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摘要 灌注桩在成桩过程中易产生桩底沉渣，桩底沉渣对桩体承载特性的影响一直是本领域的研究问题之一。本文考虑到混凝土灌注桩及沉渣质量的不易控制，所以采用钢管代替钻孔灌注桩，简化制桩过程；沉渣采用质地软弱的泡沫板代替，试验采用均质砂土，研究分析沉渣对承载性状的影响。发现沉渣的存在确会降低桩体的极限承载力，承载力的降低值与沉渣的厚度有一定的规律性。
关键词 钻孔灌注桩；桩底沉渣；承载特性；模型试验
中图分类号 TU4 文献标识码 A 文章编号 2095—6363（2016）12—0105—02
灌注桩基础具有较其他类型基础突出的优点，因此近年来在工程中的应用越来越多，成为现代建筑基础结构的主要形式之一。由于受到施工工艺、操作人员技术水平、施工现场环境和地质条件等方面因素的影响，在成桩过程中易产生桩底沉渣。肖宏彬等对单桩荷载一沉降关系的数值模拟方法进行研究；张明远等利用有限单元法软件对大直径钢管桩的承载特性进行研究；孙文怀等基于FLAC3D对单桩负摩阻力特性进行了研究。
考虑到沉渣和灌注桩的制备难度较大以及桩体质量的不易控制，本次室内试验采用以泡沫板代替沉渣，钢管代替灌注桩的方法。所得结论能够在制定提高桩基承载力措施时，提供参考。
1试验器材
1.1试验槽及加压装置
试验中采用的试验槽尺寸为800mm×400mm×400mm，两侧为钢板，另两侧为有机玻璃，上部有一32t千斤顶。试验利用千斤顶作为加载设备，荷载值的大小通过安置在千斤顶与桩顶之间的钢环确定，考虑到桩体的极限承载力，试验所采用的钢环量级为10t，变形参数为12.122 33kN/mm。
1.2百分表及重锤
试验中采用百分表量测桩顶的沉降量，为保证量测准确，在桩顶放置一块刚性板，本试验采用钢板，并使桩顶、钢板中心、钢环轴线和千斤顶处在同一轴线，百分表固定在一侧，通过量测钢板的沉降量来确定桩顶的沉降量。
2试验材料性质
2.1砂土直剪试验
根据库仑定律，土体的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比。试验前，用试验土体制备8个土样，分成4组，每组在不同的法向压力下进行剪切试验，记录试验数据，得出土体剪坏时剪应力，即抗剪强度τ。根据土体的剪切定律确定土体参数φ=34.2°和c=4.5kPa。
2.2砂土含水量试验
称取3组试验砂土，重量控制在15g～30g之间，放入称量好的铝盒内，立即盖好盒盖，使用电子称称重并记录，精确至0.01g。由以上实验测得含水量平均为13.8%。
3试验方案
3.1试验准备
试验所用土体为均质砂土，考虑到试验中土体的稳定性和土体的压实难易程度，此次试验土体密度控制在1.4g/cm3～1.45g/cm3为宜，即保证试验土体为中砂。
本次试验采用泡沫板代替沉渣。试验共模拟0mm、20mm、40mm、60mm、80mm、100mm六种厚度的沉渣，一种厚度进行两次单桩试验，结果取其平均值。
3.2单桩载荷
为准确方便量测桩顶沉降，在桩顶置一刚性板，该试验采用钢板作为端头板，钢环置于刚性板之上，千斤顶之下，并使以上装置的轴线在同一条竖直线上。为保证钢环稳定，千斤顶可适当加载，使钢环夹紧。百分表固定在试验槽支架上，通过量测刚性板的沉降来确定桩顶的沉降。
4试验数据分析
4.1沉渣厚度t对极限承载力Q的影响曲线
针对不同厚度的沉渣，绘制t～Q曲线，以分析沉渣厚度和极限承载力的关系，如图1所示。
从上图可以看出，桩底存在沉渣时桩体的极限承载力明显小于无沉渣时的极限承载力，这种影响下的承载力损失幅度值随着沉渣厚度的增加而逐渐减小。
1）当沉渣厚度t≤40mm时，桩体的极限承载力变化较大，下降幅度大。分析出现这种现象的原因，主要是上部荷载传至桩底时，桩体会通过压缩持力层来获得端阻，性质软弱的沉渣会使获得相同端阻时的压缩量增大，又会加剧沉渣所承受的荷载，导致其压缩量再一次增大，直至出现突然破坏。2）当荷载厚度t≥60mm时，桩体的极限承载力持续减小，但变化幅度小，曲线趋于平缓。分析出现这种现象的原因是，此时较厚的沉渣如要达到能够提供相当的端阻就需要较大的压缩量，但桩体的侧摩阻力有限，在沉渣能够提供端阻之前，侧摩阻力就已达到极限，桩体破坏，所以，此时桩体的极限承载力主要由侧摩阻力提供，变化值不大，趋于平稳。
4.2沉渣厚度t与极限承载力降低率c的关系
沉渣厚度t=20mm、40mm、60mm、80mm、100mm时，桩体极限承载力降低率分别为8.5%、11.9%、13.6%、14.5%、15%。如图2所示。
由图2分析得：1）桩底沉渣厚度t=0mm～40mm时，桩体极限承载力降低率较小，但变化幅度很大。分析原因为，桩端原土层性质坚硬，承载力较高，而沉渣的性质软弱，当桩底被沉渣填充时，桩端受荷初期沉渣还能提供一定支持力，随着荷载增大，沉渣压缩增大直至屈服破坏；2）桩底沉渣厚度t=60mm～1000mm时，桩体极限承载力降低率较大，但变化幅度较小。分析原因为，桩底沉渣过厚时，其受荷初期还能提供弹性支持力，荷载增大后，压缩量迅速增大，相比沉渣较薄时桩端荷载向下传递所需的位移增大，这就进一步促使桩侧摩阻力的发挥，使桩体在较小荷载时即达到极限承载力沉渣厚度较大时，桩体极限承载率变化的幅度较小。由图2数据经MATLAB拟合，曲线指数函数如下，沉渣厚度大于100mm的极限承载率变化不大，可近似取t=100mm時对应值。
5结论
通过试验数据研究了沉渣厚度对单桩承载特性的影响，得到：1）沉渣厚度t≤40mm时，曲线的变化形式近似一种渐变形，桩体的破坏形式没有大的变化，桩体的极限承载力降低较大；2）沉渣厚度t≥60mm时，曲线的变化形式为突变形，桩体的破坏具有突发性，属于刺入破坏，即在桩体达到极限承载力时，桩项的沉降具有明显的陡增，但桩体的极限承载力此时变化相对不大。
关键词 钻孔灌注桩；桩底沉渣；承载特性；模型试验
中图分类号 TU4 文献标识码 A 文章编号 2095—6363（2016）12—0105—02
灌注桩基础具有较其他类型基础突出的优点，因此近年来在工程中的应用越来越多，成为现代建筑基础结构的主要形式之一。由于受到施工工艺、操作人员技术水平、施工现场环境和地质条件等方面因素的影响，在成桩过程中易产生桩底沉渣。肖宏彬等对单桩荷载一沉降关系的数值模拟方法进行研究；张明远等利用有限单元法软件对大直径钢管桩的承载特性进行研究；孙文怀等基于FLAC3D对单桩负摩阻力特性进行了研究。
考虑到沉渣和灌注桩的制备难度较大以及桩体质量的不易控制，本次室内试验采用以泡沫板代替沉渣，钢管代替灌注桩的方法。所得结论能够在制定提高桩基承载力措施时，提供参考。
1试验器材
1.1试验槽及加压装置
试验中采用的试验槽尺寸为800mm×400mm×400mm，两侧为钢板，另两侧为有机玻璃，上部有一32t千斤顶。试验利用千斤顶作为加载设备，荷载值的大小通过安置在千斤顶与桩顶之间的钢环确定，考虑到桩体的极限承载力，试验所采用的钢环量级为10t，变形参数为12.122 33kN/mm。
1.2百分表及重锤
试验中采用百分表量测桩顶的沉降量，为保证量测准确，在桩顶放置一块刚性板，本试验采用钢板，并使桩顶、钢板中心、钢环轴线和千斤顶处在同一轴线，百分表固定在一侧，通过量测钢板的沉降量来确定桩顶的沉降量。
2试验材料性质
2.1砂土直剪试验
根据库仑定律，土体的内摩擦力与剪切面上的法向压力成正比。试验前，用试验土体制备8个土样，分成4组，每组在不同的法向压力下进行剪切试验，记录试验数据，得出土体剪坏时剪应力，即抗剪强度τ。根据土体的剪切定律确定土体参数φ=34.2°和c=4.5kPa。
2.2砂土含水量试验
称取3组试验砂土，重量控制在15g～30g之间，放入称量好的铝盒内，立即盖好盒盖，使用电子称称重并记录，精确至0.01g。由以上实验测得含水量平均为13.8%。
3试验方案
3.1试验准备
试验所用土体为均质砂土，考虑到试验中土体的稳定性和土体的压实难易程度，此次试验土体密度控制在1.4g/cm3～1.45g/cm3为宜，即保证试验土体为中砂。
本次试验采用泡沫板代替沉渣。试验共模拟0mm、20mm、40mm、60mm、80mm、100mm六种厚度的沉渣，一种厚度进行两次单桩试验，结果取其平均值。
3.2单桩载荷
为准确方便量测桩顶沉降，在桩顶置一刚性板，该试验采用钢板作为端头板，钢环置于刚性板之上，千斤顶之下，并使以上装置的轴线在同一条竖直线上。为保证钢环稳定，千斤顶可适当加载，使钢环夹紧。百分表固定在试验槽支架上，通过量测刚性板的沉降来确定桩顶的沉降。
4试验数据分析
4.1沉渣厚度t对极限承载力Q的影响曲线
针对不同厚度的沉渣，绘制t～Q曲线，以分析沉渣厚度和极限承载力的关系，如图1所示。
从上图可以看出，桩底存在沉渣时桩体的极限承载力明显小于无沉渣时的极限承载力，这种影响下的承载力损失幅度值随着沉渣厚度的增加而逐渐减小。
1）当沉渣厚度t≤40mm时，桩体的极限承载力变化较大，下降幅度大。分析出现这种现象的原因，主要是上部荷载传至桩底时，桩体会通过压缩持力层来获得端阻，性质软弱的沉渣会使获得相同端阻时的压缩量增大，又会加剧沉渣所承受的荷载，导致其压缩量再一次增大，直至出现突然破坏。2）当荷载厚度t≥60mm时，桩体的极限承载力持续减小，但变化幅度小，曲线趋于平缓。分析出现这种现象的原因是，此时较厚的沉渣如要达到能够提供相当的端阻就需要较大的压缩量，但桩体的侧摩阻力有限，在沉渣能够提供端阻之前，侧摩阻力就已达到极限，桩体破坏，所以，此时桩体的极限承载力主要由侧摩阻力提供，变化值不大，趋于平稳。
4.2沉渣厚度t与极限承载力降低率c的关系
沉渣厚度t=20mm、40mm、60mm、80mm、100mm时，桩体极限承载力降低率分别为8.5%、11.9%、13.6%、14.5%、15%。如图2所示。
由图2分析得：1）桩底沉渣厚度t=0mm～40mm时，桩体极限承载力降低率较小，但变化幅度很大。分析原因为，桩端原土层性质坚硬，承载力较高，而沉渣的性质软弱，当桩底被沉渣填充时，桩端受荷初期沉渣还能提供一定支持力，随着荷载增大，沉渣压缩增大直至屈服破坏；2）桩底沉渣厚度t=60mm～1000mm时，桩体极限承载力降低率较大，但变化幅度较小。分析原因为，桩底沉渣过厚时，其受荷初期还能提供弹性支持力，荷载增大后，压缩量迅速增大，相比沉渣较薄时桩端荷载向下传递所需的位移增大，这就进一步促使桩侧摩阻力的发挥，使桩体在较小荷载时即达到极限承载力沉渣厚度较大时，桩体极限承载率变化的幅度较小。由图2数据经MATLAB拟合，曲线指数函数如下，沉渣厚度大于100mm的极限承载率变化不大，可近似取t=100mm時对应值。
5结论
通过试验数据研究了沉渣厚度对单桩承载特性的影响，得到：1）沉渣厚度t≤40mm时，曲线的变化形式近似一种渐变形，桩体的破坏形式没有大的变化，桩体的极限承载力降低较大；2）沉渣厚度t≥60mm时，曲线的变化形式为突变形，桩体的破坏具有突发性，属于刺入破坏，即在桩体达到极限承载力时，桩项的沉降具有明显的陡增，但桩体的极限承载力此时变化相对不大。