鈣質(zhì)砂中單樁水平承載特性模型試驗研究

劉建宇 王春艷 劉冒佚 丁選明 劉歡

摘 要：通過室內(nèi)模型試驗研究鈣質(zhì)砂地基中樁基的水平承載特性，分析樁長對樁頂位移、樁頂轉(zhuǎn)角、樁身彎矩以及樁側(cè)土體壓力分布的影響，并與福建標(biāo)準砂地基中的模型樁進行了比較。試驗結(jié)果表明：樁長對水平承載特性具有顯著影響;增加樁長能明顯提高單樁水平極限承載力，樁身變形逐漸由剛性轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)變?yōu)閺澢冃?彎矩沿樁身的分布范圍由全段分布轉(zhuǎn)變?yōu)榧性跇渡砩习氩糠?樁側(cè)土壓力主要分布在迎土側(cè)的上部土層中，土體壓力隨著水平荷載的增加而發(fā)生明顯變化;在低應(yīng)力水平下，鈣質(zhì)砂中單樁水平承載力要大于標(biāo)準砂中樁基承載力，鈣質(zhì)砂在較高應(yīng)力水平下的模型試驗有待進一步探究。

關(guān)鍵詞：鈣質(zhì)砂;樁基礎(chǔ);單樁;模型試驗;承載特性

中圖分類號：TU473.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-6717（2021）06-0074-08

Abstract： Through a series of model tests in laboratory， the horizontal bearing characteristics of the pile in the calcareous sand foundation were investigated. The influence of the pile length on the pile top displacement， the rotation of the pile head， bending moment of the pile body and the distribution of the pile side soil pressure were analyzed. In addition， it is compared with model piles in silica sand （Fujian standard sand）. The test results show that the horizontal displacement-load curve of the model pile in the calcareous sand is abrupt， and the pile length has a significant influence on the horizontal bearing characteristics. Increasing the pile length can significantly increase the ultimate horizontal bearing capacity of model pile， and the pile deformation gradually changes from rigid rotation to bending deformation. The distribution range of the bending moment along the pile body is changed from the whole pile length to half. The soil pressure on the side of the pile is mainly distributed in the upper soil layer on the soil-facing side， and the soil pressure changes significantly with the increase of the horizontal load. Under low stress levels， the horizontal bearing capacity of a single pile in calcareous sand is greater than that in silica sand. The model test of calcareous sand under higher stress levels needs to be further explored.

Keywords： calcareous sand; pile foundation; single pile; model test; bearing characteristics

鈣質(zhì)砂廣泛分布在中國南海海域，因具有極高的碳酸鈣含量而得名。與石英砂相比，鈣質(zhì)砂具有內(nèi)部孔隙多、顆粒易破碎、重度較低、棱角和內(nèi)摩擦角較大等特點[1-4]。由于其獨特的物理特性，鈣質(zhì)砂與石英砂在工程力學(xué)性質(zhì)上有較大的差異，導(dǎo)致在鈣質(zhì)砂地基上進行工程建設(shè)時，現(xiàn)有的設(shè)計理論和設(shè)計方法不再適用[5]，需要對其進行專門研究。

學(xué)者們對鈣質(zhì)砂中樁基承載特性展開了大量的研究。秦月等[5]采用室內(nèi)模型試驗，模擬了單樁在不同受力方向下的承載特性，分析了鈣質(zhì)砂地基中樁-土相互作用機制。江浩[6]對鈣質(zhì)砂中單樁和群樁分別進行了室內(nèi)模型試驗，通過與石英砂中樁基模型試驗結(jié)果進行對比，發(fā)現(xiàn)鈣質(zhì)砂地基中樁側(cè)阻力較低是由顆粒破碎引起的。劉家易[7]研究了鈣質(zhì)砂中X形樁的豎向承載特性。鄧瑋婷等[8]研究了鈣質(zhì)砂中膨脹混凝土樁豎向承載特性，發(fā)現(xiàn)提高樁體線膨脹率可以有效提高樁的極限承載力和側(cè)摩阻力。Agarwal等[9]給出了極限端阻力和極限側(cè)阻力隨不同碳酸鹽含量的取值。Angemeer等[10]在澳大利亞的巴斯海峽通過打入全尺寸樁，發(fā)現(xiàn)在鈣質(zhì)砂中鋼管樁的側(cè)阻力非常小，隨著深度增加幾乎不發(fā)生改變。Dewi等[11]利用有限元軟件PLAXIS 3D模擬了鈣質(zhì)砂中單樁在豎向循環(huán)荷載作用下的響應(yīng)。然而，上述研究都是針對鈣質(zhì)砂中樁基的豎向承載特性，對水平承載特性的研究尚少。

在海洋工程建設(shè)中，建筑物所承擔(dān)風(fēng)荷載或者波浪荷載等水平方向的荷載通常由樁基礎(chǔ)傳遞到地基，所以，有必要研究鈣質(zhì)砂中樁基的水平承載特性。筆者通過室內(nèi)模型試驗，探究鈣質(zhì)砂中單樁水平承載特性，對鈣質(zhì)砂和石英砂地基中不同長度單樁的樁頂位移、樁頂轉(zhuǎn)角、樁身彎矩以及樁側(cè)土體壓力進行詳細的分析和討論。

1 試驗概況

1.1 試驗材料

模型試驗中土體難以按照相似關(guān)系改變其性質(zhì)，所以采用原狀土。為了保證試驗中土體滿足連續(xù)性和均勻性假定，消除地基土粒徑對單樁承載特性產(chǎn)生的粒徑效應(yīng)，徐光明等[12]發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)物與土料粒徑之比大于23時可忽略粒徑效應(yīng)。試驗采用的鈣質(zhì)砂取自南海某島，石英砂為福建標(biāo)準砂。為了消除粒徑效應(yīng)，烘干后篩去原狀土中少量粒徑大于2 mm的粗顆粒，中值粒徑約為0.8 mm，樁徑與粒徑比均不小于23。兩種試驗用砂的顆粒級配曲線如圖1所示，鈣質(zhì)砂的不均勻系數(shù)Cu=2.64，曲率系數(shù)Cc=0.95，標(biāo)準砂的不均勻系數(shù)Cu=4.50，曲率系數(shù)Cc=1.19。試驗過程中，在模型槽上每隔10 cm標(biāo)記一個刻度線，采用分層填筑的方式，倒入一定質(zhì)量的砂樣后進行壓實以控制土體的相對密實度為70%。

通過直剪試驗，得到試驗用砂的τ-σ關(guān)系曲線，如圖2所示。標(biāo)準砂黏聚力c=0，摩擦角φ=38.65°;鈣質(zhì)砂黏聚力c=12.23 kPa，摩擦角φ=43.46°。與劉崇權(quán)等[4]得到的直剪試驗結(jié)果相近，鈣質(zhì)砂具有微小的黏聚力，c≈10 kPa，φ為35°～45°。由于顆粒形狀極不規(guī)則、表面粗糙、棱角度高，鈣質(zhì)砂所表現(xiàn)出來的c值主要來源于顆粒之間的咬合嵌固作用，產(chǎn)生機理與粗顆粒土相似[13]。直剪試驗完成后，在鈣質(zhì)砂樣的下剪切盒中有部分砂發(fā)生“膠結(jié)”，如圖3所示，而標(biāo)準砂樣沒有出現(xiàn)此現(xiàn)象。同時，鈣質(zhì)砂不規(guī)則的顆粒形狀和較粗糙的表面也是導(dǎo)致其具有較大內(nèi)摩擦角的主要原因。鈣質(zhì)砂和石英砂的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

模型樁采用C30細石混凝土澆筑，采用外徑為50 mm，內(nèi)徑為45 mm的PVC管材作為模板。樁內(nèi)布置有鋼筋籠，鋼筋籠由4根12#直鋼絲組成，并每隔150 mm設(shè)置一個箍筋。樁的埋置深度分別為700、550、400 mm?；炷僚浜媳葹樗唷盟蒙啊檬?1∶0.38∶1.11∶2.72。待混凝土強度足以保證其表面在拆模過程中不發(fā)生損壞時拆除PVC管，并在標(biāo)準環(huán)境下養(yǎng)護28 d。通過簡支梁法測得模型樁的抗彎剛度EI=5 340 N·m2，彈性模量E=26.54 GPa。模型樁參數(shù)如表2。

1.2 試驗方案

試驗裝置包括自制模型槽、加載系統(tǒng)和測量系統(tǒng)。自制模型槽尺寸為1 m×0.8 m×0.8 m。Ovesen[14]通過試驗得到模型與箱內(nèi)側(cè)壁之間的距離大于模型尺寸的2.82倍時可忽略邊界效應(yīng)的影響。為消除邊界效應(yīng)的影響，將模型樁布置于模型槽的中央，長度和寬度方向模型樁和模型箱內(nèi)側(cè)壁之間的距離與模型樁外徑的比值分別為10.6和8.4，均滿足要求。模型箱采用角鋼作為骨架，亞克力板作為擋板。采用砝碼、滑輪和鋼絞線進行水平向加載。在地表處水平安置一個位移計，以測量樁頂?shù)乃轿灰?。在高出地?00 mm處安置另一個位移計，通過兩位移計的差值計算樁頂?shù)霓D(zhuǎn)角。在模型樁所對應(yīng)的亞克力板處，豎向每隔160 mm設(shè)置一個直徑為10 mm的孔，插入空心鋼管，其內(nèi)抵模型樁，外設(shè)小滑輪，一端連接樁身測點的斯百克線穿其而過，順過滑輪連接電子位移計，以測量加載過程中樁身的側(cè)向位移。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D4。

通過對稱布設(shè)在樁周的應(yīng)變片來測量樁身應(yīng)變。采用浙江黃巖測試儀器廠生產(chǎn)的BX-120-3AA型應(yīng)變片，其柵長3 mm，柵寬2 mm，靈敏系數(shù)為（2.08±1）%，電阻值為（120.1±0.1）Ω。從加載點下30 mm起每隔80 mm布設(shè)一對應(yīng)變片。通過布設(shè)在樁周的微型土壓力盒來測量樁周土壓力的變化，采用南京丹陌電子科技有限公司生產(chǎn)的DMTY系列應(yīng)變式土壓力盒，尺寸為Φ16 mm×4.8 mm，量程為0.2 MPa。從地表下20 mm起每隔100 mm布設(shè)一對土壓力盒。位移計采用江蘇泰斯特TST-100應(yīng)變式頂桿位移計，其量程為100 mm，靈敏度80με/m。采用DH3821靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)采集應(yīng)變、位移以及土壓力等信息。

采用慢速維持荷載法，取預(yù)估最大荷載的1/10作為加載量。參考相關(guān)研究，取每級荷載增量為0.1 kN。每級荷載維持1 h，加載后每隔1、5、15、30、60 min各讀一次數(shù)，當(dāng)連續(xù)兩次樁頂位移不超過0.1 mm/h時施加下一級荷載。當(dāng)樁頂水平位移達到0.15倍樁徑或者出現(xiàn)明顯拐點時停止加載。

2 試驗結(jié)果分析

2.1 樁頂水平位移及樁頂轉(zhuǎn)角

圖5、圖6分別為各樁樁頂水平位移荷載曲線和樁頂轉(zhuǎn)角荷載曲線。可以看出，隨著水平荷載的增加，樁基在地表處的水平位移和樁頂轉(zhuǎn)角具有類似的變化規(guī)律。隨著樁長的增加，相同荷載作用下樁頂水平位移減小。在加載初期，抗力主要由靠近地面部分的土體提供，樁周土體處于彈性階段，土體的變形也主要是彈性變形，樁頂水平位移近似線性增大，隨著荷載進一步增加，樁身的變形加大，土體由上至下逐漸發(fā)生屈服，水平荷載向更深層土體傳遞，樁周土體逐漸進入塑性階段，位移變化速率逐漸提高。

樁基橫向承載力可取當(dāng)樁基地表處側(cè)向位移達到0.1倍外徑或樁頂轉(zhuǎn)角達到2°時所對應(yīng)的橫向荷載中的較小值[15]。通過比較可以得到P1、P2、P3和P4的水平極限承載力為0.82、0.74、0.64、0.75 kN，對應(yīng)的樁頂轉(zhuǎn)角為1.30°、1.20°、1.15°和1.25°。在鈣質(zhì)砂地基中，相比于最短的P3，P2和P1的水平極限承載力分別提高了15.6%和28.1%，樁頂轉(zhuǎn)角增大了4.3%和13%。當(dāng)樁長相同時，鈣質(zhì)砂中P1的水平極限承載力相較于標(biāo)準砂中的P4提升了9.3%，樁頂轉(zhuǎn)角增加了4%。

隨著樁長的增加，模型樁的水平極限承載力得到了明顯提升，對應(yīng)的樁頂轉(zhuǎn)角也隨之增大，一方面可能是對應(yīng)的水平力增加了，另一方面可能是隨著樁長的增加，樁的相對剛度減弱，樁逐漸由剛性樁向柔性樁轉(zhuǎn)化，樁身的彎曲變形逐漸增大。

當(dāng)水平荷載較小時，P4和P1的位移荷載曲線幾乎重合。隨著荷載的增加，標(biāo)準砂中P4的水平位移逐漸大于P1?？赡苁怯捎跇?biāo)準砂顆粒的表面較為圓潤光滑，鈣質(zhì)砂顆粒形狀不規(guī)則且表面粗糙，使其具有一定的黏聚力和較大的內(nèi)摩擦角，相比于標(biāo)準砂具有更大的抗剪強度，從而鈣質(zhì)砂中的P1具有更大的水平承載力。同時，采用的是模型試驗，未考慮圍壓作用，土體所達到的應(yīng)力水平較低。鈣質(zhì)砂在圍壓很低時加載，其顆粒破裂極少，土體變形以顆粒的相對錯動滑移為主，與普通剪脹性土沒有太大差別[16]。鈣質(zhì)砂在較高應(yīng)力水平下的樁基試驗有待進一步開展。

2.2 樁身側(cè)向位移

樁身側(cè)移通過豎向設(shè)置的一列位移計測得，由于裝置設(shè)計的原因，各樁底部有一部分的側(cè)向位移未能采集。圖7為各樁在各級水平荷載作用下樁身側(cè)向位移沿深度的分布曲線?？梢钥闯觯S著水平荷載的增加，樁身側(cè)向位移逐漸增大，位移零點逐漸下移。隨著埋深的增加，樁身側(cè)向位移表現(xiàn)出明顯的非線性。側(cè)移主要集中在樁身上部，下部側(cè)移較小。P1的側(cè)向位移零點大約在-0.25～-0.35 m處，隨著荷載增加逐漸下移，當(dāng)深度超過側(cè)向位移零點后，下部樁身側(cè)向位移幾乎為零。P2的側(cè)向位移零點大約在-0.3～-0.35 m處，當(dāng)深度超過側(cè)向位移零點后，樁身出現(xiàn)較小的反向位移。隨著荷載的增加，P3側(cè)向位移的零點約在-0.25～-0.3 m處，該樁下部分的側(cè)向位移雖然未能采集，但根據(jù)發(fā)展趨勢可以判斷下部分會出現(xiàn)反向位移。

隨著樁長的增加，下部樁身側(cè)向位移受樁頂水平力作用的影響逐漸減小。當(dāng)樁身長度較短時，受到土體約束較小，樁的相對剛度較大，在水平荷載作用下樁身繞著側(cè)向位移零點發(fā)生了一定的轉(zhuǎn)動，彎曲變形不明顯。隨著樁長的增加，土體對樁的約束增強，樁側(cè)土體有足夠大的抗力，使得樁身發(fā)生彎曲變形，超過水平側(cè)移零點后，下部樁身的變形幾乎不受荷載影響。

圖7（e）為P1和P4在各級荷載作用下的樁身側(cè)移，可以發(fā)現(xiàn)，在相同的水平荷載作用下，P4樁身側(cè)移大于P1，可能是由于鈣質(zhì)砂在低應(yīng)力水平下抗剪強度大于標(biāo)準砂，土體能提供更大的抗力。當(dāng)達到其水平極限承載力時，P4的側(cè)移小于P1，可能是由于P4的水平極限承載力較小。

2.3 樁身彎矩

模型樁某一截面樁身彎矩M和對應(yīng)的應(yīng)變片數(shù)據(jù)ε滿足關(guān)系式

式中：EI為抗彎剛度;Δε=ε1-ε2，為同一截面的應(yīng)變差值;D為兩應(yīng)變片的間距，即樁身外徑（D=45 mm）。

圖8為各模型樁的樁身彎矩圖?？梢钥闯?，隨著深度的增加，樁身彎矩呈現(xiàn)出先增大后減小的發(fā)展趨勢。同時，隨著水平荷載的增加，樁身彎矩也呈增加趨勢。對比各樁彎矩圖，P1的樁身彎矩主要集中在樁身上部，當(dāng)深度達到0.45 m處時出現(xiàn)反彎點，隨著深度的增加出現(xiàn)一定的負彎矩，但彎矩變化非常小，幾乎為零。P2樁身彎矩分布范圍較P1要廣，當(dāng)深度達到0.5 m后，樁身彎矩幾乎為零，但沒有出現(xiàn)反向彎矩。P3全段均有彎矩分布，P4樁身彎矩分布與P2類似。各樁彎矩峰值點出現(xiàn)在深度約為0.15～0.2 m的上部土層內(nèi)，位于樁長的1/4～1/2處，說明中上部的樁身質(zhì)量對樁基水平承載力具有很大的影響。樁身長度對樁身受彎特性具有明顯影響。隨著樁長的增加，樁身峰值彎矩逐漸增大，說明增加樁長可以提高樁基水平承載力。同時，峰值彎矩點的相對位置逐漸上移，彎矩分布范圍由樁身全段逐漸轉(zhuǎn)向埋深較淺的樁段。隨著水平荷載的增加，中下部樁段的彎矩有所發(fā)展，說明中下部土層也逐步分擔(dān)水平荷載。

2.4 樁側(cè)土壓力

樁側(cè)土壓力是樁土相互作用的結(jié)果，埋設(shè)在樁周的土壓力盒測得加載過程中樁側(cè)土壓力的變化如圖9。規(guī)定在水平荷載作用下樁土擠壓側(cè)為迎土側(cè)，在圖中采用實線表示;樁土分離側(cè)為離土側(cè)，采用虛線表示。加載之前對土壓力盒的數(shù)據(jù)進行清零處理，在加載過程中土壓力盒數(shù)值為正值則說明該點土壓力增大，負值則說明該點土壓力減小。

由圖9可以發(fā)現(xiàn)，樁身長度對樁側(cè)土壓力分布具有明顯的影響。迎土側(cè)土壓力沿著深度方向先增大后減小，主要集中在土體的上部，峰值點的深度為0.1～0.2 m，即0.2～0.4倍樁長之間。樁身中下部的土壓力變化較小，出現(xiàn)一定的負值，說明土壓力減小，樁土有分離的趨勢。各樁迎土側(cè)土壓力的最大值隨著水平荷載的增加而增大，土體壓力變化較為明顯。離土側(cè)的土壓力變化較小，上部土體的壓力幾乎不隨水平荷載的增加而變化，隨著荷載的增加中下部土壓力出現(xiàn)正值，說明樁底產(chǎn)生了反向位移。并且隨著樁身長度的減小，離土側(cè)下部土壓力隨著水平荷載增加而逐漸增大，可能是因為樁身長度減小，導(dǎo)致土體對樁身下半部分約束減小，尤其是樁底的約束減小，從而樁身下部土體壓力增大，與短樁下部樁身出現(xiàn)反向位移的結(jié)論相吻合。兩側(cè)土壓力具有零點，鈣質(zhì)砂中各樁土壓力零點約分別位于0.42、0.54、0.75倍樁長處，隨著樁長的減小，土壓力零點的位置相對于樁身長度逐漸下移。在相同的水平荷載下，P1樁側(cè)土體壓力大于P4，說明P1樁周土體能夠提供更大的樁土抗力。同時可以發(fā)現(xiàn)，在水平極限承載力范圍內(nèi)，樁周土體的土壓力值峰值約在100 kPa，參考柴維等[17]開展的鈣質(zhì)砂在不同剪切速率下的直剪試驗，當(dāng)正壓力在100 kPa左右時，其相對破碎勢Br約為1%，顆粒破碎較小。

3 結(jié)論

對鈣質(zhì)砂中不同長度單樁的水平承載特性進行了研究，對比分析了各樁的變形特征、樁身彎矩以及樁側(cè)土壓力的分布規(guī)律，得到以下結(jié)論：

1）樁長對水平承載特性具有顯著影響，隨著樁長的增加，相同荷載作用下樁頂水平位移減小，單樁水平極限承載力得到明顯的提升。

2）在低應(yīng)力水平下，鈣質(zhì)砂中樁基水平承載力大于標(biāo)準砂中樁基承載力，可能是在低應(yīng)力水平下鈣質(zhì)砂的顆粒破碎并不明顯，顆粒破碎對水平承載力的影響并不顯著，鈣質(zhì)砂在較高應(yīng)力水平下的模型試驗有待進一步探究。

3）樁身變形主要集中在樁身上部。當(dāng)長度較小時，下部出現(xiàn)一定的反向位移，當(dāng)長度較大時，下部水平位移幾乎為零。隨著樁長的增加，樁身變形逐漸呈現(xiàn)出由剛性轉(zhuǎn)動到彎曲變形的特征。

4）樁長對樁身彎矩分布具有較大影響，隨著樁長的增加，彎矩的分布范圍逐漸由樁身全段縮減至樁身上部分，在樁身下部出現(xiàn)反彎點，并有一定的反向彎矩。

5）各樁承受水平荷載時，樁側(cè)土體壓力主要集中在樁身上部，上部土體對樁基水平承載力有較大的影響，改善上部土體的質(zhì)量對樁基水平承載有利。迎土側(cè)土壓力隨水平荷載增加變化較為明顯，離土側(cè)土壓力變化較小。

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（編輯 胡玲）