樁－桶基礎(chǔ)的水平承載性能＊

劉文白 朱晨霞

（上海海事大學(xué)海洋環(huán)境與工程學(xué)院 上海 201036）

海洋工程基礎(chǔ)要承受長期側(cè)向靜載壓力、土的擠壓和風(fēng)、海流、波浪往復(fù)動(dòng)載以及地震荷載等水平作用影響.周健等對側(cè)向受荷樁的試驗(yàn)和數(shù)值模擬［1］，張建紅和胡忠磺等對水平載荷作用下土體與桶形基礎(chǔ)的相互作用及承載力的研究［2－3］，Poul對砂土的應(yīng)變局部化研究［4］，Chiang對環(huán)境影響土體位移的樁的響應(yīng)研究［5］和Kong的群樁受扭的耦合效應(yīng)研究［6］；李元海采用無標(biāo)點(diǎn)量測技術(shù)（digital photogrammetry for deformation measurement，DPDM）對模型試驗(yàn)變形場分析［7］；桶形基礎(chǔ)施工方便、可重復(fù)利用、抗拔性能好［8］.這些成果對樁－桶基礎(chǔ)的水平承載性能研究具借鑒價(jià)值.

樁－桶基礎(chǔ)集樁、桶基礎(chǔ)各自的優(yōu)點(diǎn)，樁基礎(chǔ)的豎向承載力高、抗液化能力好、抗變形能力強(qiáng)，樁與桶基結(jié)合可將環(huán)境荷載的水平作用向下傳遞到更深的持力層，增強(qiáng)穩(wěn)定性，能夠承受較大的水平力作用.通過模型試驗(yàn)，對室內(nèi)單樁單向水平循環(huán)荷載下樁－桶周圍土體進(jìn)行拍攝，應(yīng)用DPDM技術(shù)，對土體變形場破壞特征和水平承載性能進(jìn)行研究.

1 模型試驗(yàn)

室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)備有四面玻璃的模型箱（長×寬×高為60cm×60cm×80cm）、樁－桶模型基礎(chǔ)（45號(hào)鋼材）、加載架、圖像采集和位移量測設(shè)備.試驗(yàn)示意見圖1，土樣細(xì)砂，參數(shù)見表1.1 020萬像素?cái)?shù)碼相機(jī)拍攝樁－桶側(cè)土體變形照片.采用單向多循環(huán)加載.根據(jù)圖2的荷載－時(shí)間－位移曲線，水平臨界荷載Hcr＝300N，對應(yīng)水平位移4.02m，極限荷載Hu為600N，對應(yīng)水平位移20.8mm.

2 基礎(chǔ)周圍土體變形場和破壞模式

2.1 土體變形場分析

圖1 樁－桶基礎(chǔ)半模試驗(yàn)布置和尺寸示意

表1 砂土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

圖2 水平承載的樁－桶基礎(chǔ)受荷點(diǎn)荷載－位移 （H－T－Y）曲線

在模型試驗(yàn)中，對水平荷載作用下樁－桶基礎(chǔ)半模試驗(yàn)的土體變形進(jìn)行數(shù)碼拍攝，采用DPDM技術(shù)分析拍攝照片，獲得基礎(chǔ)周圍土體的變形場及變化.圖3～6分別為加載初期、臨界荷載、極限荷載的土體位移矢量、變形網(wǎng)格、X方向位移和最大剪應(yīng)變.圖3為不同荷載位移矢量場.荷載增大到臨界荷載Hcr＝300N，在桶基礎(chǔ)的內(nèi)部和基礎(chǔ)兩側(cè)土體位移較大，并隨荷載增加沿橫向及深部開展，在被動(dòng)區(qū)（圖示樁中軸右側(cè)土體）的位移開展速度和開展范圍大于主動(dòng)區(qū)（圖示樁中軸左側(cè)土體）；在極限荷載Hu＝600N，主動(dòng)區(qū)土體的位移場形狀與桶基礎(chǔ)形狀相似，為一以桶邊緣為界的長方形；被動(dòng)區(qū)土體的位移場為半錐臺(tái)形狀，邊界為1／4圓弧，位移場邊界較明顯，主動(dòng)區(qū)土體表面下陷和被動(dòng)區(qū)土體表面隆起.圖4所示的土體變形網(wǎng)格和圖5所示的土體水平位移場均有與圖3相同的分析結(jié)果.土體最大剪應(yīng)變場見圖6，圖6外輪廓線為依據(jù)剪切變形場分析的土體破壞模式.

2.2 土體的破壞模式與機(jī)理

圖3 土體位移矢量圖

圖4 H＝600N土變形網(wǎng)格

圖5 H＝600NX方向位移等值線

根據(jù)試驗(yàn)土體變形觀測可以分析土體破壞過程為：荷載較小時(shí)，土體處于彈性階段.荷載到Hcr＝300N時(shí)主動(dòng)區(qū)土體應(yīng)力松弛，在土表的桶外緣處出現(xiàn)裂縫；被動(dòng)區(qū)土體受擠壓，顆粒間的骨料“咬合”作用顯著，出現(xiàn)剪脹.Hu＝600N，主動(dòng)區(qū)剪切帶完全形成；被動(dòng)區(qū)出多條環(huán)狀和放射性裂縫，裂縫迅速開展.當(dāng)H＝750N，土表隆起形成剪切帶.土體破壞模式分別見圖6.

圖6 H＝600N土體最大剪應(yīng)圖變分布及地基土破壞模式

土體破壞面的擬合曲線與實(shí)測曲線對比見圖7，土體破壞面的數(shù)學(xué)擬合被動(dòng)區(qū)為樁中軸右側(cè)ABCD部分，主動(dòng)區(qū)為樁中軸右側(cè)AIHG部分.

3 極限水平承載力分析

樁－桶基礎(chǔ)的極限水平承載力由桶頂以上土體、桶內(nèi)土體與桶下土結(jié)合部位、桶側(cè)土體的抗剪強(qiáng)度在水平方向投影的集合，和桶下樁周土水平抗力組成.據(jù)此可推導(dǎo)建立樁－桶基礎(chǔ)水平極限承載力計(jì)算式（1）如下（推導(dǎo)過程略）.

圖7 土體破壞面的數(shù)學(xué)擬合與實(shí)測破壞面

根據(jù)式（1），計(jì)算1＃、2＃全模樁－桶基礎(chǔ)理論水平極限承載力并與試驗(yàn)值對比.計(jì)算條件，1＃（2＃）全模樁－桶基礎(chǔ)試驗(yàn)，D＝0.104m；H＝0.054m；d＝0.016m；φ＝38.3；γ＝13.9（14.0）；h＝0.05（0.055）m；x＝0.052（0.056）m.計(jì)算對比分析，1＃試驗(yàn)值Hu＝0.85kN，理論計(jì)算值＝0.904kN，＝1.13；2＃Hu＝0.825 kN，＝0.938kN，＝1.175.

4 結(jié) 論

通過水平承載樁－桶基礎(chǔ)試驗(yàn)，分析了不同荷載段土體的位移矢量、變形網(wǎng)格、X方向位移和最大剪應(yīng)變.分析土體位移場的變形模式與剪應(yīng)變形場，剪切帶由變形場邊界的土體應(yīng)變軟化產(chǎn)生.

水平荷載作用下樁－桶基礎(chǔ)變形，樁身存在一個(gè)反彎點(diǎn)，且隨加荷向下移動(dòng)，破壞荷載時(shí)反彎點(diǎn)離樁底的高度約為入土深度的1／4處.

土體變形場分析，土的變形為漸進(jìn)性變形過程；在基礎(chǔ)兩側(cè)土體變形區(qū)分為主動(dòng)區(qū)和被動(dòng)區(qū).隨荷載增加，受影響區(qū)域邊界漸明顯；對比圖像與試驗(yàn)觀測，剪切變形場分析的土體破裂面與實(shí)測形狀一致，建立了圖7的地基土破壞面計(jì)算模式.

樁－桶基礎(chǔ)的水平承載機(jī)理，極限水平承載力由桶頂以上土體、桶內(nèi)土體與桶下土結(jié)合部位、桶側(cè)土體的抗剪強(qiáng)度在水平方向投影的集合，和桶下樁周土水平抗力組成.

［1］周 健，張 剛，曾慶有.主動(dòng)側(cè)向受荷樁模型試驗(yàn)與顆粒流數(shù)值模擬研究［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（5）：650－656.

［2］張建紅，林小靜，魯曉兵.水平荷載作用下張力腿平臺(tái)吸力式基礎(chǔ)的物理模擬［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2007，29（1）：77－81.

［3］胡忠磺，張日向，陸文清.桶形淺基礎(chǔ)水平荷載承載力分析研究［J］.水運(yùn)工程，2007，6（6）：21－24.

［4］Lade P V，Nam J，Hong W P.Shear banding and cross－anisotropic behavior observed in laboratory sand tests with stress rotation ［J］. Canadian Geotech.J.，2008，45（1）：74－84.

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［7］李元海，靖洪文，朱合華.數(shù)字照相量測在砂土地基離心試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2006，28（3）：306－311.

［8］施曉春，徐日慶，龔曉南.桶形基礎(chǔ)發(fā)展概況［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2000，33（4）：68－73.