考慮樁徑比影響的隴東深厚黃土地基群樁模型試驗研究

劉萬鋒 張斌偉

（1隴東學院土木工程學院，甘肅 慶陽 745000；2甘肅高校“黃土的工程性質及工程應用”省級重點實驗室，甘肅 慶陽 745000）

0 前言

黃土是第四紀時期的陸相沉積物，在全世界范圍內分布廣泛。我國的黃土主要分布在山西、陜西、甘肅的大部分地區，此外，河南西部、新疆、寧夏、內蒙古、黑龍江等也有分布。在這些地區中，尤其以隴東黃土高原最為典型，其黃土幾乎覆蓋了整個地區。

因黃土有特殊的結構性及力學特性，這導致對黃土地基中樁基形態的研究很難得出普遍規律為工程實踐服務。本文以慶陽市西峰區鳳凰大境（二期）項目深厚黃土為研究對象，進行隴東深厚黃土地基中群樁特性分析，開展樁長不同對于群樁承載力特性的研究。通過大量試驗研究，以期較全面掌握隴東深厚黃土地基中樁基受力性狀規律，對深厚黃土地區樁基工程設計和實踐提出有意義的建議和措施。

1 實驗設計

1.1 相似理論

在模型試驗中，合理選擇相似的參數和材料是保證模型試驗結果的重要環節，直接關系到試驗數據的可靠性。為了使模型試驗的仿真結果真實,客觀反映原型滑坡的相關規律,需做大量參數包括相關特征參數的模型材料,如幾何參數和力學參數滿足相似定理。然而對于相似的材料，幾乎不可能滿足所有參數的相似性，因為很難找到所有相似參數之間組合最多的關系。因此，研究各參數嚴格相似的相似材料是當前深厚黃土地基樁基工程模型試驗的一個瓶頸。如何運用模擬結果預測實際情況是目前深厚黃土地基樁基模型試驗研究還未解決的問題，要完成相似材料研究工作，須進行大規模的實驗研究，尚需一個很漫長的過程。

圖1 隴東深厚黃土地基群樁承載特性模型試驗方案

1.2 隴東深厚黃土地基群樁模型試驗條件

1.2.1 試驗黃土的來源和基本物理指標

為了有針對性地進行項目試驗，本課題采用甘肅省慶陽市西峰區鳳凰大境（二期）項目深厚黃土場地土壤進行深厚黃土群樁室內相似模型試驗。

表1 地基土物理力學參數

根據實驗測得，該土層的密度是2.1g/cm3，最大干密度1.74g/cm3，含水率20.6%，土粒比重2.7g/cm3。見表1。

1.2.2 實驗設備

試驗槽尺寸1.2m×1.2m×0.9m（長×寬×高）；試驗樁為直徑2cm的空心鋁管模擬。試驗承臺用尺寸12cm×12cm×0.5cm和24cm×24cm×1.0cm的鋼板模擬,用油壓千斤頂和反力鋼架作為設備。

試驗軸向應力量測和樁體應變量測分別采用BHR-1拉壓應力傳感器和DH3816N靜態應變測試系統，具有較高靈敏度和精度，從傳感器的靈敏度可得到傳感器信號大小。

試驗槽安置平臺用黏土磚塊砌筑而成，高約40cm。試驗槽中放入深厚黃土。根據試驗密度要求，將規定含水量的黃土分層擊實，每一層的厚度為10cm，用小型重錘夯實，每一層均勻擊實的次數為200次。擊實之后將表面鏟毛，利于下一層土的擊實，重復該操作若干次，直到土層厚度達到試驗要求厚度90cm。控制每次試驗時，同一層的密度基本保持一致（每次試驗土層密度差控制在10%以內），并計算出每一層地基土的含水率，若地基土的每層土的含水率不一致，用灑水的處理方式使其一致。

試驗鋁管按照要求分別截取不同的試驗長度，鋁管樁一端用透明膠封口，做簡單的漏漿處理，之后在其中灌入水泥砂漿（水泥砂漿成自然流動狀），同時用細竹條和小木棒做搗插和振動，保證鋁管樁內砂漿密實達到試驗樁的強度要求，灌筑完成后將樁置于干燥箱中（溫度控制在35℃恒溫）烘烤12小時，將烘烤后達到試驗強度要求的模擬鋁管樁用銼刀和砂紙打磨拉毛后，在樁身上每隔10cm的截面處用705硅橡膠粘貼應變片（涂抹膠水處用薄塑料紙搓揉，待有氣泡產生之后停止搓揉，觀察應變片是否貼于模擬鋁管樁上），等待4小時接線。用應力測試系統軟件現場測試每個截面的應變片是否平衡，若溢出或未平衡，在沉樁之前重新粘貼應變片，直至調試每個截面應變片平衡之后再沉樁。

為防止黃土擊實過程中對樁體的破壞，用特制鋼管（4cm×15cm）保護樁體。本層黃土擊實完成后，將鋼管提升10cm，再擊實下一層黃土，這既能保證樁體與黃土之間的完全接觸，也防止了樁體應變片在擊實過程中受到破壞。

安裝承臺板置于樁端的中心，在承臺板四個對角安裝上百分表，把百分表固定，使其在震動下不會移動。調試檢查所有實驗裝置，包括DH3816N靜態應變測試系統和BHR-1拉壓應力傳感器，之后開始試驗。

1.2.3 實驗方式

試驗加載方式為慢速荷載維持法。把預估的極限承載力等分為不少于8級加載，用油壓千斤頂施加荷載，每級荷載增量為30kPa，直到單樁或群樁出現沉降裂縫、沉降量過大或沉降-時間關系曲線發生明顯突變時停止試驗。

2 考慮樁徑比的隴東深厚黃土地基群樁承載力試驗

2.1 樁徑比對承臺沉降的形態和速率影響的三個階段

由圖3（a）可知，對于深厚黃土群樁基礎而言，樁徑比對承臺沉降的形態和速率影響明顯。具體來講分三個階段。

第一階段：彈性沉降階段。在彈性沉降階段，Q-S曲線基本上呈現線彈性，此時樁長對沉降的限制作用不大，反而由于各種隨機因素，樁徑比大的情況沉降量更大。這是由于這個階段主要是樁周土的彈性壓縮沉降，樁周土的摩擦強度沒有發揮，偶然因素影響較大。

第二階段：塑性變形階段。基本上是等速率沉降，而樁徑比小的短樁，其沉降速率顯著增大。這是由于長樁的摩擦效應得到有效發揮，樁-土共同工作成為一個整體，發生塑性變形。盡管外部荷載持續增大，但是長樁（試驗中樁徑比為25）的沉降量基本保持在一個水平線，表現出了緩慢流變的特性。

第三階段：加速沉降階段。在這一階段，長樁的沉降量顯著增大，樁土之間摩擦強度逐漸變小或者發生滑移，相較而言，長樁的沉降速率遠遠大于短樁，由于荷載的持續加大，使得這種土的摩擦力達到極限甚至樁-土之間發生了滑移效應，產生了摩阻力的突變，使得在這一階段其沉降速率和沉降量隨之發生大的增長，屬于整體的剪切破壞。而短樁由于前期樁土作用效應不明顯，不可能發生上述樁土作用的突變，其仍然按照一定的非線性過程緩慢變形和沉降，屬于局部的剪切破壞。這一階段的本質是樁土作用降低或者失效的階段，其結果就是樁體刺入或者承臺沉降量過大而宣告基礎失效。

上述變化過程和規律在圖3（b）中也得到體現。由圖3（b），短樁的沉降量在9.5小時之前比較大，而在9.5小時以后，長樁的沉降量顯著增大。結合前述可知，對于樁基工程而言，一般控制其承載力小于容許承載力，且遠小于極限承載力，在此狀態下，對于深厚黃土樁基工程，選擇長樁對于群樁基礎的沉降控制效果更好，值得工程界重視。

2.2 不同樁長和樁徑比的群樁基礎應變的時空變化

圖4 不同樁徑比下的樁體應變比較圖

通過對圖4分析可知，不同樁長和樁徑比的群樁基礎，其樁體應力和應變隨著時空改變而發生相應調整，其宏觀變化規律如下。

1）針對加載過程中樁周土的形態，可將樁體應變發展過程劃分為以下三個階段：

(1)彈性變形階段。在這個階段，樁周土基本上按照彈性壓縮發展，樁體應變和應力發展也是按照擬線彈性發展。

(2)塑性變形階段。樁體應變增長不多或者基本為一個水平狀態。

(3)破壞階段。這個階段，樁周土隨著變形的發展，后期展現出一定的軟化特性，而伴隨著承臺沉降的顯著增長，基礎失效。

2）從空間（隨z的變化）層面來看，不同的樁體位置，其對于不同樁徑比的響應不同，具體表現如下：

第一，對長樁而言，根據樁周土的狀態,可劃分為彈性、塑性、和破壞三個階段。①彈性階段：a)樁頂部位樁體應變最大為800單位，樁中間部位樁體最大應變為600單位，樁底部位的最大應變為100單位。說明長樁的樁體應變上部最大，往下慢慢變小，這與工程實踐相吻合。b)長樁頂部位置達到彈性拐點的時間較早，越往下，達到彈性拐點的時間越來越后。②塑性階段：a)當樁體應變越過彈性拐點后，其應變量基本保持在一個水平上，在這個水平上保持很長的時間，而后進入應變突變，再進入應變減小階段。這一過程的力學機理可能是，當樁體應變越過彈性拐點后，由于前期的壓縮固結，使得樁周土的摩擦效果極大發揮，樁土共同作用體現，經過這個過程，中上部荷載逐級增大，但樁周土提供的摩阻力也不斷增大，兩相比較，使得樁體本身的內力增長緩慢，從而樁體應變基本上保持在一條水平線上。b)這個階段的樁體應變仍然是上部大，下部小。③破壞階段:樁-土相互作用力變小，樁土無法協同工作，從而使得樁體應變發生突變（樁體應變瞬間增加），樁基承載力顯著降低，承臺沉降顯著增大，經過上部荷載增大，但樁體沉降卸荷的速率更大，從而導致了樁基破壞失效。

第二，對短樁而言，依據樁周土的性狀，可劃分為彈性、塑性、和破壞三個階段。①彈性階段：a)樁頂部位樁體應變最大為200單位，樁中間部位樁體最大應變為200單位，樁底部位的最大應變為50單位。說明短樁的樁體應變上部最大，往下慢慢變小，但變小的速率比長樁要慢得多，以至于中間部位基本和樁頂部位的應變差不多。b)短樁頂部的彈性拐點出現的比較遲，這是由于頂部樁土作用小，主要靠樁體自身承載，但樁體剛度大，其彈性應變基本按線彈性增長，而且其彈性范圍也較大，所以進入塑性階段的時間比較遲。但是，短樁的中下部位置的彈性拐點早，這是由于短樁的樁土摩擦力小，彈性達到了樁周土的極限，而使得樁周土出現了塑性階段。長樁的彈性拐點出現得晚一點，尤其是越往深處，其彈性拐點出現越晚。②塑性階段：短樁樁體應變也基本上呈現水平狀態。此時，樁土的作用得到了發揮，樁體應變的變化幅度不太大。③破壞階段：當荷載繼續增大，由于樁周土的強度達到了土的極限強度，此時樁土之間的相互作用變弱或者樁土之間發生滑移，使得樁體應變發生突變，承臺的沉降增大，樁體的下降速度也增大，導致樁體應變顯著減少而發生基礎失效。

第三，長樁的樁土相互作用比較強，其樁周土的塑性發展過程比短樁要長，表現出一定的整體剪切形態和塑性特征。短樁恰恰相反，其塑性發展過程比較短，表現出一定的局部剪切形態和脆性特征。

3 結論

通過隴東深層黃土群樁基礎模型試驗，考慮了樁徑比對群樁承載特性的影響，可以得知，對于深厚黃土群樁基礎而言，樁徑比對承臺沉降速率影響較為明顯。初始階段樁長對沉降的抑制作用發揮不大，隨著樁間土塑性變形的發展，長樁優勢凸顯，其沉降基本上是等速率的，而短樁控制變形速率的能力較差。長樁的破壞屬于整體剪切破壞，短樁的破壞屬于局部剪切破壞。荷載不斷增大，長樁的沉降量明顯增大，樁土作用明顯減小甚至滑移，宣告樁基礎無效。對于深厚黃土樁基礎工程，選擇長樁對群樁基礎具有較好的沉降控制效果。