黃土場(chǎng)地太陽(yáng)能電站短樁基礎(chǔ)側(cè)向承載特性現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究

孫達(dá)明 張曉磊，2，* 李紅星 馮世進(jìn)，2

（1.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海200092；2.同濟(jì)大學(xué)巖土及地下工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092；3.中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安710075）

0 引 言

近年來(lái)，世界各國(guó)面臨著能源資源的緊張和資源使用和再生過(guò)程中帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。與其他可再生能源相比，太陽(yáng)能具有儲(chǔ)量無(wú)限、普遍存在、利用清潔和開(kāi)發(fā)經(jīng)濟(jì)低廉等巨大優(yōu)勢(shì)［1］。太陽(yáng)能電站中的發(fā)電元件依靠支撐結(jié)構(gòu)來(lái)增加高度，從而提高太陽(yáng)能接收效率。然而在場(chǎng)地風(fēng)荷載和其他荷載作用下，支撐結(jié)構(gòu)發(fā)生過(guò)大變形會(huì)導(dǎo)致太陽(yáng)光接收效率和發(fā)電元件穩(wěn)定性受影響。因此為了達(dá)到足夠的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，必須消耗大量鋼材和水泥材料建造支架和基座，其建造費(fèi)用較大［2］。目前最常用的支撐結(jié)構(gòu)形式為獨(dú)臂支架式，具有體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。獨(dú)臂立柱結(jié)構(gòu)在電力工程和交通工程領(lǐng)域應(yīng)用均較廣，如高壓輸電線路桿、交通燈桿、風(fēng)電單樁基礎(chǔ)等［3-5］。近年有學(xué)者提出了一種立柱與基礎(chǔ)一體化的新型支撐結(jié)構(gòu)——短樁基礎(chǔ)，它以PHC預(yù)制管樁作為立柱，并將一端伸入鉆孔內(nèi)灌注混凝土作為基礎(chǔ)的一部分。

《太陽(yáng)能發(fā)電站支架基礎(chǔ)技術(shù)規(guī)范》［6］《塔式太陽(yáng)能光熱發(fā)電站設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》［7］都對(duì)支撐結(jié)構(gòu)的側(cè)向承載能力提出了要求，然而未規(guī)定明確的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。Lin等［8］利用先進(jìn)的觸壓傳感器在室內(nèi)砂土模型槽試驗(yàn)中量測(cè)水平受荷剛性短樁的樁周土壓力與位移，與現(xiàn)有文獻(xiàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。Tehrani等［9］通過(guò)分析硬黏土場(chǎng)地上的側(cè)向荷載試驗(yàn)比較了實(shí)測(cè)p-y曲線與API方法，并提出了新的曲線確定方法。Li等［10］利用硅質(zhì)砂場(chǎng)地上實(shí)測(cè)的水平受荷剛性短樁荷載響應(yīng)評(píng)價(jià)了近年來(lái)學(xué)者提出的一些基于CPT測(cè)試的p-y曲線模型。Thiyyakkandi等［11］報(bào)道了一個(gè)全尺度現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方案，研究了扭轉(zhuǎn)、側(cè)向聯(lián)合荷載作用下支撐交通桿基礎(chǔ)的承載性能。Byrne等［12］指出p-y曲線法作為風(fēng)電單樁基礎(chǔ)目前主要的設(shè)計(jì)方法存在假設(shè)條件上的缺陷，首先通過(guò)中等尺度的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證數(shù)值模型，而后對(duì)p-y曲線法進(jìn)行改進(jìn)?？偟膩?lái)說(shuō)，水平受荷樁基礎(chǔ)的理論研究結(jié)果尚未統(tǒng)一，更多的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究亟待開(kāi)展。

本文將通過(guò)黃土場(chǎng)地上的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究太陽(yáng)能電站短樁基礎(chǔ)在側(cè)向荷載作用下的承載性能，并評(píng)價(jià)樁帽加固對(duì)其的影響。最后對(duì)比相關(guān)規(guī)范推薦計(jì)算方法的計(jì)算結(jié)果，初步確定短樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法。

1 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)概述與方案

1.1 工程地質(zhì)條件

試驗(yàn)場(chǎng)地位于陜西省咸陽(yáng)市禮泉縣，所在區(qū)域整體為黃土臺(tái)塬地貌，地勢(shì)平坦。試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)的地層主要是第四系中更新統(tǒng)風(fēng)積老黃土，褐黃色，可塑，黏粒含量較大，質(zhì)地均勻，富大孔隙，地層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。試驗(yàn)點(diǎn)所在區(qū)域的土體曾用碎石覆蓋并進(jìn)行過(guò)夯實(shí)處理，試驗(yàn)前進(jìn)行了碎石層的挖除作業(yè)及整平。經(jīng)原位輕型動(dòng)力觸探測(cè)試，場(chǎng)地3.3 m深度范圍內(nèi)土質(zhì)較為均勻，平均擊數(shù)22.5，平均動(dòng)貫入阻力1.54 MPa。地基土的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 黃土場(chǎng)地土樣土質(zhì)條件參數(shù)Table 1 Parameters of soil samples in loess

1.2 試件設(shè)計(jì)與施工

本文報(bào)告了兩組側(cè)向荷載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，試驗(yàn)A的基礎(chǔ)無(wú)樁帽，試驗(yàn)B的基礎(chǔ)有樁帽。短樁基礎(chǔ)在黃土中的成樁過(guò)程為：①在黃土場(chǎng)地上利用機(jī)械洛陽(yáng)鏟開(kāi)挖一個(gè)直徑700 mm、深2.665 m的淺井；②將預(yù)制好的直徑700 mm、厚0.165m的素混凝土底座吊入淺井；③將PHC管樁（預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)度混凝土預(yù)制管樁，外徑400 mm，AB型，C80混凝土澆筑，長(zhǎng)5.5 m）吊入淺井，居中調(diào)直并澆筑混凝土。樁帽無(wú)須采用模板，在步驟①之前預(yù)先通過(guò)人工開(kāi)挖樁帽區(qū)域，尺寸為1.4 m×1.4 m×0.35 m。預(yù)制底座的主要目的是避免管樁與地基土直接接觸，其實(shí)際直徑略小于淺井直徑，上表面留有的圓形凹槽可以幫助預(yù)制管樁的底端在伸入淺井時(shí)的進(jìn)行定位居中。

圖1 短樁基礎(chǔ)施工示意圖Fig.1 Schematic diagram of short pile foundation construction

表2 試驗(yàn)短樁基礎(chǔ)的實(shí)測(cè)尺寸一覽表Table 2 List of the measured dimensions of test short pile foundation

試驗(yàn)短樁基礎(chǔ)的實(shí)際尺寸受施工影響存在一定誤差，表2展示了各試驗(yàn)短樁基礎(chǔ)的實(shí)測(cè)尺寸。試件所用混凝土采用同一批次C40強(qiáng)度等級(jí)的商品混凝土澆筑，試件澆筑時(shí)預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊與試件同條件養(yǎng)護(hù)，試驗(yàn)期間對(duì)預(yù)留試塊進(jìn)行強(qiáng)度實(shí)測(cè)，預(yù)留試塊實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度值fcu=40.4 MPa，軸心抗壓強(qiáng)度值fc=30.3 MPa，彈性模量Ec=32.3 GPa。

1.3 加載裝置及布置

試驗(yàn)采用液壓油缸進(jìn)行水平拉力的加載，液壓油缸與加載鋼絲繩相連，采用0.01 kN精度的拉力傳感器進(jìn)行加載監(jiān)測(cè)，最大量程是40 kN。液壓油缸放置于腳手架上。反力裝置采用反力柱，施工結(jié)束后立柱高3.5 m，基礎(chǔ)深5.5 m。立柱頂水平作用點(diǎn)位置在預(yù)制樁頂?shù)匿撈ぐ糠?，約樁頂向下10 cm位置，并通過(guò)管樁的樁身軸線。圖2展示了本試驗(yàn)加載裝置的布置示意圖。在加載之前預(yù)先使用手拉葫蘆為鋼絲繩沿線施加拉力，使鋼絲繩繃緊。在施加側(cè)向扭轉(zhuǎn)聯(lián)合荷載時(shí)，需要在立柱即管樁的頂部安裝一加載梁，讓水平力施加于加載梁外端，加載力臂為1 m。

圖2 加載原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the loading principle

圖3 展示了兩個(gè)基礎(chǔ)的平面布置情況，布置原則為：試驗(yàn)樁與反力樁之間距離6～7 m，不影響基礎(chǔ)性能又便于加載系統(tǒng)布置；試驗(yàn)樁之間距離不小于基礎(chǔ)長(zhǎng)度，避免相互影響。其中反力柱采用同樣的施工方法進(jìn)行澆筑，其預(yù)制管樁直徑為600 mm，基礎(chǔ)深4.5 m，因此強(qiáng)度剛度遠(yuǎn)高于試驗(yàn)基礎(chǔ)，可用于提供試驗(yàn)反力。

圖3 短樁基礎(chǔ)布置示意圖Fig.3 Layout diagram of short pile foundations

1.4 試驗(yàn)監(jiān)測(cè)元件布置

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的主要目的是研究側(cè)向荷載作用下太陽(yáng)能電站短樁基礎(chǔ)的受力變形響應(yīng)。因此在側(cè)向荷載試驗(yàn)過(guò)程中需要對(duì)基礎(chǔ)泥面位移及傾角、柱頂傾角和基礎(chǔ)彎矩進(jìn)行測(cè)量。

如圖4所示，側(cè)向荷載試驗(yàn)中監(jiān)測(cè)元件的選擇及布設(shè)情況如下。

圖4 監(jiān)測(cè)元件布設(shè)圖Fig.4 Layout diagram of monitoring elements

1.4.1 基礎(chǔ)泥面位移

在立柱底部前后兩個(gè)高度處共安裝了4只百分表。其中泥面位移由離地高度為0.1 m的一對(duì)百分表直接測(cè)得。另外基礎(chǔ)頂傾角可由離地高度為0.1 m和0.5 m處測(cè)得的位移差與高度差的比值來(lái)近似代表。

1.4.2 柱頂傾角

試驗(yàn)通過(guò)在預(yù)制管樁的頂部粘貼固定一只傾角傳感器來(lái)直接量測(cè)立柱頂部的傾角變化。另外，在布置水平位移測(cè)量元件時(shí)對(duì)離地高度為1.2 m處也布設(shè)了2只百分表，在管樁不發(fā)生非線性響應(yīng)的前提下可用于補(bǔ)充估算柱頂傾角。

1.4.3 樁身彎矩

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)在管樁的樁身兩側(cè)粘貼應(yīng)變片來(lái)量測(cè)加載過(guò)程中的截面應(yīng)力。應(yīng)變片長(zhǎng)度為5 cm，在泥面以上約0.2 m處粘貼，泥面以下按凈間距為0.4 m布設(shè)。最后通過(guò)下式換算得到樁身彎矩值：

式中：EI為基礎(chǔ)截面抗彎剛度；y為應(yīng)變測(cè)點(diǎn)與中性軸的距離；z為截面深度；Δε為軸向應(yīng)變差。

由于應(yīng)變片布置在管樁與混凝土的界面之間，測(cè)得的結(jié)果可能受到界面滑動(dòng)影響。因此在管樁與井壁之間還布置了兩個(gè)深度處共四只鋼筋應(yīng)力計(jì)，以對(duì)應(yīng)變片的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和檢驗(yàn)。此時(shí)式（1）可表示為

式中，Δσ為軸向應(yīng)力差。

1.5 試驗(yàn)加載方法

試驗(yàn)荷載采用單調(diào)循環(huán)加載法施加。最大荷載不超過(guò)40 kN。單向循環(huán)加載法是將荷載分為若干級(jí)，每一級(jí)荷載加載等級(jí)為預(yù)估最大荷載的1∕10～1∕15，每加載完一級(jí)荷載后需卸載，卸載狀態(tài)穩(wěn)定后再進(jìn)行下一級(jí)荷載的施加。

荷載施加的規(guī)則為：加載和卸載速率控制在3～4 kN∕min。加載到預(yù)定荷載后每10 min讀數(shù)一次，直到最后一次與前一次的位移值變化不超過(guò)0.01 mm。卸載后也是每10 min讀數(shù)一次，直到最后一次與前一次的位移值變化不超過(guò)0.01 mm。加載與卸載交替進(jìn)行，直到出現(xiàn)明顯的裂縫或變形突然增大時(shí)可停止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)短樁基礎(chǔ)而言，與發(fā)電元件正常使用直接相關(guān)的是立柱頂部的變形。本試驗(yàn)中通過(guò)立柱頂部的傾角傳感器，測(cè)取柱頂傾角反映該變形指標(biāo)。泥面位移可用于分析基礎(chǔ)部分變形特征，本試驗(yàn)通過(guò)千分表測(cè)取離地0.1 m高度處的水平位移來(lái)反映該變形指標(biāo)。

2.1 無(wú)樁帽短樁基礎(chǔ)側(cè)向荷載試驗(yàn)結(jié)果

圖5展示了無(wú)樁帽短樁基礎(chǔ)實(shí)測(cè)柱頂傾角和泥面位移隨加載步的變化關(guān)系，曲線下方的數(shù)字代表讀數(shù)時(shí)刻對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)荷載值。每級(jí)荷載的卸載階段荷載值不歸零，原因是鋼絲繩及加載裝置相連形成的懸鏈效應(yīng)。

圖5 無(wú)樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)的變形結(jié)果Fig.5 Deformation results of test foundation without pile cap

泥面位移反映的是基礎(chǔ)部分的荷載響應(yīng)。在前3級(jí)荷載作用下沒(méi)有產(chǎn)生明顯的殘余變形。第4級(jí)荷載作用后，殘余變形發(fā)生且隨荷載增大逐漸增大，說(shuō)明土體進(jìn)入屈服階段。因此，以第4級(jí)荷載為界可將荷載響應(yīng)劃分為彈性階段和土體屈服階段。柱頂傾角本質(zhì)上是基礎(chǔ)頂部?jī)A角與立柱撓曲角度的總和，反映短樁基礎(chǔ)總體的荷載響應(yīng)。從第10級(jí)荷載作用后，柱頂傾角曲線出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，并在第13級(jí)荷載作用時(shí)觀察到受荷方向背側(cè)的立柱底部出現(xiàn)了水平向開(kāi)展的裂縫。因此，第10級(jí)荷載可視為柱體進(jìn)入屈服階段的臨界荷載，從土體屈服階段中又劃分出了樁體屈服階段。上述結(jié)論反映出了短樁基礎(chǔ)側(cè)向荷載響應(yīng)的分階段特性。根據(jù)該特性，最佳設(shè)計(jì)荷載范圍為彈性階段；或按照殘余變形要求，取土體屈服階段內(nèi)荷載確定設(shè)計(jì)荷載最大值；設(shè)計(jì)荷載范圍不可取到樁體屈服階段，樁體開(kāi)裂荷載與抗彎承載力相近，即支撐結(jié)構(gòu)承載力主要由樁體決定。

以塔式太陽(yáng)能電站為例，國(guó)外有學(xué)者［13］提出第二代定日鏡基礎(chǔ)的要求是：27 mph風(fēng)速（平均風(fēng)速）條件下，基礎(chǔ)傾角和扭轉(zhuǎn)角不得大于1.5 mrad；極限風(fēng)荷載過(guò)后，殘余基礎(chǔ)傾角和扭轉(zhuǎn)角不可超過(guò)0.45 mrad。根據(jù)圖5，短樁基礎(chǔ)的殘余變形達(dá)到0.45 mrad時(shí)的荷載級(jí)為第6級(jí)荷載。

2.2 有樁帽短樁基礎(chǔ)側(cè)向荷載試驗(yàn)結(jié)果

圖6展示了有樁帽短樁基礎(chǔ)實(shí)測(cè)柱頂傾角和泥面位移隨加載步驟的變化關(guān)系。

根據(jù)泥面位移結(jié)果，以第5級(jí)荷載為界可將該試驗(yàn)荷載響應(yīng)劃分為彈性階段和土體屈服階段。根據(jù)柱頂傾角結(jié)果，第10級(jí)荷載可視為柱體進(jìn)入屈服階段的臨界荷載。同時(shí)，在第13級(jí)荷載作用時(shí)觀察到受荷方向背側(cè)的立柱底部出現(xiàn)了水平向開(kāi)展的裂縫?？傮w上，有樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)的變形結(jié)果相比無(wú)樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)較小。

圖6 有樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)的變形結(jié)果Fig.6 Deformation results of test foundation with pile cap

根據(jù)圖6，有樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)殘余變形達(dá)到0.45 mrad時(shí)的荷載級(jí)為第11級(jí)荷載，與無(wú)樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)相比增大了5個(gè)荷載級(jí)，接近于無(wú)樁帽時(shí)的兩倍。這說(shuō)明樁帽對(duì)于控制極限荷載作用后的基礎(chǔ)殘余變形有顯著效果。這主要是由于樁帽對(duì)基礎(chǔ)頂起到了“嵌固”作用［3］，帶動(dòng)更大的土體區(qū)域參與受荷并提供反力彎矩，導(dǎo)致樁帽部分傾斜轉(zhuǎn)動(dòng)較小。

2.3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)變形結(jié)果分析

表3展示了兩組試驗(yàn)的變形實(shí)測(cè)值。對(duì)比無(wú)樁帽和有樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)在第4級(jí)和第10級(jí)荷載時(shí)的柱頂傾角，有樁帽基礎(chǔ)相比無(wú)樁帽基礎(chǔ)減小了17%左右的總變形，泥面位移平均減少了45.4%。

對(duì)比無(wú)樁帽和有樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)在第一條分界線處的泥面位移值的變形值，分別是0.549 mm和0.362 mm，范圍較為接近。因此基本可以確定在該試驗(yàn)中，彈性階段與土體屈服階段的分界線處泥面位移在這一范圍附近，可用于確定分界線對(duì)應(yīng)荷載。土體屈服階段與樁體屈服階段的分界線只與荷載有關(guān)，可通過(guò)預(yù)制管樁承載性能確定。

在試驗(yàn)中還通過(guò)離地0.1 m和0.5 m高度處的位移換算得到了基礎(chǔ)頂傾角的近似值。圖7展示了兩組試驗(yàn)柱頂傾角與基礎(chǔ)頂傾角隨荷載的變化。

定義基礎(chǔ)變形比η為基礎(chǔ)頂傾角占總傾角（柱頂傾角）的百分比，η1、η2分別表示無(wú)樁帽和有樁帽的基礎(chǔ)變形比。結(jié)果顯示，基礎(chǔ)變形占總變形的比例均超過(guò)30%。因此短樁基礎(chǔ)基礎(chǔ)部分的變形不可忽略，對(duì)于基礎(chǔ)變形的研究具有重要意義。

表3 兩組試驗(yàn)變形實(shí)測(cè)值Table 3 Measured deformation of the two groups

圖7 兩組試驗(yàn)柱頂傾角與基礎(chǔ)頂傾角Fig.7 Inclination on the top of the pile and the top of foundation in the two groups

2.4 基礎(chǔ)彎矩沿深度分布分析

利用預(yù)埋在后澆混凝土中的鋼筋應(yīng)力計(jì)和管樁表面的應(yīng)變片測(cè)得了基礎(chǔ)各深度處的彎矩值。為方便對(duì)比有無(wú)樁帽對(duì)基礎(chǔ)彎矩的影響，圖8展示了荷載值為12 kN時(shí)的不同深度彎矩值。

無(wú)樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)的彎矩分布具剛性短樁特征，最大彎矩值出現(xiàn)在約地面以下0.75 m范圍內(nèi)，隨后沿深度逐漸減至零。有樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)的彎矩在樁帽位置處出現(xiàn)最大值，在樁帽底部有明顯拐點(diǎn)，隨后沿深度逐漸減至零。樁帽底部以下深度處彎矩均小于無(wú)樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)，減小幅度約為24%。有樁帽試驗(yàn)基礎(chǔ)的彎矩分布說(shuō)明樁帽代替基礎(chǔ)承擔(dān)了部分來(lái)自立柱結(jié)構(gòu)的彎矩荷載，支撐了樁帽對(duì)基礎(chǔ)頂起到“嵌固”作用的觀點(diǎn)。

3 太陽(yáng)能電站短樁基礎(chǔ)初步設(shè)計(jì)

3.1 計(jì)算方法簡(jiǎn)介

圖8 各組試驗(yàn)彎矩內(nèi)力分布的對(duì)比Fig.8 Comparison of bending moment distribution among tests

彈性地基反力法與p-y曲線法是目前在水平樁基設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣的方法。彈性地基反力法假定土為彈性體，用梁的彎曲理論來(lái)求樁水平抗力。王伯惠等［14］結(jié)合數(shù)學(xué)方法求出了樁在水平荷載下的變形與內(nèi)力的冪級(jí)數(shù)解，并提出無(wú)量綱系數(shù)表方便設(shè)計(jì)人員進(jìn)行計(jì)算。由于假定地基為彈性，其主要適用于荷載較小的工況。彈性地基反力法（m法）以其便捷、簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確在中國(guó)與前蘇聯(lián)被廣泛應(yīng)用并編入《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》［15］和《港口工程樁基規(guī)范》［16］等規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

p-y曲線法的基本思想是沿樁深度方向?qū)吨芡翍?yīng)力應(yīng)變關(guān)系用一組曲線來(lái)表示，即p-y曲線，可以反映土體的非線性特性。p-y曲線配合數(shù)值解法可以準(zhǔn)確、有效地計(jì)算樁內(nèi)力及位移。因此p-y曲線法也被《港口工程樁基規(guī)范》［16］、API規(guī)范［17］、DIV規(guī)范［18］等水平樁基設(shè)計(jì)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范采用。

3.2 變形計(jì)算結(jié)果分析

本文利用三種方法分別計(jì)算了兩組試驗(yàn)基礎(chǔ)的泥面位移，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。三種方法分別為彈性地基反力法中的k0法和m法，以及p-y曲線法?；A(chǔ)為預(yù)制管樁和灌注混凝土的組合結(jié)構(gòu)，其截面抗彎剛度換算為等效值。由于黃土場(chǎng)地曾經(jīng)歷過(guò)夯實(shí)，土質(zhì)較堅(jiān)硬，參考水平抗力系數(shù)常用取值，在k0法中取沿深度不變的水平抗力系數(shù)kh為70 MPa∕m；在m法中取沿深度線性增加的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m為100 MN∕m4。p-y曲線法中的基本模型采用silt粉土雙曲線模型，按室內(nèi)土力學(xué)測(cè)試結(jié)果取容重15.3 kN∕m3、不排水剪強(qiáng)度20 kPa、內(nèi)摩擦角30°、初始水平抗力系數(shù)100 MPa∕m，利用LPILE程序進(jìn)行電算，計(jì)算試驗(yàn)B有樁帽的工況時(shí)按變截面計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如圖9所示。

圖9 泥面位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.9 Comparison between the measured and the calculated displacement

根據(jù)圖9（a），p-y曲線法考慮了土體變形的非線性，因此算得的泥面位移在加載中后期與實(shí)測(cè)值較為吻合。k0法與m法假定地基為線彈性，因此算得的泥面位移為直線，不能反映土體變形的非線性，而在加載前期兩種方法的計(jì)算值與實(shí)測(cè)值較為吻合。在太陽(yáng)能電站中，發(fā)電元件不允許發(fā)生過(guò)大變形。因此兩種彈性地基反力法對(duì)于短樁基礎(chǔ)是較為適用的。然而由于兩種方法均為單參數(shù)方法，計(jì)算準(zhǔn)確性與給出的地基反力系數(shù)分布假定的正確性直接相關(guān)，單從位移計(jì)算結(jié)果尚無(wú)法判定優(yōu)劣。

圖9（b）中有樁帽的短樁基礎(chǔ)利用p-y曲線方法計(jì)算的結(jié)果與實(shí)測(cè)點(diǎn)差異較大，實(shí)測(cè)位移小于計(jì)算結(jié)果?？赡苁怯捎谠摲椒ǖ凸懒顺跏嫉乇砜沽?，且不能有效考慮樁帽在基礎(chǔ)頂部所提供的反力矩作用導(dǎo)致的。k0法和m法未考慮樁帽作用（計(jì)算圓柱形單樁）時(shí)計(jì)算結(jié)果在加載前期與實(shí)測(cè)值較為接近但仍有差異。

3.3 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果分析

利用三種方法分別計(jì)算了兩組試驗(yàn)基礎(chǔ)的彎矩內(nèi)力，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較。如圖10所示，取側(cè)向荷載為12 kN時(shí)的彎矩值進(jìn)行了比較。

圖10 彎矩內(nèi)力計(jì)算值與實(shí)測(cè)值的對(duì)比Fig.10 Comparison between the measured and the calculated moment along the foundations

根據(jù)圖10（a），k0法算得的彎矩分布與實(shí)測(cè)值非常吻合；而p-y曲線法與m法得到的兩條彎矩分布曲線差異不大，但均不能與實(shí)測(cè)值吻合，這兩種方法均低估了地表的抗力作用。因此，綜合變形計(jì)算結(jié)果的結(jié)論，建議采用k0法進(jìn)行黃土場(chǎng)地上太陽(yáng)能電站短樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。

在圖10（b）中，三種方法算得的彎矩分布均大于實(shí)測(cè)值。在實(shí)測(cè)彎矩分布的分析中，已經(jīng)得出有樁帽條件下，樁帽以下彎矩值約比無(wú)樁帽時(shí)小24%左右。假定減少的部分全部由樁帽提供，則在計(jì)算時(shí)可對(duì)彎矩荷載進(jìn)行折減，從而考慮樁帽的影響。利用該修正思路，在k0法計(jì)算過(guò)程中，將彎矩荷載折減24%進(jìn)行計(jì)算后得到的彎矩分布明顯與實(shí)測(cè)值較為吻合。應(yīng)指出，修正后彎矩計(jì)算值僅適用于樁帽以下部分的基礎(chǔ)。利用該修正方法，響應(yīng)的泥面位移計(jì)算結(jié)果繪制在圖9（b）中。修正方法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為吻合，驗(yàn)證了針對(duì)樁帽作用修正思路的正確性，但折減幅度與樁帽長(zhǎng)度、基礎(chǔ)尺寸等參數(shù)有關(guān)，更具普適性的修正方法還有待進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

本文通過(guò)黃土場(chǎng)地上的側(cè)向荷載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)揭示了太陽(yáng)能電站短樁基礎(chǔ)的受力變形特點(diǎn)，研究了樁帽的影響，并采用相關(guān)規(guī)范建議的計(jì)算方法針對(duì)試驗(yàn)工況條件展開(kāi)了研究分析，得出的主要結(jié)論如下：

（1）根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，黃土場(chǎng)地中短樁基礎(chǔ)部分變形占立柱頂部總變形的30%以上，其側(cè)向荷載響應(yīng)可以分為三個(gè)階段：彈性階段、土體屈服階段和樁體屈服階段。

（2）PHC管樁的開(kāi)裂荷載與抗彎承載力相近，因此設(shè)計(jì)荷載不可超過(guò)樁體屈服階段，即本試驗(yàn)中短樁基礎(chǔ)側(cè)向承載力主要由管樁決定。

（3）樁帽對(duì)于減小極限荷載作用后的基礎(chǔ)殘余變形有顯著效果。在本試驗(yàn)中，樁帽還使得樁帽以下基礎(chǔ)部分的彎矩值減小了約24%。

（4）k0法計(jì)算得到的內(nèi)力變形響應(yīng)與實(shí)測(cè)值較為吻合，其可用于黃土場(chǎng)地短樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)。通過(guò)折減彎矩荷載的方法還可以考慮樁帽的影響，但更具普適性的修正方法還有待進(jìn)一步研究。