樁周淺層土硬化對樁側(cè)向力學(xué)特性及破壞模式的影響

徐兵

（四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司）

0 引言

樁基礎(chǔ)作為一種常見的深基礎(chǔ)形式，能有效降低上部結(jié)構(gòu)因自重荷載引起的沉降變形，同時(shí)還能有效抵御由風(fēng)荷載、車輛或地震荷載導(dǎo)致的側(cè)向變形。對于承受明顯側(cè)向作用的人工建(構(gòu))筑物，樁基礎(chǔ)側(cè)向承載力的評價(jià)是設(shè)計(jì)工作中一項(xiàng)重要的內(nèi)容[1-2]。對于樁側(cè)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(xiàn)場測試結(jié)果，采用三維有限元技術(shù)分析低承臺(tái)橋臺(tái)樁基在臺(tái)后路基填土側(cè)向作用中樁頂水平變形和樁側(cè)附加水平擠壓力。李潤雨等[4]借助振動(dòng)臺(tái)，對飽和砂土中的樁側(cè)向動(dòng)力響應(yīng)特性和p-y 滯洄曲線進(jìn)行研究。吳曉等[5]通過土質(zhì)岸坡框架碼頭模型試驗(yàn)，分析了在水平推力作用下樁前后側(cè)向土壓力沿深度方向、水平方向的分布規(guī)律。肖成志等[6]通過有限差分?jǐn)?shù)值模擬與模型試驗(yàn)對比分析，分析了復(fù)合基礎(chǔ)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(xué)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(jìn)行適當(dāng)加固或硬化，對提高樁側(cè)向承載具有顯著的效果且較為經(jīng)濟(jì)。因此本文開展剛性樁側(cè)向加載現(xiàn)場試驗(yàn)研究，對樁周土不同范圍及深度的土層進(jìn)行硬化處理，以探討土層硬化效應(yīng)對樁側(cè)向承載特性及破壞模式發(fā)展的影響。

1 模型試驗(yàn)介紹

1.1 試驗(yàn)場地

查閱現(xiàn)場詳細(xì)地勘報(bào)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(yàn)，可得地基土有效粘聚力（c′）為24.2kPa，有效內(nèi)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(wěn)定砂，即風(fēng)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(shè)計(jì)深度進(jìn)行挖除，然后采用攪拌均勻的水泥穩(wěn)定砂進(jìn)行分層填筑，規(guī)定每層厚度為80mm，壓實(shí)至設(shè)計(jì)重度17.8kN/m3，壓實(shí)后含水率保持在12%。填筑完成后需要保水養(yǎng)護(hù)15d 后再開展側(cè)向加載試驗(yàn)，同時(shí)取硬化土樣（直徑50mm，高100mm）進(jìn)行排水路徑的三軸試驗(yàn)（圍壓分別為20kPa、200kPa 及400kPa），試驗(yàn)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(nèi)摩擦角（φ′）為37.9°。本次試驗(yàn)的試驗(yàn)變量為硬化土層的直徑和深度，試驗(yàn)工況見表1。

表1 試驗(yàn)工況

圖1 地表加固土三軸試驗(yàn)曲線圖

1.3 側(cè)向荷載方案

圖2 為現(xiàn)場側(cè)向荷載試驗(yàn)方案圖。試驗(yàn)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(yàn)過程中為了防止樁體在側(cè)向荷載下出現(xiàn)塑性變形，對樁身進(jìn)行H 型鋼加固。側(cè)向加載的動(dòng)力系統(tǒng)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(xué)平衡模式，該方案設(shè)計(jì)可采集到兩組試驗(yàn)條件相同的數(shù)據(jù)。在傳力桿端頭鑲嵌力傳感器，并與計(jì)算機(jī)相連，用以實(shí)時(shí)采集、記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，采用分級(jí)加載，每級(jí)荷載為水平極限承載力的1/10～1/15，且每級(jí)荷載持時(shí)為10 個(gè)小時(shí)，待樁體變形穩(wěn)定(側(cè)向位移小于0.1mm)后再施加下一級(jí)。

圖2 現(xiàn)場試驗(yàn)布置圖

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樁周土加固深度的影響

側(cè)向極限承載力呈先增加后減小的變化趨勢，在Dc=1.8m 時(shí)最大，在樁周硬化深度較小時(shí)，存在一個(gè)最優(yōu)的硬化直徑，此時(shí)控制樁側(cè)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(cè)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(dá)到一定值的基礎(chǔ)上，通過增加硬化直徑才能使樁側(cè)向承載力達(dá)到工程預(yù)期。

圖3 不同加固深度與水平極限承載力的關(guān)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(guān)系曲線圖。從圖中可以看出，當(dāng)硬化直徑與樁徑比Dc/D=3 時(shí)，剛性樁水平極限承載力與硬化直徑呈線性增加關(guān)系；而當(dāng)Dc/D=4 時(shí)，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(gè)最優(yōu)硬化直徑(Dc=0.6m)使得水平極限承載力達(dá)到最大。可見，當(dāng)樁周土硬化直徑達(dá)到一定值后，一味地增加硬化直徑對提高樁的側(cè)向承載力沒有顯著效果，甚至還會(huì)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(guān)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(cè)向承載失效的變化過程大致可分為三個(gè)階段。第一個(gè)階段，處于加載初期，側(cè)向荷載較小（約為15%側(cè)向極限荷載），由于剛度差異在側(cè)向荷載作用一側(cè)加固土層與天然地基之間出現(xiàn)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(xù)延伸，沿兩側(cè)基本對稱分布。與此同時(shí)，加固土與剛性樁仍保持為一有機(jī)整體，共同承擔(dān)側(cè)向荷載作用，未見明顯裂縫，剛性樁還具有較大的側(cè)向承載儲(chǔ)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(cè)向荷載的增加（約為75%側(cè)向極限荷載），加固土中出現(xiàn)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(cè)對稱分布。且在加固土與樁體之間出現(xiàn)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(cè)向剛度顯著降低，側(cè)向變形有較大增加。另外，在加固土與天然地基交界面（側(cè)向力作用方向）出現(xiàn)較多延伸至天然地基中的裂縫，并在不斷發(fā)展擴(kuò)大，這是由于樁和加固層在側(cè)向變形時(shí)對毗鄰天然地基側(cè)向擠壓所致。此時(shí)加固土-剛性樁系統(tǒng)已進(jìn)入完全塑性階段。

在第三階段，側(cè)向荷載已接近最大側(cè)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(cè)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(cè)向力作用方向一側(cè)，出現(xiàn)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(xì)小裂縫。加固土和天然地基用以提供給剛性樁的側(cè)向抗力達(dá)到最大，側(cè)向承載開始失效，而樁身并未發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞，此時(shí)可視為樁周硬化土-剛性樁系統(tǒng)達(dá)到極限承載階段。

3 結(jié)論

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

⑵當(dāng)Dc/D=3，樁水平極限承載力與硬化直徑呈線性增加關(guān)系；當(dāng)Dc/D=4 時(shí)，水平極限承載力隨Dc的增加呈先增后減，存在一個(gè)最優(yōu)硬化直徑(Dc=0.6m)使得水平極限承載力達(dá)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(gè)階段，分別為彈塑性階段、完全塑性階段及承載失效階段。側(cè)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(dá)到極限，而非樁體的破壞。