砂土中單樁承載試驗研究

曹建忠，羅元喜

（江蘇省地質礦產局第二地質大隊，江蘇常州213000）

砂土中單樁承載試驗研究

曹建忠*，羅元喜

（江蘇省地質礦產局第二地質大隊，江蘇常州213000）

根據具體工程對砂性土中樁的垂直和水平承載特性進行了試驗研究。試驗采用樁長為47m，地基土層主要為砂土。垂直承載試驗結果表明，Q-s曲線可分為彈性階段、彈塑性階段和整體破壞3個階段，單樁極限承載力為4200kN，砂土層對樁身軸力的影響大，上部粉質粘土對軸力的影響較小。水平荷載-位移曲線近似呈雙曲線型，地基土水平抗力系數的比例系數m值為11.2。

砂土；樁；承載試驗

1　概述

國內外學者對不同荷載下單樁的承載特性做了大量的工作，其中，G.G.Meyerhof等［1-2］通過室內模型試驗研究了均質砂土、均質粘土及分層土中偏心傾斜荷載作用下剛性短樁的承載特性，并將柔性長樁等代為剛性短樁計算單樁的承載力［3］。文獻［4］中對樁周土體為單一砂性土和粘性土條件下的超長樁承載機理進行了研究，研究結果表明，典型的砂性土的側阻力與樁身位移的關系曲線與粘性土的明顯不一樣。但對絕大多數超長樁工程來說，土體為單一土層的狀況幾乎很少見，目前針對砂性土地基中超長樁的研究較少。

我國長江中下游（特別是江蘇省境內）沿岸地表以下約10m深度范圍為雜填土或軟粘土，力學性質差，承載力低，下部分布的土層為厚度60～100m的砂性土層。對于一些荷載比較大的工程，天然地基無法滿足承載力要求，一般采用樁基，因此，樁基持力層必然為砂性土層且樁身大部分位于砂性土層當中。

單樁豎向承載力確定的常用方法主要包括：原型試驗法、靜力學計算法、原位測試法、經驗公式法；單樁沉降計算方法主要包括［4-9］：荷載傳遞法、彈性理論法、剪切位移法、有限單元法以及其它簡化方法，每種方法都有其相應的假定［10］，適用于一定的工程情況。但對計算結果的準確與否則要通過試驗來檢驗。本文結合具體工程，通過試驗研究砂性土地基中的基樁的承載特征。

2　試驗條件及試驗方法

2.1試驗條件

常州地區某工程由于天然地基無法滿足建（構）筑物對沉降的要求，擬采用樁基，根據勘察資料，所涉及地層主要由第四系全新統—上更新統沖積、湖積成因的粘性土層、粉土層、砂性土層及粘性土、粉土、砂性土的夾層，地基各土層主要巖土設計參數值詳見表1。

試樁樁徑為?800mm，樁長47m，樁身上部約4m位于粉質粘土層中，其余均位于粉土、粉砂和粉細砂層中，以12粉細砂為樁端持力層，進入深度約2.0m，故樁身荷載主要由砂性土層承擔?；炷翉姸鹊燃塁35，預估單樁豎向抗壓極限承載力6300kN。試驗最大加載量預定為8400kN。

2.2試驗方法

試驗嚴格按照《建筑基樁檢測技術規范》（JGJ106-2003）中的要求執行。

（1）加載系統：采用8錨樁反力系統，錨樁重復使用。試驗采用12000kN等級鋼梁，2臺千斤頂并聯加壓，試驗設備最大加載能力達到10000kN。反力架裝置示意圖見圖1。

（2）采用全自動觀測系統，自動加壓、穩壓、讀數、記錄并控制穩定標準。

（3）加、卸荷載等級：采用慢速維持荷載法加荷，按規定總加載量的1/10分級。

（4）沉降觀測：每級加載后，每隔5、10、15min時各測讀一次，以后每隔15min讀一次，累計滿一小時后每隔半小時測讀一次。

（5）沉降相對穩定標準：在每級荷載作用下，樁的沉降量連續2次在每小時內小于0.1mm時可視為穩定。

表1　地基土層組主要巖土設計參數值表

圖1　基樁豎向抗壓荷載試驗裝置

（6）終止加載條件：當出現下列情況之一時，即可終止加載：

①某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍；

②△sn+1/△sn≥2，且經24h尚未達到穩定；

③已達到設計要求的最大加載量；

④達到錨樁的最大抗拔力。

（7）卸載觀測：每級卸載量為加載量的2倍。卸載后每隔15min測讀一次，讀兩次后隔半小時再讀一次，即卸下一級荷載，全部卸完后，隔3～4h再測讀一次。

3　試驗結果

3.1單樁垂直靜載試驗

通過試驗得出試樁Q-s（垂直荷載-沉降）曲線見圖2、3。

從Q-s曲線特征看，在4200kN荷載作用下，累計沉降量僅為17.90mm，變形梯度比ΔS4200/ΔS3500=5.08，但從低應變曲線看，該樁樁身無明顯缺陷，為合格樁，因此，該樁樁底可能存在沉渣，造成Q-s曲線沉降突增。根據規定，該類型樁荷載試驗仍可繼續加載，在4200～5600kN荷載作用下，各級的觀測時間很長且每沉降量越來越大，在7000kN加載過程中，沉降量很快突破110mm，故終止試驗。

由上述試樁結果可知，荷載與沉降關系呈非線性，Q-s曲線分為彈性階段、彈塑性階段和整體破壞3個階段：

（1）彈性階段（oa段）：樁頂荷載小于比例極限，該階段土體變形表現為彈性變形，Q-s曲線呈線性關系。

（2）彈塑性變形階段（ab段）：曲線呈非線性關系，曲線斜率逐漸增大，土體在荷載增量相同沉降越來越大，土體中局部開始出現塑性變形，但該階段s-lgt曲線變化平緩，表明土體沉降比較穩定。

（3）整體破壞階段（bc段）：土體出現整體破壞，即使荷載不再增加，沉降量仍急劇增加，s-lgt曲線向下水平和垂直。

圖2　試樁垂直荷載-沉降關系曲線

圖3　樁頂沉降-時間關系曲線

圖4　樁身軸力分布曲線

樁身軸力（圖4）沿深度變化趨勢基本一致，在15m深度處有明顯的拐點，表明15m深度以下的粉細砂層側摩阻力對樁身軸力影響較大，15m以上地層，特別是上部粉質粘土和對軸力影響較小。

3.2單樁水平靜載試驗

水平加載分級：根據提供的極限承載力預估值，取預估水平極限承載力的1/10作為每級荷載的加載增量。每級荷載施加后，恒載4min測讀水平位移，然后卸載至零，停2min測讀殘余水平位移，至此完成一個加卸載循環，如此循環5次，完成一級荷載試驗的位移觀測。測量位移的時間應嚴格準確，試驗不得中途停歇。當樁身折斷或水平位移超過40mm時終止。

根據試驗結果，鉆孔灌注樁樁在270～300kN荷載作用下水平位移超過40mm，故終止試驗。根據試驗數據繪制H（水平力）-△Y0（樁頂位移梯度）曲線見圖5。

圖5　樁頂水平位移-水平荷載關系曲線

水平荷載-位移曲線近似呈雙曲線型，根據《建筑基樁檢測技術規范》提供的方法，試樁的水平臨界荷載為150kN。單樁水平承載力特征值為120kN。根據有關規范，地基土水平抗力系數的比例系數m的確定：

式中：m——地基土水平抗力系數的比例系數，MN/m4；

H——作用于地面的水平力，kN；

Y0——水平力作用點的水平位移，m；

EI——樁身抗彎剛度，kN·m2；

γy——樁頂水平位移系數；

b0——樁身計算寬度，m；根據上述公式，計算得m值為11.2。

4　結論

通過自行設計的加載裝置，對實際工程中樁頂預先施加豎向和水平荷載情況下單樁承載特性進行了試驗研究，結論如下：

（1）樁頂豎向荷載-沉降關系表明，Q-s曲線可分為彈性階段、彈塑性階段和整體破壞3個階段。

（2）砂土層對樁身軸力的影響大，上部粉質粘土對軸力的影響較小。

（3）水平荷載-位移曲線近似呈雙曲線型，根據試驗結果，地基土水平抗力系數的比例系數m值為11.2。

［1］MEYERHOF G.G.，SASTRYVV R.N..Bearing Capacity of Rigid Piles Under Eccentric and Inclined Loads［J］.Canadian Geotechnical Journal，1985，22（3）：267-276.

［2］ MEYERHOF G.G.，YALCIN A.S..Pile Capacity for Eccentric Inclined Load in Clay［J］.Canadian Geotechnical Journal，1984，21（3）：389-396.

［3］YALCIN A.S.，MEYERHOF G.G..Bearing Capacity of Flexible Piles Under Eccentric and Inclined Loads in Layered Soil［J］. Canadian Geotechnical Journal，1991，28（6）：909-917.

［4］蔣建平.大直徑灌注樁豎向承載性狀［M］.上海.上海交通大學出版社.2007.

［5］ Poulos.H.G.Pile Behavior-theory and Application.Rankine Lecture.Geotechnique［M］.1989.39（3）.

［6］Reese，L.C，and O'Neill.M.W.Drilled Shafts Construction Procedures and Design Methods［M］.Rep.1988.No.FHWA-HI-88-42.U.S.

［7］ Randolph，M.F，and Wroth，C.P.Analysis of Deformation of VerticallyLoadedPiles［M］.J.Geotech.Engrg.Div. ASCE.1978.104（12）.

［8］ Michael W.O'Neill.Side Resisitance in Piles and Drilled Shafts［M］.Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering.2001.

［9］趙明華，李微哲，單遠銘，等.地基中傾斜荷載樁改進有限桿單元法研究［J］.工程力學，2008，25（5）：79-84.

［10］楊征宇.輸電塔基礎斜樁非線性p-y曲線［J］.河海大學學報：自然科學版，2010，38（1）：104-108.

U443

A

1004-5716（2016）03-0005-04

2014-03-19

曹建忠（1966-），男（漢族），江蘇常州人，高級工程師，注冊安全工程師，現從事巖土工程勘察，邊坡、基坑等巖土、地質工程的設計、施工、監測工作。