公路橋梁樁基礎(chǔ)受豎向荷載樁側(cè)土接觸面損傷機(jī)理模型試驗(yàn)研究

葉妤文，麥 健，張學(xué)峰

(1.廣東潮汕環(huán)線(xiàn)高速公路有限公司，廣東 廣州 510000; 2.寧夏道路運(yùn)輸事務(wù)中心，寧夏 銀川 750002;3.交通運(yùn)輸部公路科學(xué)研究院，北京 100088)

0 引言

改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展迅速，截止2020年底，我國(guó)公路橋梁數(shù)量91.28萬(wàn)座，由于鉆孔灌注樁基礎(chǔ)具有施工工藝成熟、質(zhì)量可靠、承載能力大等優(yōu)越性，在橋梁工程中被廣泛采用[1-2]。橋梁基礎(chǔ)是否安全關(guān)系到整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)能否安全工作，樁基礎(chǔ)與土體相互作用對(duì)橋梁極限狀態(tài)具有重要影響，在設(shè)計(jì)中需要考慮[3-6]。對(duì)于摩擦樁其樁側(cè)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(xiàn)為位移失效[7-8]。本研究旨在研究鉆孔灌注樁基礎(chǔ)受豎向荷載樁側(cè)與土體接觸面損傷機(jī)理。

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

調(diào)研分析表明國(guó)內(nèi)外關(guān)于樁土接觸面損傷方面研究成果不多[9-11]。張嘎等通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)樁-粗粒砂土基接觸面損傷分析模型進(jìn)行研究，并提出了樁-粗粒砂土接觸面損傷指數(shù)，并經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的可靠性[12]。此項(xiàng)成果中損傷指數(shù)適用范圍比較狹窄，且損傷指數(shù)采用土體剪切應(yīng)變作為損傷指標(biāo)，該指標(biāo)在實(shí)際工程應(yīng)用中量測(cè)困難，不便于工程應(yīng)用。本研究目的是通過(guò)樁土作用理論分析推導(dǎo)出樁土傳遞函數(shù)，掌握鉆孔灌注樁基礎(chǔ)樁土損傷機(jī)理，在此基礎(chǔ)上建立鉆孔灌注樁基礎(chǔ)樁土損傷指數(shù)和損傷傳遞函數(shù)。

1 理論分析

樁基在豎向荷載作用下樁基受到軸向荷載發(fā)生壓縮變形，樁土接觸面發(fā)生相對(duì)剪切變形導(dǎo)致相應(yīng)土體變形受力對(duì)樁體產(chǎn)生向上的阻力，即樁基摩阻力。研究樁土接觸面損傷機(jī)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(guān)系[13-15]。

為研究鉆孔灌注樁基礎(chǔ)樁土荷載傳遞關(guān)系，在樁身任意深度處取一微分樁段見(jiàn)(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(cè)土體深度z處提供的側(cè)摩阻力Q(z) 為樁體深度z處截面軸向力；U為樁基周長(zhǎng)。

若加于樁頂?shù)暮奢d為Q0，則深度Z處樁身軸力Q(z)為：

(3)

樁微分段產(chǎn)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(chǔ)樁土作用微分方程，該微分方程是反映樁土接觸面?zhèn)饶ψ枇εc剪切變形量之間的函數(shù)關(guān)系，該方程只有確立τ-S的關(guān)系曲線(xiàn)才能進(jìn)行求解[16-17]。通過(guò)本研究進(jìn)行的室內(nèi)模型試驗(yàn)和大量樁基工程試樁試驗(yàn)及相關(guān)研究成果表明鉆孔灌注樁基礎(chǔ)樁土接觸面τ-S關(guān)系呈現(xiàn)雙曲線(xiàn)關(guān)系[18]，τ-S關(guān)系曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。

圖2 τ-S關(guān)系曲線(xiàn)Fig.2 τ-S relationship curve

τ-S關(guān)系曲線(xiàn)關(guān)系式為：

(7)

式中，τ為鉆孔灌注樁樁土間側(cè)摩阻力；S為樁土接觸面相對(duì)變形量;a、b為雙曲線(xiàn)模型常數(shù)。

取樁土接觸面相對(duì)變形S趨于無(wú)限大時(shí)，樁土接觸面達(dá)到極限側(cè)摩阻力τm。

(8)

取樁土接觸面相對(duì)變形S趨于0時(shí)：

(9)

(10)

2 損傷指數(shù)

鉆孔灌注樁在上部結(jié)構(gòu)傳遞豎向荷載下，樁身發(fā)生壓縮變形，由于鉆孔灌注樁基礎(chǔ)樁側(cè)土體與樁身緊密接觸，樁側(cè)土體也受到向下的摩擦力，產(chǎn)生剪切變形，對(duì)樁基產(chǎn)生向上的摩阻力，當(dāng)豎向荷載逐漸加大時(shí)，樁側(cè)摩阻力也逐漸增大；當(dāng)豎向荷載達(dá)到一定值時(shí)，部分土層土體摩阻力達(dá)到極限，不再增加；當(dāng)豎向荷載繼續(xù)增加，樁頂位移快速增加，此時(shí)對(duì)于豎向荷載即為樁基極限承載力[19]。

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

(11)

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

(12)

式中S0為樁頂位移。

3 模型試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)方案

為掌握鉆孔灌注樁基礎(chǔ)樁土接觸面損傷機(jī)理，本研究開(kāi)展了25組樁-土接觸剪切模型試驗(yàn)，試驗(yàn)采用5種有代表性土樣進(jìn)行樁土接觸面損傷試驗(yàn)，采用豎向應(yīng)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(yàn)加載照片見(jiàn)圖2。樁土接觸面試驗(yàn)剪切盒有兩個(gè)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(qiáng)四氟板，容器如圖3所示。

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

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

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)樁-土接觸面τ-S測(cè)試結(jié)果

各種土體樁-土接觸面損傷模型試驗(yàn)各工況測(cè)試τ-S曲線(xiàn)見(jiàn)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(fā)揮隨樁土相對(duì)位移增加而加大，當(dāng)相對(duì)位移達(dá)到一定量時(shí)，相對(duì)位移增加樁土摩阻力不再增大，此時(shí)對(duì)應(yīng)的摩阻力即為樁土極限摩阻力；③樁-土接觸面曲線(xiàn)呈雙曲線(xiàn)形態(tài)。

圖5 各工況測(cè)試τ-S曲線(xiàn)Fig.5 τ-S curves in test under different conditions

(2)樁土接觸面損傷指數(shù)結(jié)果分析

圖6 各工況D-S測(cè)試曲線(xiàn)Fig.6 D-S curves in test under different conditions

圖7 級(jí)配良好砂土實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果比較Fig.7 Comparison of measured data of well-graded sand and calculation result of model

根據(jù)各種土體樁-土接觸面損傷模型試驗(yàn)各工況測(cè)試數(shù)據(jù)和式(12)得出各土體樁土接觸面D-S曲線(xiàn)見(jiàn)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(xiàn)形狀相似；②土體損傷指數(shù)隨樁土相對(duì)位移量S增加而變大，當(dāng)S達(dá)到一定量值時(shí)D=1，表示接觸面破壞；③在樁土相對(duì)位移量相等時(shí)，損傷指數(shù)隨深度增加減小。

(3)樁土接觸面?zhèn)鬟f函數(shù)模型試驗(yàn)驗(yàn)證

根據(jù)樁側(cè)土接觸面?zhèn)鬟f函數(shù)模型計(jì)算出各種土體(級(jí)配良好砂土、級(jí)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(guān)系曲線(xiàn)，各模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)值與模型計(jì)算值結(jié)果如圖7～圖11所示。

圖8 級(jí)配不良砂土實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果比較Fig.8 Comparison of measured data of poor-graded sand and calculation result of model

圖9 亞黏土實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果比較Fig.9 Comparison of measured data of loam and calculation result of model

圖10 黏性土實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)果比較Fig.10 Comparison of measured data of cohesive soil and calculation result of model

圖11 亞砂土實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與模型計(jì)算結(jié)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與樁側(cè)土接觸面模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比圖中可以看出樁側(cè)土接觸面?zhèn)鬟f函數(shù)模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值基本相符，驗(yàn)證了本研究提出模型是適用和可靠的。

4 結(jié)論

由理論分析及樁側(cè)土接觸面損傷機(jī)理模型試驗(yàn)結(jié)果分析，得出結(jié)論如下：

(1)模型試驗(yàn)表明土體所處深度對(duì)樁土接觸面?zhèn)饶ψ枇τ绊戄^大，從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，樁土接觸面?zhèn)饶ψ枇εc土體深度成正比。

(2)大量模型試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果表明樁土接觸損傷與樁土相對(duì)滑移量正相關(guān)，當(dāng)相對(duì)滑移量達(dá)到一定值時(shí)，接觸面破壞。

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

(4)從模型試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，不同樁側(cè)土體的損傷變形過(guò)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(jì)算分析中應(yīng)考慮不同土層協(xié)調(diào)變形和樁側(cè)土體深度效應(yīng)。