水平荷載作用下螺旋樁基礎(chǔ)試驗(yàn)研究

車松陽 黃士君 王馳 屠鵬

第一作者簡介：車松陽（1994-），男，碩士，工程師。研究方向?yàn)殡娏こ探ㄔO(shè)。

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2024.12.013

摘? 要：該文選取葉片距寬比存在差異的2種螺旋樁展開水平加載試驗(yàn)，對不同水平荷載等級下螺旋樁樁頂水平位移、豎向位移、樁周土橫向及縱向應(yīng)力展開分別分析，在各級水平荷載施加后5、10、15 min分別進(jìn)行測量，分別得到2個(gè)螺旋樁的荷載及位移關(guān)系曲線，可據(jù)此判斷螺旋樁基礎(chǔ)水平加載過程中，荷載及位移、地基應(yīng)力間的變化趨勢。總結(jié)出葉片距寬比是水平荷載作用下影響螺旋樁極限承載力的重要影響因素，旨在為水平荷載作用下螺旋樁樁體反彎點(diǎn)位置的判定提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：水平荷載作用；位移；螺旋樁；水平加載試驗(yàn)；極限承載力

中圖分類號：U655.55? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）12-0055-04

Abstract： In this paper， two kinds of spiral piles with different blade width-to-width ratio are selected to carry out horizontal loading tests， and the horizontal displacement of spiral pile top， vertical displacement， lateral and longitudinal stress of soil around pile are respectively analyzed under different levels of horizontal load. Measurements are carried out 5 min， 10 min and 15 min after each level of horizontal load is applied. The relation curves of load and displacement of two spiral piles are obtained respectively， which can be used to judge the variation trend of load， displacement and foundation stress during horizontal loading of spiral pile foundation. It is concluded that blade width ratio is an important factor affecting the ultimate bearing capacity of spiral pile under horizontal load， in order to provide a basis for determining the position of reverse bending point of spiral pile under horizontal load.

Keywords： horizontal load; displacement; spiral pile; horizontal loading test; ultimate bearing capacity

作為高層建筑施工中常用的樁基礎(chǔ)，水平受荷樁的受力研究、樁基抗水平力科學(xué)設(shè)計(jì)屬于重要工作。螺旋樁屬于變截面異形樁基礎(chǔ)，在水平荷載作用下，葉片距寬比會對地基應(yīng)力產(chǎn)生一定影響[1]。為明確外荷載對于螺旋樁基的影響因素及破壞規(guī)律，了解葉片距寬比對地基應(yīng)力所產(chǎn)生的影響，分析螺旋樁水平荷載極限，有必要展開螺旋樁水平加載試驗(yàn)。

1? 基于水平荷載作用的螺旋樁基礎(chǔ)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1? 模型樁設(shè)計(jì)

模型樁設(shè)計(jì)時(shí)，需將葉片距寬比作為控制指標(biāo)，應(yīng)制作2個(gè)模型螺旋樁，二者葉片厚度均為0.3 cm，樁體直徑及葉片水平投影半徑分別為4.14 cm與9.1 cm，螺距應(yīng)以15 cm為宜。一號螺旋樁葉片邊距設(shè)定為23 cm，葉片距寬比為3.14，二號螺旋樁葉片邊距為35 cm，葉片距寬比為5，制作螺旋樁模型時(shí)將各項(xiàng)數(shù)據(jù)偏差應(yīng)控制在0.3 cm之內(nèi)。

1.2? 試驗(yàn)砂箱設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用砂箱應(yīng)采用厚6 cm的Q345鋼板作為制作材料，砂箱長、寬、高應(yīng)分別設(shè)置為1.2、1、1.3 m，兩側(cè)面間對角線及側(cè)棱間均采用各邊長度均為50 cm的L型角鋼作為連接件，采用氣體保護(hù)焊方式連接，避免試驗(yàn)時(shí)因土側(cè)向壓力導(dǎo)致側(cè)面鋼板凸起。但砂箱頂部及底部無需封死，應(yīng)在上下兩側(cè)分別加焊一圈扁鋼，以免出現(xiàn)鋼板開裂情況。箱內(nèi)底面之上分別鋪設(shè)一層10 cm厚的河石及20 cm厚的凈粗砂，并將模擬地基材料鋪于其上。

1.3? 試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)中采用螺旋式手動(dòng)機(jī)械千斤頂施加水平荷載，選用QL3.2型千斤頂，其自重為6 kg，起重高度為11cm、起重量為3.2 t。利用螺栓連接長40 cm、寬30 cm的斜向鋼板及反力架，在斜向鋼板上安放千斤頂，斜向鋼板下方與另一個(gè)斜向鋼板制成的垂直擋板相連，連接件為直徑為1.2 cm的螺栓。壓力傳感器設(shè)置于擋板及千斤頂?shù)鬃g。通過千斤頂運(yùn)行使頂部角鋼傾斜向上位移，與角鋼兩端相連的鋼絲繩，利用擋板實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)力向水平力的轉(zhuǎn)化，并通過連接在鋼絲繩一端的鋼筋棍向螺旋樁傳導(dǎo)水平力，利用壓力傳感器、靜態(tài)應(yīng)變儀獲取螺旋樁受到水平荷載作用所產(chǎn)生的應(yīng)變值。

1.4? 測量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水平荷載體螺旋樁基礎(chǔ)試驗(yàn)中，需要測量3個(gè)數(shù)值，一是樁頂位移量，以2個(gè)百分表、2個(gè)磁性表座、1根槽鋼制成的基準(zhǔn)梁共同組成的樁樁頂位移測量系統(tǒng)作為測量工具，需要利用2塊強(qiáng)度較高的磁鐵對槽鋼及試驗(yàn)砂箱進(jìn)行連接，要求試驗(yàn)樁對基準(zhǔn)梁無干擾。二是樁頂荷載量，測量工具為10 kN的電阻應(yīng)變式壓力傳感器，此裝置應(yīng)與電阻應(yīng)變靜態(tài)應(yīng)變儀相連接，并采用電腦采集加載數(shù)據(jù)。三是地基應(yīng)力，主要利用電阻應(yīng)變式土壓力計(jì)作為測量工具，0.2 MPa土壓力計(jì)準(zhǔn)備2支，而0.1 MPa土壓力計(jì)應(yīng)準(zhǔn)備DYB-1與DYB-2兩種型號，數(shù)量分別是5支與13支。測量時(shí)采用電阻應(yīng)變靜態(tài)應(yīng)變儀整理數(shù)據(jù)。

2? 砂土制備及砂土力學(xué)指標(biāo)檢測

本次試驗(yàn)中，選用砂土作為地基材料，在砂箱中每隔15 m鋪放一層砂土，利用180 W的單相平板振動(dòng)抹光機(jī)，沿箱體一側(cè)向樁周區(qū)域，以3 000次/min的振動(dòng)頻率對砂土振搗3次后再鋪放下一層。埋設(shè)土壓力計(jì)的位置，應(yīng)振搗后再埋設(shè)，并應(yīng)按照設(shè)計(jì)振搗標(biāo)高覆土，然后再實(shí)施一次振搗。需采用原位試驗(yàn)、土工試驗(yàn)對作為地基土的砂土進(jìn)行力學(xué)指標(biāo)檢測。地基原位試驗(yàn)采用增加圓錐動(dòng)力輕便觸探法，采用直徑2.5 cm、長度介于1.0～1.5 m的金屬桿作為觸探桿，觸探用穿心錘重量應(yīng)為10 kg[2]。土地試驗(yàn)共選用3種方法，一是砂土篩分試驗(yàn)，以電動(dòng)振篩機(jī)及0.25～10 mm標(biāo)準(zhǔn)篩作為篩分試驗(yàn)工具。二是砂土直接剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)工具采用應(yīng)變式輕便剪力儀，直剪試驗(yàn)速度設(shè)定為0.12 mm/min，直剪0.2 mm后進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，直至樁樣剪壞方可停止。三是砂土含水率試驗(yàn)，利用環(huán)刀采集試驗(yàn)土樣，利用烘干法測定土樣含水率，應(yīng)在105 ℃及110 ℃溫度下烘干7 h左右，冷卻后通過砂土質(zhì)量稱量得出砂土含水率值[3]。通過測定，本實(shí)驗(yàn)所用砂土黏聚力為6.35 kPa，內(nèi)摩擦角為25.1°，含水率為30.4%。

3? 水平荷載作用下螺旋樁基礎(chǔ)試驗(yàn)的要點(diǎn)

本次試驗(yàn)采用單向單循環(huán)水平維持荷載法測定樁的承載性能，進(jìn)而通過有限量單樁荷載試驗(yàn)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果得出單樁極限承載能力。通過估算得出螺旋樁極限承載力值，將單級荷載設(shè)定為1/9，以上級載荷下樁頂位移達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)作為下級荷載施加依據(jù)，待樁基礎(chǔ)受損后再將荷載逐步卸除[4]。試驗(yàn)前操作發(fā)現(xiàn)，各級荷載施加4 min左右，樁頂荷載、位移及地基應(yīng)力均會達(dá)到穩(wěn)定，與數(shù)據(jù)采集要求相符。分別在5、10、15 min各采集一組數(shù)據(jù)。可將加載荷載的2倍作為荷載卸除量，且分別在各級荷載卸除后的5 min與10 min進(jìn)行一次數(shù)據(jù)采集。在千斤頂行程達(dá)到極限、土應(yīng)力計(jì)微變量高于自身量程的150%、水平位移高于2.5 cm、樁身斷裂、水平位移超出前兩級位移總數(shù)及其他意外情況發(fā)生時(shí)需終止加載。在地基土中布置土壓力計(jì)時(shí)，要結(jié)合樁身荷載傳遞情況，考慮到樁土之間相互作用，還需將葉片及土之間的應(yīng)力擴(kuò)散規(guī)律、葉片及樁土的相互作用以及地基破壞模式等因素納入考量。

4? 基于水平荷載作用的螺旋樁基礎(chǔ)試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1? 樁頂荷載及位移曲線分析

4.1.1? 一號螺旋樁荷載及位移曲線分析

1）水平荷載與水平位移的關(guān)系。在土壓力計(jì)、滲壓計(jì)全部布置完成后，應(yīng)于砂土地基達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后實(shí)施水平荷載施加，可獲取一號螺旋樁3次測量后的水平荷載及位移數(shù)據(jù)，繪制出的水平荷載及水平位移曲線圖如圖1所示。低水平荷載情況下，一號螺旋樁樁頂水平位移及荷載值呈線性關(guān)系，但在水平荷載增大時(shí)，水平位移增速同步增長，此時(shí)二者為非線性關(guān)系。在樁頂水平荷載達(dá)到200 N及250 N時(shí)，分別出現(xiàn)了一個(gè)突變點(diǎn)，在樁頂水平位移達(dá)到25 mm左右時(shí)，加載停止。

2）水平荷載與豎向位移的關(guān)系。低水平荷載時(shí)，一號螺旋樁樁頂?shù)呢Q向位移并未出現(xiàn)明顯變化。而在水平荷載為200 N時(shí)，出現(xiàn)了樁周土體彈性變形，此時(shí)樁頂出現(xiàn)了較上一級更高的豎向位移現(xiàn)象。而當(dāng)荷載高于250 N時(shí)，樁頂?shù)呢Q向位移幅度及速度增速均有所提升，說明此時(shí)樁周土已遭到破壞。一號螺旋樁水平荷載與豎向位移的關(guān)系如圖2所示。

圖1? 一號螺旋樁水平荷載與水平位移關(guān)系曲線圖

圖2? 一號螺旋樁水平荷載及豎向位移曲線圖

4.1.2? 二號螺旋樁荷載及位移曲線分析

1）水平荷載與水平位移間的關(guān)系。二號螺旋樁與一號螺旋樁的測量時(shí)間及方式均相同，分析水平荷載及樁頂水平位移之間的關(guān)系曲線（圖3）發(fā)現(xiàn)，水平荷載在0～200 N時(shí)，水平荷載及樁頂位移曲線呈直線變形狀態(tài)，樁周土體具備較高彈性。而水平荷載升高至200～400 N時(shí)，地基呈彈塑性變形狀態(tài)，樁頂及加載方向間具有45°的細(xì)小裂縫。而當(dāng)水平荷載超過400 N，曲線則呈現(xiàn)出塑性變化特征，此時(shí)樁周土已受損。

2）水平荷載與豎向位移間的關(guān)系。根據(jù)二號螺旋樁水平荷載與豎向位移關(guān)系曲線（圖4），低水平荷載情況下，二號螺旋樁同樣沒有出現(xiàn)較大的豎向位移。在荷載逐步增大的同時(shí)，豎向位移明顯增大，此現(xiàn)象與一號螺旋樁有所不同，是因?yàn)槎柭菪龢兜娜~片距寬比高于一號螺旋樁，葉片之間具備更厚的土層，且上部葉片覆土厚度相對較薄。二號螺旋樁突變點(diǎn)同樣有2個(gè)，分別出現(xiàn)于水平荷載100～200 N以及350～400 N。

圖3? 二號螺旋樁水平荷載與水平位移關(guān)系曲線

圖4? 二號螺旋樁水平荷載與豎向位移關(guān)系曲線

4.1.3? 2個(gè)螺旋樁卸載情況分析

卸載時(shí)，一號螺旋樁樁頂?shù)乃轿灰萍柏Q向位移均不大，最后一級卸除后，則出現(xiàn)了明顯的位移增大現(xiàn)象，而第一級荷載卸除后，豎向位移并未停止，且第二次及第三次測量，均出現(xiàn)了水平荷載未卸至零的現(xiàn)象，可能是由于位移測量裝置存在誤差或是葉片土體應(yīng)力釋放作用影響所致[5]。二號螺旋樁第三次測量時(shí)同樣出現(xiàn)了未卸載情況，這是由于此時(shí)得到了充足的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，將此試驗(yàn)改為破壞性試驗(yàn)，以了解荷載升高對樁周土產(chǎn)生的影響。荷載增大時(shí)，樁頂水平位移量符合卸載條件，然而下部葉片附近地基土沒有被破壞，因葉片距寬比、葉片覆土厚度影響，二號螺旋樁出現(xiàn)了明顯失穩(wěn)現(xiàn)象，而樁體對下部葉片周邊土體的影響更為明顯，所以水平荷載增大時(shí)，出現(xiàn)了樁體方向上外力傳遞持續(xù)向下的現(xiàn)象。

4.2? 2個(gè)螺旋樁葉片橫縱向應(yīng)力對比

由于2個(gè)螺旋樁的葉片距寬比存在差異，因而二者的橫向應(yīng)力變化情況有所不同。一號螺旋樁水平荷載施加時(shí)，下部葉片受壓及受壓兩側(cè)葉片應(yīng)力分布增幅一致，在施加荷載達(dá)到6、7級時(shí)，才出現(xiàn)應(yīng)力交叉現(xiàn)象，自7級以后，受壓側(cè)應(yīng)力增速一直高于受拉側(cè)。而二號螺旋樁兩側(cè)應(yīng)力自加載之初開始便呈交叉狀態(tài)，受壓側(cè)應(yīng)力增速始終高于受拉側(cè)。這表示水平荷載作用下葉片距寬比對螺旋樁樁體旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生了影響，葉片距寬比的變化使樁周土體的破壞程度發(fā)生了改變。葉片距寬比增大時(shí)，會導(dǎo)致樁土之間產(chǎn)生相互作用，可使螺旋樁水平極限承載力明顯增大。葉片距寬比不同時(shí)，2個(gè)螺旋樁的縱向應(yīng)力也存在差異，二者上部葉片下方2個(gè)位置的應(yīng)力變化趨勢幾乎無差異，初始加載時(shí)，一號螺旋樁中部葉片左側(cè)邊緣測點(diǎn)比下部葉片左側(cè)邊緣測點(diǎn)應(yīng)力更大，但下部葉片右側(cè)上下2個(gè)測點(diǎn)相比，上方測點(diǎn)的應(yīng)力比下方測點(diǎn)更高，主要是由于此樁體布置位置出現(xiàn)了松動(dòng)所致。而二號螺旋樁上部葉片靠近螺桿測點(diǎn)比其左側(cè)測點(diǎn)的應(yīng)力更低。而中部葉片下方靠近螺桿一側(cè)側(cè)點(diǎn)比上部葉片左側(cè)靠近螺桿測點(diǎn)的應(yīng)力先低后高，這是由于葉片間距增大使樁體應(yīng)力傳遞值出現(xiàn)了下降，說明水平加載作用導(dǎo)致螺旋樁旋轉(zhuǎn)支點(diǎn)發(fā)生了改變。

4.3? 水平承載螺旋樁極限荷載分析

樁頂處于自由狀態(tài)且施加低水平荷載時(shí)，靠近螺旋樁樁頂一側(cè)土是荷載的主要承受部位，荷載較低時(shí)，樁側(cè)土呈現(xiàn)彈性壓縮狀態(tài)，而螺旋樁樁側(cè)水平位移變化明顯。荷載增大后，水平荷載作用逐步由螺旋樁體上部向深樁側(cè)土層轉(zhuǎn)移，且螺旋樁上部附近土體逐步向塑性屈服狀態(tài)轉(zhuǎn)化。水平荷載作用下，樁型、剛度、穿越土層存在差異的情況下，樁體會呈現(xiàn)出不同的工作狀態(tài)，樁的水平承載力限值可體現(xiàn)出樁及樁側(cè)土的工作狀態(tài)。因此，可以根據(jù)水平荷載-位移梯度曲線第二直線段終點(diǎn)對應(yīng)荷載（表1）判斷螺旋樁的水平承載極限[6]。2個(gè)螺旋樁相比，二號螺旋樁的極限承載荷載及水平位移分別高于一號螺旋樁，在地基條件差異不明顯時(shí)，葉片間距及單樁極限荷載、水平位移之間均呈正比關(guān)系，表示葉片間樁土之間的作用會隨葉片間距的增大而提高。葉片間距越大，葉片間土層厚度越大，因而土體壓縮值更高，樁土便會產(chǎn)生更佳的相互作用。為此，地基條件無明顯差異時(shí)，可通過降低螺旋樁葉片凈寬度、增大葉片間土柱高度2個(gè)措施強(qiáng)化樁側(cè)葉片間樁土作用效果，可以促進(jìn)樁側(cè)葉片應(yīng)力擴(kuò)散，并能使單樁極限承載力有效提高。

5? 結(jié)論

在水平荷載作用下，對葉片距寬比不同的2種螺旋樁分別進(jìn)行3次加載試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，葉片距寬比對螺旋樁單樁荷載位移、地基應(yīng)力變化、樁土之間作用均具有影響關(guān)系。葉片距寬比逐步提高時(shí)，單樁荷載位移曲線具有光滑性、位移量大的特征，單樁極限荷載判定值呈增大狀態(tài)。葉片距寬比越大，葉片間土柱變形量及樁頂位移量越大，2個(gè)螺旋樁極限荷載及位移量的差值分別為91.969 N與6.45 mm，說明土體密實(shí)度、葉片約束作用對于螺旋樁基的樁土荷載具有較高影響。總體而言，葉片距寬比是水平荷載作用下螺旋樁極限承載能力的重要影響因素。

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