循環(huán)荷載下樁網(wǎng)復(fù)合地基中樁的承載特性分析

陳賢可，劉海濤，吳 健，劉開富

(1.浙江理工大學(xué)建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；2.浙江交工集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310051)

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展，修建在軟土地基上的高速公路越來越多，因軟土具有壓縮性高、強(qiáng)度低、含水量高等特點(diǎn)[1]，樁網(wǎng)復(fù)合地基作為一種在軟土地基上有效減少變形且具有良好經(jīng)濟(jì)性的地基處理方法[2-4]，可滿足高速公路對(duì)沉降和穩(wěn)定性的嚴(yán)格要求，越來越多地應(yīng)用在實(shí)際工程中[5-6]。

近年來，許多研究通過數(shù)值模擬、室內(nèi)模型試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)對(duì)復(fù)合地基中樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁端阻力進(jìn)行了研究。如程恩[7]使用ABAQUS有限元軟件分析了循環(huán)荷載作用下復(fù)合地基的樁身軸力、樁側(cè)摩阻力的變化規(guī)律，吳亞茹等[8]采用ABAQUS有限元軟件對(duì)比分析了X形樁與圓形樁樁側(cè)摩阻力分布特點(diǎn)。Lv等[9]對(duì)比分析了XCC樁與相同截面的圓形樁在靜載作用下樁側(cè)摩阻力及樁側(cè)樁端阻力分擔(dān)比的差異。孫廣超等[10]分析了樁側(cè)摩阻力隨循環(huán)荷載次數(shù)的變化規(guī)律，發(fā)現(xiàn)歸一化樁側(cè)摩阻力隨歸一化荷載循環(huán)次數(shù)的變化規(guī)律可用對(duì)數(shù)函數(shù)描述，Zou等[11]對(duì)比分析了帶帽無孔管樁與有孔管樁樁身軸力及樁側(cè)摩阻力的差異，李連祥等[12]通過不同置換率的復(fù)合地基模型試驗(yàn)，研究了復(fù)合地基樁身軸力、樁側(cè)摩阻力等的分布及變化規(guī)律，郭院成等[13]對(duì)比分析了單樁復(fù)合地基與4樁復(fù)合地基樁身軸力、樁側(cè)摩阻力等的試驗(yàn)結(jié)果，黃禮勝[14]對(duì)比分析了變截面樁與等截面樁在復(fù)合地基中樁側(cè)摩阻力與樁端阻力的差異。

荷載幅值及加筋層數(shù)對(duì)循環(huán)荷載作用下樁網(wǎng)復(fù)合地基中樁承載特性的影響尚不清楚。因此，本文通過循環(huán)荷載作用下樁網(wǎng)復(fù)合地基的模型試驗(yàn)分析了樁身軸力、樁側(cè)摩阻力、樁端阻力，分析荷載幅值、循環(huán)次數(shù)、土工格柵層數(shù)對(duì)樁承載特性的影響。

1 試驗(yàn)設(shè)備、材料及方案概述

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

本次模型試驗(yàn)在3.0m×2.0m×2.0m(長×寬×高)的模型箱中進(jìn)行，模型箱四周由3塊鋼板和1塊鋼化玻璃組成，玻璃板一側(cè)可用于觀察填土情況及地基沉降情況。試驗(yàn)的加載通過一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的電液伺服作動(dòng)器施加，該設(shè)備最大荷載值為1000kN，同時(shí)可支持最大加載頻率為5Hz的正弦循環(huán)荷載。

1.2 試驗(yàn)材料

為模擬軟土地基實(shí)況，試驗(yàn)地基用土為實(shí)際基坑開挖所得的粉質(zhì)黏土和淤泥質(zhì)黏土，試驗(yàn)土的物理性質(zhì)參數(shù)見表1。路堤中鋪設(shè)規(guī)格為TGSG 30-30的雙向拉伸塑料土工格柵，網(wǎng)格尺寸為40mm×40mm，縱/橫向拉伸強(qiáng)度大于等于30kN/m。

表1 試驗(yàn)土物理性質(zhì)參數(shù)

試驗(yàn)剛性樁采用長1020mm、管徑50mm(壁厚2mm)的鋁管模擬，樁頂通過螺紋連接150mm×150mm×30mm的鋁塊作為樁帽。柔性樁采用長600mm、直徑50mm(壁厚2mm)的PVC管模擬，樁頂樁底采用PVC管帽封堵以防止土顆粒及水進(jìn)入樁內(nèi)。剛性樁、柔性樁彈性模量分別為72、2GPa，通過在樁體內(nèi)部粘貼應(yīng)變片來測(cè)量加載時(shí)的樁身應(yīng)變。

1.3 試驗(yàn)方案

模型按照幾何相似比CL=1∶10進(jìn)行制作，試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀纬叽缂皠傂詷稇?yīng)變測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示。為減小邊界效應(yīng)的影響，填土前在模型箱底及四周鋪設(shè)塑料膜。地基土填筑時(shí)采用分層預(yù)壓法，每層填筑50mm后進(jìn)行人工預(yù)壓。在路堤填筑50mm后鋪設(shè)土工格柵，土工格柵鋪設(shè)時(shí)需保證平整性，每層土工格柵的間距為50mm。

圖1 樁網(wǎng)復(fù)合地基模型示意圖

試驗(yàn)采用正弦波加載形式來模擬汽車對(duì)地基的影響[15]，其荷載形式為：

F(t)=P0+Psin(ωt)

(1)

式中，P0—輪靜載部分，kN；P—載振幅，kN；ω—載頻率，Hz；t—載時(shí)間，s。

蔡袁強(qiáng)等[16]認(rèn)為交通荷載在地基中產(chǎn)生的振動(dòng)頻率一般分布在0.1～10.0Hz，本試驗(yàn)結(jié)合相似比和試驗(yàn)條件采用1Hz的正弦波來模擬交通荷載頻率。共開展4組模型試驗(yàn)，其試驗(yàn)方案見表2。

表2 模型試驗(yàn)分組

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 循環(huán)荷載幅值的影響

循環(huán)次數(shù)10萬次時(shí)不同加載幅值下復(fù)合地基剛性樁的樁身軸力隨樁深變化曲線如圖2所示。由圖2可知，循環(huán)荷載次數(shù)相同時(shí)樁身軸力隨著循環(huán)荷載幅值的增加而增大，這與許家培[17]得出的規(guī)律一致；如循環(huán)加載10萬次時(shí)，加載幅值為3kN時(shí)樁深30mm處的樁身軸力最大值為1183.61N，加載幅值為4kN時(shí)樁深30mm處的樁身軸力最大值為1469.41N，相比幅值為3kN時(shí)軸力增大了24.15%(相應(yīng)的荷載峰值僅增大了18.18%)；加載幅值為5kN時(shí)樁深30mm處的樁身軸力最大值為1702.92N，相比幅值為3kN時(shí)軸力增大了43.88%(相應(yīng)的荷載峰值僅增大36.36%)。這是因?yàn)樵龃蠛奢d幅值后，樁土差異沉降進(jìn)一步增大，使得更多的荷載轉(zhuǎn)移到樁上。

圖2 循環(huán)次數(shù)10萬次時(shí)不同加載幅值下復(fù)合地基剛性樁樁身軸力隨樁深變化曲線

不同幅值循環(huán)荷載下剛性樁的樁頂荷載與樁側(cè)總摩阻力隨循環(huán)次數(shù)變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加，樁頂荷載不斷增大，而樁側(cè)總摩阻力逐漸減小；如幅值3kN時(shí)，循環(huán)次數(shù)為10萬次時(shí)的樁側(cè)總摩阻力(454.80N)比循環(huán)次數(shù)為0時(shí)的樁側(cè)總摩阻力(529.25N)減小了14.07%。這是因?yàn)樵谘h(huán)荷載作用下樁周土體剪切區(qū)收縮引起了樁側(cè)徑向應(yīng)力衰減，從而使得樁側(cè)總摩阻力減小[18]。

圖3 不同幅值循環(huán)荷載下剛性樁的樁頂荷載與樁側(cè)總摩阻力隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

不同幅值循環(huán)荷載下剛性樁的樁頂荷載與樁端阻力隨環(huán)荷載次數(shù)變化曲線如圖4所示。由圖4可知，剛性樁的樁端阻力隨著循環(huán)荷載次數(shù)和幅值的增加而增大；如10萬次循環(huán)荷載后，幅值為3kN時(shí)樁端阻力增大了169.98N，幅值為4kN時(shí)樁端阻力增大了232.32N，幅值為5kN時(shí)樁端阻力增大了304.5N。這是因?yàn)檠h(huán)荷載幅值的增大導(dǎo)致剛性樁所承受的總荷載隨之增大，而同期的樁側(cè)總摩阻力減小，從而更多的荷載傳遞至樁端。

圖4 不同幅值循環(huán)荷載下剛性樁的樁頂荷載與樁端阻力隨循環(huán)荷載次數(shù)曲線

2.2 土工格柵層數(shù)的影響

幅值3kN循環(huán)荷載下不同土工格柵層數(shù)時(shí)剛性樁的樁身軸力隨樁深變化曲線如圖5所示。由圖5可知，剛性樁的樁身軸力隨著深度的增加先增大再減小，樁身軸力隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增加而增大，這與楊以國等[19]得出的規(guī)律一致；如循環(huán)加載10萬次時(shí)，在樁深30、230、980mm處，1層土工格柵復(fù)合地基中的樁身軸力分別增大了87.46、125.33、120.18N。這是因?yàn)檠h(huán)荷載作用下樁土差異沉降逐漸增大，由于土工格柵的存在，樁與土協(xié)同工作，樁承擔(dān)的荷載逐漸增大[10]。由圖5還可以看出，相同循環(huán)次數(shù)下，2層土工格柵復(fù)合地基中樁不同深度處的軸力均大于1層土工格柵復(fù)合地基，如循環(huán)加載10萬次時(shí)，2層土工格柵復(fù)合地基在樁深30、230、980mm處比1層土工格柵復(fù)合地基軸力增大了110.69、107.94、91.21N。這是因?yàn)橥凉じ駯艑訑?shù)的增加導(dǎo)致加筋墊層的剛度增大，進(jìn)而使得更多的荷載傳遞至剛性樁樁頂[20]。

圖5 幅值3kN循環(huán)荷載下不同土工格柵層數(shù)時(shí)剛性樁的樁身軸力隨樁深變化曲線

幅值3kN循環(huán)荷載下不同格柵層數(shù)時(shí)剛性樁的樁頂荷載與樁側(cè)總摩阻力隨循環(huán)次數(shù)變化曲線如圖6所示，幅值3kN循環(huán)荷載下不同格柵層數(shù)時(shí)剛性樁的樁頂荷載與樁端阻力隨循環(huán)荷載次數(shù)曲線如圖7所示。由圖6—7可知，相同循環(huán)次數(shù)下，1層土工格柵復(fù)合地基的樁頂荷載、樁側(cè)總摩阻力及樁端阻力小于2層土工格柵復(fù)合地基；如循環(huán)次數(shù)為10萬次時(shí)，1層土工格柵地基的樁頂荷載為1072.91N，2層土工格柵地基的樁頂荷載為1183.6N；循環(huán)次數(shù)為10萬次時(shí)，1層土工格柵地基的樁側(cè)總摩阻力為430.81N，2層土工格柵地基的樁側(cè)總摩阻力為454.80N；循環(huán)次數(shù)為10萬次時(shí)，1層土工格柵復(fù)合地基的樁端阻力為642.10N，2層土工格柵復(fù)合地基的樁端阻力為728.80N；這是因?yàn)橥凉じ駯艑訑?shù)的增加導(dǎo)致加筋墊層的剛度增大，進(jìn)而更多的荷載傳遞至剛性樁，而同期的樁側(cè)總摩阻力減小，更多的荷載傳遞至樁端。

圖6 幅值3kN循環(huán)荷載下不同格柵層數(shù)時(shí)剛性樁的樁頂荷載與樁側(cè)總摩阻力隨循環(huán)次數(shù)變化曲線

圖7 幅值3kN循環(huán)荷載下不同格柵層數(shù)時(shí)剛性樁的樁頂荷載與樁端阻力隨循環(huán)荷載次數(shù)曲線

3 結(jié)論

通過循環(huán)荷載下樁網(wǎng)復(fù)合地基的模型試驗(yàn)，分析了循環(huán)荷載次數(shù)、循環(huán)荷載幅值、土工格柵層數(shù)對(duì)樁網(wǎng)復(fù)合地基樁身軸力、樁側(cè)總摩阻力、樁端阻力的影響，可得到主要結(jié)論如下：

(1)循環(huán)荷載作用下剛性樁樁身軸力隨著深度的增加先增大后減??；隨著循環(huán)荷載次數(shù)的增大，樁身軸力及樁端阻力隨之增大，而樁側(cè)總摩阻力隨之減小。

(2)隨著循環(huán)荷載幅值的增大，剛性樁承受的荷載及樁端阻力隨之增大。隨著土工格柵層數(shù)的增加，剛性樁承受的荷載、樁側(cè)總摩阻力與樁端阻力增大。