公路橋梁樁基礎受豎向荷載樁側土接觸面損傷機理模型試驗研究

葉妤文，麥 健，張學峰

(1.廣東潮汕環線高速公路有限公司，廣東 廣州 510000; 2.寧夏道路運輸事務中心，寧夏 銀川 750002;3.交通運輸部公路科學研究院，北京 100088)

0 引言

改革開放以來，我國經濟實現跨越式發展，基礎設施發展迅速，截止2020年底，我國公路橋梁數量91.28萬座，由于鉆孔灌注樁基礎具有施工工藝成熟、質量可靠、承載能力大等優越性，在橋梁工程中被廣泛采用[1-2]。橋梁基礎是否安全關系到整個橋梁結構能否安全工作，樁基礎與土體相互作用對橋梁極限狀態具有重要影響，在設計中需要考慮[3-6]。對于摩擦樁其樁側摩阻力是樁基傳遞荷載的主要途徑，樁體的失效模式往往表現為位移失效[7-8]。本研究旨在研究鉆孔灌注樁基礎受豎向荷載樁側與土體接觸面損傷機理。

圖1 樁土作用示圖Fig.1 Pile-soil interaction diagram

調研分析表明國內外關于樁土接觸面損傷方面研究成果不多[9-11]。張嘎等通過室內模型試驗對樁-粗粒砂土基接觸面損傷分析模型進行研究，并提出了樁-粗粒砂土接觸面損傷指數，并經過模型試驗數據驗證了模型的可靠性[12]。此項成果中損傷指數適用范圍比較狹窄，且損傷指數采用土體剪切應變作為損傷指標，該指標在實際工程應用中量測困難，不便于工程應用。本研究目的是通過樁土作用理論分析推導出樁土傳遞函數，掌握鉆孔灌注樁基礎樁土損傷機理，在此基礎上建立鉆孔灌注樁基礎樁土損傷指數和損傷傳遞函數。

1 理論分析

樁基在豎向荷載作用下樁基受到軸向荷載發生壓縮變形，樁土接觸面發生相對剪切變形導致相應土體變形受力對樁體產生向上的阻力，即樁基摩阻力。研究樁土接觸面損傷機理要分析清楚豎向荷載作用下樁土間荷載的傳遞路徑及相互關系[13-15]。

為研究鉆孔灌注樁基礎樁土荷載傳遞關系，在樁身任意深度處取一微分樁段見(圖1)，由平衡條件可得[7]：

τ(z)Udz+Q(z)+dQ(z)=Q(z)，

(1)

(2)

式中，τ(z)為樁側土體深度z處提供的側摩阻力Q(z) 為樁體深度z處截面軸向力；U為樁基周長。

若加于樁頂的荷載為Q0，則深度Z處樁身軸力Q(z)為：

(3)

樁微分段產生的彈性變形dS(z)為：

(4)

將式(4)變形后，可得：

(5)

式中，A為樁基橫截面面積；E為樁基混凝土彈性模量。

由式(5)和式(2)得到：

(6)

式(6)為鉆孔灌注樁基礎樁土作用微分方程，該微分方程是反映樁土接觸面側摩阻力與剪切變形量之間的函數關系，該方程只有確立τ-S的關系曲線才能進行求解[16-17]。通過本研究進行的室內模型試驗和大量樁基工程試樁試驗及相關研究成果表明鉆孔灌注樁基礎樁土接觸面τ-S關系呈現雙曲線關系[18]，τ-S關系曲線見圖2。

圖2 τ-S關系曲線Fig.2 τ-S relationship curve

τ-S關系曲線關系式為：

(7)

式中，τ為鉆孔灌注樁樁土間側摩阻力；S為樁土接觸面相對變形量;a、b為雙曲線模型常數。

取樁土接觸面相對變形S趨于無限大時，樁土接觸面達到極限側摩阻力τm。

(8)

取樁土接觸面相對變形S趨于0時：

(9)

(10)

2 損傷指數

鉆孔灌注樁在上部結構傳遞豎向荷載下，樁身發生壓縮變形，由于鉆孔灌注樁基礎樁側土體與樁身緊密接觸，樁側土體也受到向下的摩擦力，產生剪切變形，對樁基產生向上的摩阻力，當豎向荷載逐漸加大時，樁側摩阻力也逐漸增大；當豎向荷載達到一定值時，部分土層土體摩阻力達到極限，不再增加；當豎向荷載繼續增加，樁頂位移快速增加，此時對于豎向荷載即為樁基極限承載力[19]。

由以上分析可知，樁側土體提供的樁側摩阻力大小跟樁土相對位移量有關，樁土相對位移量增大，則土體提供的樁側摩阻力就增大，當樁土相對位移量增大到一定值之后，樁側摩阻力不再增加。因此樁土接觸面損傷與樁土相對位移量相關，可將樁土相對位移量作為樁土接觸面損傷指標，建立損傷指數如下：

(11)

式中，S(z)為樁土接觸面相對滑移量；Scu(z)為樁側土體極限滑移量，0≤D(z)≤1,D(z)=0表示接觸面沒有損傷，D(z)=1表示接觸面破壞。由式(10)和(11)得樁側土損傷傳遞函數模型為：

(12)

式中S0為樁頂位移。

3 模型試驗

3.1 試驗方案

為掌握鉆孔灌注樁基礎樁土接觸面損傷機理，本研究開展了25組樁-土接觸剪切模型試驗，試驗采用5種有代表性土樣進行樁土接觸面損傷試驗，采用豎向應力等效模擬不同深度土體，每種土體分別模擬10，20，30，40，50 m深度工況，試驗加載照片見圖2。樁土接觸面試驗剪切盒有兩個盒體容器組成，分別是樁體盒和土體盒，容器凈截面為20 cm×20 cm，容器采用厚度為4 cm的鋼板制作而成，兩盒體接觸面用為3 mm的高強四氟板，容器如圖3所示。

圖3 樁-土摩擦損傷機理試驗總體布置Fig.3 Pile-soil friction damage mechanism test overall arrangement

圖4 樁土接觸面試驗剪切盒Fig.4 Shear box for pile-soil interface test

3.2 試驗結果分析

(1)樁-土接觸面τ-S測試結果

各種土體樁-土接觸面損傷模型試驗各工況測試τ-S曲線見圖5。從圖中可以看出：①各土體極限摩阻力隨土體深度增加而增大；②土體摩阻力發揮隨樁土相對位移增加而加大，當相對位移達到一定量時，相對位移增加樁土摩阻力不再增大，此時對應的摩阻力即為樁土極限摩阻力；③樁-土接觸面曲線呈雙曲線形態。

圖5 各工況測試τ-S曲線Fig.5 τ-S curves in test under different conditions

(2)樁土接觸面損傷指數結果分析

圖6 各工況D-S測試曲線Fig.6 D-S curves in test under different conditions

圖7 級配良好砂土實測數據與模型計算結果比較Fig.7 Comparison of measured data of well-graded sand and calculation result of model

根據各種土體樁-土接觸面損傷模型試驗各工況測試數據和式(12)得出各土體樁土接觸面D-S曲線見圖6，從圖中可以看出：①各土體不同深度工況接觸面D-S曲線形狀相似；②土體損傷指數隨樁土相對位移量S增加而變大，當S達到一定量值時D=1，表示接觸面破壞；③在樁土相對位移量相等時，損傷指數隨深度增加減小。

(3)樁土接觸面傳遞函數模型試驗驗證

根據樁側土接觸面傳遞函數模型計算出各種土體(級配良好砂土、級配不良砂土、亞黏土、黏性土、亞砂土)各深度工況樁-土接觸面τ-S關系曲線，各模型試驗實測值與模型計算值結果如圖7～圖11所示。

圖8 級配不良砂土實測數據與模型計算結果比較Fig.8 Comparison of measured data of poor-graded sand and calculation result of model

圖9 亞黏土實測數據與模型計算結果比較Fig.9 Comparison of measured data of loam and calculation result of model

圖10 黏性土實測數據與模型計算結果比較Fig.10 Comparison of measured data of cohesive soil and calculation result of model

圖11 亞砂土實測數據與模型計算結果比較Fig.11 Comparison of measured data of sub-sand soil and calculation result of model

從以上各種土樣各工況實測數據與樁側土接觸面模型計算結果對比圖中可以看出樁側土接觸面傳遞函數模型計算值與實測值基本相符，驗證了本研究提出模型是適用和可靠的。

4 結論

由理論分析及樁側土接觸面損傷機理模型試驗結果分析，得出結論如下：

(1)模型試驗表明土體所處深度對樁土接觸面側摩阻力影響較大，從測試結果來看，樁土接觸面側摩阻力與土體深度成正比。

(2)大量模型試驗測試結果表明樁土接觸損傷與樁土相對滑移量正相關，當相對滑移量達到一定值時，接觸面破壞。

(3)本研究提出的損傷指數模型能夠很好地反映樁土接觸面的損傷程度，與模型試驗結果吻合。

(4)從模型試驗結果來看，不同樁側土體的損傷變形過程是不一樣的，且同一土體不同深度其損傷變形也是不同的，因此工程計算分析中應考慮不同土層協調變形和樁側土體深度效應。