水平豎直組合荷載作用下樁基承載特性的離心模型試驗(yàn)研究

柴紅濤，文松霖

（1.中國煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司巖土工程二所，河南平頂山 467092；2.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

水平豎直組合荷載作用下樁基承載特性的離心模型試驗(yàn)研究

柴紅濤1，文松霖2

（1.中國煤炭科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司巖土工程二所，河南平頂山 467092；2.長江科學(xué)院水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010）

通過幾組離心模型試驗(yàn)及成果分析，研究樁基在水平荷載H、豎直荷載V組合荷載作用下的承載機(jī)理。研究結(jié)果表明：在相同位移條件下，樁基的水平承載力隨著樁基施加下壓荷載的增加而減?。辉谙嗤胶奢d作用下，樁頭水平位移隨著施加的下壓荷載值增大而增大；樁基受到的下壓荷載越大，樁頭轉(zhuǎn)角（樁身傾斜程度）越大；樁基在承受水平、豎直組合荷載作用時(shí)，二者是相互影響的，在設(shè)計(jì)過程中必須要注意水平荷載H和豎直荷載V的組合作用。

離心模型試驗(yàn)；組合荷載；承載機(jī)理；樁基

1 研究背景

樁基在實(shí)際工程中由于風(fēng)力、波浪等外界因素的影響，往往受到組合荷載（水平荷載H、豎直荷載V）的作用，其承載機(jī)理極為復(fù)雜。對(duì)于組合荷載作用下的樁基礎(chǔ)，目前的樁基設(shè)計(jì)理論很難滿足工程需要，而采用傳統(tǒng)的簡化方法進(jìn)行的樁基設(shè)計(jì)，又會(huì)使得建筑物樁基承載力存在比較大的隨意性，如果樁基承載力取值不合理，易造成樁基礎(chǔ)失穩(wěn)或者沉降過大，對(duì)工程的安全運(yùn)行影響很大。如何合理地評(píng)價(jià)組合荷載作用下的樁基礎(chǔ)承載力以及組合荷載之間的相互影響作用，關(guān)系到建筑物的安全和設(shè)計(jì)優(yōu)化，對(duì)基礎(chǔ)工程的投資也起著控制性的作用，是一個(gè)急需解決的課題。

對(duì)于水平荷載H、豎直荷載V組合荷載作用下樁基承載特性，國內(nèi)外有關(guān)專家、學(xué)者做了不少研究工作，例如，鄭剛、王麗［1－2］利用ABAQUS研究了豎向及水平荷載作用下超長樁的荷載傳遞與變形特點(diǎn)；趙明華、張?zhí)煜瑁?］通過建立傾斜或軸、橫向荷載同時(shí)作用下基樁撓曲微分方程，對(duì)樁基在受傾斜荷載作用下的有關(guān)受力特性進(jìn)行研究；Chari等［4－8］通過大量試驗(yàn)對(duì)傾斜荷載作用下樁基的承載機(jī)制進(jìn)行了較深入的研究；文松霖［9－10］對(duì)鉛直、水平荷載作用下擴(kuò)底樁的承載機(jī)理做了一些基礎(chǔ)研究工作等。

作為基金項(xiàng)目《樁基承載力空間屈服面基本特性研究》（50978034）的研究環(huán)節(jié)之一，本文通過離心模型試驗(yàn)及結(jié)果分析，主要探討了水平荷載和豎直荷載組合荷載作用下樁基承載力的基本特性。

2 離心試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)概要

2.1 試驗(yàn)加載裝置及概要

本次試驗(yàn)在長江科學(xué)院的土工離心機(jī)上進(jìn)行，試驗(yàn)所用模型箱尺寸為1.0 m（長）×0.4 m（寬）× 0.8 m（高），所用的加載裝置如圖1所示。離心模型試驗(yàn)采用的離心加速度n＝95 g，水平荷載和豎直荷載的加載裝置為筆者自己設(shè)計(jì)的一套簡易加載裝置，樁頭連接桿件上安裝軸承來實(shí)現(xiàn)樁的水平方向的移動(dòng)，荷載采用氣缸進(jìn)行施加，荷載值采用荷載傳感器進(jìn)行測定，用1個(gè)激光位移傳感器測定豎直位移，用2個(gè)激光位移傳感器測定樁頭水平位移，應(yīng)變片測定模型樁的樁身應(yīng)變，加載方式采用荷載控制方法。加載方法為：當(dāng)離心加速度達(dá)到95 g時(shí)，施加豎直下壓荷載，當(dāng)樁基在豎直方向變形穩(wěn)定后，開始施加水平荷載，直到樁基破壞為止，水平方向每次施加的荷載值為30～50 N。

圖1 離心試驗(yàn)加載裝置Fig.1 Loading device for the centrifugalmodel test

2.2 模型樁

模型樁替代材料為不銹鋼管，模型樁相對(duì)于地基為半剛性樁，模型樁在地基中埋設(shè)深度H＝32 cm，樁徑D＝16 mm，不銹鋼管壁厚t＝0.6 mm，試驗(yàn)離心加速度n＝95 g，試驗(yàn)用的模型樁數(shù)量m＝3根，長度L＝37.5 cm。

模型樁樁身應(yīng)變通過在樁身上面粘貼應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)，共9對(duì)18個(gè)應(yīng)變片（圖2），應(yīng)變片采用1／4橋路連接，在樁體的對(duì)稱位置各貼1個(gè)應(yīng)變片，粘貼距離為2.5，5.0，7.5，10.0，12.5，15.0，17.5，22.5，27.5 cm。通過在模型樁上鉆小孔，應(yīng)變片導(dǎo)線從模型樁管內(nèi)部引出，底部用木塞塞住，并用環(huán)氧樹脂密封，模型樁通過樁頭連接桿件與加載裝置進(jìn)行連接。

圖2 模型樁尺寸圖Fig.2 Size of themodel pile

模型樁制備好后，對(duì)模型樁進(jìn)行標(biāo)定［11］，標(biāo)定結(jié)果為1 N·m的彎矩對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?01.8με左右，模型樁彈性模量E＝28.2 GPa。

2.3 模型地基

試驗(yàn)所用土料為重慶的黏性土，土體有關(guān)參數(shù)如表1所示，由此得到的塑性指數(shù)分別記為Ip17，Ip10。WL17，WL10分別為圓錐入土深度為17，10 mm處對(duì)應(yīng)的含水量，即塑限，制作模型地基的土料過5 mm篩，通過擊實(shí)試驗(yàn)得其最優(yōu)含水量為15%，最大干密度1.97 g／cm3，擊實(shí)曲線如圖3所示，模型制備時(shí)模型的控制干密度為1.77 g／cm3，控制含水量為15%，相對(duì)密實(shí)度為90%。模型地基為勻質(zhì)黏土地基，地基厚度46 cm，采用分層擊實(shí)，每層2 cm，模型樁埋深為32 cm。

2.4 試驗(yàn)方案

本次水平、豎直組合荷載試驗(yàn)方案共分3組，垂直荷載V＝0，765，845 N，水平荷載用H表示。水平荷載加載高度h＝90 mm，離心加速度n＝95 g，模型樁樁徑D＝16 mm，樁長L＝32 cm。

圖3 黏性土含水率與干密度關(guān)系曲線Fig.3 Relationship be tween moisture content and dry density of cohesive soil

3 試驗(yàn)成果及分析

3.1 不同豎直荷載作用下樁基H－S曲線及承載特性分析

根據(jù)試驗(yàn)采集到的數(shù)據(jù)，得出樁基在不同豎直下壓荷載作用下的水平荷載H和水平位移S關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 不同豎直荷載作用下樁基H－S曲線Fig.4 H－S curves ofmodel pile under different vertical loads

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，在樁基承受V＝765，845 N的下壓荷載時(shí)，樁基在豎直方向的位移均不超過1 mm；參照相關(guān)文獻(xiàn)［9－10］，為便于分析，以10%樁徑水平位移所對(duì)應(yīng)的水平荷載為樁基在下壓荷載作用下所對(duì)應(yīng)的極限水平荷載。按照上述極限荷載的取值方法，得到樁基在下壓荷載V＝765，845 N時(shí)對(duì)應(yīng)的極限水平荷載，如表2所示。

表1 試驗(yàn)土料參數(shù)Table 1 Physical param eters of the test soil

表2 不同下壓荷載作用下樁基極限水平荷載Table 2 Lim it horizontal loads of pile foundation under different vertical loads N

由表2可知，在樁頭水平位移為10%樁徑時(shí)，下壓荷載V＝0，765，845 N的極限水平承載力分別為225，220，190 N，即在某一下壓荷載范圍內(nèi)，相同的位移條件下，樁基施加的下壓荷載越大，樁基的水平承載力越小，樁基的水平承載力隨著樁基施加下壓荷載的增加而減小。參照文松霖［9－10］對(duì)砂土地基中擴(kuò)底樁在水平荷載和豎直荷載組合作用下的承載特性以及屈服包絡(luò)特性的研究成果發(fā)現(xiàn)：砂土地基中，在某一下壓荷載范圍內(nèi)，擴(kuò)底樁的水平承載力隨著施加下壓荷載的增加而增加；通過對(duì)其屈服包絡(luò)特性的研究發(fā)現(xiàn)：超過某一下壓荷載后，擴(kuò)底樁的水平承載力隨著施加下壓荷載的增加而減小，這與本文中的研究成果是一致的。通過對(duì)下壓荷載V＝0 N和下壓荷載V＝765 N的H－S曲線觀察發(fā)現(xiàn)，二者H－S曲線大致重合，這就說明存在一個(gè)臨界荷載，使不同下壓荷載作用下的樁基H－S曲線重合。綜上所述，樁基承受H，V荷載的組合作用時(shí)，在相同位移條件下，下壓荷載存在一個(gè)臨界荷載Vcr：當(dāng)下壓荷載小于臨界荷載Vcr時(shí)，樁基的水平承載力隨著施加下壓荷載的增加而增加；當(dāng)施加的下壓荷載大于臨界荷載Vcr時(shí)，樁基的水平承載力隨著下壓荷載的增加而減小。

在水平荷載H＝100 N時(shí)，下壓荷載V＝765 N的樁頭水平位移為0.4 mm左右，下壓荷載V＝845 N的樁頭水平位移為0.6 mm左右，即某一下壓荷載范圍內(nèi)，相同水平荷載作用下，隨著樁基承受的下壓荷載增大，樁頭水平位移也隨著增大；當(dāng)然這里也存在一個(gè)臨界下壓荷載Vcr：當(dāng)下壓荷載大于臨界荷載Vcr時(shí)，樁頭水平位移隨著豎直荷載的增加而增加；當(dāng)下壓荷載小于臨界荷載Vcr時(shí)，樁頭水平位移隨著豎直荷載的增加而減小。

3.2 不同豎直荷載作用下樁身撓度曲線和樁身轉(zhuǎn)角曲線及承載特性分析

試驗(yàn)時(shí)通過2個(gè)激光位移傳感器測定樁基在水平、豎直組合荷載作用下樁頭的水平位移，兩激光位移傳感器間距Δh＝80 mm，由試驗(yàn)數(shù)據(jù)得出下壓荷載V＝765，845 N時(shí)水平荷載和tanθ關(guān)系曲線，如圖5所示，其中，θ為水平轉(zhuǎn)角。

由圖5可知，在水平荷載H＝100 N時(shí)，下壓荷載V＝765 N的tanθ＝0.006，下壓荷載V＝845 N的水平轉(zhuǎn)角tanθ≈0.007 5，即在某一下壓荷載范圍內(nèi)，樁基承受相同水平荷載作用下，樁基受到的下壓荷載越大，樁頭轉(zhuǎn)角（樁身傾斜程度）越大；通過前面的研究成果可知，存在一個(gè)臨界荷載Vcr，超過這個(gè)臨界荷載時(shí)會(huì)呈現(xiàn)另一種變化趨勢。

由采集到的試驗(yàn)前后的圖片得出在不同下壓荷載作用下樁基試驗(yàn)前后變形情況，如圖6所示。由圖6可知，試驗(yàn)結(jié)束后，下壓荷載V＝845 N的樁基偏轉(zhuǎn)傾斜程度要比下壓荷載V＝765 N的要大，這和樁基的水平荷載和樁頭轉(zhuǎn)角曲線中觀察到的現(xiàn)象是一致的。

圖5 不同下壓荷載作用下水平荷載和tanθ曲線Fig.5 Relationship between tanθand horizontal load under different vertical loads

圖6 不同下壓荷載時(shí)樁基受水平荷載試驗(yàn)前后變化Fig.6 Variation ofmodel pile deformation before and after centrifugalmodel test under different vertical loads

參照樁基工程手冊(cè)有關(guān)樁基撓度的計(jì)算公式，得到樁基在相同水平荷載作用下，不同下壓荷載作用時(shí)的撓度曲線如圖7所示。

由樁基在V和H荷載組合作用下的樁身撓度曲線可知，下壓荷載對(duì)樁身的撓度變形是有影響的。從圖7中可看出，在某一下壓荷載范圍內(nèi)，下壓荷載越大，樁身對(duì)應(yīng)的撓度變形也就越大，樁身的撓度變形隨著下壓荷載的增加而增加，這與圖6中反映的樁基試驗(yàn)前后變化情況和tanθ曲線（圖5）中觀察到的是一致的。綜上所述，樁基的水平荷載H和下壓荷載V是相互影響的，因此樁基設(shè)計(jì)過程中必須注意水平荷載H和下壓荷載V的組合作用對(duì)樁基的變形的影響。

3.3 不同豎直荷載作用下樁身彎矩曲線及承載特

性分析

由試驗(yàn)結(jié)束時(shí)采集到的樁身應(yīng)變值，參照樁基標(biāo)定的有關(guān)數(shù)值，即1 N·m的彎矩對(duì)應(yīng)的應(yīng)變?yōu)?01.8με，得出樁基在下壓荷載V＝0，765，845 N時(shí)，樁基在承受水平荷載H＝184 N時(shí)的彎矩變化曲線如圖8所示。

圖7 水平荷載H＝184 N時(shí)不同下壓荷載作用下樁身撓度曲線Fig.7 Deflection curves of pile under different vertical loads when H＝184 N

圖8 水平荷載H＝184 N時(shí)不同下壓荷載作用下樁身彎矩變化曲線Fig.8 Curves of bending moment of pile under different vertical loadswhen H＝184 N

由樁身彎矩分布圖可知，樁基只承受水平荷載時(shí)（V＝0 N），樁基彎矩分布曲線大致為從樁基頂部逐漸向下減小，彎矩0點(diǎn)位于地表以下12.5 cm處，之后隨著深度的增加，樁身彎矩值大致不變；樁基承受下壓荷載V＝845 N時(shí)，樁基彎矩曲線變化趨勢大致為：彎矩值從樁頂處逐漸增大，大致在地表以下5 cm處樁身彎矩達(dá)到最大值，之后樁基彎矩隨著深度的增加又逐漸減小，彎矩0點(diǎn)位于地表以下12.5 cm處，之后隨著深度的增加樁身彎矩值大致相同，對(duì)比可知，樁基在承受水平荷載H時(shí)的彎矩變化趨勢和樁基在承受水平荷載H和下壓荷載V的組合作用時(shí)彎矩變化趨勢是不一樣的，從而反映了2種加載模式下樁基的承載特性是不同的。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，豎直荷載V＝845 N時(shí)，樁基最大彎矩為19.08 N·m。

4 結(jié) 論

通過對(duì)水平、豎直組合荷載作用下樁基離心模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，探討樁基水平、豎直組合荷載作用下的承載特性，在某一下壓荷載范圍內(nèi)，有如下結(jié)論：

（1）在相同位移條件下，樁基施加的下壓荷載越大，樁基的水平承載力越小，即樁基的水平承載力隨著樁基施加下壓荷載的增加而減小。

（2）在相同水平荷載作用下，隨著樁基承受的下壓荷載增大，樁頭水平位移也隨著增大，即樁頭水平位移隨著施加的下壓荷載值增大而增大。

（3）樁基承受相同水平荷載作用下，樁基受到的下壓荷載越大，樁頭轉(zhuǎn)角（樁身傾斜程度）越大。

（4）樁基在承受水平、豎直組合荷載作用時(shí)，水平荷載H和下壓荷載V是相互影響的，因此樁基設(shè)計(jì)過程中必須注意水平荷載H和下壓荷載V的組合作用對(duì)樁基變形的影響。

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（編輯：黃 玲）

Centrifugal M odel Test on Bearing Capacity of Pile Foundation under Combined Horizontal Loading and Vertical Loading

CHAIHong tao1，WEN Song lin2
（1.No.2 Geotechnical Engineering Division，Beijing Huayu Engineering Co.，Ltd.of China Coal Technology＆Engineering Group，Pingdingshan 467092，China；2.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry ofWater Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The bearing capacitymechanism of pile foundation under combined horizontal loading and vertical loading is researched through several centrifugalmodel tests.The results indicate that：under the same displacement，the horizontal bearing capacity of pile foundation decreaseswith the increase of vertical load.Under the same horizontal load，the horizontal displacement of pile head increases with the increase of vertical load.The larger the vertical load is，the bigger the inclination of pile is.When the pile foundation is under the action of combined vertical load and horizontal load，the two loads are affected by each other.The interaction of horizontal load H and vertical load V must be considered in the design of pile foundation.

centrifugalmodel test；combined load；bearing capacitymechanism；pile foundation

TU443

A

1001－5485（2013）12－0087－04

10.3969／j.issn.1001－5485.2013.12.016 2013，30（12）：87－90，96

2012－11－20；

2013－01－21

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50978034）

柴紅濤（1985－），男，河南平頂山人，助理工程師，碩士，主要從事樁基、地基處理方面的研究工作，（電話）18768956108（電子信箱）chaihongtaocom＠126.com。