水平循環荷載下飽和砂土中樁-土相互作用機理的試驗研究

唐永勝，張鴻文，黃小明，劉學勇，任彥斌

（1.中國交通建設股份有限公司，北京 100088；2.寧波市市政公用工程安全質量監督站，浙江 寧波 315000）

在設計大型碼頭、跨江和跨海大橋、海上采油平臺等建筑物的樁基礎時，必須考慮到諸如波浪或地震等水平循環荷載對它們的影響。由于水平循環荷載下樁與樁周土體相互作用的機理十分復雜，現有理論很難確切地反映樁－土相互工作的實際情況。為此，本文在物理模型試驗的基礎上研究飽和砂土中不同埋深的樁在不同加載頻率和循環次數的水平循環荷載下所表現出的樁-土相互作用關系。

1 模型樁及其樁的就位

為了模擬工程中樁的實際受力特性，盡量使模型樁與工程樁的外徑和剛度成比例，本次試驗選用了直徑為40 mm，壁厚為2.5 mm，6根長度為1.6 m和2根長度為1.25 m的鋁合金管。在樁的外壁對稱貼上應變片。

為了提高理論上的計算精度，測點的布置分別為：對于長樁，埋深1.2 m，在泥面以下30 cm內每隔6 cm貼片，在30～70 cm內每隔8 cm貼片，在70～100 cm內每隔15 cm貼片，整個樁身共粘貼26個工作片；對于短樁，埋深0.85 cm，在泥面以下30 cm內每隔6 cm貼片，在30～54 cm內每隔8 cm貼片，在54～70 cm內每隔12 cm貼片，整個樁身共粘貼20個工作片。應變片的導線從管樁內穿出，應變片的粘貼工藝、防潮措施等按操作規程進行[1]。

8根模型樁相應的幾何尺寸及力學性能指標如表1所示。

表1 模型樁的平均特性參數

本次試驗模型槽的尺度（長×寬×深）為2.5m×1.5m×1.5 m的鋼筋混凝土結構槽。采用中粗砂，共分5層落槽，每層厚約30 cm。每層砂土入槽后刮平并用輕夯逐點夯實，每層遍擊4次，以保證模型土的密實度基本一致。按照模型試驗的目的和要求，模型樁在第1層砂土夯實后在試驗槽內按指定的地點和深度定位。在試驗的前一天對砂土進行灌水，以便模型槽內土中各處的含水量與飽和度能與實際工程保持接近。整個試驗完成后，對模型土做物理力學指標的測定，具體指標參數見表2。

表2 模型土土工試驗結果

2 加載及測試裝置

為了很好地模擬實際工程中波浪荷載對樁基的水平循環作用，本次試驗特別采用了液壓伺服系統裝置來產生正弦波形的力。為此，還專門設計加工了一個符合本次模型試驗要求的小型伺服頭，采用荷載控制方式以保證模型樁受力的連續性和逼真性。

應變片的率定和數據采集采用的是自動巡測靜態電阻應變儀，該儀器能自動對埋入土中的樁身應變片進行率定和應變值的調零，并以每秒13～14個測試測點的速度把采集到的應變值記錄到計算機中去，測試速度快，抗干擾能力強，測試精度高。

3 試驗內容及成果整理

本次試驗的8根模型樁分別考慮了各種不同因素的組合情況對樁-土相互作用關系的影響，具體安排如表3。

表3 模型樁的試驗安排

試驗終止條件[2]：1）樁身折斷；2）恒定荷載下樁的水平位移急劇增加，變位速率急劇加快；3）達到試驗要求的最大荷載或位移，本次試驗的最大位移規定為15 mm。

荷載分級：取預估極限荷載的1/10～1/12作為一級荷載，第一級加2～3倍分級荷載。

本次試驗中樁身各點的水平位移y（x），由于二次積分后出現兩個待定系數，而邊界條件只有樁頂位移為已知，故無法用材料力學中對彎矩在沿樁的埋入深度方向上的二次積分求得，所以采用m法中的位移公式來推算[3]，即：

式中：Ay，By可查表得到；H0為樁在泥面處的水平荷載；M0為樁在泥面處的彎矩；T為樁土變形系數，T=，其中，根據工程經驗取b0=0.504；m為地基比例系數。

在水平循環荷載作用下的樁基內力及位移理論分析中，樁土變形系數T十分重要，它與地基比例系數m密切相關。m值的選取將直接影響樁身彎矩的理論計算結果。且大量的研究結果表明，地基比例系數m值與泥面處樁身水平位移y0呈指數衰減[4]。為了確保理論計算結果的可靠性和準確性，本文采用泥面處樁身水平位移y0和內力反算樁土變形系數T和地基比例系數m值。圖1描繪了其中任意2根樁的m-y0關系曲線，與工程經驗值較為接近。

圖1 模型樁的m-y0關系擬合曲線

4 試驗結果分析

4.1 加載頻率對樁－土相互作用的影響

圖2中，2號樁與6號樁在三種不同荷載等級下的比較可以看出：樁未破壞之前，在相同水平循環荷載等級作用下，隨著加載周期從6 s減小到2 s，基樁的樁身彎矩增大，增長幅度約為1.2倍左右，最大樁身彎矩所在位置相應下移，但一般都出現在6～8倍樁徑范圍以內。樁頂位移增大，增長幅度約為2～2.5倍，位移零點的深度也相應下移，水平循環荷載對樁身位移的影響主要集中在泥面至17倍樁徑范圍內。而樁周最大被動土抗力和最大主動土抗力均減小，減小幅度達30%～40%，并且樁周最大被動土抗力和最大主動土抗力所處深度也要相應的下降，這表明樁周上面的土體在外力的往復作用下已經有一部分發生了從彈性階段向塑性變形階段的轉變。

在樁接近或達到破壞時，隨著水平循環荷載頻率的增大，樁的水平極限承載力增大，增長幅度為6%左右。但最大樁身彎矩及其所處深度基本保持在6～8倍樁徑范圍內不變，樁周最大被動土抗力和最大主動土抗力及其所處深度也幾乎沒有變化。

4.2 水平循環次數對樁－土相互作用的影響

圖3中，6號樁、4號樁與3號樁在三種不同荷載等級下的比較可看出：在加載等級很小時，基樁所受水平循環荷載次數差別不大，樁周土體基本上都處于彈性階段，最大樁身彎矩基本一致，最大樁身彎矩所處位置也總在7.5倍樁徑深度處，樁頂位移變化幅度不超過0.3 mm。樁周最大被動土抗力在150次循環荷載下達到最大，比50次循環荷載下的值增大6%左右，相反，1000次循環荷載后樁周最大被動土抗力比150次的略有減小，而最大主動土抗力在50次循環荷載后最大，比150次循環荷載下的值提高15%左右。

隨著荷載等級的加大，樁受到的荷載循環次數出現很大的差別，樁周土體被擠密的程度也有很大不同。此時，最大樁身彎矩隨著循環次數的增加而增加，增幅將近10%。樁頂位移變化也十分顯著，隨著循環次數的增加而增加，幅度達45%，這表明受循環次數多的樁周土體已經部分發生了塑性變形。樁周最大被動土抗力隨著循環次數的增加而減小，減小幅度達13%左右。最大主動土抗力在150次循環荷載下達到最大。基樁接近或達到破壞時，隨著循環次數的增加，最大樁身彎矩急劇減小，減幅達30%左右，但最大樁身彎矩所處位置還是在7.5倍樁徑深度處。位移零點的位置相應下移，水平循環荷載對樁身位移的影響主要集中在泥面至20倍樁徑范圍內。樁周最大被動土抗力隨著循環次數的增加而減小，減小幅度達57%左右，最大主動土抗力也隨著循環次數的增加而減小，減幅達3.6倍，這表明循環次數對樁周土體的性質產生了很大的影響，土體已經發生了很大的塑性變形。

圖3 6號樁、4號樁與3號樁樁身彎矩、樁周土抗力、樁身位移的比較

樁的水平極限承載力隨著循環次數的增加減小很大，減幅約為30%左右。

4.3 埋深對樁－土相互作用的影響

圖4中，5號樁與8號樁在三種不同荷載等級下的比較可以看出：8號樁埋深0.85 m，5號樁埋深1.2 m，是8號樁埋深的1.41倍。從開始加載直至基樁破壞，樁周最大被動土抗力隨著埋入深度的減小反而增大，增長幅度約為4%～8%。在剛開始加載時，埋深較大的樁樁周最大被動土抗力所處位置要淺，當到達某一狀態后，無論長樁還是短樁其樁周最大被動土抗力所處位置基本保持在6倍樁徑處不變。而樁周最大主動土抗力隨著埋入深度的減小而減小，減幅達85%，埋深大的基樁其最大主動土抗力所處位置在20倍樁徑處，埋深小的在16倍樁徑處。

在相同水平循環荷載等級作用下，隨著埋深的減小，樁頂位移增大，增長幅度約為15%，且埋深較淺的樁在整個樁身范圍內始終不出現位移零點，埋深較大的樁其位移零點一般出現在15～18倍樁徑內，這表明水平循環荷載對長樁樁身位移的影響主要集中在泥面至18倍樁徑范圍內，而對短樁可影響到整個樁身位移。樁的埋入深度對最大樁身彎矩影響不大，且最大樁身彎矩所處深度基本保持在7～8倍樁徑處。

圖4 5號樁與8號樁樁身彎矩、樁周土抗力、樁身位移的比較

5 結論

1）樁未破壞之前，隨著加載周期的減小，樁身彎矩、樁頂位移增大，樁周最大被動土抗力及最大主動土抗力均有所減小。在樁接近破壞時，隨著加載頻率的增大，樁的水平極限承載力增大，而樁周最大被動土抗力和最大主動土抗力及其所處深度幾乎沒有變化。

2）當加載等級較小時，樁身彎矩、樁頂位移幾乎一致，最大被動土抗力在150次循環荷載下達到最大，而最大主動土抗力在50次循環荷載后最大。隨著荷載等級的加大，樁身彎矩、樁頂位移都隨著循環次數的增加而增加，而樁周最大被動土抗力隨之減小。在樁接近破壞時，隨著循環次數的增加，最大樁身彎矩、水平極限承載力、樁周最大被動及主動土抗力均減小很大。

3）從開始加載直至樁破壞，樁頂位移和最大被動土抗力隨著埋深的減小而增大，最大主動土抗力隨著埋深的減小而減小，樁的埋深對樁身彎矩影響不大，且最大樁身彎矩所處深度基本保持在7～8倍樁徑處。

[1]章連洋，陳竹昌.黏性土中側向受載樁的模型試驗研究 [J].巖土工程學報，1990，12（5）：40-45.

[2]吳明戰，周洪波.循環加載后飽和軟黏土退化性狀的試驗研究[J].同濟大學學報，1998，26（3）：275-277.

[3]Yang Ke-ji.Behavior of Pile Groups under Lateral Load[J].China Ocean Engineering，1991，5（2）：76-79.

[4]Lin San-Shyan，Liao Jen-chen.Permanent Strain of Piles in Sand due to Cyclic Lateral load[J].Geotechnical Geoenviroment Engi neering，1999，125（9）：798-802.