循環荷載下樁網復合地基中樁的承載特性分析

陳賢可，劉海濤，吳 健，劉開富

(1.浙江理工大學建筑工程學院，浙江 杭州 310018；2.浙江交工集團股份有限公司，浙江 杭州 310051)

隨著我國經濟發展，修建在軟土地基上的高速公路越來越多，因軟土具有壓縮性高、強度低、含水量高等特點[1]，樁網復合地基作為一種在軟土地基上有效減少變形且具有良好經濟性的地基處理方法[2-4]，可滿足高速公路對沉降和穩定性的嚴格要求，越來越多地應用在實際工程中[5-6]。

近年來，許多研究通過數值模擬、室內模型試驗、現場試驗對復合地基中樁身軸力、樁側摩阻力、樁端阻力進行了研究。如程恩[7]使用ABAQUS有限元軟件分析了循環荷載作用下復合地基的樁身軸力、樁側摩阻力的變化規律，吳亞茹等[8]采用ABAQUS有限元軟件對比分析了X形樁與圓形樁樁側摩阻力分布特點。Lv等[9]對比分析了XCC樁與相同截面的圓形樁在靜載作用下樁側摩阻力及樁側樁端阻力分擔比的差異。孫廣超等[10]分析了樁側摩阻力隨循環荷載次數的變化規律，發現歸一化樁側摩阻力隨歸一化荷載循環次數的變化規律可用對數函數描述，Zou等[11]對比分析了帶帽無孔管樁與有孔管樁樁身軸力及樁側摩阻力的差異，李連祥等[12]通過不同置換率的復合地基模型試驗，研究了復合地基樁身軸力、樁側摩阻力等的分布及變化規律，郭院成等[13]對比分析了單樁復合地基與4樁復合地基樁身軸力、樁側摩阻力等的試驗結果，黃禮勝[14]對比分析了變截面樁與等截面樁在復合地基中樁側摩阻力與樁端阻力的差異。

荷載幅值及加筋層數對循環荷載作用下樁網復合地基中樁承載特性的影響尚不清楚。因此，本文通過循環荷載作用下樁網復合地基的模型試驗分析了樁身軸力、樁側摩阻力、樁端阻力，分析荷載幅值、循環次數、土工格柵層數對樁承載特性的影響。

1 試驗設備、材料及方案概述

1.1 試驗設備

本次模型試驗在3.0m×2.0m×2.0m(長×寬×高)的模型箱中進行，模型箱四周由3塊鋼板和1塊鋼化玻璃組成，玻璃板一側可用于觀察填土情況及地基沉降情況。試驗的加載通過一個由計算機控制的電液伺服作動器施加，該設備最大荷載值為1000kN，同時可支持最大加載頻率為5Hz的正弦循環荷載。

1.2 試驗材料

為模擬軟土地基實況，試驗地基用土為實際基坑開挖所得的粉質黏土和淤泥質黏土，試驗土的物理性質參數見表1。路堤中鋪設規格為TGSG 30-30的雙向拉伸塑料土工格柵，網格尺寸為40mm×40mm，縱/橫向拉伸強度大于等于30kN/m。

表1 試驗土物理性質參數

試驗剛性樁采用長1020mm、管徑50mm(壁厚2mm)的鋁管模擬，樁頂通過螺紋連接150mm×150mm×30mm的鋁塊作為樁帽。柔性樁采用長600mm、直徑50mm(壁厚2mm)的PVC管模擬，樁頂樁底采用PVC管帽封堵以防止土顆粒及水進入樁內。剛性樁、柔性樁彈性模量分別為72、2GPa，通過在樁體內部粘貼應變片來測量加載時的樁身應變。

1.3 試驗方案

模型按照幾何相似比CL=1∶10進行制作，試驗模型的幾何尺寸及剛性樁應變測點布置如圖1所示。為減小邊界效應的影響，填土前在模型箱底及四周鋪設塑料膜。地基土填筑時采用分層預壓法，每層填筑50mm后進行人工預壓。在路堤填筑50mm后鋪設土工格柵，土工格柵鋪設時需保證平整性，每層土工格柵的間距為50mm。

圖1 樁網復合地基模型示意圖

試驗采用正弦波加載形式來模擬汽車對地基的影響[15]，其荷載形式為：

F(t)=P0+Psin(ωt)

(1)

式中，P0—輪靜載部分，kN；P—載振幅，kN；ω—載頻率，Hz；t—載時間，s。

蔡袁強等[16]認為交通荷載在地基中產生的振動頻率一般分布在0.1～10.0Hz，本試驗結合相似比和試驗條件采用1Hz的正弦波來模擬交通荷載頻率。共開展4組模型試驗，其試驗方案見表2。

表2 模型試驗分組

2 試驗結果分析

2.1 循環荷載幅值的影響

循環次數10萬次時不同加載幅值下復合地基剛性樁的樁身軸力隨樁深變化曲線如圖2所示。由圖2可知，循環荷載次數相同時樁身軸力隨著循環荷載幅值的增加而增大，這與許家培[17]得出的規律一致；如循環加載10萬次時，加載幅值為3kN時樁深30mm處的樁身軸力最大值為1183.61N，加載幅值為4kN時樁深30mm處的樁身軸力最大值為1469.41N，相比幅值為3kN時軸力增大了24.15%(相應的荷載峰值僅增大了18.18%)；加載幅值為5kN時樁深30mm處的樁身軸力最大值為1702.92N，相比幅值為3kN時軸力增大了43.88%(相應的荷載峰值僅增大36.36%)。這是因為增大荷載幅值后，樁土差異沉降進一步增大，使得更多的荷載轉移到樁上。

圖2 循環次數10萬次時不同加載幅值下復合地基剛性樁樁身軸力隨樁深變化曲線

不同幅值循環荷載下剛性樁的樁頂荷載與樁側總摩阻力隨循環次數變化曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著循環荷載次數的增加，樁頂荷載不斷增大，而樁側總摩阻力逐漸減小；如幅值3kN時，循環次數為10萬次時的樁側總摩阻力(454.80N)比循環次數為0時的樁側總摩阻力(529.25N)減小了14.07%。這是因為在循環荷載作用下樁周土體剪切區收縮引起了樁側徑向應力衰減，從而使得樁側總摩阻力減小[18]。

圖3 不同幅值循環荷載下剛性樁的樁頂荷載與樁側總摩阻力隨循環次數變化曲線

不同幅值循環荷載下剛性樁的樁頂荷載與樁端阻力隨環荷載次數變化曲線如圖4所示。由圖4可知，剛性樁的樁端阻力隨著循環荷載次數和幅值的增加而增大；如10萬次循環荷載后，幅值為3kN時樁端阻力增大了169.98N，幅值為4kN時樁端阻力增大了232.32N，幅值為5kN時樁端阻力增大了304.5N。這是因為循環荷載幅值的增大導致剛性樁所承受的總荷載隨之增大，而同期的樁側總摩阻力減小，從而更多的荷載傳遞至樁端。

圖4 不同幅值循環荷載下剛性樁的樁頂荷載與樁端阻力隨循環荷載次數曲線

2.2 土工格柵層數的影響

幅值3kN循環荷載下不同土工格柵層數時剛性樁的樁身軸力隨樁深變化曲線如圖5所示。由圖5可知，剛性樁的樁身軸力隨著深度的增加先增大再減小，樁身軸力隨著循環荷載次數的增加而增大，這與楊以國等[19]得出的規律一致；如循環加載10萬次時，在樁深30、230、980mm處，1層土工格柵復合地基中的樁身軸力分別增大了87.46、125.33、120.18N。這是因為循環荷載作用下樁土差異沉降逐漸增大，由于土工格柵的存在，樁與土協同工作，樁承擔的荷載逐漸增大[10]。由圖5還可以看出，相同循環次數下，2層土工格柵復合地基中樁不同深度處的軸力均大于1層土工格柵復合地基，如循環加載10萬次時，2層土工格柵復合地基在樁深30、230、980mm處比1層土工格柵復合地基軸力增大了110.69、107.94、91.21N。這是因為土工格柵層數的增加導致加筋墊層的剛度增大，進而使得更多的荷載傳遞至剛性樁樁頂[20]。

圖5 幅值3kN循環荷載下不同土工格柵層數時剛性樁的樁身軸力隨樁深變化曲線

幅值3kN循環荷載下不同格柵層數時剛性樁的樁頂荷載與樁側總摩阻力隨循環次數變化曲線如圖6所示，幅值3kN循環荷載下不同格柵層數時剛性樁的樁頂荷載與樁端阻力隨循環荷載次數曲線如圖7所示。由圖6—7可知，相同循環次數下，1層土工格柵復合地基的樁頂荷載、樁側總摩阻力及樁端阻力小于2層土工格柵復合地基；如循環次數為10萬次時，1層土工格柵地基的樁頂荷載為1072.91N，2層土工格柵地基的樁頂荷載為1183.6N；循環次數為10萬次時，1層土工格柵地基的樁側總摩阻力為430.81N，2層土工格柵地基的樁側總摩阻力為454.80N；循環次數為10萬次時，1層土工格柵復合地基的樁端阻力為642.10N，2層土工格柵復合地基的樁端阻力為728.80N；這是因為土工格柵層數的增加導致加筋墊層的剛度增大，進而更多的荷載傳遞至剛性樁，而同期的樁側總摩阻力減小，更多的荷載傳遞至樁端。

圖6 幅值3kN循環荷載下不同格柵層數時剛性樁的樁頂荷載與樁側總摩阻力隨循環次數變化曲線

圖7 幅值3kN循環荷載下不同格柵層數時剛性樁的樁頂荷載與樁端阻力隨循環荷載次數曲線

3 結論

通過循環荷載下樁網復合地基的模型試驗，分析了循環荷載次數、循環荷載幅值、土工格柵層數對樁網復合地基樁身軸力、樁側總摩阻力、樁端阻力的影響，可得到主要結論如下：

(1)循環荷載作用下剛性樁樁身軸力隨著深度的增加先增大后減小；隨著循環荷載次數的增大，樁身軸力及樁端阻力隨之增大，而樁側總摩阻力隨之減小。

(2)隨著循環荷載幅值的增大，剛性樁承受的荷載及樁端阻力隨之增大。隨著土工格柵層數的增加，剛性樁承受的荷載、樁側總摩阻力與樁端阻力增大。