樁周淺層土硬化對樁側向力學特性及破壞模式的影響

徐兵

（四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司）

0 引言

樁基礎作為一種常見的深基礎形式，能有效降低上部結構因自重荷載引起的沉降變形，同時還能有效抵御由風荷載、車輛或地震荷載導致的側向變形。對于承受明顯側向作用的人工建(構)筑物，樁基礎側向承載力的評價是設計工作中一項重要的內容[1-2]。對于樁側向承載特性及破壞模式的研究成果十分豐富。聶如松等[3]基于現場測試結果，采用三維有限元技術分析低承臺橋臺樁基在臺后路基填土側向作用中樁頂水平變形和樁側附加水平擠壓力。李潤雨等[4]借助振動臺，對飽和砂土中的樁側向動力響應特性和p-y 滯洄曲線進行研究。吳曉等[5]通過土質岸坡框架碼頭模型試驗，分析了在水平推力作用下樁前后側向土壓力沿深度方向、水平方向的分布規律。肖成志等[6]通過有限差分數值模擬與模型試驗對比分析，分析了復合基礎下單樁與群樁的承載特性和破壞模式。

然而以上研究樁周土大多為天然地基，而樁周土物理力學特性對樁橫向承載力的影響很大[7-8]，在工程中對樁周一定范圍的淺層土進行適當加固或硬化，對提高樁側向承載具有顯著的效果且較為經濟。因此本文開展剛性樁側向加載現場試驗研究，對樁周土不同范圍及深度的土層進行硬化處理，以探討土層硬化效應對樁側向承載特性及破壞模式發展的影響。

1 模型試驗介紹

1.1 試驗場地

查閱現場詳細地勘報告可知，場地土為低塑性黏土，天然重度γ=16.2kN/m3，液限25.1%，塑限11.9%。另外通過三軸試驗，可得地基土有效粘聚力（c′）為24.2kPa，有效內摩擦角（φ′）為22.9°。

1.2 樁周土層硬化

樁周土硬化材料采用水泥穩定砂，即風干的河沙（emax=0.92，emin=0.63，D50=0.18）、硅酸鹽水泥和水按一定比例均勻混合而成，三者的重量比為75:10:15。具體施作過程：先將樁周地表土按設計深度進行挖除，然后采用攪拌均勻的水泥穩定砂進行分層填筑，規定每層厚度為80mm，壓實至設計重度17.8kN/m3，壓實后含水率保持在12%。填筑完成后需要保水養護15d 后再開展側向加載試驗，同時取硬化土樣（直徑50mm，高100mm）進行排水路徑的三軸試驗（圍壓分別為20kPa、200kPa 及400kPa），試驗曲線如圖1 所示。從圖中可得硬化土層的有效粘聚力（c′）為345.5kPa，有效內摩擦角（φ′）為37.9°。本次試驗的試驗變量為硬化土層的直徑和深度，試驗工況見表1。

表1 試驗工況

圖1 地表加固土三軸試驗曲線圖

1.3 側向荷載方案

圖2 為現場側向荷載試驗方案圖。試驗中剛性樁為螺旋挖孔樁，樁身采用C15 混凝土澆筑，樁徑D=0.6m，樁長L=3m。試驗過程中為了防止樁體在側向荷載下出現塑性變形，對樁身進行H 型鋼加固。側向加載的動力系統為液壓千斤頂，與鋼管傳力桿相連，傳力桿兩端各作用一根試樁，形成作用力和反作用力的力學平衡模式，該方案設計可采集到兩組試驗條件相同的數據。在傳力桿端頭鑲嵌力傳感器，并與計算機相連，用以實時采集、記錄試驗數據。試驗過程嚴格按照《建筑地基基礎設計規范》中的規定，采用分級加載，每級荷載為水平極限承載力的1/10～1/15，且每級荷載持時為10 個小時，待樁體變形穩定(側向位移小于0.1mm)后再施加下一級。

圖2 現場試驗布置圖

2 試驗結果分析

2.1 樁周土加固深度的影響

側向極限承載力呈先增加后減小的變化趨勢，在Dc=1.8m 時最大，在樁周硬化深度較小時，存在一個最優的硬化直徑，此時控制樁側向承載力的主要因素是硬化深度Lc；而對于硬化深度Lc=0.2L，樁側向極限承載力隨著硬化直徑的增大呈近似線性增加。這說明只有在樁周硬化深度達到一定值的基礎上，通過增加硬化直徑才能使樁側向承載力達到工程預期。

圖3 不同加固深度與水平極限承載力的關系圖

2.2 樁周土加固直徑的影響

圖4 為樁周土不同硬化直徑與樁水平極限承載力關系曲線圖。從圖中可以看出，當硬化直徑與樁徑比Dc/D=3 時，剛性樁水平極限承載力與硬化直徑呈線性增加關系；而當Dc/D=4 時，水平極限承載力隨硬化直徑的增加呈先增后減的趨勢，存在一個最優硬化直徑(Dc=0.6m)使得水平極限承載力達到最大。可見，當樁周土硬化直徑達到一定值后，一味地增加硬化直徑對提高樁的側向承載力沒有顯著效果，甚至還會起到降低的作用。

圖4 不同加固直徑與水平極限承載力的關系圖

2.3 破壞模式分析

圖5 為地表土加固(Lc=0.1L，Dc=3D)的剛性樁橫向承載失效示意簡圖。從圖中可以看出，樁周土加固下剛性樁側向承載失效的變化過程大致可分為三個階段。第一個階段，處于加載初期，側向荷載較小（約為15%側向極限荷載），由于剛度差異在側向荷載作用一側加固土層與天然地基之間出現了空隙，空隙延伸至垂直于荷載方向過圓心的位置，且以荷載方向呈45°角向天然地基繼續延伸，沿兩側基本對稱分布。與此同時，加固土與剛性樁仍保持為一有機整體，共同承擔側向荷載作用，未見明顯裂縫，剛性樁還具有較大的側向承載儲備，可將這一階段視為彈塑性變形階段。

圖5 地表土加固下剛性樁橫向承載失效模式示意圖

在第二階段，隨著側向荷載的增加（約為75%側向極限荷載），加固土中出現貫通裂縫，以45°角從加固土-樁界面延伸至加固土-天然地基界面，沿兩側對稱分布。且在加固土與樁體之間出現空隙，空隙末端連接貫通裂縫，致使加固土與樁身之間的整體性遭到破壞，側向剛度顯著降低，側向變形有較大增加。另外，在加固土與天然地基交界面（側向力作用方向）出現較多延伸至天然地基中的裂縫，并在不斷發展擴大，這是由于樁和加固層在側向變形時對毗鄰天然地基側向擠壓所致。此時加固土-剛性樁系統已進入完全塑性階段。

在第三階段，側向荷載已接近最大側向承載力，與上一階段特征顯著不同的是，在加固土中新增了一條與側向力幾乎平行的宏觀貫通裂縫，且在加固土-天然地基土界面的側向力作用方向一側，出現肉眼可見的裂隙，并在周圍伴隨密集的、延伸至天然地基的細小裂縫。加固土和天然地基用以提供給剛性樁的側向抗力達到最大，側向承載開始失效，而樁身并未發生結構破壞，此時可視為樁周硬化土-剛性樁系統達到極限承載階段。

3 結論

⑴當Lc=0.1L，隨著硬化直徑Dc的增加，剛性樁側向極限承載力呈先增后減的變化趨勢；當Lc=0.2L，樁側向極限承載力隨著Dc的增大呈近似線性增加。

⑵當Dc/D=3，樁水平極限承載力與硬化直徑呈線性增加關系；當Dc/D=4 時，水平極限承載力隨Dc的增加呈先增后減，存在一個最優硬化直徑(Dc=0.6m)使得水平極限承載力達到最大。

⑶地表土硬化下剛性樁橫向承載失效過程大致可分為三個階段，分別為彈塑性階段、完全塑性階段及承載失效階段。側向荷載下的破壞模式為樁周硬化土及天然地基水平抗力達到極限，而非樁體的破壞。