湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中樁基豎向承載性狀模型試驗(yàn)

湯　斌，郭凡夫，謝　亮，沈建華

（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢 430065；2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司，北京 100007；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北武漢 430071）

湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中樁基豎向承載性狀模型試驗(yàn)

湯斌1，郭凡夫1，謝亮2，沈建華3

（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢 430065；2.建設(shè)綜合勘察研究設(shè)計院有限公司，北京 100007；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北武漢 430071）

利用原位模型試驗(yàn)研究湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中樁基在豎向荷載作用下的承載性狀。選取材質(zhì)和樁徑相同、入土深度不同的6組模型樁，采用慢速維持荷載法，在湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中進(jìn)行單樁原位豎向承載模型試驗(yàn)，得到了單樁荷載沉降曲線、單樁軸力沿樁身分布曲線、單樁側(cè)摩阻力沿入土深度分布曲線。結(jié)果表明：在豎向荷載作用下，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中模型單樁荷載沉降曲線均存在顯著陡降，極限狀態(tài)拐點(diǎn)明顯，豎向極限承載力隨著長徑比的增加而增大；在相同荷載作用下，隨著長徑比的增加，樁頂沉降逐漸減小且減小趨勢逐漸變緩，在較大荷載作用下超長樁荷載沉降曲線中樁頂沉降的減小速率幾乎為零，存在有效樁長；在同級樁頂荷載作用下，單樁樁端阻力占總樁頂荷載的比例隨著長徑比的增加而逐漸變小，由最大29.8%減小為0.8%；不同入土深度的單樁在極限荷載作用下的樁側(cè)極限摩阻力變化不大，均穩(wěn)定在40 kPa左右。

湛江組結(jié)構(gòu)性黏土；樁基；豎向承載性狀；模型試驗(yàn)

分布在我國湛江地區(qū)的湛江組結(jié)構(gòu)性黏土，以其特有的強(qiáng)結(jié)構(gòu)性引起了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注。湛江組結(jié)構(gòu)性黏土的強(qiáng)結(jié)構(gòu)性使之被賦予了獨(dú)特的工程特性，伴隨而來的是工程實(shí)際中大量的土木工程問題［1-3］。因湛江地區(qū)上部黏土及上覆土層的土質(zhì)偏軟，而且上部建筑荷載越來越大，天然地基已經(jīng)滿足不了高層建筑的承載要求，故而樁基礎(chǔ)在當(dāng)?shù)赜兄浅V泛的應(yīng)用需求［4］。

樁基礎(chǔ)作為一種重要的基礎(chǔ)形式被廣泛應(yīng)用于土木工程中。國內(nèi)外學(xué)者對樁基豎向承載特性做了大量的研究，成果豐富。Briaud等［5］采用多種承載力預(yù)測方法及沉降計算方法對98根單樁豎向靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，并對計算方法提出了合理建議；周宏磊等［6］以北京地區(qū)典型第四紀(jì)沖洪積交互地層條件下的鉆孔灌注樁為研究對象，基于單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果，對長樁荷載傳遞特征、荷載變形性狀進(jìn)行了分析；張瑞坤等［7］基于無錫地鐵高架橋試樁工程中4根大直徑超長鉆孔灌注樁的現(xiàn)場靜荷載試驗(yàn)和樁身應(yīng)力測試試驗(yàn)，結(jié)合同一地區(qū)12根同類型樁的試驗(yàn)成果，研究了無錫地區(qū)大直徑超長鉆孔灌注樁豎向荷載下的側(cè)、端阻力發(fā)揮特點(diǎn)和荷載傳遞規(guī)律；鄭剛等［8］在對試樁實(shí)測資料進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值分析方法，研究了深厚軟土地區(qū)單樁在豎向荷載作用下由短樁至超長樁隨樁長增加時的荷載傳遞性狀；馮世進(jìn)等［9］在西安地區(qū)進(jìn)行了單樁靜載荷試驗(yàn)，采用滑動測微計測試每米范圍內(nèi)樁身軸力的變化，研究了黃土地基中超長鉆孔灌注樁的承載性能、樁身軸力傳遞規(guī)律、樁側(cè)阻力和樁端阻力的發(fā)揮性狀；宋兵等［10］認(rèn)為影響樁側(cè)摩阻力的主要因素包括樁周土體的強(qiáng)度、應(yīng)力狀態(tài)以及樁土界面強(qiáng)度，側(cè)摩阻力受界面強(qiáng)度控制，影響其變化的根本原因是土體的應(yīng)力狀態(tài)；彭劼等［11］考慮了沉樁擠土效應(yīng)引起的樁周土體的應(yīng)力和孔隙比的變化及其對土體非線性性質(zhì)的影響，修正了現(xiàn)有的荷載傳遞函數(shù)，并編制了計算程序。這些研究成果使得人們對樁基豎向承載性狀有了較為深入的認(rèn)識，對特定區(qū)域特定土質(zhì)條件下的樁基工程設(shè)計和施工具有指導(dǎo)意義，但由于湛江組結(jié)構(gòu)性黏土具有強(qiáng)結(jié)構(gòu)性，以上成果應(yīng)用于湛江組結(jié)構(gòu)性黏土?xí)r在計算精度方面或多或少存在一定誤差。本文采用現(xiàn)場單樁模型試驗(yàn)，對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中樁基豎向承載性狀進(jìn)行研究。

1　現(xiàn)場單樁模型試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)場地及模型樁概況

試驗(yàn)場地位于廣東省湛江市東海島某鋼鐵基地，選擇湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中的灰色黏土層作為試驗(yàn)土層，土層參數(shù)如下：含水率為44.29%，密度為1.66 g/cm3，孔隙比為1.37，壓縮模量為7.00 MPa。模型樁由鋼管制成，外徑D=30 mm，內(nèi)徑d=24 mm；現(xiàn)場布置6組模型樁，入土深度分別為600 mm、900 mm、1200 mm、1 500 mm、1 800 mm和2 100 mm。模型樁樁身的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)由貼在樁身內(nèi)側(cè)的電阻應(yīng)變片采集，同一高度需對稱布置2片電阻應(yīng)變片，并在距離樁端50 mm處開始對稱布置，之后以100 mm的間隔逐層貼至樁頂。

1.2試驗(yàn)設(shè)備布置及加載方法

圖1、圖2分別為模型試驗(yàn)裝置立面示意圖及模型試驗(yàn)各儀器連接示意圖（俯視）。試驗(yàn)采集應(yīng)變計讀數(shù)的裝置為BZ2205C程控靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，并通過配套軟件將數(shù)據(jù)導(dǎo)入電腦；樁頂位移采用量程為50mm的百分表測量，百分表設(shè)置在樁頂荷載板上，通過磁性表座與鋼管連接并固定，鋼管由沙袋固定并懸空，以免受到樁基加載的影響；樁頂通過100 kN液壓千斤頂加載，千斤頂反力由上面的荷載鋼板提供，鋼板通過4根錨樁固定，錨樁上有螺栓用于承載荷載鋼板自重，若反力不夠可在鋼板上堆放沙袋或石塊；為提高試驗(yàn)精度，樁頂荷載的測力系統(tǒng)設(shè)計為：將荷載傳感器放置于千斤頂上，并連接BZ2216數(shù)字式測力儀來讀取樁頂荷載。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法加載，通過液壓千斤頂進(jìn)行豎向加載，荷載分級按預(yù)計最大試驗(yàn)承載力等分為10～12級逐級等量加載。

圖1　模型試驗(yàn)裝置立面示意圖

圖2　模型試驗(yàn)各儀器連接示意圖（俯視）

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

2.1.1樁頂沉降計算

第j級荷載加載穩(wěn)定時樁頂?shù)目偝两祍j為

式中：a0為百分表的初始讀數(shù)；aj為第j級荷載加載穩(wěn)定時百分表的讀數(shù)。

2.1.2樁的受力計算

a.樁身第i截面軸力Ni為

式中：Em為模型單樁的樁身彈性模量；Am為模型單樁的樁身截面積；εi為模型單樁的樁身截面應(yīng)變值；εi1、εi2為各截面上2個應(yīng)變計測得的應(yīng)變值。

b.樁身第i段平均樁側(cè)摩阻力qsi為

式中：Ni-1、Ni分別為樁身第i-1截面和第i截面的軸力；ΔLi為第i截面與第i-1截面間的距離。

c.第j級荷載下的樁端阻力qpj為

2.2單樁荷載沉降曲線及極限承載力

本試驗(yàn)中的主要變量為單樁的長徑比L/D，以L/D≥50為超長樁［12］，將試驗(yàn)單樁分為兩組：第一組普通樁，入土深度為600mm、900mm和1200mm；第二組超長樁，入土深度為1 500 mm、1 800 mm和2100 mm。兩組試驗(yàn)各單樁的荷載沉降曲線（Q-s曲線）如圖3所示，單樁豎向極限承載力Qu及長徑比L/D見表1。

圖3　各單樁Q-s曲線

表1　各單樁豎向極限承載力及長徑比

從圖3可以看出各單樁Q-s曲線均存在顯著陡降現(xiàn)象，極限狀態(tài)拐點(diǎn)明顯。在相同荷載作用下，隨著長徑比的增加，樁頂沉降逐漸減小且減小趨勢逐漸變緩，在較大荷載作用下超長樁Q-s曲線中樁頂沉降的減小速率幾乎為零，存在有效樁長。根據(jù)表1分析得出，模型單樁的豎向極限承載力隨著長徑比的增加而增大。

2.3單樁樁身軸力及樁端阻力發(fā)揮性狀

圖4是不同豎向荷載作用下各單樁樁身軸力，可以看出，隨著荷載的增大，軸力沿樁端方向減小的速率越來越大；隨著長徑比的增加，樁身軸力減小的程度也愈發(fā)明顯，樁端部軸力與樁頂部軸力相差很大。這是因?yàn)闃俄敽奢d大部分用以克服樁周土體向上的摩阻力，即樁頂荷載在向下傳遞過程中轉(zhuǎn)移給了樁周土體，故而樁身軸力逐漸減小，試驗(yàn)單樁表現(xiàn)出摩擦樁的力學(xué)特性。

表2為各單樁樁端阻力占總樁頂荷載比例。由于加載分級不同，入土深度1200～2100 mm的單樁樁端阻力占總樁頂荷載比例最大為29.8%，最小為0.8%；在相同樁頂荷載下，隨著長徑比的增加，單樁樁端阻力占總樁頂荷載的比例逐漸變小，表明隨著長徑比的增加，單樁端部乃至單樁下部受到樁頂荷載影響的程度會越來越小。

表2　單樁樁端阻力占總樁頂荷載比例

2.4單樁樁側(cè)摩阻力分析

圖5為不同豎向荷載作用下各單樁平均樁側(cè)摩阻力。圖5表明不同入土深度的單樁在極限荷載作用下的樁側(cè)極限摩阻力變化不大，均穩(wěn)定在40 kPa左右。原因是試驗(yàn)所選場地土質(zhì)相對均勻，樁周土的側(cè)壓力變化較小。對樁側(cè)極限摩阻力產(chǎn)生影響的兩個力學(xué)因素（內(nèi)摩擦角和樁側(cè)表面與土之間的附著力）均無明顯變化，故樁側(cè)極限摩阻力的變化有限。

圖5（f）中，在入土深度1200～1400 mm處摩阻力有一個突變，原因可能是應(yīng)變片異?；蛲翆釉谠撎幊霈F(xiàn)夾層。如果是應(yīng)變片異常，很可能會導(dǎo)致該組數(shù)據(jù)與相鄰數(shù)據(jù)不在一個數(shù)量級，但該組異常數(shù)據(jù)突變不大，經(jīng)分析可能是出現(xiàn)了一定厚度的夾層。由于未現(xiàn)場挖開該土層，故真正原因還有待分析，但對整體的側(cè)摩阻力沿深度的分布趨勢影響不大。

圖4　不同豎向荷載作用下各單樁樁身軸力

圖5　不同豎向荷載作用下各單樁平均樁側(cè)摩阻力

3　結(jié) 論

a.在豎向荷載作用下，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中模型單樁Q-s曲線均存在顯著陡降，極限狀態(tài)拐點(diǎn)明顯，豎向極限承載力隨著長徑比的增加而增大。

b.在相同荷載作用下，隨著長徑比的增加，樁頂沉降逐漸減小且減小趨勢逐漸變緩，在較大荷載作用下超長樁Q-s曲線中樁頂沉降的減小速率幾乎為零，存在有效樁長。

c.單樁樁端阻力占總樁頂荷載比例最大為29.8%，最小為0.8%；在同級樁頂荷載下，隨著長徑比的增加，單樁樁端阻力占總樁頂荷載的比例逐漸變小，試驗(yàn)單樁表現(xiàn)出摩擦樁的力學(xué)特性。

d.不同入土深度的單樁在極限荷載作用下的樁側(cè)極限摩阻力變化不大，即模型單樁在該土層的樁側(cè)極限摩阻力穩(wěn)定在40 kPa左右。

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Model test study on vertical bearing capacity of pile foundation in Zhanjiang group structural clay

TANG Bin1，GUO Fanfu1，XIE Liang2，SHEN Jianhua3
（1.College of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China；2.CIGIS（China）Limited，Beijing 100007，China；3.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

The bearing capacity of a pile foundation in Zhanjiang group structural clay under vertical loads was studied based on in situ model tests.In single pile in situ model tests，six groups of pile models with the same material and diameter but different depths in soil were selected，and the slow maintained load method was used.The load-settlement curve，axial force distribution along the pile shaft，and side friction varying with the depth in soil of single piles were obtained.Under vertical loads，the load-settlement curves of all six groups of single pile models in the Zhanjiang group structural clay show sharply declining trends，with yielding points occurring at the ultimate limit state，and the vertical ultimate bearing capacity increases with the length-diameter ratio of the single piles；under constant loads，with the increase of the length-diameter ratio，the settlement at the pile top gradually decreases at a slowly decreasing rate；under large loads，the decreasing rate of resettlement at the top of super-long piles，according to the load-settlement curve，is almost zero，and there exists an effective pile length；and under a constant level of loads at the pile top，the proportion of the pile end resistance to the total load at the pile top gradually decreases with the increase of the length-to-diameter ratio，with the maximum value decreasing from 29.8%to 0.8%，while the side frictions of single piles with different depths in soil under ultimate loads change little，with a stable value of about 40 kPa.

Zhanjiang group structural clay；pile foundation；vertical bearing capacity；model test

TU473.1

A

10067647（2016）05006005

10.3880/j.issn.10067647.2016.05.011

國家自然科學(xué)基金（41372299，41302238）

湯斌（1970—），男，教授，博士，主要從事地基與基礎(chǔ)工程研究。E-mail：tangbinruocheng@163.com

（20150930 編輯：熊水斌）