湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中單樁水平承載性狀試驗(yàn)研究

湯 斌，郭凡夫，沈建華

（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢，430065；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北武漢，430071）

湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中單樁水平承載性狀試驗(yàn)研究

湯 斌1，郭凡夫1，沈建華2

（1.武漢科技大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院，湖北武漢，430065；2.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，湖北武漢，430071）

選取材質(zhì)和樁徑相同、樁長不同的3組模型樁，采用單向多循環(huán)加載法，在湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中進(jìn)行單樁水平靜載現(xiàn)場試驗(yàn)。通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，得到樁頂?shù)乃胶奢d-時(shí)間-水平位移（H0-t-Y0）曲線、水平臨界荷載Hcr、水平極限承載力Hu以及單樁的樁身彎矩、樁身剪力、樁側(cè)土抗力沿樁入土深度的變化情況。分析結(jié)果表明，在水平荷載作用下，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中具有相同材質(zhì)、相同樁徑的單樁，其水平臨界荷載Hcr和極限承載力Hu與入土樁長呈正相關(guān)關(guān)系；樁身彎矩、剪力和樁側(cè)土抗力的最大值均隨著入土樁長的增加而增大；樁身彎矩和樁身剪力主要集中在樁身上部，最容易發(fā)生剪切破壞的部位在樁頂處；湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中單樁的樁側(cè)土抗力沿入土深度呈不完整的S形分布，且其最大值出現(xiàn)在地平面附近。

樁基礎(chǔ)；單樁；水平承載力；湛江黏土；結(jié)構(gòu)性黏土；模型試驗(yàn)

樁基礎(chǔ)在土木工程中應(yīng)用廣泛，其在風(fēng)荷載、地震荷載、機(jī)械制動(dòng)荷載或土壓力、水壓力等作用下，大多會承受一定的水平荷載，這種條件下樁的受力實(shí)質(zhì)上是一個(gè)復(fù)雜的樁土相互作用過程。目前，對水平荷載作用下樁基工作性狀的研究已獲得了許多成果。Reese等［1］通過對埋入砂土中的鋼管樁進(jìn)行水平荷載試驗(yàn)，提出了砂土中的p-y曲線確定方法；Bhowmik等［2］通過現(xiàn)場模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬，對模型樁在成層土中受水平荷載作用下的工作性狀進(jìn)行了初步分析；蔡忠祥等［3］選取上海典型場地軟土試樁，采用混凝土塑性損傷模型對其水平承載性狀進(jìn)行了探討；王建華等［4］通過某大型碼頭樁基工程的現(xiàn)場試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值分析研究了在水平荷載作用下大直徑嵌巖鋼管混凝土樁的工作機(jī)理；單華剛［5］通過模型試驗(yàn)分析了珊瑚礁區(qū)鈣質(zhì)砂中樁基水平承載性能；陳祥等［6］結(jié)合北京市某辦公樓工程混凝土灌注樁的水平靜載試驗(yàn)進(jìn)行分析，驗(yàn)證了鋼筋計(jì)測試結(jié)果的可靠性；周萬清等［7］通過試驗(yàn)分析了珠海保稅區(qū)深厚軟土地基中細(xì)長PHC管樁在水平荷載作用下的受力特點(diǎn)；朱照清等［8］在東海大橋附近海域?qū)Ｉ巷L(fēng)電場大直徑鋼管樁進(jìn)行試驗(yàn)，測試了直樁、正反斜樁的水平承載力及位移。這些研究成果對特定區(qū)域、特定土質(zhì)條件下的樁基工程設(shè)計(jì)和施工具有指導(dǎo)意義。

分布在我國湛江地區(qū)的灰色黏土以其特有的強(qiáng)結(jié)構(gòu)性及導(dǎo)致的工程特性引起了學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛關(guān)注［9-12］。由于湛江地區(qū)上部黏土及上覆土層的土質(zhì)特殊，并且現(xiàn)在建筑物越來越高，天然地基已經(jīng)滿足不了高層建筑的承載要求，故而樁基礎(chǔ)在當(dāng)?shù)赜兄浅V泛的應(yīng)用需求［12］。然而已有的樁基設(shè)計(jì)計(jì)算理論和方法應(yīng)用于湛江組結(jié)構(gòu)性黏土樁基設(shè)計(jì)時(shí)或多或少存在一些計(jì)算誤差，因此本文從工程實(shí)際需求考慮，采用原位單樁模型試驗(yàn)，對湛江組結(jié)構(gòu)性黏土樁基水平承載性狀進(jìn)行研究，以期為相關(guān)樁基設(shè)計(jì)和施工提供一定的參考與借鑒。

1　單樁水平靜載試驗(yàn)

1.1試驗(yàn)場地的地質(zhì)條件

試驗(yàn)場地位于廣東省湛江市霞山區(qū)東簡鎮(zhèn)北部，孔口高程為9.60 m（“1985國家高程基準(zhǔn)”），鉆孔深度為25 m，表1為該地區(qū)結(jié)構(gòu)性黏土試樣的基本物理性質(zhì)指標(biāo)。

1.2模型樁概況

相似性原理是模型試驗(yàn)必須滿足的基本原理，為了使樁基模型試驗(yàn)?zāi)艽碓驮囼?yàn)，必須使二者具有共同的力學(xué)表現(xiàn)，即物理力學(xué)方程相似。

樁頂水平位移s和樁身應(yīng)力σ主要受如表2所示物理量的影響，所列量綱采用力量系統(tǒng)，即以力F、長度L、時(shí)間T為基本量綱。因?yàn)椴捎矛F(xiàn)場模型試驗(yàn)，場地土體條件相同，故與土體性質(zhì)有關(guān)的物理量可不予討論。

表1　湛江組結(jié)構(gòu)性黏土的基本物理性質(zhì)指標(biāo)Table 1 Basic physical property indexes of Zhanjiang formation structural clay

表2　相似模型設(shè)計(jì)中的主要物理量及其量綱Table 2 Main physical quantities and their dimensions in the similar model design

所求參數(shù)s、σ與主要物理量之間的關(guān)系式為

對樁頂位移公式（1）進(jìn)行量綱分析，得到如表3所示的量綱分析矩陣。

表3　樁頂位移的量綱分析矩陣Table 3 Dimensional analysis matrix of displacement at the pile top

對樁身應(yīng)力公式（2）進(jìn)行量綱分析，得到如表4所示的量綱分析矩陣。

表4　樁身應(yīng)力的量綱分析矩陣Table 4 Dimensional analysis matrix of the pile stress

求解上述量綱矩陣，得到4個(gè)無量綱π數(shù)，并綜合樁頂位移量綱分析，最終得到5個(gè)相似判據(jù):

模型與原型相似的充要條件是:只有全部相似準(zhǔn)數(shù)相等才能被稱為完全相似。但這在模型設(shè)計(jì)中往往是不可能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)樵S多相似準(zhǔn)數(shù)之間是矛盾的。在進(jìn)行模型設(shè)計(jì)時(shí)要分清各物理量的主次關(guān)系，首先要保證與研究對象關(guān)系密切的物理量的相似準(zhǔn)數(shù)相等，而忽略其他次要的物理量相似準(zhǔn)數(shù)。

根據(jù)模型在制作過程中的實(shí)際情況，并考慮到可利用的設(shè)備條件，從經(jīng)濟(jì)性、試驗(yàn)的可操作性等方面綜合分析，選取相似常數(shù)cL=20，即模型的幾何比尺為1∶20，而樁的長度及直徑都按相同比例縮小，即cK=1。

根據(jù)相似性原理可進(jìn)行如下推導(dǎo)，其中各物理量的下標(biāo)p和m分別代表原型和模型。

1.3試驗(yàn)設(shè)備布置

圖1為試驗(yàn)裝置示意圖。基準(zhǔn)樁設(shè)在模型樁及反力裝置影響范圍以外。大量程百分表固定在基準(zhǔn)梁上并對稱布置于模型樁的外側(cè)。模型樁樁身的應(yīng)力應(yīng)變數(shù)據(jù)通過電阻應(yīng)變片采集，其型號為BX120-5AA、電阻為（119.5±0.1）Ω，靈敏系數(shù)為2.08±1%，柵長5 mm，柵寬3 mm，精度等級A。電阻應(yīng)變片貼于模型樁的樁身內(nèi)側(cè)，沿深度方向逐層埋設(shè)，同一高度處以樁身軸線為基準(zhǔn)對稱布置兩片。2#、3#樁從地平面開始每間隔200 mm布置應(yīng)變片；1#樁因入土深度相對較淺，為更精確起見，每間隔100 mm布置應(yīng)變片。電阻應(yīng)變片通過端子和導(dǎo)線與程控靜態(tài)應(yīng)變儀相連，后者連接一臺數(shù)值整理電腦。

圖1　試驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Schematic diagrams of the experimental apparatus

在模型樁與反力裝置之間依次設(shè)置球形鉸座、千斤頂及荷載傳感器。反力裝置包括荷載板和若干根剛性短樁，荷載板豎直放置，荷載板的內(nèi)側(cè)緊貼荷載傳感器，荷載板的外側(cè)緊靠若干根等間距埋設(shè)的剛性短樁。球形鉸座、千斤頂、荷載傳感器均在一條直線上，且均通過模型樁樁身軸線。千斤頂施加的水平力通過模型樁的軸線，水平荷載作用線在地平面上50 mm處。樁頂水平位移由大量程百分表測得，水平荷載由荷載傳感器和數(shù)值測力儀測得。

1.4試驗(yàn)加載方法

試驗(yàn)采用單向多循環(huán)加載法。由反力裝置提供反力，采用10 t液壓千斤頂來施加水平推力，荷載量值的控制和顯示由荷載傳感器和數(shù)值測力儀來實(shí)現(xiàn)。加載方法按照《建筑地基基礎(chǔ)檢測規(guī)范》（DBJ 15—60—2008）［13］執(zhí)行。

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1單樁水平承載力

根據(jù)整理后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制出樁頂水平荷載-時(shí)間-樁頂水平位移（H0-t-Y0）曲線，如圖2所示，圖中“↓↑”表示加、卸載。

由圖2可見，3組模型樁的H0-t-Y0曲線均由直線段、彎曲段和陡降段組成。根據(jù)文獻(xiàn)［13］的規(guī)定:單樁的水平臨界荷載Hcr取單向多循環(huán)加載法時(shí)的H0-t-Y0曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的前一級水平荷載值，水平極限承載力Hu取H0-t-Y0曲線產(chǎn)生明顯陡降的起始點(diǎn)對應(yīng)的水平荷載值。由此得到如表5所列的單樁水平靜載荷試驗(yàn)結(jié)果。

圖2　單樁的H0-t-Y0曲線Fig.2 H0-t-Y0curves of the single piles

表5　單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experimental results of horizontal static loading on the single piles

結(jié)合圖2和表5可以看出:3組模型樁的受力在達(dá)到水平臨界荷載Hcr之前，H0-t-Y0曲線呈明顯的線性關(guān)系，循環(huán)加、卸載的殘余變形量小，大部分變形可恢復(fù)，而且在同級荷載內(nèi)，樁的水平位移隨加、卸載次數(shù)增加而增大的幅度很小；然而當(dāng)樁頂受力大于水平臨界荷載后，在相同的荷載增量下，樁的水平位移增量明顯大于前一級，且在同級荷載內(nèi)，樁的水平位移隨加、卸載次數(shù)增加而增大的幅度逐漸變大；當(dāng)樁頂受力大于極限承載力Hu后，樁的位移速率突然變大，H0-t-Y0曲線出現(xiàn)明顯的陡降段；在材質(zhì)相同、樁徑不變的前提下，水平臨界荷載Hcr和極限承載力Hu與入土樁長呈正相關(guān)關(guān)系。

2.2樁身截面彎矩

樁身任意截面彎矩M的計(jì)算公式為:式中:b0為拉、壓應(yīng)變測點(diǎn)的間距；I為模型單樁的樁截面對中性軸的慣性矩；Δε為樁截面上兩個(gè)電阻應(yīng)變片之間的軸向應(yīng)變差，Δε=ε+-ε-，其中ε+、ε-分別為拉應(yīng)變和壓應(yīng)變。根據(jù)測量結(jié)果計(jì)算得到樁身彎矩如圖3所示。

圖3　單樁的樁身彎矩曲線Fig.3 Bending moment curves of the single piles

從圖3中可以看出:在各級荷載條件下，1#、2#樁的樁身彎矩最大處分別集中在入土深度100 mm左右和200～300 mm，而3#樁的樁身彎矩最大處在入土深度300 mm左右，即樁身最大彎矩所在深度隨著樁的延長而增加，但最大彎矩點(diǎn)位置均在入土樁長的12.5%～18.5%之間，變化幅度不大；相同荷載條件下，樁身最大彎矩值隨著樁的延長而增大；彎矩主要集中在樁身上部，樁身下部彎矩很小，可以忽略；1#、2#、3#樁的樁身零彎矩點(diǎn)均隨著荷載的增大而沿樁身向下移動(dòng)，這表明隨著荷載的增加，更深處的土體參與作用以抵抗水平荷載。

2.3樁身剪力及樁側(cè)土抗力沿樁身的分布

對樁身彎矩M進(jìn)行一次微分得樁身剪力Q，對M進(jìn)行二次微分得樁側(cè)土抗力Ps，即

式中:D為樁身直徑。

圖4所示為樁身剪力Q沿樁入土深度的分布情況。從圖4中可以看出:3組模型樁的樁身最大剪力均出現(xiàn)在地平面處，即該處為最容易發(fā)生剪切破壞的部位；樁身剪力主要集中在樁身上部，且相同荷載下樁身最大剪力隨著樁入土深度的增加而增大。在實(shí)際工程中，樁基礎(chǔ)一般都是與筏板或承臺等相連接的，故要根據(jù)需求著重加固樁身上部剪力較大的部位，并采取一定措施對樁基礎(chǔ)與筏板、承臺等的連接處進(jìn)行處理。

圖4　單樁的樁身剪力曲線Fig.4 Shearing force curves of the single piles

圖5所示為樁側(cè)土抗力Ps沿樁入土深度的分布情況。從圖5中可以看出:3組模型樁的樁側(cè)土抗力最大值均出現(xiàn)在地平面附近，且相同荷載下樁側(cè)土抗力的最大值隨著樁入土深度的增加而增大；土抗力在樁身中部出現(xiàn)一個(gè)較大值，隨著樁入土深度的增加，該部位距地平面的深度也隨之增加，而隨著水平加載級數(shù)的增多，該部位沿樁身向下小幅移動(dòng)，這也是土抗力隨水平荷載加大而逐步發(fā)揮作用的一種體現(xiàn)。

圖5　單樁的樁側(cè)土抗力曲線Fig.5 Lateral soil resistance curves of the single piles

根據(jù)樁基理論，大多數(shù)樁側(cè)土抗力曲線呈S形或倒S形分布，但從圖5中可以看出，湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中單樁的樁側(cè)土抗力曲線呈不完整的S形分布，且樁側(cè)土抗力最大值出現(xiàn)在靠近樁頂?shù)奈恢茫渚唧w原因有待于進(jìn)一步研究。

3　結(jié)論

（1）湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中，在水平荷載作用下，相同材質(zhì)、相同樁徑單樁的水平臨界荷載Hcr和極限承載力Hu與入土樁長呈正相關(guān)關(guān)系。

（2）樁側(cè)土抗力、樁身彎矩和樁身剪力的最大值均隨著入土樁長的增加而增大。

（3）在水平荷載作用下，樁身彎矩和樁身剪力主要集中在樁身上部，且最容易發(fā)生剪切破壞的部位在樁頂處，在實(shí)際工程建設(shè)中要根據(jù)需要著重加固樁身上部剪力較大的部位，并采取一定措施對樁基礎(chǔ)與筏板、承臺等的連接處進(jìn)行處理。

（4）湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中單樁的樁側(cè)土抗力沿樁入土深度呈不完整的S形分布，且其最大值出現(xiàn)在靠近樁頂?shù)奈恢谩?/p>

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［13］廣東省建筑科學(xué)研究院.DBJ 15—60—2008建筑地基基礎(chǔ)檢測規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2008.

［責(zé)任編輯 尚 晶］

Experimental study on horizontal bearing capacity of single pile in Zhanjiang formation structural clay

Tang Bin1，Guo Fanfu1，Shen Jianhua2
（1.College of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China；2.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

The horizontal static load field tests for three model single piles with the same material，diameter and different length in Zhanjiang formation structural clay were carried out by using unidirectional cyclic loading method.The horizontal load-time-horizontal displacement（H0-t-Y0）relationship curves of pile top，horizontal critical load Hcr，ultimate horizontal bearing capacity Huand the variations of the single pile’s bending moment，shear force and lateral soil resistance with its buried depth were obtained based on the test data processing.Analysis results show that，under lateral load，Hcrand Huof the single piles with the same material and diameter in Zhanjiang formation structural clay are positively correlated with the pile length in the clay；the maxima of bending moment，shear force and lateral soil resistance increase with the lengthening of the piles；the bending moment and shear force are mainly distributed on the upper part of the piles，and shear failure most likely occurs at the pile tops；distribution curves of the lateral soil resistance with the pile’s buried depth in Zhanjiang formation structural clay have incomplete“S”shape，and the maximum soil resistance appears near the ground surface.

pile foundation；single pile；horizontal bearing capacity；Zhanjiang clay；structural clay；model test

TU473.1

A

1674-3644（2016）05-0387-06

2016-04-13

國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目（41372299）；國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（41302238）.

湯 斌（1970-），男，武漢科技大學(xué)教授，博士.E-mail:tangbinruocheng@163.com