樁，依靠多點(diǎn)支承不僅補(bǔ)償樁-布袋-巖接觸而損失的側(cè)摩阻力，還提高了樁的承載力.綜上，布袋樁在防止巖溶地區(qū)成樁漿液外逸的同時(shí)還可以提升樁的受力性能.

4.1.2 豎向位移云圖分析

以xOz面作為切面切割數(shù)值模型，得到樁頂荷載為0.6 kN、2.4 kN、3.9 kN 時(shí)NCP1、NBP1a、NBP1b、NBP1c 模型的豎向位移云圖，如圖11 所示.在同級(jí)荷載作用下，NCP1 影響范圍小、傳遞深度更深，NBP1a、NBP1b、NBP1c 的豎向沉降云圖呈“倒葫蘆”狀.當(dāng)樁頂荷載為0.6 kN 時(shí)，枝狀體未發(fā)揮承載作用，兩種樁型位移云圖基本相似.

圖11 不同荷載的豎向位移云圖Fig.11 Vertical displacement clouds for different loads

對(duì)布袋樁而言，枝狀體結(jié)構(gòu)針對(duì)豎向沉降起阻隔作用，豎向位移影響范圍在枝狀體處擴(kuò)大，這是由于枝狀體的存在使樁身截面面積增大，帶動(dòng)巖體地基參與承載.

4.2 枝狀體結(jié)構(gòu)承載分析

在前13級(jí)荷載（0.6～4.2 kN）作用下，針對(duì)NBP1a深度為-220～-180 mm 之間40 mm 長(zhǎng)的樁段，每間距5 mm 提取所在深度的樁身軸力，繪制軸力-深度關(guān)系圖，如圖12所示.

圖12 上枝狀體樁段軸力-深度關(guān)系曲線Fig.12 Axial force-depth curves of the upper branched section

由圖12 可見，枝狀體樁段的軸力-深度曲線在達(dá)到極限承載力時(shí)近拋物線型，表明樁身軸力自上而下經(jīng)過枝狀體段時(shí)，軸力降低速率呈先小后大的趨勢(shì).為分析上述現(xiàn)象，繪制枝狀體橫截面受力分析圖如圖13 所示.以O(shè)B 所在直線為分界線，將枝狀體的橫截面分成上下兩個(gè)半圓.當(dāng)樁體承受豎向荷載時(shí)，樁身產(chǎn)生豎向形變弧段所代表的枝狀體上表面與巖體地基分離，枝狀體未能承擔(dān)荷載，該樁段承載特性與摩擦段相類似，完全由非枝狀體部分樁側(cè)摩擦力承擔(dān)荷載.特別地，在樁身深度y=-200 mm時(shí)，是枝狀體與巖體接觸的起始深度，A、C 兩點(diǎn)處的承載力FA和FC均為切向摩擦力；而在y=-215 mm時(shí)，D 點(diǎn)處的承載力FD為法向壓力.在上述兩處特殊深度之間，取弧段上任意一點(diǎn)，命名為點(diǎn)E，則該點(diǎn)的承載力由切向摩擦力FEτ和法向壓力FEn共同組成.

圖13 枝狀體截面圖Fig.13 Diagram of the branched section

結(jié)合上述分析，枝狀體樁段的承載特性作如下解釋：沿樁身縱向，可將枝狀體橫截面輪廓分為上、下兩個(gè)等長(zhǎng)弧段.在上弧段，因樁身豎向壓縮變形，枝狀體表面未與地基接觸，非枝狀體部分的側(cè)摩阻力承擔(dān)荷載；在下弧段，摩擦力Fτ與壓力Fn共同作用，非枝狀體部分的側(cè)摩阻力亦參與下弧段承載.而下弧段樁段軸力-深度關(guān)系曲線為拋物線狀，且隨深度增加，枝狀體承擔(dān)荷載能力逐漸增強(qiáng)，這種現(xiàn)象說明壓力Fn承載作用大于摩擦力Fτ.

4.3 非對(duì)稱型布袋樁承載分析

4.3.1 荷載-沉降分析

提取樁NCP1、NBP2a、NBP2b 與NBP1b 在模擬過程中的荷載與沉降，所得Q-s曲線如圖14所示.模型樁NCP1、NBP2a、NBP2b、NBP1b 的極限承載力分別為3.9 kN、4.5 kN、3.9 kN、5.4 kN.雖非對(duì)稱布袋樁NBP2b的極限承載力與常規(guī)樁NCP1相等，但在加載中期，NCP1 的樁身沉降更小，這說明枝狀體結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱分布可能導(dǎo)致布袋樁承載能力降低.非對(duì)稱型布袋樁在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在探明溶洞位置的條件下對(duì)布袋樁承載能力做評(píng)估.

圖14 數(shù)值模擬不同樁型的Q-s曲線Fig.14 Q-s curves for numerical simulation of different pile types

4.3.2 豎向位移云圖分析

以xOz面作為切面切割數(shù)值模型，調(diào)取NCP1、NBP1b、NBP2a、NBP2b 分別達(dá)到自身極限承載力3.9 kN、5.4 kN、4.5 kN、3.9 kN 時(shí)的豎向應(yīng)力云圖，并統(tǒng)一圖例標(biāo)尺，如圖15所示.

圖15 不同樁型的豎向位移云圖Fig.15 Vertical displacement clouds of different pile types

非對(duì)稱布袋樁NBP2a、NBP2b 在受荷過程中，枝狀體缺失一側(cè)對(duì)地基擾動(dòng)范圍更小，且隨樁體不對(duì)稱程度加深，該現(xiàn)象愈發(fā)明顯；非對(duì)稱布袋樁樁身存在沉降差異，但這種差異在樁底將得到平衡.

4.3.3 樁身應(yīng)力分析

為解釋位移云圖中的沉降平衡現(xiàn)象，分別導(dǎo)出4組模型樁在極限承載力荷載作用下的豎向應(yīng)力云圖，如圖16所示.

圖16 不同樁型的豎向應(yīng)力云圖（單位：Pa）Fig.16 Vertical stress clouds of different pile types（unit：Pa）

承載時(shí)，在非對(duì)稱布袋樁樁身兩側(cè)，軸向應(yīng)力變化率不相同.枝狀體側(cè)豎向應(yīng)力經(jīng)過枝狀體時(shí)急劇下降，而缺失一側(cè)應(yīng)力均勻、慢速地變化，這印證了枝狀體結(jié)構(gòu)的顯著承載作用.非對(duì)稱布袋樁承力時(shí)樁身受力不對(duì)稱，這需要樁體提供彎矩用于平衡應(yīng)力，對(duì)樁體的抗彎能力提出了考驗(yàn).

5 結(jié)論

本文借助室內(nèi)試驗(yàn)研究了巖溶地區(qū)布袋樁的成樁過程與承載特性，同時(shí)采用有限元法對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，將模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)，驗(yàn)證了數(shù)值模擬的可靠性，在此基礎(chǔ)上通過模擬手段進(jìn)一步探究枝狀體結(jié)構(gòu)的承載特性及布袋樁承載機(jī)理.基于本研究結(jié)果得到以下結(jié)論：

1）借助成樁試驗(yàn)驗(yàn)證了巖溶地區(qū)布袋樁在樁側(cè)溶洞處凸起形成枝狀體結(jié)構(gòu)充堵溶洞、防止?jié){液外逸的特征，Hencky 公式的錢偉長(zhǎng)解答可以較準(zhǔn)確地計(jì)算枝狀體長(zhǎng)度，推演布袋樁樁型.

2）相較傳統(tǒng)樁型，布袋樁的承載能力有15.38%～53.85%的提升.布袋樁的荷載-沉降關(guān)系表現(xiàn)為緩變型，Q-s曲線無(wú)明顯陡降點(diǎn)，極限承載力依樁頂沉降最大容許值判定.

3）布袋樁承力時(shí)，各樁段從上至下依次發(fā)揮承載能力，交替承載行為顯著；雖然布袋樁所特有的樁-布袋-巖接觸方式較傳統(tǒng)樁的樁-巖接觸而言削弱了樁的側(cè)摩阻力，但布袋樁多點(diǎn)支承的受力方式使得承載能力總體提升.

4）將枝狀體分為上、下等高的兩部分：下部起承載作用，受法向壓力與切向摩擦力，法向承載能力優(yōu)異；上部起結(jié)構(gòu)作用，承載過程中與地基無(wú)接觸.枝狀體長(zhǎng)度增加時(shí)，枝狀體-地基結(jié)合性及枝狀體自身強(qiáng)度增加，提高了布袋樁單樁承載力.

5）極端情況下，布袋樁枝狀體分布非對(duì)稱分布，樁身兩側(cè)應(yīng)力、沉降分布有差異，但在樁底處能達(dá)到平衡.這是由于樁體兩側(cè)的非對(duì)稱受力引起樁身彎矩平衡了應(yīng)力差異，也因?yàn)闃渡韽澗卮嬖冢菍?duì)稱布袋樁在設(shè)計(jì)時(shí)還應(yīng)考慮抵抗彎矩能力.