粗砂密實狀態(tài)超長群樁承載性能試驗分析

李俊偉 張 濤 尹可芳

1 概述

自從20世紀(jì)60年代大直徑鉆孔灌注樁采用以來，各國工程技術(shù)人員和科研工作者進(jìn)行了大量的現(xiàn)場足尺試樁的加載測試工作，積累了大量試驗數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，從不同土質(zhì)及其他條件提出了多種經(jīng)驗公式，試圖解釋和弄清樁在土中的工作性狀和樁土共同工作機(jī)理。董金榮［1］通過四根超長樁的承載力試驗研究表明，超長灌注樁的承載力與施工因素，特別是成樁工藝、成孔時間、泥漿比重、泥皮厚度、樁底沉渣、樁身強(qiáng)度有密切關(guān)系。張雁等［2］根據(jù)靜載試驗分析了持力層為殘積土、強(qiáng)風(fēng)化巖及弱風(fēng)化巖超長樁的荷載—沉降特性，并指出樁端支撐條件嚴(yán)重影響樁側(cè)各層土的側(cè)摩阻力的發(fā)揮過程。張忠苗［3］基于現(xiàn)場靜載試驗的觀測結(jié)果，詳細(xì)研究分析了軟土地基中超長大直徑嵌巖樁的受力性狀。Poulos［4］指出，無量綱參數(shù)長徑比L/D對單樁的沉降影響比較大。在均質(zhì)土層中，當(dāng)L/D＞50時，由于持力層的影響而減小的樁基礎(chǔ)的沉降不超過40%，即使持力層比上層土層硬很多(Eb/Es= 100);當(dāng)Eb/Es=4時，這個值僅有10%。可見長徑比L/D對樁的荷載傳遞性能有較大的影響。

2 試驗?zāi)Ｐ图澳康?/h2>

2.1 模型試驗槽

室內(nèi)模型試驗需要有一定規(guī)模的試驗場地，通常采用模型箱或模型槽，裝填用于試驗用的地基土介質(zhì)。模型箱的尺寸大小應(yīng)使所設(shè)置的模型樁或樁基礎(chǔ)同模型箱的側(cè)壁和底部的距離滿足內(nèi)填的地基土介質(zhì)為半無限體的條件;而對尺寸較大的試驗樁或樁基礎(chǔ)，應(yīng)采用較大直徑的試驗坑。本試驗的模型箱采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土制作，其尺寸為：3.0 m×3.0 m×4.3 m(長×寬×高)。

2.2 樁材料選擇

總結(jié)國內(nèi)外各種樁基模型試驗以及在選用樁材料的一些基本原則：1)能比較模擬樁土的軟硬差別;2)易于加工及設(shè)置測試元件;經(jīng)過材料比選后決定采用有機(jī)玻璃棒。有機(jī)玻璃棒直徑為40 mm，經(jīng)過實驗測定，其彈性模量為E=4.24×103MPa。

2.3 試驗內(nèi)容

試驗內(nèi)容見表1。

表1 試驗內(nèi)容

2.4 試驗?zāi)康?/h3>

模型試驗主要探討以下幾方面的內(nèi)容：

1)超長大直徑鉆孔灌注群樁的荷載傳遞機(jī)理;2)測定超長大直徑鉆孔灌注群樁各樁身軸力、摩阻力分布;3)測定超長大直徑鉆孔灌注群樁Q—s曲線。

2.5 試驗原理

首先，在模型樁側(cè)埋設(shè)應(yīng)變片，用于測量樁身承載力;在承臺上埋設(shè)不少于兩個百分表，用于測量沉降。通過反力系統(tǒng)，對承臺頂端進(jìn)行加壓。隨著樁的沉降，樁身承載力提高，由地面上的靜態(tài)電阻應(yīng)變儀接收應(yīng)變片的數(shù)據(jù)，同時讀取樁承臺的沉降。

2.6 加載方法

實驗采用慢速維持荷載法。

3 試驗結(jié)果分析

3.1 模型樁Q—s曲線分析

對于群樁，在樁—土相對變位比較大的情況下，Q—s曲線主要分為三部分：第一部分即為彈性變形階段，在樁頂作用力相對較小時，此時的沉降比較小，沉降主要由樁身壓縮組成，這一部分Q—s曲線呈直線型;當(dāng)樁頂荷載逐漸增大，樁頂位移在每一級荷載下的位移比彈性階段明顯增大(見圖1)，但是仍不能判定樁發(fā)生了破壞，這一階段的沉降主要由樁端沉降和樁身壓縮組成，側(cè)摩阻力繼續(xù)增大，而且比較明顯，由于同時發(fā)生了樁身彈性變形和土的塑性變形，這一階段可簡稱為彈塑變形階段，如圖2所示粗砂16樁(L=2.1 m)Q—s曲線，第二級～第七級荷載作用下，每一級下樁頂位移基本變化不大;第三階段，隨著荷載繼續(xù)增大，樁頂位移相對第二階段變化更大，但是每一級荷載下均能穩(wěn)定，這一階段主要發(fā)生土體塑性變形，樁端的向下位移比較大。由上面的試驗結(jié)果可以總結(jié)出，在均勻密實粗砂中，超長樁Q—s曲線呈緩變型。

3.2 樁身軸力曲線分析

根據(jù)圖3，圖4中分析，可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)對于高承臺樁，在均勻密實粗砂中，樁身的軸力曲線是緩變型的，與在軟土中的情況有些不同，劉春波等人［5］在軟土中做的超長樁(低承臺)試驗表明，超長樁的樁身軸力隨著深度逐步向下遞減，樁身軸力上部明顯大于下部，從圖3可以看出，這個變化不是那么明顯。

2)由樁身軸力圖分析可得知，荷載在向下傳遞的過程中不斷克服樁周土對樁身向上的側(cè)摩阻力，在樁中以上，側(cè)摩阻力變化相對于樁下段變化大，這說明，對于粗砂中的超長樁，其承載力還是主要由樁側(cè)摩阻力來承擔(dān)，這與傳統(tǒng)理論是一致的，超長樁屬于摩擦樁，由于本文研究的是樁—土大變位情況下的群樁，所以從軸力圖中可以看出，樁端的軸力也是比較明顯的。

3)樁身軸力沿著樁身向下呈現(xiàn)非線性衰減趨勢，在小于極限荷載的各級荷載作用下軸力變化曲線近似平行，超過極限荷載軸力曲線發(fā)生較大的偏差，說明此時樁土受力體系已經(jīng)趨于破壞。

4)從圖4可以看出，在正常荷載作用下，樁0.5 m深度以上曲線斜率比較大，這部分樁側(cè)阻力發(fā)揮完全，1 m深左右樁身軸力曲線接近直線，這是因為這段樁側(cè)側(cè)摩阻力較小，在接近樁端處，曲線斜率又增大，表明樁端處摩阻力變大。

3.3 樁側(cè)摩阻力曲線分析

根據(jù)樁身各截面的軸力，可以求出每節(jié)樁的平均側(cè)摩阻力。圖5，圖6為9樁和16樁群樁樁側(cè)摩阻力沿樁長的分布圖形。觀察摩阻力分布圖的形狀可以發(fā)現(xiàn)：樁側(cè)摩阻力沿樁長近似呈“R”形或鋸齒形分布，“R”形分布即在樁的兩端摩阻力發(fā)揮得較充分，而在樁的中部摩阻力較小，鋸齒形分布是在樁身某些截面的摩阻力發(fā)揮較大，這主要取決于樁與土的接觸性狀。由于本次模型試驗采用人工分層填土、分層夯實，在樁身附近某些部位，可能因土層壓實度不夠或壓實度不均勻，造成樁身軸力在該位置附近沿樁長增加的現(xiàn)象，從而導(dǎo)致了在樁身某些截面的摩阻力出現(xiàn)負(fù)值的情況。

4 結(jié)語

1)超長大直徑鉆孔灌注樁群樁在本試驗條件下Q—s曲線呈緩變型破壞。

2)對于超長大直徑鉆孔灌注樁群樁的Q—s曲線，一般可取s=40 mm～60 mm對應(yīng)的荷載來作為極限承載力。

3)樁身軸力隨著入土深度的增加，樁身軸力呈非線性衰減，在樁頂和樁端處樁身軸力衰減速率最大，在樁身中端衰減速率較小。

4)樁側(cè)摩阻力沿樁長近似呈“R”形或鋸齒形分布。

［1］ 董金榮.超長大直徑鉆孔灌注樁檢測結(jié)果分析［J］.樁基工程設(shè)計與施工技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［2］ 張 雁.軟土地基超長灌注樁承載力試驗研究［A］.第七屆全國土力學(xué)及基礎(chǔ)工程學(xué)術(shù)會議論文集［C］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

［3］ 張忠苗.基于樁頂與樁端沉降的鉆孔樁受力性狀研究［J］.巖土工程學(xué)報，1997，19(4)：88-93.

［4］ Poulos H.G.Analysis of the settlement of pile groups［J］.Geotechnique，1968，18(3)：449-471.

［5］ 劉春波.超長群樁大型模型試驗研究［D］.重慶：重慶交通大學(xué)，2006.