變截面樁的水平荷載模型試驗研究

吳澤軍，耿大新，方 燾

(1.華東交通大學 道路與鐵道工程重點實驗室，南昌 330013;2.華東交通大學 土木建筑學院，南昌 330013)

變截面樁具有單樁承載力高、工程進度快、省材經濟等優點，隨著樁基技術的逐漸發展和不斷應用，諸多工程科技人員已經開始對樁在承受水平向荷載的承載形狀和工作機理方面展開了研究。變截面樁已經在國家重點工程蘇通跨海大橋［1］和京滬高鐵南京大勝關大橋［2］中得到了充分的應用。現行的技術規范和傳統的樁基理論體系已經不能恰當地分析變截面樁的工作機理和受力性狀。盡管近年來對等截面樁進行了豎向、水平向荷載及動荷載等作用下樁基礎響應方面的大量研究，然而在變截面樁方面研究相對較少。特別近年來，水平承載樁的應用日趨廣泛，但水平荷載作用下樁的計算理論仍有不少問題尚待解決。諸多學者［3］進行了樁基的水平荷載試驗，推出了不同條件的水平荷載P—水平位移y曲線。

針對上述問題，基于水平荷載模型試驗和樁身應力測試結果，對變截面樁在水平承載性能方面進行了分析研究，并得出了一些有價值的結論。

1 模型試驗方案

1.1 試驗概況

試驗裝置包括模型試驗箱和變截面模型樁。模型樁采用松木人工加工而成，詳細參數見表1。預先對樁體進行防水處理，采用桐油輕輕刷在樁體表面，然后陰干3 d，繼而沿樁身布設應變片，測試水平荷載作用下樁身曲率變化情況。用可防水型HY-704硅橡膠涂抹于應變片和端子片上，繼而用E-44環氧樹脂和速凝劑摻和拌勻涂抹在樁體曲面上，將過0.5 mm篩孔的沙(將沙清洗干凈并放于烘箱中的時間＞24 h)均勻地撒鋪在樁體上與環氧樹脂緊密固結，同時靜置1 d以上。

表1 變截面圓形樁的物理參數

樁身應變量測布設采用樁體軸線對稱粘貼應變片的方法，布置見圖1所示。試驗采用的測試元件是電阻應變片，型號為 B×120-50AA，電阻值為(120±0.1)Ω，采用屏蔽式銅芯導線，每根導線長度約為5 m，其阻值為2.0 Ω。其中參考文獻［6］介紹了測點表面預先清潔處理、貼片及防潮處理。數據收集采用TS3860靜態電阻應變測試系統儀，該儀器可同時采集24個測點，低漂移、低噪聲、低誤差、采集效率較高。測量時所有應變片均采用半橋連接方式，同時為了提高測量精度，應變片的溫度補償采用一一對應式的同類材料補償。在樁頂以下約20 cm處布設2塊大量程百分表用以測試樁的水平位移，并由2塊百分表的讀數差及表間距計算出樁頂的轉角。固定百分表的基準梁布置在受荷樁影響的范圍之外。

圖1 應變片布設示意(單位:cm)

圖2 模型加載示意(單位:cm)

模型箱采用自制加工而成的1 797 mm×1 797 mm×2 000 mm的不同型鋼組合而成的模型箱體。箱內填埋黏性土，分層夯實，其中測試土體的夯實強度檢測，采用輕型動力觸探和EVD觸探試驗。模型樁埋入土中深度約為1.5 m，水平荷載作用線在土表面以上1 cm左右。模型樁埋設完畢后，多次進行灑水靜置，并用篷布遮蓋土體表面，以使土體達到軟土結構強度。采用環刀取樣測試土樣含水量為22.5%，孔隙比為0.854，非飽和濕土密度為1 799 kg/m3，固結排水抗剪強度為12.5 kPa。

加載分級施加水平荷載，由 0，124.5，379.5，634.5，1 144.5，1 399.5，1 654.5，1 909.5，2 419.5，2 929.5，3 439.5，3 949.5，4 459.5，4 714.5，4 969.5，5 224.5，5 479.5，5 734.5 N 共18級水平荷載，試驗過程中測試樁身應變、樁身土壓力和泥面處的位移。

施加水平荷載采用單位統一的鐵質砝碼放于吊籃中，由定滑輪將豎向荷載轉換為水平向荷載，加載如圖2所示。

1.2 試驗方法

試驗加載方法宜采用多循環加卸載法，并取預估水平極限承載力的1/10～1/15作為每級加載增量。根據樁徑大小并適當考慮土層軟硬程度，結合相關規范按實際情況增量加載，試驗過程中測試樁身應變和樁土接觸面處位移。

加載程序與位移觀測方法:試驗采用重物(單位統一的鐵質砝碼)施加水平作用力的方法，如圖2所示。每級荷載施加完后，恒載4 min測讀水平位移，然后卸載至零，停測2 min讀取殘余水平位移，至此完成一個加卸載循環，如此循環5次完成一級荷載的試驗觀測。加載時間應盡量縮短，測量位移的間隔時間要嚴格準確，試驗不間斷持續進行。當樁身折斷或者水平位移超過30～40 mm(軟土按40 mm)時，可以終止試驗。

2 試驗結果分析

2.1 樁的水平荷載—水平位移

從中選取較為典型的2#單樁進行分析，2#樁的水平荷載p與其作用點處水平位移y的關系如圖3。由圖3可知，2#樁的位移變化形態屬正常，曲線基本呈現出緩變形，可以認為開始是漸進式破壞后續是整體式破壞。當水平荷載＞0.55 kN后，樁的水平位移加劇，曲線變陡，一旦荷載超過一定限度，位移速率將急速增大到最大。由于樁主要是依靠樁周土的壓力來承受水平荷載，樁在水平荷載作用下會發生變位。樁頂水平位移越大，則在樁端下層面，直接分配給樁的荷載相應變大，對于較長的剛性素混凝土樁，在樁身中產生的彎矩也就更大，樁身就越容易破壞。

由圖3可知，隨著水平荷載的逐步增加，水平位移也逐漸增大，由于樁身段為階梯式橫截面，每級荷載下水平位移增加的幅度不是很大。在整個加載過程中，水平位移與荷載基本呈現出非線性變化關系。在水平荷載作用下，變截面樁會有水平位移發生，同時樁身會發生轉動或撓曲，此時樁身會出現位移零點。而樁身零點與樁身剛度、樁的入土深度、樁的截面尺寸和形狀、水平荷載的大小及樁周土體的工程性狀等多個因素有關。水平荷載—位移梯度(p－δΔy/Δp)曲線如圖4所示。由圖3、圖4可以看出，樁的水平臨界荷載pcr=3.5 kN，水平極限荷載pu=5.8 kN。

圖3 2#樁水平荷載—位移曲線

圖4 2#樁水平荷載—位移梯度關系曲線

2.2 樁頂轉角

2#樁的水平荷載與其作用點處樁頂轉角的關系如圖5所示。從圖5中可知，2#樁的轉角變化曲線初期在較小荷載作用下呈現出較為平緩趨勢，隨著載荷的不斷增加，樁頂轉角逐步增加，速率呈現上漲趨勢，當荷載＞0.55 kN后，樁頂轉角曲線明顯變陡，直接呈現出線性關系。

2.3 樁身入土深度—拉壓應變

2#樁的樁身入土深度、水平荷載與拉壓應變片的關系如圖6、圖7所示。

圖5 水平荷載—樁頂轉角曲線

圖6 2#樁入土深度與拉壓應變關系曲線

圖7 2#樁循環加卸荷載—位移曲線

從圖6可知，2#樁拉壓應變都沿著樁身入土深度的增加而逐步減小。2#樁的拉壓應變隨著樁身入土深度曲線呈現拋物線形，兩個拋物線形方向朝向依次呈現相反狀，約在50 cm處應變曲線發生拐點，繼而又逐漸增大直至樁身入土約110 cm處曲線走向發生回繞彎。在入土深度約140 cm處拉壓應變全部變為0點。從圖6中可以看出，樁身拉壓應變都隨著水平荷載的增大而逐漸增加，樁身應力逐漸得到發揮的同時樁身應變也迅速增大;最大荷載下樁的兩側都出現了壓應變，拉應變只在樁受拉力一側存在。由循環加卸載—水平位移曲線圖7可知，樁土在初始荷載施加較小時，發生變形的反復性較為不明顯，隨著水平荷載的繼續不斷加大，水平位移幅度也隨之加大，然而變形幅度呈現緩慢增大趨勢，直至水平荷載步入臨界荷載與水平極限荷載階段，樁土的位移變形量開始力度加大，呈現出線性增長趨勢，一直到水平荷載增至峰值，土體完全喪失阻抗能力，并由于變形過大而無法復位導致土體最終破壞形成。

2.4 樁的工作性能

根據水平荷載變截面樁模型試驗分析得知，樁體在經歷較長的荷載過程才發生破壞，且樁身并未破壞。樁身和土體之間的工作性能差異也較為明顯，樁身上部截面積較下部大，抵抗水平位移能力明顯較強。2#樁變截面位置以下入土較深，抵抗水平位移的效果較為不明顯，且樁身下部處的較深截面段抵抗水平位移并沒有發揮很大的作用。

3 結論

1)變截面樁水平承載主要依靠樁身上部截面段，上部段承擔了大部分的水平荷載。變截面位置處應變發生頸縮，有力地緩解了水平荷載下樁土相互作用的應力集中。

2)變截面樁的變截面位置有良好的平衡樁身應力的能力，使水平荷載作用下的最大應力集中明顯驟減，有利于節省樁身材料，因此變截面的位置布設在樁身中上部可節省材料且能充分發揮其作用。

3)通過對水平荷載作用下不同變截面樁樁周土相互作用的分析，樁身的轉動中心一般在樁身下部，由于變截面處的緩解作用，合理地設置變截面位置可使轉動中心往上移。

4)水平荷載—水平位移曲線為緩變形曲線，樁土破壞在水平荷載作用下為漸進式破壞，水平承載力主要由樁頂的水平變形來控制。

［1］王伯惠，上官興.中國鉆孔灌注樁新發展［M］.北京:人民交通出版社，1999:1-73.

［2］鐵道部京滬高速鐵路建設總指揮部南京指揮部.京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋工程技術論文集［M］.北京:中國鐵道出版社，2009:28-47.

［3］NABIL F，ISMAEL.Behavior of step tapered bored piles in sand under static lateral loading［J］.Joumal of geotechnical and geoenvironmental engineering，ASCE，2009，59(7):669-676.

［4］中華人民共和國建設部.JGJ94—2008 建筑樁基技術規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2008.