杜明芳，遆永新，徐志軍，劉軍，郭兆翔

(1.河南工業(yè)大學 土木工程學院，河南 鄭州450001；2.上海寶冶集團有限公司，上海200941)

隨著我國工程建設的發(fā)展，樁基礎因其獨特的受力形式在工程領域占據(jù)著重要的地位，為我國工程建設做出了巨大貢獻。但是由于現(xiàn)場管理、現(xiàn)場施工以及地質條件等原因，在工程施工中經常出現(xiàn)缺陷樁。其中縮徑是非常常見的一種缺陷形式，縮徑缺陷樁的存在對工程的經濟、工期和安全都造成了極大的不利影響。對于淺層縮徑缺陷，通常采用破除法或注漿法進行加固[1]，但是對于深部縮徑缺陷，上述2種方法都難以實現(xiàn)或造價較高。因此研究深部縮徑樁的承載性狀、了解深部縮徑樁的荷載傳遞機理和樁土相互作用對深部縮徑缺陷樁的加固處理有著重要的意義。目前國內外學者針對缺陷樁的問題開展了一系列的研究并取得了大量成果。POULOS等[2-3]分析了大量的工程實例，對缺陷樁的成因進行了總結，并提出了一些處理措施。ALBUQUERQUE等[4]認為縮徑位置越靠近樁端，其對承載特性的影響越小，但是并未進行詳細的研究。PREMALATHA[5]采用數(shù)值模擬的方法研究了縮徑和擴徑對基樁承載特性的影響，結果表明縮徑和擴徑會改變基樁的承載特性，并且使缺陷處土體的應力范圍增大，但缺乏試驗論證。FREITAS等[6]開展了現(xiàn)場試驗研究了中部縮徑缺陷對單樁承載性能的影響，其結果表明縮徑的存在會使樁頂沉降增大，樁體在達到完整樁極限承載力的40%時發(fā)生脆性破壞。在國內的相關研究中，許少軍等[7]采用數(shù)值分析法證明了縮徑的存在會降低樁的側摩阻力從而使樁的極限承載力降低、沉降增大，并且縮徑部位的軸力會發(fā)生激增，可能造成縮徑部位斷裂破壞，但其結論缺乏試驗論證。張美娜[8]采用室內模型試驗的方法探究了粉土中縮徑樁的承載性狀。她指出縮徑樁荷載-沉降曲線的拐點出現(xiàn)較正常樁早，其承載力有所降低，沉降增大。孫宗訓[9]同樣采用室內模型試驗的方法研究了2種縮徑位置對承載力的影響和縮徑樁發(fā)生斷裂破壞的位置。王成華等[10]針對幾種缺陷做了現(xiàn)場試驗，進一步證實了實際工程中缺陷樁的承載性狀。另外在其他方面，張鈺瑩等[11]用數(shù)字散斑技術觀察了縮徑樁的破壞過程。原方等[12]研究了淺部縮徑對基樁承載特性的影響得到了一些縮徑參數(shù)對承載能力影響的規(guī)律。綜上所述，雖然已有大量學者針對縮徑樁問題進行了研究并取得了一些成果，但是由于傳統(tǒng)試驗通常采用內置傳感器的方法采集試驗數(shù)據(jù)，傳感器的大小、傳感器脫落等原因都會對試驗數(shù)據(jù)造成干擾，并且傳統(tǒng)試驗無法直接觀察土體內部的位移變化，這將縮徑樁的研究限制在承載特性方面，而對縮徑樁樁周土體位移場的研究幾乎為空白。為了克服傳統(tǒng)試驗的缺點，將人工合成透明土技術與PIV(粒子圖像測速技術)技術相結合，實現(xiàn)了土體內部可視化以及土體位移變形可測量的優(yōu)點，目前該方法已經在巖土工程試驗中得到了大量的應用[13]?？拙V強等[14]將透明土與標準砂的壓縮變形特性進行對比，證明了熔融石英砂能夠較好的模擬標準砂。SANG等[15]通過透明土技術研究了承臺大小以及樁身尺寸對樁-土-承臺的相互作用規(guī)律的影響。周東等[16]開展了透明土模型試驗研究了被動樁的樁周土體位移場。以上試驗皆證明了透明土和PIV技術在該領域研究具有良好的適用性，為非插入式測量樁周土體位移數(shù)據(jù)全面了解縮徑缺陷樁提供了重要的技術手段。因此，本試驗基于透明土和PIV技術研究深部縮徑情況下不同縮徑參數(shù)對基樁承載特性和樁周土體位移場的影響，經過對比分析各樁的荷載?沉降曲線和樁周土體位移矢量圖、位移等值線圖，得到了深部縮徑情況下不同縮徑參數(shù)對基樁承載特性和樁周土體位移場的影響規(guī)律以及樁?土之間的荷載傳遞機理，對了解深部縮徑樁的工程性狀和缺陷樁的加固處理具有重要意義。

1 模型試驗概況

1.1 模型樁制作及縮徑參數(shù)

本文所用的樁體模型均采用有機玻璃制作，其彈性模量E約為3.17 GPa。試驗前首先用砂紙將模型樁表面打磨粗糙，使其能夠更真實的模擬實際工況。模型樁樁長L為200 mm，直徑D為20 mm，共6根(圖1)，包含1根完整樁和5根不同縮徑參數(shù)的缺陷樁。模型樁的縮徑參數(shù)設置根據(jù)李振亞[17]對深部縮徑缺陷樁的定義，即縮徑底部距離樁頂160 mm為深部缺陷；縮徑徑向尺寸D為樁徑的80%，40%和20%分別為粗缺陷、中等缺陷、細缺陷；縮徑長度L為樁長的10%，5%和2.5%分別為長缺陷、中長缺陷、短缺陷。原型樁樁長為20 m，樁徑為2 m，縮徑底部距樁頂16 m，該參數(shù)同樣參照文獻[17]設置，模型樁與原型樁的幾何尺寸比為1:100。各樁的詳細參數(shù)見表1。

表1 各缺陷樁縮徑參數(shù)Table 1 Shrinkage parameters of defective piles

圖1 樁體模型(從左至右依次為1～6號樁)Fig.1 Pile models(No.1～No.6 piles from left to right)

考慮到尺寸效應的影響，參照文獻[15]的試驗方案，將試驗所用模型箱尺寸設置為320 mm×180 mm×350 mm，模型箱內的土面高度為300 mm，模型樁置于模型箱中間位置，埋深為200 mm。在寬度方向上，樁體距模型箱壁為80 mm，為樁徑的4倍；在長度方向上，樁體距模型箱壁為150 mm，為樁徑的7.5倍；樁底距模型箱100 mm，為樁徑的5倍。該方案可以避免尺寸效應的影響。

1.2 透明土制配

試驗所用的透明土由熔融石英砂和正十二烷以及90號白油按照一定的比例配置而成。為了更好地模擬天然沙土以及獲得質量較好的散斑場，將所用的熔融石英砂粒徑范圍設定在0.5～2.0 mm之間。所配置的土樣中，彈性模量為30 MPa，最小干密度1.24 g/cm3，最大干密度1.48 g/cm3，土樣的不均勻系數(shù)Cu=6，曲率系數(shù)Cc=1.35，屬于級配良好礫。熔融石英砂和福建標準砂對比如圖2所示。

圖2 福建標準砂(a)與熔融石英砂(b)對比Fig.2 Comparison of Fujian standard sand(a)and Molten quartz sand(b)

為了保證試驗所用的透明土具有較高的透明度，土樣制配時嚴格按照以下操作進行：先用無氣蒸餾水對石英砂進行清洗；其次將清洗后的石英砂放入干燥箱中進行12 h的干燥處理；然后將干燥后的石英砂分3層鋪設在模型箱內，每層100 mm；每層鋪設完畢后將孔隙液沿模型箱壁緩緩倒入，使孔隙液剛好浸沒固體顆粒，然后放入真空箱內將土體內部氣泡抽出后進行下一次鋪設；3層鋪設完畢且抽真空后將其靜置6～8 h使孔隙水壓力消散后方可進行試驗。為了保證所有試驗中土樣的一致性和土體的密實度，每次試驗后將該濕土樣放置在干凈容器內，后續(xù)試驗均使用該濕土樣。在后續(xù)試驗進行前同樣分3層和3次抽真空進行鋪設，最后一次抽真空完畢后需要將其靜置6～8 h。

1.3 加載方案

本試驗的加載方法按照《建筑基樁檢測技術規(guī)范(JGJ106—2014)》[18]中的相關規(guī)定采用慢速維持荷載法，加載時按照預估的承載力對樁頂進行分級加載，每級20 N。并根據(jù)規(guī)范[18]所述，對于陡降型荷載-沉降曲線，取發(fā)生明顯陡降的起始點所對應的荷載作為單樁極限承載力。當樁頂沉降速率連續(xù)2次出現(xiàn)小于0.1 mm/h，認為加載穩(wěn)定，此時對土體散斑場進行拍照并記錄樁頂沉降量，然后進行下一級加載。終止加載條件參照文獻[19]，即當樁頂沉降量達到30 mm或者樁體發(fā)生破壞時終止加載。試驗系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 試驗系統(tǒng)Fig.3 Test system

2 試驗結果分析

2.1 深部不同縮徑參數(shù)對單樁豎向承載特性的影響

2.1.1 縮徑徑向尺寸對單樁豎向承載特性的影響

完整樁和縮徑樁的荷載?沉降曲線如圖4所示。從圖中可以看出各樁的荷載-沉降曲線均為陡降型且明顯分為2部分，即前半段的線性發(fā)展部分和后半段的快速沉降部分。當荷載達到極限承載力以前，土體處于彈性變形階段，各樁的樁頂沉降量較小，荷載主要由基樁的側摩阻力承擔。當荷載達到極限承載力之后，土體突然進入塑性變形階段，樁體迅速下沉，此時樁土接觸面開始出現(xiàn)滑移破壞，樁端土體開始出現(xiàn)整體剪切破壞，基樁也開始喪失承載能力，這與基樁在密實砂土中的破壞形式相同。

從圖4中可以看出，1，3，4和5號樁的極限承載力分別為220，220，220和200 N。當縮徑長度L為樁長的5%且縮徑徑向尺寸D為樁徑的40%以上時，縮徑對基樁極限承載力幾乎沒有影響，不過樁頂沉降量有所增加。但是當縮徑徑向尺寸D減小到樁徑的20%時，其極限承載力約降低了9.1%。這是因為縮徑的存在并不是簡單的使側摩阻力造成損失，事實上土體填充到縮徑處后還會給基樁帶來一部分阻力。此時縮徑處土體的受力狀態(tài)發(fā)生變化，其主要承受來自樁體的剪應力，這部分力由土體顆粒之間的咬合力、摩擦力以及土體的黏聚力承擔。當縮徑徑向尺寸較大時，縮徑處土體所承受的剪應力較小，縮徑所帶來的阻力能夠彌補其所損失掉的側摩阻力，基樁的總側摩阻力損失較小，其極限承載力變化也就較小。不過縮徑徑向尺寸的減小并不能增加土體顆粒間的咬合力和摩擦力，并且砂土本身不具有黏聚力，因此縮徑處土體的抗剪能力不但沒有增加相反還會有所下降，這使基樁的側摩阻力有所下降，最終導致基樁極限承載力的下降。另外在實際工程中，較小的縮徑徑向尺寸會使縮徑處的樁身軸力急劇增加，可能導致縮徑處發(fā)生斷裂破壞，所以對于較小的縮徑徑向尺寸必須采取加固措施。

圖4 荷載?沉降曲線Fig.4 Load-settlement curves

2.1.2 縮徑長度對單樁豎向承載特性的影響

當縮徑徑向尺寸D=8 mm時，2，4和6號樁的荷載-沉降曲線如圖5所示。從圖中可以看出，各樁的荷載-沉降曲線同樣為陡降型且明顯分為2部分。圖中各樁的極限承載力均為220 N，說明當深部縮徑徑向尺寸大于樁徑的40%時，縮徑長度在樁長的5%～10%范圍內變動對基樁的極限承載力幾乎沒有影響，但是樁頂沉降量會有所增加。這是因為當縮徑徑向尺寸不發(fā)生改變時，縮徑處土體的厚度隨著縮徑長度的增加而增加，此時土體間的摩擦面增大，其阻力也隨之增大，這又導致縮徑處土體的抗剪能力有所提高，縮徑帶來的阻力總是能夠彌補其所損失的側摩阻力，所以縮徑長度的改變對基樁的極限承載力幾乎沒有影響。但是縮徑長度必定存在一定的變化范圍，當縮徑長度超過該范圍后，基樁的極限承載力就會有所降低。

圖5 荷載?沉降曲線Fig.5 Load-settlement curves

另外，對比圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，在深部縮徑情況下，縮徑徑向尺寸對極限承載力的影響程度要大于縮徑長度。在實際工程中，如果基樁的沉降量滿足要求的情況下，當縮徑徑向尺寸大于40%且縮徑長度小于10%時，可以采用注漿法適當加固土體。

2.2 深部縮徑單樁樁周土體二維變形分析

位移矢量圖(下列各圖中的左半部分)能夠反映基樁受荷后樁周土體的位移變化趨勢，而位移等值線圖(下列各圖中的右半部分)則主要反映樁周土體的位移范圍以及位移量的大小。將位移矢量圖和位移等值線圖相結合能夠全面的了解土體的運動趨勢和運動規(guī)律。因此本試驗通過MatPIV軟件對獲取的土體散斑場圖像進行處理得到了樁周土體的位移矢量圖和位移等值線圖。

由于較小的荷載下縮徑對樁周土體內部位移場的影響并不明顯，所以分別取未達到極限承載力時的140 N達到完整樁極限承載力時的220 N和超過完整樁極限承載力時的260 N 3種不同荷載下的土體位移矢量圖和位移等值線圖進行對比分析。當荷載達到220 N和260 N時個別縮徑樁存在沉降量較大的情況，故以樁頂沉降10 mm為界進行分析(由荷載-沉降曲線可知在此沉降量下各樁均已失去承載能力)。另外由于樁體和土體對稱，故取一半進行分析，即樁側土為樁徑的6倍，樁端土為樁徑的4倍。

2.2.1 荷載為140 N時樁周土體二維變形分析

在荷載為140 N時，各樁樁頂沉降量如表2所示，各樁沉降均未達到10 mm。整理繪制1～6號樁在此級荷載下的樁周土體位移矢量圖和位移等值線圖如圖6～11所示。

表2 荷載為140 N時各樁樁頂沉降量Table 2 Pile top settlements when the load is 140 N

圖6 1號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.6 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.1 pile

圖7 2號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.7 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.2 pile

圖8 3號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.8 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.3 pile

由于實驗過程中光線的干擾，個別樁的散斑場圖像質量較差，從而造成個別樁樁側土的位移矢量圖較為混亂，但樁端土的位移趨勢仍然明顯。從位移矢量圖中可以看出，在未達到極限承載力之前，基樁帶動樁側土和樁端土下移，但是樁端土有不同程度的向斜下方擠出的趨勢，并且部分樁端土發(fā)生水平移動，樁頂沉降量越大樁端土的位移范圍和位移量越大。另外就樁側土的位移趨勢而言，由于各縮徑樁的樁頂沉降量較小，縮徑對樁側土位移趨勢的影響規(guī)律并不明顯，僅在4號樁的縮徑處出現(xiàn)局部的小變形區(qū)域，與完整樁相比可以看出縮徑在一定程度上改變了樁側土體原本的位移趨勢。

圖9 4號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.9 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.4 pile

圖10 5號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.10 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.5 pile

在樁周土的變形范圍上，通過對比各樁的位移等值線圖可以發(fā)現(xiàn)各樁的樁側土變形比較均勻，均為獨立的小變形，尚未形成較大的貫穿區(qū)域。其中3，4和5號樁的縮徑參數(shù)設置為同一縮徑長度但不同的縮徑徑向尺寸。從圖中可以得知，縮徑徑向尺寸的變化對樁側土變形范圍的影響較小，其影響規(guī)律也不明顯。這是因為荷載在土體水平方向上的傳遞能力較弱，縮徑徑向尺寸的改變對樁側土體位移范圍的影響較小。不過從2，4和6號樁的位移等值線圖中可以看出，隨著縮徑長度的增加，樁側土體的變形范圍似乎有微小的增大趨勢。不過由于此級荷載下各樁的樁頂沉降量較為接近，所以該趨勢并不十分明顯。

圖11 6號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.11 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.6 pile

2.2.2 荷載為220 N時樁周土體二維變形分析

當荷載為220 N時，各樁的樁頂沉降量如表3所示，此時荷載已經達到完整樁的極限承載力，其中5號樁的樁頂沉降量剛好達到10 mm。整理繪制此級荷載下1～6號樁的樁周土體位移矢量圖和位移等值線圖如圖12～17所示。

圖12 1號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.12 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.1 pile

觀察荷載220 N時各樁的位移矢量圖可以發(fā)現(xiàn)，由于樁頂沉降量的增加，基樁的樁端土不再是向斜下方擠出，而是出現(xiàn)了扇形的位移面向各個方向擴散。由于2，4，5和6號樁的樁頂沉降量較大，其樁側土的位移狀態(tài)也發(fā)生了較大的變化，即樁頂周圍的樁側土仍順樁身下移，而樁端周圍的樁側土因樁體下沉擠壓出現(xiàn)了逆樁身上移的現(xiàn)象。并且從位移等值線圖中可以看出2，4，5和6號樁的樁側土和樁端土已經發(fā)生貫穿，形成了較大的變形區(qū)域。

圖13 2號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.13 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.2 pile

圖14 荷載為220 N時3號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.14 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.3 pile when the load is 220 N

圖15 4號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.15 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.4 pile

通過3，4和5號樁的位移等值線圖可以看出，縮徑徑向尺寸的減小會使樁側土變形范圍有所增加，但是其增加幅度較小。不過從2，4和6號樁的位移等值線圖可以發(fā)現(xiàn)，樁側土體的變形范圍明顯隨著縮徑長度的增大而增大。這是因為縮徑長度的增加使大量土體填充到縮徑處，其影響范圍在深度方向上增加，荷載經基樁傳遞給土體顆粒后又向水平方向傳遞和擴散，這進一步增加了樁側土體的變形范圍。另外這也說明縮徑長度對樁側土變形范圍的影響大于縮徑徑向尺寸。

圖17 6號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.17 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around No.6 pile

而對于1號完整樁，其樁端土和樁側土的位移趨勢無明顯變化，不過變形范圍有所增大，主要變形仍集中在樁端部，樁端土和樁側土尚未出現(xiàn)貫穿，其對樁側土變形范圍的影響小于縮徑樁。另外對于已經超過極限承載力的5號樁，從其位移等值線圖中可以明顯看出樁土接觸面已經發(fā)生滑移破壞，并且樁端土也發(fā)生了整體剪切破壞，樁側土和樁端土形成貫穿的大變形區(qū)域，此時5號樁已經失去承載能力。

2.2.3 荷載為260 N時樁周土體二維變形分析

當荷載為260 N時，各樁的樁頂沉降量如表4所示，此時各樁的樁頂沉降量均已超過10 mm，故取各樁樁頂沉降為10 mm時所對應的土體位移矢量圖和等值線圖進行分析。因5號樁的樁頂沉降量在荷載為220 N時已經達到了10 mm，故不再對其進行贅述。整理繪制此級荷載下各樁樁周土體的位移矢量圖和等值線圖如圖18～23所示。

表4 荷載為260 N時各樁樁頂沉降量Table 4 Pile top settlements when the load is 260 N

圖18 1號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.18 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around Pile 1 when

從各樁的位移矢量圖中可以看出，在樁頂沉降量達到10 mm時，所有樁的樁端土均出現(xiàn)了較大的扇形位移面，靠近樁身的樁側土也都出現(xiàn)了逆樁身上移的現(xiàn)象，其在水平方向上的影響范圍最大已經達到5倍的樁徑，并且個別樁樁頂周圍的土體已經發(fā)生隆起。這是因為樁端土被擠壓密實后無法繼續(xù)壓縮開始向四周擴散，樁端周圍的樁側土受到樁端土的擠壓開始向上移動，這在飽和的密實土中尤為明顯。

觀察各樁的位移等值線圖發(fā)現(xiàn)各縮徑樁的樁端土和樁側土均形成了貫穿的大變形區(qū)域。但是對于完整樁而言，其土體變形仍集中在樁端周圍，樁側土未出現(xiàn)較大的變形區(qū)域，其樁側土和樁周土雖然形成貫穿，但是其范圍要小于縮徑樁。縮徑缺陷明顯增加了樁周土的位移范圍和位移量，使樁側土和樁周土形成貫穿的大變形區(qū)域。

圖19 2號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.19 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around Pile 2 when

圖20 3號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.20 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around Pile 3

圖21 4號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.21 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around Pile 4

圖22 6號樁樁周土體位移矢量圖(左)和位移等值線圖(右)Fig.22 Soil displacement vector diagram(left)and displacement isoline diagram(right)around Pile 6

3 結論

1)當縮徑長度L為樁長的5%且縮徑徑向尺寸D為樁徑的40%以上時，縮徑僅增加了樁頂沉降量；當縮徑徑向尺寸D減少到樁徑的20%時，其極限承載力降低約9.1%；當深部縮徑徑向尺寸大于樁徑的40%時，縮徑長度在樁長的5%～10%范圍內變動對基樁的極限承載力幾乎沒有影響；縮徑徑向尺寸對極限承載力的影響大于縮徑長度。

2)樁頂受荷后，樁側土和樁端土均隨基樁一起下移，但是樁端土具有向斜下方擠出的趨勢；當荷載達到極限承載力時，樁端土出現(xiàn)扇形的位移面，樁頂周圍的樁側土仍然隨著樁體下移，但樁端周圍的樁側土卻出現(xiàn)逆樁身上移的現(xiàn)象，并且縮徑樁的樁端土和樁側土開始形成貫穿的大變形區(qū)域。

3)縮徑的存在會使樁側土和樁端土的變形區(qū)域發(fā)生貫穿；樁側土的變形范圍會隨著縮徑長度的增加而增加，但縮徑徑向尺寸對樁側土的影響較小，縮徑長度對樁側土變形范圍的影響程度大于縮徑徑向尺寸。