水平受荷樁樁土相互作用研究

戈 迅，趙其華，薛秋池

樁基礎(chǔ)是一種被人類廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)形式。它通常將上部的結(jié)構(gòu)荷載通過較軟弱地層或水，穩(wěn)妥的傳遞到深部堅(jiān)硬的、壓縮性小的土層或巖層，或通過樁身摩擦作用和樁端支承作用傳至樁周或樁端土層［1］，這也就是樁基礎(chǔ)在豎向荷載作用下的工作原理。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于豎向荷載作用下的樁土作用原理以及其荷載分擔(dān)已有較多的研究。如徐峰等［2］研究了在建筑荷載和土層作用下樁的位移量及其軸向分布。關(guān)中科等［3］、陳順偉等［4］利用 ANSYS 有限元分析軟件對(duì)豎向荷載作用下的單樁基礎(chǔ)進(jìn)行了計(jì)算分析，得到了樁基和土體中的位移和應(yīng)力分布情況。趙曉蕾等［5］利用數(shù)值模擬軟件分析了在豎向荷載作用下，不同的樁徑和樁長(zhǎng)對(duì)土體中的位移和應(yīng)力分布情況的影響。李柃等［6］利用有限元軟件探討了在豎向荷載作用下群樁與土的相互作用機(jī)理。董齊蕾等［7］研究了在車輛荷載這種特殊的豎向荷載作用下橋臺(tái)樁與土的相互作用。

但對(duì)于水平荷載作用下的單樁樁土相互作用研究相對(duì)較少。如趙會(huì)永等［8］應(yīng)用灰色系統(tǒng)理論對(duì)濕陷性黃土地基中的水平受荷樁進(jìn)行了分析，并與樁水平荷載實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明，灰色系統(tǒng)法能夠很好的預(yù)測(cè)樁的變形曲線與承載力。薛樺等［9］對(duì)水平推力作用下的大直徑單樁的樁土作用進(jìn)行分析并考慮樁側(cè)翼緣對(duì)樁土作用規(guī)律的影響。郭騫等［10］利用原位水平加載實(shí)驗(yàn)，研究了在水平荷載作用下樁頂?shù)暮奢d－位移曲線、樁身彎矩分布情況。張宇等［11］針對(duì)飽和密砂地基，進(jìn)行了單向水平位移和雙向水平位移加載下剛性單樁基礎(chǔ)的離心模型實(shí)驗(yàn)，得出隨著荷載的循環(huán)次數(shù)的增加，樁身彎矩與樁端反力也隨之增加的規(guī)律。

上述對(duì)于水平荷載作用下的樁土相互作用的研究，主要集中在樁身的變形模式上，而忽略了樁土相互作用過程中樁周土體及其抗力的變化以及對(duì)于水平荷載作用下樁后被動(dòng)土壓力對(duì)樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性影響的研究。針對(duì)這一點(diǎn)，作者在 15°、30°、45°三種斜坡地形條件下進(jìn)行了單樁水平荷載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。研究了加載過程中樁土相互作用和其變化過程，以及在這個(gè)過程中樁后被動(dòng)土壓力所起到的作用。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1．1 試驗(yàn)方案

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)共進(jìn)行3根樁基試驗(yàn)，均為混凝土人工挖孔灌注樁。其中1號(hào)樁樁長(zhǎng)10 m，2、3號(hào)樁樁長(zhǎng)10．5 m。3根樁樁徑都為1 m，露頭高度都是0．5 m。都位于碎石土場(chǎng)地，1、2、3 號(hào)樁分別進(jìn)行 15°、30°、45°坡試驗(yàn)。樁身混凝土標(biāo)號(hào)為 C25。

試驗(yàn)采用油壓千斤頂進(jìn)行水平力加載，千斤頂采用0．4級(jí)精密壓力表進(jìn)行加壓，最大量程100 MPa（200 t），最長(zhǎng)可伸出 200 mm，精度 0．5 MPa。反力裝置采用C25混凝土反力墻，反力墻尺寸為高4 m、寬3 m、厚 1 m，外露 2 m。

試驗(yàn)過程中用位移計(jì)、測(cè)斜管、土壓力盒、鋼筋應(yīng)力計(jì)分別對(duì)樁頂水平位移、樁身水平位移、樁側(cè)土壓力、斜坡坡面土壓力還有鋼筋應(yīng)力進(jìn)行了監(jiān)測(cè)。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)裝置的布設(shè)情況如圖1所示。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及監(jiān)測(cè)裝置布設(shè)示意圖

加載方式用慢速維持荷載法逐級(jí)加載，每一級(jí)荷載加載等級(jí)為預(yù)估樁基極限荷載的 1／10～1／15［12］。在每級(jí)荷載的作用下，樁頂位移變化量不超過0．1 mm／h為穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，待樁穩(wěn)定后讀取數(shù)據(jù)。30 min后進(jìn)行下一級(jí)加載。出現(xiàn)樁身已斷裂、樁前土體失穩(wěn)破壞、坡面處樁身位移超過100 mm時(shí)停止加載［13－14］。

1．2 場(chǎng)地概況

試驗(yàn)場(chǎng)地位于四川省理縣薛城鎮(zhèn)四馬村左岸的一處高陡斜坡處，為碎石土場(chǎng)地，坡度在40°左右，地層主要是由第四系松散坡積物以及第三系石英砂巖組成，地層結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單。覆蓋層主要為第四系崩坡堆積層碎塊石，試樁試驗(yàn)處覆蓋層厚10 m。下伏基巖以古生界泥盆系厚層石英砂巖為主。

按試驗(yàn)方案在該場(chǎng)地進(jìn)行了單樁水平載荷試驗(yàn)，其中，1號(hào)樁的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

依據(jù)《土工試驗(yàn)規(guī)程》［15］（SL 237—1999）對(duì)試驗(yàn)土樣和巖樣進(jìn)行了一系列物理力學(xué)實(shí)驗(yàn)，測(cè)得土體密度、含水率、最優(yōu)含水率、最大干密度、黏聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)，如表1所示。

表1 土體參數(shù)表

2 樁土相互作用的基本模式

水平荷載作用下的樁基礎(chǔ)是通過變形擠壓樁周土體以調(diào)動(dòng)樁周土體的水平抗力。無論是在平地還是斜坡，水平荷載下的樁土相互作用模式主要分為剛性和彈性兩種模式（見圖3）。

圖3 樁土相互作用模式

如圖3所示，剛性樁在水平荷載的作用下整體繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形。出現(xiàn)一個(gè)位移零點(diǎn)，即旋轉(zhuǎn)點(diǎn)。彈性樁樁身上部分發(fā)生繞曲變形，下部分靜止不變，出現(xiàn)兩個(gè)位移零點(diǎn)。實(shí)際工程中絕對(duì)的剛性或彈性樁較少，常見樁身在發(fā)生繞曲變形的同時(shí)繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)發(fā)生旋轉(zhuǎn)變形，本文中現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的三根樁都是這種情況。

剛性樁或彈性樁都處于水平荷載、樁前被動(dòng)土壓力、樁后被動(dòng)土壓力的作用下。對(duì)于剛性樁，樁前、樁后被動(dòng)土壓力都繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)對(duì)樁產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針方向的彎矩，來抵抗水平荷載繞旋轉(zhuǎn)點(diǎn)對(duì)樁產(chǎn)生的一個(gè)順時(shí)針方向的彎矩。對(duì)于彈性樁，樁前、樁后被動(dòng)土壓力都繞第一個(gè)位移零點(diǎn)對(duì)樁產(chǎn)生一個(gè)逆時(shí)針方向的彎矩，來抵抗水平荷載繞第一個(gè)位移零點(diǎn)對(duì)樁產(chǎn)生的一個(gè)順時(shí)針方向的彎矩。

對(duì)于斜坡地形條件下的樁基礎(chǔ)，由于斜坡的存在，造成樁前土體發(fā)生缺失。特別是樁前淺表層土體，極易在水平荷載的作用下發(fā)生破壞，影響樁基礎(chǔ)的穩(wěn)定性。

3 水平受荷樁樁土相互作用

3．1 樁前與樁后被動(dòng)土壓力

通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)得到了3根樁在不同坡度，不同水平荷載下的樁前、樁后土壓力圖。其中，2號(hào)樁的樁前、樁后土壓力圖如圖4、圖5所示。

圖4 樁前土壓力

圖5 樁后土壓力

從圖4、圖5得出，在不同水平荷載作用下的樁前、樁后的土壓力隨深度的變化。其中，值為正的部分為水平向左的被動(dòng)土壓力，值為負(fù)的部分為水平向右的被動(dòng)土壓力。

由于本次試驗(yàn)中樁身設(shè)計(jì)和樁周土體參數(shù)十分相似，其余兩根樁都得到了形態(tài)與2號(hào)樁類似的土壓力圖。從土壓力圖中發(fā)現(xiàn)，3根樁都在水平荷載的作用下繞深度為6 m左右的旋轉(zhuǎn)點(diǎn)，即唯一的位移零點(diǎn)發(fā)生了旋轉(zhuǎn)變形。旋轉(zhuǎn)點(diǎn)以上（0 m～－6 m）分布著樁前被動(dòng)土壓力和樁后被動(dòng)土壓力，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)以下（－6 m～－9 m）分布著樁前被動(dòng)土壓力和樁后被動(dòng)土壓力。樁前、樁后被動(dòng)土壓力都可以視為沿樁身分布的線荷載，各級(jí)水平荷載下的土壓力曲線與0 kN水平荷載下土壓力曲線所圍成的面積也就是樁前、樁后被動(dòng)土壓力的總值。而各級(jí)水平荷載下的樁前、樁后被動(dòng)土壓力在隨深度的大小分布上都呈現(xiàn)出了明顯的對(duì)稱性，從圖中可以看出，樁前、樁后被動(dòng)土壓力的對(duì)稱中心線分別在－4 m和－8 m處，由此可把樁前、樁后被動(dòng)土壓力的作用點(diǎn)分別確定在樁身－4 m和－8 m處，而它們對(duì)樁身產(chǎn)生彎矩的力臂都是2 m。

3．2 樁前、樁后被動(dòng)土壓力的總值之比

作者在CAD中求取了3根樁在各級(jí)水平荷載下的土壓力曲線與0 kN水平荷載下土壓力曲線所圍成的面積，由此得到了樁后、樁前被動(dòng)土壓力在各級(jí)荷載下的總值。再求出各級(jí)荷載下樁前、樁后被動(dòng)土壓力的總值之比。樁后、樁前被動(dòng)土壓力總值乘上相應(yīng)的力臂可得到樁前、樁后被動(dòng)土壓力對(duì)樁身產(chǎn)生的彎矩。因?yàn)闃肚啊逗蟊粍?dòng)土壓力的力臂相等，總值之比也可表示它們對(duì)樁身所產(chǎn)生彎矩的大小之比。其結(jié)果如表2所示。

表2 水平荷載與總值之比

由表2可看出，3根樁的總值之比隨荷載的增加都出現(xiàn)一個(gè)先下降后上升，最后趨于平穩(wěn)的過程。本文將其分別定義為樁土相互作用前期、中期和后期。首先出現(xiàn)的下降階段（樁土作用前期）是因?yàn)闃痘A(chǔ)水平荷載作用下的初始階段，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)以上的水平位移大于旋轉(zhuǎn)點(diǎn)以下的水平位移，更強(qiáng)烈的擠壓樁周土體導(dǎo)致樁前被動(dòng)土壓力增長(zhǎng)更快，樁后被動(dòng)土壓力與樁前被動(dòng)土壓力總值之比相應(yīng)減小。其后的上升階段（樁土作用中期）是因?yàn)樾D(zhuǎn)點(diǎn)以上的樁身位移達(dá)到了一定的程度。樁前淺表層土體開始脫離彈性階段，進(jìn)入半彈性或塑性階段，水平抗力下降，彈性區(qū)向下移動(dòng)，樁前被動(dòng)土壓力隨水平荷載的增幅減慢。而同時(shí)期旋轉(zhuǎn)點(diǎn)以下的樁身位移還較小，樁周土體還處于彈性階段，隨荷載增幅較大，于是總值之比上升。一二階段的轉(zhuǎn)折點(diǎn)是整體曲線的最低點(diǎn)，在此點(diǎn)樁前淺表層土體開始脫離彈性階段。最后一階段（樁土作用后期）趨于平穩(wěn)是因?yàn)殡S著水平荷載的增大，旋轉(zhuǎn)點(diǎn)以下的樁身位移也達(dá)到了一定的程度，部分樁周土體開始脫離彈性階段，隨水平荷載的增幅減慢。樁后、樁前總值之比達(dá)到了一個(gè)比較平衡的狀態(tài)，在樁土作用后期穩(wěn)定在13%左右，總體不超過20%。從這個(gè)數(shù)值可以看出樁后被動(dòng)土壓力相對(duì)于樁前被動(dòng)土壓力對(duì)樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響更大。

從表2還可以看出，隨著坡度的增加，最后穩(wěn)定下來的總值比也有一定幅度的增加。說明隨著坡度的增加，樁后被動(dòng)土壓力所起到的作用在樁土作用后期會(huì)增加。一二階段轉(zhuǎn)折點(diǎn)的橫坐標(biāo)隨荷載增加而增加，縱坐標(biāo)隨荷載增加而減少，在水平荷載達(dá)到800 kN后開始進(jìn)入穩(wěn)定階段。

4 結(jié) 論

（1）分析了樁在不同水平荷載作用下樁后、樁前被動(dòng)土壓力總值之比。發(fā)現(xiàn)樁后、樁前被動(dòng)土壓力總值之比隨荷載的增加都出現(xiàn)一個(gè)先下降后上升，最后趨于平穩(wěn)的過程。并以此將樁土相互作用的過程劃分為前期、中期和后期。并且認(rèn)為此舉可有利于對(duì)樁土相互作用進(jìn)行更為詳細(xì)的分析。

（2）探討了水平受荷樁樁土相互作用過程中樁周土體及其抗力的變化，認(rèn)為樁后被動(dòng)土壓力相對(duì)于樁前被動(dòng)土壓力對(duì)樁基礎(chǔ)穩(wěn)定性的影響更大。加深了對(duì)樁土相互作用的認(rèn)識(shí)。

（3）探討了斜坡地形對(duì)樁土相互作用的影響。隨著坡度的增加，樁后被動(dòng)土壓力所起到的作用在樁土作用后期會(huì)明顯增加。

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