樁基在膨脹土中的水平承載特性研究

侯凱文

(廣西路橋工程集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

眾所周知，膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮的特殊黏性土[1]。由于含水量的增加會導(dǎo)致膨脹土在各方向發(fā)生體積膨脹，在原有側(cè)向土壓力的基礎(chǔ)上增加了側(cè)向膨脹壓力，就可能會給地下建(構(gòu))筑物(如擋土墻、樁基礎(chǔ)和隧道等)帶來各種問題[2]。尤其對于埋在膨脹土中的水平受荷樁，應(yīng)力分布的不均勻?qū)ζ涑休d特性也有一定的影響。許多學(xué)者[3-5]通過大量的室內(nèi)試驗和現(xiàn)場調(diào)研等手段，針對水平膨脹力對樁基等地下建(構(gòu))筑物的影響展開了研究，也提出了相應(yīng)的計算方法，然而這些方法受限于大量試驗參數(shù)的確定。

夏炎等[6]研究了膨脹土中抗滑樁的變形受力情況，提出一種土工膜結(jié)合的抗滑樁，通過實例驗證了其可行性，提供了一種對膨脹土滑坡治理的新思路和新方法。對于膨脹土地基中的基坑支護(hù)樁應(yīng)用，一些學(xué)者[7-9]也開展了相關(guān)研究工作，同時提出了理論分析和優(yōu)化設(shè)計方法。由此可以看出，針對膨脹土地基中的水平受荷樁研究主要是基于抗滑樁和支護(hù)樁等被動樁來開展，而主動樁的研究相對匱乏，且水平受荷樁的研究大部分是基于黏土或砂土等土質(zhì)情況，涉及膨脹土地基中的水平樁基的研究較少。本文通過自主研制具備浸水功能的樁基模型試驗裝置，分別對膨脹土浸水前后的樁基進(jìn)行水平加載，揭示膨脹土膨脹作用對單樁水平承載特性的影響規(guī)律。

1 試驗準(zhǔn)備

1.1 試驗裝置

本文研制出一套可以實現(xiàn)浸水和加載功能的試驗裝置(圖1)，由模型箱、加載裝置和浸水裝置三部分組成。其中，模型箱由鋼板焊接而成，尺寸為1 m×1 m×1 m；加載裝置由角鋼焊接形成桁架結(jié)構(gòu)；浸水裝置則通過設(shè)置16根豎向浸水管和水桶組成，通過虹吸原理實現(xiàn)全方位浸水。

圖1 試驗裝置示意圖(mm)

1.2 模型樁

模型樁采用直徑為25 mm、壁厚為2 mm的鋁合金管制作而成，總長為700 mm，彈性模量為69.7 GPa。應(yīng)變片粘貼在模型樁內(nèi)壁，間距如圖2所示。模型樁底部采用尼龍塞封閉。

圖2 應(yīng)變片粘貼位置示例圖(mm)

1.3 膨脹土參數(shù)

試驗所用膨脹土呈灰白色，自由膨脹率為65.5%，屬中等膨脹土，其基本性質(zhì)如表1所示。模型箱內(nèi)的膨脹土制備過程為：(1)將原狀土進(jìn)行烘干和粉碎；(2)制作成含水量18%的土樣；(3)采用人工夯實的方法進(jìn)行分層填筑，每層高度為100 mm，填至700 mm。

表1 膨脹土基本物理力學(xué)性質(zhì)表

2 試驗方案

設(shè)置兩根模型樁，進(jìn)行浸水前后的水平靜載試驗。通過模型試驗，對浸水前后的模型樁進(jìn)行分級加載試驗，建立模型樁的p-y曲線，對比分析膨脹土浸水前后單樁的水平極限承載力。

加載過程中，利用靜態(tài)應(yīng)變測試儀采集樁身應(yīng)變，采用百分表測量樁頂和土表位移，樁頂和鐵掛籃之間設(shè)置力傳感器，用來記錄加載級數(shù)數(shù)據(jù)。

3 試驗結(jié)果分析

對試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到膨脹土浸水前后樁身彎矩、土抗力、水平位移等沿深度的分布。處理應(yīng)變片數(shù)據(jù)需要用到以下常量：

樁長lm=0.7 m，入土深度ls=0.6 m，外徑D=0.025 m，內(nèi)徑d=0.021 m；

樁身鋁合金材料彈性模量Ep=69.5 GPa；

樁身抗彎剛度EpIp=69.5×109×9.63×10-9=669.3 N·m2。

由此按以下公式即可計算樁身曲率φ(z)及彎矩M(z)。

根據(jù)同一深度樁身兩側(cè)應(yīng)變，由彈性梁理論求得樁身曲率：

(1)

式中：ε+、ε-——計算深度處樁身拉、壓應(yīng)變；

y——應(yīng)變片距樁身中性軸距離的兩倍，即為樁的內(nèi)徑d。

由樁身曲率求得該深度處樁身彎矩：

(2)

3.1 樁身彎矩

根據(jù)試驗所測得的浸水前后的水平單樁應(yīng)變值，并結(jié)合式(2)可求得模型樁在各級加載作用下不同測點處的彎矩值，如圖3所示。

(a)浸水前

(b)浸水后圖3 浸水前后樁身彎矩-深度曲線圖

從圖3可以看出，浸水前后各級荷載作用下的樁身彎矩-深度曲線的規(guī)律一致，均表現(xiàn)為：在相同的水平荷載作用下，樁身彎矩隨深度增加先增大后減小，即呈“兩頭小、中間大”的形式；隨著水平荷載的增加，彎矩峰值位置、零點位置均發(fā)生一定程度的下移。以上變化趨勢是符合水平受荷樁荷載傳遞規(guī)律的，驗證了本次試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性。

不同的是，相同的水平荷載作用下，浸水后的樁身彎矩值較浸水前明顯增大，且峰值點和零點位置也均發(fā)生相應(yīng)的下移，樁身彎矩峰值差也比浸水前的大。如當(dāng)水平荷載為410 N時，浸水前后的樁身彎矩峰值分別為47.7 N·m和54.9 N·m，兩者差值僅為7.2 N·m；隨著水平荷載增大至878 N，浸水前后的樁身彎矩峰值分別為125.7 N·m和156.9 N·m，此時兩者差值則達(dá)到了31.2 N·m，樁身彎矩峰值點也由浸水前的距地表面以下0.1 m降至浸水后的0.12 m。此外，還發(fā)現(xiàn)浸水前的樁底部分甚至出現(xiàn)了負(fù)彎矩。對于以上的變化規(guī)律，究其原因主要是膨脹土浸水后出現(xiàn)軟化及強度急劇下降的情況，當(dāng)樁基承受相同水平力時，其樁頂?shù)闹苓呁敛荒艿挚箻痘淖冃味a(chǎn)生屈服破壞。同時，荷載傳遞至樁底的周邊土中，導(dǎo)致其塑性區(qū)逐漸下移。

3.2 承載性能

根據(jù)百分表和力傳感器的數(shù)據(jù)可知浸水前后兩根樁的樁頂水平位移和各級加載值，如表2所示。繪制成樁頂荷載-水平位移曲線(H-y曲線)如圖4所示。

表2 浸水前后各級荷載作用下樁頂水平位移數(shù)值表

圖4 浸水前后樁頂荷載-水平位移曲線圖

從圖4可以看出，浸水后的樁基水平極限承載力小于浸水前的，且相同荷載作用下，其樁頂水平位移亦大于浸水前的工況。可見浸水導(dǎo)致膨脹土軟化，土抗力大幅下降，由此樁頂位移增大，降低了樁基水平承載力。此外，從試驗結(jié)束后取出的模型樁(圖5)也可以看出，浸水前后的模型樁所產(chǎn)生的破壞形態(tài)截然不同：前者模型樁已經(jīng)被拉彎變形，為結(jié)構(gòu)本身強度破壞；而后者的模型樁只產(chǎn)生彈性形變，為樁周土達(dá)到屈服破壞。

圖5 加載完畢后的模型樁形態(tài)示例圖

4 結(jié)語

本文通過自主研發(fā)的樁基模型試驗裝置，對膨脹土地基中單樁水平承載特性展開試驗研究，重點分析了浸水前后水平單樁的彎矩和承載力的差異。主要結(jié)論如下：

(1)對比膨脹土浸水前后樁身彎矩發(fā)現(xiàn)，各級荷載作用下兩種工況的樁身彎矩沿深度的分布均呈“兩頭小、中間大”的規(guī)律。不同的是，相同荷載作用下浸水后的樁身彎矩峰值明顯增大，且峰值和零點位置均發(fā)生下移；而浸水前的樁底部分出現(xiàn)了負(fù)彎矩。

(2)浸水后的水平單樁極限承載力小于浸水前的水平單樁；同等級荷載作用下的樁頂水平位移也大于浸水前的樁基。