考慮樁徑比影響的隴東深厚黃土地基群樁模型試驗研究

劉萬鋒 張斌偉

（1隴東學(xué)院土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000；2甘肅高?！包S土的工程性質(zhì)及工程應(yīng)用”省級重點實驗室，甘肅 慶陽 745000）

0 前言

黃土是第四紀(jì)時期的陸相沉積物，在全世界范圍內(nèi)分布廣泛。我國的黃土主要分布在山西、陜西、甘肅的大部分地區(qū)，此外，河南西部、新疆、寧夏、內(nèi)蒙古、黑龍江等也有分布。在這些地區(qū)中，尤其以隴東黃土高原最為典型，其黃土幾乎覆蓋了整個地區(qū)。

因黃土有特殊的結(jié)構(gòu)性及力學(xué)特性，這導(dǎo)致對黃土地基中樁基形態(tài)的研究很難得出普遍規(guī)律為工程實踐服務(wù)。本文以慶陽市西峰區(qū)鳳凰大境（二期）項目深厚黃土為研究對象，進行隴東深厚黃土地基中群樁特性分析，開展樁長不同對于群樁承載力特性的研究。通過大量試驗研究，以期較全面掌握隴東深厚黃土地基中樁基受力性狀規(guī)律，對深厚黃土地區(qū)樁基工程設(shè)計和實踐提出有意義的建議和措施。

1 實驗設(shè)計

1.1 相似理論

在模型試驗中，合理選擇相似的參數(shù)和材料是保證模型試驗結(jié)果的重要環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到試驗數(shù)據(jù)的可靠性。為了使模型試驗的仿真結(jié)果真實,客觀反映原型滑坡的相關(guān)規(guī)律,需做大量參數(shù)包括相關(guān)特征參數(shù)的模型材料,如幾何參數(shù)和力學(xué)參數(shù)滿足相似定理。然而對于相似的材料，幾乎不可能滿足所有參數(shù)的相似性，因為很難找到所有相似參數(shù)之間組合最多的關(guān)系。因此，研究各參數(shù)嚴(yán)格相似的相似材料是當(dāng)前深厚黃土地基樁基工程模型試驗的一個瓶頸。如何運用模擬結(jié)果預(yù)測實際情況是目前深厚黃土地基樁基模型試驗研究還未解決的問題，要完成相似材料研究工作，須進行大規(guī)模的實驗研究，尚需一個很漫長的過程。

圖1 隴東深厚黃土地基群樁承載特性模型試驗方案

1.2 隴東深厚黃土地基群樁模型試驗條件

1.2.1 試驗黃土的來源和基本物理指標(biāo)

為了有針對性地進行項目試驗，本課題采用甘肅省慶陽市西峰區(qū)鳳凰大境（二期）項目深厚黃土場地土壤進行深厚黃土群樁室內(nèi)相似模型試驗。

表1 地基土物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)實驗測得，該土層的密度是2.1g/cm3，最大干密度1.74g/cm3，含水率20.6%，土粒比重2.7g/cm3。見表1。

1.2.2 實驗設(shè)備

試驗槽尺寸1.2m×1.2m×0.9m（長×寬×高）；試驗樁為直徑2cm的空心鋁管模擬。試驗承臺用尺寸12cm×12cm×0.5cm和24cm×24cm×1.0cm的鋼板模擬,用油壓千斤頂和反力鋼架作為設(shè)備。

試驗軸向應(yīng)力量測和樁體應(yīng)變量測分別采用BHR-1拉壓應(yīng)力傳感器和DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，具有較高靈敏度和精度，從傳感器的靈敏度可得到傳感器信號大小。

試驗槽安置平臺用黏土磚塊砌筑而成，高約40cm。試驗槽中放入深厚黃土。根據(jù)試驗密度要求，將規(guī)定含水量的黃土分層擊實，每一層的厚度為10cm，用小型重錘夯實，每一層均勻擊實的次數(shù)為200次。擊實之后將表面鏟毛，利于下一層土的擊實，重復(fù)該操作若干次，直到土層厚度達到試驗要求厚度90cm。控制每次試驗時，同一層的密度基本保持一致（每次試驗土層密度差控制在10%以內(nèi)），并計算出每一層地基土的含水率，若地基土的每層土的含水率不一致，用灑水的處理方式使其一致。

試驗鋁管按照要求分別截取不同的試驗長度，鋁管樁一端用透明膠封口，做簡單的漏漿處理，之后在其中灌入水泥砂漿（水泥砂漿成自然流動狀），同時用細(xì)竹條和小木棒做搗插和振動，保證鋁管樁內(nèi)砂漿密實達到試驗樁的強度要求，灌筑完成后將樁置于干燥箱中（溫度控制在35℃恒溫）烘烤12小時，將烘烤后達到試驗強度要求的模擬鋁管樁用銼刀和砂紙打磨拉毛后，在樁身上每隔10cm的截面處用705硅橡膠粘貼應(yīng)變片（涂抹膠水處用薄塑料紙搓揉，待有氣泡產(chǎn)生之后停止搓揉，觀察應(yīng)變片是否貼于模擬鋁管樁上），等待4小時接線。用應(yīng)力測試系統(tǒng)軟件現(xiàn)場測試每個截面的應(yīng)變片是否平衡，若溢出或未平衡，在沉樁之前重新粘貼應(yīng)變片，直至調(diào)試每個截面應(yīng)變片平衡之后再沉樁。

為防止黃土擊實過程中對樁體的破壞，用特制鋼管（4cm×15cm）保護樁體。本層黃土擊實完成后，將鋼管提升10cm，再擊實下一層黃土，這既能保證樁體與黃土之間的完全接觸，也防止了樁體應(yīng)變片在擊實過程中受到破壞。

安裝承臺板置于樁端的中心，在承臺板四個對角安裝上百分表，把百分表固定，使其在震動下不會移動。調(diào)試檢查所有實驗裝置，包括DH3816N靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)和BHR-1拉壓應(yīng)力傳感器，之后開始試驗。

1.2.3 實驗方式

試驗加載方式為慢速荷載維持法。把預(yù)估的極限承載力等分為不少于8級加載，用油壓千斤頂施加荷載，每級荷載增量為30kPa，直到單樁或群樁出現(xiàn)沉降裂縫、沉降量過大或沉降-時間關(guān)系曲線發(fā)生明顯突變時停止試驗。

2 考慮樁徑比的隴東深厚黃土地基群樁承載力試驗

2.1 樁徑比對承臺沉降的形態(tài)和速率影響的三個階段

由圖3（a）可知，對于深厚黃土群樁基礎(chǔ)而言，樁徑比對承臺沉降的形態(tài)和速率影響明顯。具體來講分三個階段。

第一階段：彈性沉降階段。在彈性沉降階段，Q-S曲線基本上呈現(xiàn)線彈性，此時樁長對沉降的限制作用不大，反而由于各種隨機因素，樁徑比大的情況沉降量更大。這是由于這個階段主要是樁周土的彈性壓縮沉降，樁周土的摩擦強度沒有發(fā)揮，偶然因素影響較大。

第二階段：塑性變形階段?；旧鲜堑人俾食两担鴺稄奖刃〉亩虡?，其沉降速率顯著增大。這是由于長樁的摩擦效應(yīng)得到有效發(fā)揮，樁-土共同工作成為一個整體，發(fā)生塑性變形。盡管外部荷載持續(xù)增大，但是長樁（試驗中樁徑比為25）的沉降量基本保持在一個水平線，表現(xiàn)出了緩慢流變的特性。

第三階段：加速沉降階段。在這一階段，長樁的沉降量顯著增大，樁土之間摩擦強度逐漸變小或者發(fā)生滑移，相較而言，長樁的沉降速率遠遠大于短樁，由于荷載的持續(xù)加大，使得這種土的摩擦力達到極限甚至樁-土之間發(fā)生了滑移效應(yīng)，產(chǎn)生了摩阻力的突變，使得在這一階段其沉降速率和沉降量隨之發(fā)生大的增長，屬于整體的剪切破壞。而短樁由于前期樁土作用效應(yīng)不明顯，不可能發(fā)生上述樁土作用的突變，其仍然按照一定的非線性過程緩慢變形和沉降，屬于局部的剪切破壞。這一階段的本質(zhì)是樁土作用降低或者失效的階段，其結(jié)果就是樁體刺入或者承臺沉降量過大而宣告基礎(chǔ)失效。

上述變化過程和規(guī)律在圖3（b）中也得到體現(xiàn)。由圖3（b），短樁的沉降量在9.5小時之前比較大，而在9.5小時以后，長樁的沉降量顯著增大。結(jié)合前述可知，對于樁基工程而言，一般控制其承載力小于容許承載力，且遠小于極限承載力，在此狀態(tài)下，對于深厚黃土樁基工程，選擇長樁對于群樁基礎(chǔ)的沉降控制效果更好，值得工程界重視。

2.2 不同樁長和樁徑比的群樁基礎(chǔ)應(yīng)變的時空變化

圖4 不同樁徑比下的樁體應(yīng)變比較圖

通過對圖4分析可知，不同樁長和樁徑比的群樁基礎(chǔ)，其樁體應(yīng)力和應(yīng)變隨著時空改變而發(fā)生相應(yīng)調(diào)整，其宏觀變化規(guī)律如下。

1）針對加載過程中樁周土的形態(tài)，可將樁體應(yīng)變發(fā)展過程劃分為以下三個階段：

(1)彈性變形階段。在這個階段，樁周土基本上按照彈性壓縮發(fā)展，樁體應(yīng)變和應(yīng)力發(fā)展也是按照擬線彈性發(fā)展。

(2)塑性變形階段。樁體應(yīng)變增長不多或者基本為一個水平狀態(tài)。

(3)破壞階段。這個階段，樁周土隨著變形的發(fā)展，后期展現(xiàn)出一定的軟化特性，而伴隨著承臺沉降的顯著增長，基礎(chǔ)失效。

2）從空間（隨z的變化）層面來看，不同的樁體位置，其對于不同樁徑比的響應(yīng)不同，具體表現(xiàn)如下：

第一，對長樁而言，根據(jù)樁周土的狀態(tài),可劃分為彈性、塑性、和破壞三個階段。①彈性階段：a)樁頂部位樁體應(yīng)變最大為800單位，樁中間部位樁體最大應(yīng)變?yōu)?00單位，樁底部位的最大應(yīng)變?yōu)?00單位。說明長樁的樁體應(yīng)變上部最大，往下慢慢變小，這與工程實踐相吻合。b)長樁頂部位置達到彈性拐點的時間較早，越往下，達到彈性拐點的時間越來越后。②塑性階段：a)當(dāng)樁體應(yīng)變越過彈性拐點后，其應(yīng)變量基本保持在一個水平上，在這個水平上保持很長的時間，而后進入應(yīng)變突變，再進入應(yīng)變減小階段。這一過程的力學(xué)機理可能是，當(dāng)樁體應(yīng)變越過彈性拐點后，由于前期的壓縮固結(jié)，使得樁周土的摩擦效果極大發(fā)揮，樁土共同作用體現(xiàn)，經(jīng)過這個過程，中上部荷載逐級增大，但樁周土提供的摩阻力也不斷增大，兩相比較，使得樁體本身的內(nèi)力增長緩慢，從而樁體應(yīng)變基本上保持在一條水平線上。b)這個階段的樁體應(yīng)變?nèi)匀皇巧喜看?，下部小。③破壞階段:樁-土相互作用力變小，樁土無法協(xié)同工作，從而使得樁體應(yīng)變發(fā)生突變（樁體應(yīng)變瞬間增加），樁基承載力顯著降低，承臺沉降顯著增大，經(jīng)過上部荷載增大，但樁體沉降卸荷的速率更大，從而導(dǎo)致了樁基破壞失效。

第二，對短樁而言，依據(jù)樁周土的性狀，可劃分為彈性、塑性、和破壞三個階段。①彈性階段：a)樁頂部位樁體應(yīng)變最大為200單位，樁中間部位樁體最大應(yīng)變?yōu)?00單位，樁底部位的最大應(yīng)變?yōu)?0單位。說明短樁的樁體應(yīng)變上部最大，往下慢慢變小，但變小的速率比長樁要慢得多，以至于中間部位基本和樁頂部位的應(yīng)變差不多。b)短樁頂部的彈性拐點出現(xiàn)的比較遲，這是由于頂部樁土作用小，主要靠樁體自身承載，但樁體剛度大，其彈性應(yīng)變基本按線彈性增長，而且其彈性范圍也較大，所以進入塑性階段的時間比較遲。但是，短樁的中下部位置的彈性拐點早，這是由于短樁的樁土摩擦力小，彈性達到了樁周土的極限，而使得樁周土出現(xiàn)了塑性階段。長樁的彈性拐點出現(xiàn)得晚一點，尤其是越往深處，其彈性拐點出現(xiàn)越晚。②塑性階段：短樁樁體應(yīng)變也基本上呈現(xiàn)水平狀態(tài)。此時，樁土的作用得到了發(fā)揮，樁體應(yīng)變的變化幅度不太大。③破壞階段：當(dāng)荷載繼續(xù)增大，由于樁周土的強度達到了土的極限強度，此時樁土之間的相互作用變?nèi)趸蛘邩锻林g發(fā)生滑移，使得樁體應(yīng)變發(fā)生突變，承臺的沉降增大，樁體的下降速度也增大，導(dǎo)致樁體應(yīng)變顯著減少而發(fā)生基礎(chǔ)失效。

第三，長樁的樁土相互作用比較強，其樁周土的塑性發(fā)展過程比短樁要長，表現(xiàn)出一定的整體剪切形態(tài)和塑性特征。短樁恰恰相反，其塑性發(fā)展過程比較短，表現(xiàn)出一定的局部剪切形態(tài)和脆性特征。

3 結(jié)論

通過隴東深層黃土群樁基礎(chǔ)模型試驗，考慮了樁徑比對群樁承載特性的影響，可以得知，對于深厚黃土群樁基礎(chǔ)而言，樁徑比對承臺沉降速率影響較為明顯。初始階段樁長對沉降的抑制作用發(fā)揮不大，隨著樁間土塑性變形的發(fā)展，長樁優(yōu)勢凸顯，其沉降基本上是等速率的，而短樁控制變形速率的能力較差。長樁的破壞屬于整體剪切破壞，短樁的破壞屬于局部剪切破壞。荷載不斷增大，長樁的沉降量明顯增大，樁土作用明顯減小甚至滑移，宣告樁基礎(chǔ)無效。對于深厚黃土樁基礎(chǔ)工程，選擇長樁對群樁基礎(chǔ)具有較好的沉降控制效果。