DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2017.01.026

微型CFG桩侧阻力提高系数试验研究

刘源^{1, 2}，张可能¹，刘创¹，何杰³

(1. 中南大学 地球科学与信息物理学院，

有色资源与地质灾害探查湖南省重点实验室，湖南 长沙 410083；

2. 中国有色桂林矿产地质研究院，广西 桂林，541004；

3. 湖南工业大学 计算机与通信学院，湖南 株洲，412008)

摘要：为分析微型CFG桩单桩承载力实测值比按现行CFG桩规范公式所得计算值大的原因，选择150 mm和   250 mm这2种桩径、不同长径比的微型CFG桩进行现场足尺试验。试验桩采用先挤土成孔后分段填混合料振密法施工工艺，桩端阻力通过土压力盒测定，单桩承载力通过静载荷试验测定，并对试验桩进行实地开挖。提出微型CFG桩单桩承载力计算修正公式。研究结果表明：微型CFG桩单桩承载力实测值大于按规范公式所得计算值，单桩承载力提高主要是由于桩侧阻力提高，为此引入微型CFG桩侧阻力提高系数k；在相同桩径条件下，长径比增大，微型CFG桩侧阻力提高系数减小；当长径比相同时，桩径小的单桩侧阻力提高系数大；工程运用时k可取1.1~1.4。

关键词：微型CFG桩；桩侧阻力；提高系数

中图分类号：TU447       文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2017)01-0184-07

Test on enhancement coefficient of lateral resistance about CFG micro pile

LIU Yuan^{1, 2}, ZHANG Keneng¹, LIU Chuang¹, HE Jie³

(1. Key Laboratory of Non-Ferrous Resources and Geological Hazard Detection,

School of Geosciences and Info-Physics, Central South University, Changsha 410083, China;

2. China Nonferrous Metal Guilin Research Institute of Geology for Mineral Resources, Guilin 541004, China;

3. College of Computer and Communication, Hunan University of Technology, Zhuzhou 412008, China)

Abstract: In order to analyze the reason why the micro CFG pile bearing capacity of single pile test value is greater than the calculated value according to CFG pile specification, two kinds of pile diameter including 150 mm and 250 mm and different ratios of length to diameter of micro CFG pile were selected to conduct the field test. Pile was squeezed into the hole using the construction technology of the vibratory compaction of the sub filled mixture. The pile tip resistance was determined by soil pressure box. The single pile bearing capacity was tested by the static load, and the test pile on-site was excavated. The micro CFG single pile bearing capacity calculation of correction formula was presented. The results show that the micro CFG pile bearing capacity of single pile test value is larger than the calculated value according to CFG pile specification. The reason is that the pile side resistance increases, and the increase coefficient k of the micro CFG pile side resistance is introduced. Under the condition of same diameter of pile, the length diameter ratio increases, the micro CFG pile side resistance increase coefficient decreases. For the same length to diameter ratio, when the pile diameter is small, the coefficient of pile side resistance improves. Combined with engineering cases, k can be chosen 1.1-1.4.

Key words: CFG micro-pile; lateral resistance of pile; enhancement coefficient

直径小于250 mm的微型CFG桩在很多软弱地基处理工程中得到广泛应用^[1-2]，很多学者从不同方面对CFG桩复合地基单桩及桩间土等承载力的发挥情况进行了研究，如：杨丽君等^[3]通过室内单剪试验，研究了桩-土接触面剪切性质；陈昌仁等^[4]修正了CFG桩复合地基承载力经验公式，提出了桩间土强度提高系数a；薛新华等^[5]通过CFG桩复合地基室内模型试验，总结了CFG桩复合地基存在扩径现象，且从下至上扩径现象明显，实际的成桩直径通常大于设计的桩体直径；龙晔君等^[6]认为对于静压桩复合地基，单桩承载力及桩间土承载力发挥系数可能会大于1.0；杨明等^[7]从考虑桩体、桩间土体与复合地基沉降量之间关系的基础上，推导出求解单桩复合地基及桩间土承载力发挥系数的方法；席宁中等^[8]认为桩端土层刚度对桩侧阻力具有增强效应；刘念武等^[9]对黏性土中微型桩抗压和抗拔进行了现场试验，研究结果表明微型桩抗压时，其端阻力随着荷载的增加不断增加，端部荷载占总荷载的9.7%~15%，端部荷载的发挥要慢于侧阻力的发挥；蔡江东等^[10]对大直径嵌岩桩侧阻强化桩土界面影响因素进行了研究；TAHA等^[11-14]对不同土体与不同建筑材料桩体之间的力学特性进行了研究；POTYONDY等^[15]利用应力控制式和应变控制式直剪仪研究了多种土料与建筑材料接触面的力学特性；BRANDT等^[16]对土体与结构物接触面问题进行了研究；DESAI等^[17]进行了接触面的动力试验，建立了接触面的本构模型。上述研究主要对常规直径(不少于400 mm)的桩进行了研究，而在大量实际工程案例中发现，微型CFG桩单桩承载力的实测值与按现行规范公式所得计算值之间有较大差异。目前，人们对微型CFG桩单桩承载力实测值与按规范公式所得计算值之间存在较大差异的原因研究很少，为此，本文作者通过现场足尺试验并结合工程实践，对实测值比计算值增大原因进行研究，并提出微型CFG桩单桩承载力特征值计算修正公式；引入微型CFG桩单桩承载力侧阻力提高系数k，以便为微型CFG桩设计与施工提供依据。

1  现场试验

1.1  试验场地

试验场地为长、宽均约为20.0 m平地，场地内土层为硬塑状黏土，厚度大于10 m，硬塑状黏土承载力特征值f_ak为200 kPa。

在试验场地上开挖1座长宽均约为10.0 m的正方形基槽，深度分别为2.0，3.5和4.5 m(如图1和图2所示)，槽底标高、平面尺寸等严格控制，且开挖过程中不损坏槽底土层。

选用成分较纯的素填土体作为基槽填土，分层碾压回填至试验槽内，每层厚度约为0.5 m。填土密实度采用轻型动力触探进行检测，试验场地内的素填土要求达到稍密状态且密实程度较均匀。为确保填土达到试验要求的密实度，基槽填土静置1 a。

微型CFG桩施工前，先对基槽填土进行勘察及静载荷试验，得出填土在试验前的主要参数如表1所示。

1.2  微型CFG桩施工

采用3种不同桩长、2种不同桩径(150 mm和250 mm)的微型CFG桩作为试验桩。试验桩桩底均进入硬塑黏土中1.0 m，开挖清除桩头后，有效桩长为2.5 m，4.0 m和5.0 m，长径比为10.0~33.3。试验场地内微型CFG桩平面分布、桩长等如图1和图2所示。

试验桩采用先挤土成孔后分段填料振密法施工，桩体混合料强度为C10。成孔至设计深度后，在试验桩的桩底埋设土压力盒(见图3)。填料成桩施工时，确保土压力盒和导线不受损害。桩孔内填料按充盈系数1.3~1.5控制填料量分段振密，桩孔缩径或塌孔时加钢套管，桩施工采取跳打，防止对已有桩体造成损伤。

基槽中的素填土地基经微型CFG桩加固处理  28 d后，对加固后的地基进行勘察及静载荷试验。根据试验结果及有关规范，得到加固处理后试验场地内土层主要参数如表2所示。通过对比加固前后桩间素填土主要物理力学参数可以得出：采用先挤土成孔后分段填料振密法施工工艺，桩间土得到加密，重度从17.3 kN/m³提高到17.9 kN/m³，承载力特征值从90 kPa提高到130 kPa左右，土的压缩模量、内黏聚力、内摩擦角以及侧阻力特征值也都得到提高，其中桩侧素填土对桩的侧阻力从12 kPa提高到15 kPa。

表1  加固前土层主要物理力学参数

Table 1  Physical-mechanical properties of soils before reinforcement

图1  微型CFG桩平面局部布置图

Fig. 1  Schedule of micro-piles plane

图2  微型CFG桩剖面图(A-A′)

Fig. 2  Section of micro-piles(A-A′)

1.3  单桩承载力特征值测试

测试试验桩单桩承载力采用压重平台反力加载静载荷试验方法。静载荷试验严格按照JGJ 79—2012“建筑地基处理技术规范”所规定慢速维持荷载法进行。

先按规范公式计算单桩承载力特征值，取该特征值的2倍作为设计最大加载量，分10级加载，每级加载为设计最大加载量的1/10。当加载达到设计最大加载量时，若未达到极限值，则继续按设计的分级荷载加下一级荷载，直至可判定极限承载力的陡降段或桩顶总沉降量超过40 mm后即终止试验。

图3  桩底土压力安置示意图

Fig. 3  Placement of soil pressure box at the bottom of pile

2  试验结果及分析

根据测试系统读数，得到1~12号试验桩的荷载Q–沉降s关系，如图4所示。桩端阻力p与荷载Q关系曲线如图5所示。

JGJ 79—2012“建筑地基处理技术规范”中CFG桩单桩竖向承载力特征值计算公式为

       (1)

式中：R_a为单桩竖向承载力特征值，kN；R_sk为桩侧摩阻力特征值，kN；R_pk为桩端阻力特征值，kN；A_p为桩的截面面积，m²；μ_p为桩的周长，m；l_pi为桩长范围内第i层土厚度，m；α_p为桩端端阻力发挥系数。根据试验场地加固前地质资料，按式(1)求得试验桩单桩侧阻力特征值计算值R_sk，根据静载试验和桩底土压力盒测试，测得单桩承载力特征值R_a实、桩端端阻力特征值R_pk实等实测值，由此可得实际侧摩阻力特征值R_sk实。R_sk实大于R_sk，用单桩侧阻力提高系数k表示，即k=R_sk实/R_sk，试验结果见表3和图3。

表2  加固后土层主要物理力学参数表

Table 2  Physical-mechanical properties of soils after reinforcement

图4  单桩承载力载荷试验Q-s曲线

Fig. 4  Curves of deformation and bearing capacity for a single pile

图5  桩端阻力与荷载关系曲线

Fig. 5  Relationship between pile end resistance and load

从表3可以看出：1) 由于微型CFG桩桩径d小，桩的截面面积A_p更小，桩端阻力也较小，端阻力特征值R_pk只占单桩承载力特征值R_a的10%~20%，对提高R_a的影响不大，所以，微型CFG桩实测单桩承载力提高主要是桩侧阻力提高所致；2) 微型CFG桩侧阻力比计算值大，提高系数k为1.28~1.71。微型CFG桩桩端承载力发挥情况见图5。

表3  桩径150 mm和250 mm微型CFG桩试验结果

Table 3  Experimental results of micro piles in diameter 150 mm and 250 mm

从图5可知：当桩顶施加荷载较小时，微型CFG桩桩端荷载随桩顶施加荷载增加幅度很小，荷载主要由桩侧摩阻力承担；随着荷载增大，桩端荷载增加幅度逐渐增大，微型CFG桩破坏时桩端荷载为280~400 kPa。微型CFG桩侧阻力提高系数k与桩径、长径比关系参见图6。从图6可知：1) 在相同桩径条件下，随着长径比增大，微型CFG桩侧阻力提高系数k减小；对于桩径150 mm桩，长径比从16.7增大至33.3，桩侧阻力提高系数k平均从1.75降至1.37；对于桩径250 mm桩，长径比从10.0增大至20.0，桩侧阻力提高系数k 平均从1.70降至1.36；2) 当长径比相同时，桩径小的桩，微型CFG桩侧阻力提高系数k相对增大。

图6  k与长径比l/d的关系

Fig. 6  Relationship between k and ratio of length to diameter

3  影响微型CFG桩侧阻力提高系数k的主要因素

微型CFG桩侧阻力受多种因素影响，准确掌握微型CFG桩侧阻力发挥作用的机理存在一定的困难。综合已有理论资料、实测资料及本次试验研究分析，主要有如下因素影响微型CFG桩桩侧阻力的发挥。

3.1  桩周土强度的影响

桩周土性质是影响桩侧阻力发挥最直接的决定因素，桩周土的强度越高，相应的桩侧阻力就越大^[16]。对比研究场地勘察与静载荷试验结果可以看出：加固处理后，桩周素填土得到有效挤密，素填土承载力特征值f_ak，c和j以及桩侧阻力特征值q_si等均比处理前有较大程度增大，桩周土强度增大1.4倍。当不考虑其他因素(如桩径)变化而仅考虑桩周土强度增大、桩侧阻力特征值增大时，微型CFG桩单桩承载力实测值必将比计算值大。

3.2  桩径的影响

微型CFG桩施工时，桩身混合料按充盈系数1.3~1.5分层投料振密，试验结束后对桩进行开挖，量测桩径，实际施工桩径D比设计桩径d增大2~3 cm，即150 mm桩径达到170~180 mm，250 mm桩径可达到280~300 mm。相应地，施工后实际桩侧面积比设计桩侧面积增大12.0%~13.3%。当其他因素不变(如桩周土强度)而仅桩径增大时，微型CFG桩侧阻力提高系数k可达1.2~1.3。

3.3  桩体形状与粗糙程度的影响

桩体的粗糙度对于桩–土接触界面的力学特性有重要影响。随着桩与土接触面粗糙度的增大，接触面上剪切应力峰值相应增大^[18]，相应的桩的承载力增  大^[19]。对桩体开挖发现：桩身侧面粗糙，桩体形状为由无数个似葫芦状组成的似葫芦串状圆柱体，桩体材料挤入桩周土体之中；桩体形状不均一和桩身侧面粗糙，显著增大了桩体与桩周土体之间的摩擦因数，桩侧摩阻力由此增加。对于微型CFG桩这种小直径的摩擦桩，当忽略桩体粗糙程度对桩摩擦因数的增大和桩侧阻力的提高时，必将导致单桩承载力计算值比实测值大幅度减少。

3.4  桩–土相对位移的影响

桩侧阻力是桩与土之间相互作用并产生相对位移的结果。桩–土间相对位移越小，桩侧阻力则发挥作用越小。当桩–土间位移达到极限时，桩侧阻力则发挥到最大值。从图3可知：在荷载加载初期，荷载小，桩–土之间产生的相对位移小；随着荷载不断增大，沉降量逐步增大，当单桩承载力到达极限后，桩–土之间位移达到最大，桩侧阻力最大。开挖后发现：单桩承载力达到极限值时，桩体没有发生破坏，这说明微型CFG桩静载荷试验达到极限状态时，桩体向桩端土产生“锲入”；当试验桩达到极限承载力时，位移s₁为17.5~40.1 mm；2倍设计承载力时的位移s(此时未达到极限状态)仅为6.5~22.6 mm，s₁/s=1.76~3.43；达到极限承载力时，桩–土之间相对位移最大，使极限侧阻力发挥到最大。

影响微型CFG桩侧阻力的因素很多，在目前技术条件下，还无法准确测定各种因素对微型CFG桩承载力的影响权重。为此，在微型CFG桩设计计算中，引入桩侧阻力提高系数k，计算微型CFG桩单桩承载力特征值R_a公式可修正为

           (2)

经试验研究结合工程案例统计，式(2)中侧阻力提高系数k可取1.1~1.4。

4  结论

1) 在采用先挤土成孔后分段填料振密(混合料充盈系数1.3~1.5)法加固软弱地基时，微型CFG桩单桩承载力比按规范公式计算值有较大幅度提高，为此，引入桩侧阻力提高系数k予以修正。微型CFG桩单桩承载力设计时可按修正公式(2)计算。

2) 修正公式(2)中k试验值为1.36~1.75，根据已有研究成果结合大量工程案例进行统计，从安全性、经济性综合考虑，在实际工程应用时，k取1.1~1.4。

3) 对于微型CFG桩，在相同桩径条件下，长径比增大，微型CFG桩侧阻力提高系数k相应减小；当长径比相同时，桩径减小，微型CFG桩侧阻力提高系数k相应增大。因此，修正公式(2)中，长径比大时，k可取较小值；桩径小时，k可取较大值。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-01-11；修回日期：2016-03-22

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51108176) (Project(51108176) supported by the National Natural Science Foundation of China)

通信作者：张可能，博士，教授，博士生导师，从事地基与基础工程领域研究；E-mail: ken@csu.edu.cn