碎石樁樁身鼓脹變形測試技術研究

張玲　趙明華　羅宏

摘 要：：針對豎向荷載作用下碎石樁等散體材料樁樁身豎向壓縮同時伴有側向鼓脹變形這一特性，自行開發研制出量測樁身鼓脹變形的測試儀器，其原理是通過量測變形后的樁身周長來確定碎石樁的鼓脹量.通過與水玻璃膠結碎石樁量測其變形后周長等方法測試結果對比分析，驗證碎石樁樁身鼓脹變形測試技術的可行性和測試精度.將該技術應用于室內模型試驗中碎石樁鼓脹變形量的量測，測試結果表明，碎石樁鼓脹變形量隨上部豎向荷載的增加而增加，同一荷載等級下鼓脹變形先隨深度的增加而增加，后又隨深度的增加而減小.

關鍵詞：模型試驗；測試技術；碎石樁；鼓脹變形

中圖分類號：U416.1 文獻標識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）03-0149-06

碎石樁是指采用振沖或沉管法等在軟基中成孔，再在孔內填入碎石、卵石等粗骨料，形成具有一定直徑的密實樁體.碎石樁與樁周土體形成復合地基，協調變形、共同承載，提高地基承載力和抗液化能力，減小地基沉降.碎石樁復合地基因其取材方便、施工簡單、造價低廉，且具有良好的振密擠密、置換、排水固結等加固作用而在公路、鐵路等軟土地基處治中廣泛應用[1-2].然而碎石樁復合地基的承載機理及其設計計算理論研究尚有待進一步深入[3-6].

試驗研究可直接揭示研究對象的某些特性，為理論分析提供良好的基礎.其中室內模型試驗具有投資相對較少、時間靈活、影響因素容易控制等優點，因而成為揭示研究對象工作機理、探討發展規律等的重要手段之一.在豎向荷載作用下，碎石樁豎向壓縮變形的同時伴有側向鼓脹變形，如何量測碎石樁側向鼓脹變形量是試驗研究的一大難題.Hughes和Withers[7]采用放射線照相技術（laboratory radiography），研究碎石樁單樁的受力變形特性；胡煒等[8]在載荷試驗后，采用改裝后的真空吸塵器吸走黏土中的砂樁，之后立馬在孔洞中注入石膏漿，待石膏凝固后挖掉樁周黏土，石膏模型即為最終變形后的砂樁，以此來研究黏土地基中散體材料樁的變形及破壞機理；Wood等[9]、Ambily等[10]、Ali等[11]、Shahu等[12]在載荷試驗結束后，采用挖掘技術（exhumation technique），先將黏土中的碎石樁挖出，再在孔洞中注入石膏漿以研究碎石樁的鼓脹變形特性；Deb等[13]用水泥漿將碎石樁膠結起來，Black等[14]沿樁身軸線方向切割出樁土復合地基的剖面圖，以觀察載荷試驗后碎石樁的鼓脹變形情況；Mckelvey等[15]通過配置一透明材料模擬樁間軟土，來研究在加載過程中碎石樁的變形情況.上述方法中，放射線法試驗成本較高；石膏成型法[8-12]、水泥漿膠結法[13]、直接切割法[14]等可得加載后碎石樁最終的鼓脹變形情況，但無法反應鼓脹變形隨荷載增加的發展變化過程，且石膏成型法[8-12]需先將碎石等散體材料從復合地基中挖掘出來，工作難度較大；而透明材料模擬樁間軟土時與實際地基土體的性質有差異，試驗費用較高，且不適于大比例模型試驗研究.

因此，便于實際操作的樁身鼓脹變形量測技術的研發對揭示碎石樁等散體材料樁復合地基的承載變形機理非常重要.為此，本文基于碎石樁的受力變形機理，對碎石樁等散體材料樁鼓脹變形的量測技術進行研究.

由此可見，碎石樁承載力主要取決于樁周土體的側向約束力，該約束力的發揮對碎石樁樁復合地基的承載力起著關鍵作用.豎向荷載作用下，當樁周土體強度較低而不能提供足夠的側向約束力時，碎石樁極易發生側向鼓脹而導致整個復合地基失效.

2 碎石樁鼓脹變形測試儀

豎向荷載作用下碎石樁發生鼓脹變形，進而引起樁身截面周長的變化，通過量測變形后的樁身周長來確定碎石樁的鼓脹量，其工作原理如圖3所示.

根據上述工作原理，課題組自行研發出散體材料樁樁身鼓脹變形量測試儀（圖4）.用柔性鋼絲繩作牽引繩串聯排列緊密的片材，并將其緊密包裹在碎石樁樁身周圍，牽引繩一端固定于緊固件，另一端穿過定位片連接于位移傳感器.碎石樁受荷載鼓脹變形時，片材隨碎石料一起向周圍土體擠壓，牽引繩隨之在片材孔洞中滑動，將片材之間產生的微小變化進行集中反應，最后通過位移傳感器量測牽引繩長度的減小量來反應碎石樁鼓脹變形引起的樁身周長增量.

設置如圖4所示位于緊固件與位移傳感器間柔性套管的目的除保護鋼絲繩外，主要是將鋼絲繩與軟土及碎石隔開，減小牽引繩的滑動摩擦，因為若鋼絲繩外露，被軟土包裹，牽引繩的滑動受到很大的阻力，進而會約束碎石樁的鼓脹變形，甚至會造成在測試儀埋設的位置出現碎石樁“縮頸”現象.

此外，鋼絲繩雖具有一定的柔性，但是由于片材的打孔是直的，鋼絲繩串聯片材使其緊貼碎石樁樁身時，會導致鋼絲繩有彎折，鋼絲繩與片材之間會產生較大摩擦阻力，為盡量減小鋼絲繩與片材間的摩擦影響，采取了如下措施：1） 選用較細的鋼絲繩（直徑1.5 mm）；2） 片材的寬度不宜過大，經反復試驗發現片材寬度選擇在10～12 mm左右較為合適；3） 片材選用酚醛樹脂材料（穩定性好，摩擦系數?。?，厚5 mm，高35 mm，中間穿孔的直徑2 mm.

為驗證研制的散體材料樁鼓脹變形量測試儀的可行性及測試精度，采用3種不同測試方法對4根長500 mm，樁徑200 mm的碎石樁在不同豎向荷載下的鼓脹變形量進行量測，方法1的測試思路如圖5所示，沿直徑方向布置3個交叉60°的量測裝置，通過量測變形前后樁徑的變化來反應樁體的鼓脹變形情況，量測裝置埋設位置距樁頂200 mm；方法2是試驗完成后通過自行調配的水玻璃將樁身碎石料膠結，然后挖去周圍土體直接量測變形后的樁身周長增量，圖6為試驗現場挖出的膠結碎石樁實物圖，量測的位置距樁頂225 mm.方法3是采用自行研制的膨脹變形測試儀進行量測，測試儀埋置于距樁頂250 mm處.各種方法測試結果如表1所示，其中方法1對應的平均周長增量為該方法3個直徑增量換算成周長增量再取平均所得.

雖然3種方法碎石樁樁身的測量位置不相同，方法1-3測點距樁頂的距離分別為200 mm，225 mm，250 mm，但各測點相對間隔較近，由表1可見，3種方法結果較為接近.方法1所得周長增量較方法3偏大，其原因除了由于鼓脹變形測試儀（方法3）對樁體附加環向加筋作用，使鼓脹變形測試儀對應位置樁身鼓脹變形偏小外，主要是由各方法測試位置不同所引起，方法1測點距樁頂200 mm，該深度處碎石樁可能發生最大鼓脹變形，該深度往下碎石樁鼓脹變形量隨深度增加逐漸減小，故3種方法實測周長增量大小為：方法1>方法2>方法3.

此外，方法1通過直接測試直徑的變化反應碎石樁的鼓脹變形情況，3個方向的測試結果有離散性（表1），且3個方向的直徑變化不能全面反應整個周長的變化；同時3個方向的測試裝置埋設，對樁體也會起到附加的橫向加筋作用.方法2的主要不足同前石膏成型法：只能得到加載后碎石樁最終的鼓脹變形，無法反應鼓脹變形隨荷載增加的發展變化過程.經對比分析可見，本課題組研發的散體材料樁鼓脹變形測試儀是可行的，可在試驗中推廣應用.

3 模型試驗中的應用

3.1 鼓脹變形測試儀的布置

將自行研發的散體材料樁鼓脹變形測試儀應用于路埋下碎石樁復合地基承載變形大比例室內模型試驗中.考慮到碎石樁可能發生的鼓脹變形在靠近樁頂一定深度范圍內，因此本次試驗中鼓脹變形測試儀主要埋置在距樁頂分別為0.1 m，0.4 m及0.9 m 3個深度處（圖7）.試驗樁的平面及剖面圖如圖8所示，試驗的設計與步驟另文敘述.圖9為試驗操作過程中鼓脹變形測試儀的安裝.

3.2 試驗數據分析

圖10為由鼓脹變形測試儀實測的土工格室+碎石樁雙向增強復合地基試驗中相應碎石樁（即圖8中距路堤中線1.5 m處的第2排碎石樁）的鼓脹變形隨時間的變化情況.圖中各時間點對應的荷載與試驗進程相關：2008年11月4日開始填筑路堤，11月5日上午路堤填土高度0.8 m，下午填土高度1.0 m；11月6日路堤填土高度1.2 m，下午填土1.5 m；11月8日在靠近路堤中線處施加鋼梁荷載27.7 kN；11月10日在1.5 m高路堤表面距路堤中線1.0 m處施加1.0 m寬的52 kN砝碼荷載；11月18日卸掉砝碼荷載.

由圖10可見，隨著作用于樁頂豎向荷載的逐漸增加，距樁頂3個深度（0.1 m，0.4 m，0.9 m）處的樁體鼓脹變形量也各自隨荷載逐漸增加，且距樁頂0.4 m處的樁體鼓脹變形量較距樁頂0.1 m處或樁頂0.9 m處的鼓脹變形量要大，進一步證明了鼓脹變形是先隨著深度的增加而增加，而后又隨深度的增加而減小，即碎石樁最大鼓脹變形發生于距樁頂某一深度處.

為了更直觀地反應碎石樁鼓脹變形隨上部豎向荷載及其沿深度的發展規律，將鼓脹變形測試儀量測的樁身周長增量轉化為徑向位移數據，如圖11所示.由圖11可見，本次試驗中距樁頂3個深度（0.1 m，0.4 m，0.9 m）處，0.4 m處的樁體徑向鼓脹變形值最大，且隨上部豎向荷載增加，各處的鼓脹變形也相應增加，但又以0.4 m處的鼓脹變形增加最快.

（徑向位移/dp）/%

4 結束語

1） 針對碎石樁等散體材料樁的受力變形特性，發明了散體材料樁鼓脹變形量測試系統裝置，提出了相應的測試技術方法，并成功應用于室內模型試驗.該測試技術便于實際操作，可在散體材料樁大比例室內模型試驗中推廣應用.

2） 該測試技術通過量測受荷前后碎石樁樁身周長的變化以反應碎石樁的鼓脹變形情況，通過沿不同深度處埋設鼓脹變形測試儀，可直觀反應出碎石樁樁身鼓脹變形隨上部豎向荷載及其沿深度的發展規律：鼓脹變形隨上部荷載的增加逐漸增加；同一荷載等級下鼓脹變形先隨深度的增加而增加，后又隨深度的增加而減小.

參考文獻

[1] 張建立. 夯擴擠密碎石樁在沿海高速公路地基處理中的應用[J].公路交通技術，2007 （2）：8-10.

ZHANG Jian-li. Application of ram-compaction gravel piles in foundation treatment for coastal expressways[J]. Technology of Highway and Transport，2007 （2）：8-10. （In Chinese）

[2] 文松霖， 任佳麗， 姜志全， 等. 碎石樁紅黏土復合地基的實例分析[J]. 巖土工程學報，2010，32（增2）：302-305.

WEN Song-lin， REN Jia-li， JANG Zhi-quan， et al. Case analysis of red clay gravel pile composite foundation[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering， 2010， 32（S2）：302-305. （In Chinese）

[3] 高彥斌， 葉觀寶， 徐超， 等. 一種新的碎石樁法處理液化粉土地基的設計方法[J]. 土木工程學報， 2005， 38（5）： 77-81.

GAO Yan-bin， YE Guan-bao， XU Chao， et al. A new design method for gravel pile treatment in liquescent silt ground[J]. China Civil Engineering Journal， 2005， 38（5）：77-81. （In Chinese）

[4] 劉杰， 趙明華. 碎石樁復合地基性狀的彈塑性分析[J]. 巖土力學，2006，27（10）： 1678-1684.

LIU Jie， ZHAO Ming-hua. Elastoplastic analysis of character for composite foundation with gravel columns[J]. Rock and Soil Mechanics， 2006， 27（10）： 1678-1684. （In Chinese）

[5] 張玲， 趙明華. 散體材料樁復合地基承載力計算[J].湖南大學學報：自然科學版， 2007，34（6）：10-14.

ZHANG Ling， ZHAO Ming-hua. Study on bearing capacity calculation method of discrete material pile composite foundation[J]. Journal of Hunan University：Natural Sciences， 2007，34（6）：10-14. （In Chinese）

[6] 馬崇武， 慕青松， 馬君偉， 等. 碎石樁單樁和多樁荷載傳遞方式的實驗研究[J]. 巖石力學與工程學報，2008，27（增1）：3116-3121.

MA Chong-wu，MU Qing-song，MA Jun-wei，et al. Testing research on load transfer modes of single and multiple gravel piles[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2008，27（S1）： 3116-3121. （In Chinese）

[7] HUGHES J M O，WITHERS N J.Reinforcing of soft cohesive soils with stone columns[J]. Ground Engineering， 1974， 7（3）：42-49.

[8] HU W.Physical modeling of group behavior of stone column foundations[D]. Scotland， UK：University of Glasgow，1995：42-50.

[9] WOOD D M，HU W，NASH D F T.Group effects in stone column foundations： model tests [J]. Geotechnique， 2000， 50（6）：689-698.

[10]AMBILY A P，GANDHI S R.Behavior of stone columns based on experimental and FEM analysis [J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2007， 133（4）：405-415.

[11]ALI K，SHAHU J T，SHARMA K G.Behaviour of reinforced stone columns in soft soils：an experimental study[C]//Indian Geotechnical Conference. Mumbai， India：Indian Institute of Technology Bombay，2010： 625-628.

[12]SHAHU J T，REDDY Y R.Clayey soil reinforced with stone column group： model tests and analyses[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2011，137（12）：1265-1274.

[13]DEB K，SAMADHIYA N K，NAMDEO J B.Laboratory model studies on unreinforced and geogrid-reinforced sand bed over stone column-improved soft clay[J]. Geotextiles and Geomembranes， 2011，29（2）：190-196.

[14]BLACK J A，SIVAKUMAR V，MADHAV M R，et al. Reinforced stone columns in weak deposits： laboratory model study[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2007， 133（9）：1154-1161.

[15]MCKELVEY D，SIVAKUMAR V， BELL A， et al. Modeling vibrated stone columns in soft clay[C]//Proceedings of the Institute of Civil Engineers-Geotechnical Engineering. 2004， 157（3）：137-149.

[16]孟廣訓， 沈定賢. 模型碎石樁應力的測定及其分析[J]. 水利水運工程學報， 1987， 6（2）：69-80.