軟土地區(qū)群樁基礎(chǔ)受力特性研究

徐圣欽

摘 要：本文章主要介紹針對(duì)目前橋梁樁基工程設(shè)計(jì)時(shí)采用的m法的不足，對(duì)軟土地區(qū)的群樁水平受力特性進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，分析各因素對(duì)橫向受荷樁的荷載傳遞及樁土變形的影響規(guī)律。

關(guān)鍵詞：軟土；群樁基礎(chǔ)

一、項(xiàng)目背景

我國東南沿海地區(qū)廣泛分布著軟土，這種軟土通常是指抗剪強(qiáng)度較低，壓縮性較高，滲透性較小的淤泥和淤泥質(zhì)土等。工程樁是深入土層的柱型構(gòu)件，樁與連接樁頂?shù)某信_(tái)組成深基礎(chǔ)。其作用是將上部結(jié)構(gòu)的荷載，通過較弱的地層傳遞到深部較堅(jiān)硬的、壓縮性小的土層或巖層。樁基礎(chǔ)具有承載力大、穩(wěn)定性好、沉降小而均勻、沉降速率收斂快的特點(diǎn)。常用于豎向荷載大而集中、受大面積地面荷載影響的結(jié)構(gòu)和在沉降方面有較高要求的建筑物等。樁基可以承受一定的豎向荷載和抗拔力，可用于高聳結(jié)構(gòu)物超負(fù)荷和地下建筑或構(gòu)筑物的抗浮要求，此外，還用于振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響以及作為地震區(qū)的一種結(jié)構(gòu)抗震重要措施。 在荷載作用下建筑物引起地基沉降，水平向偏移或不均勻沉降超過相應(yīng)的允許值，將引起上部結(jié)構(gòu)的變形。沉降是造成墻身開裂的主要原因，表現(xiàn)為傾斜、彎曲及空間扭曲，從而影響到建筑和構(gòu)筑物的正常使用，嚴(yán)重的會(huì)威脅建筑物的安全，在軟土地區(qū)產(chǎn)生此類現(xiàn)象的建筑物不少，有些建成后沒兩年，就需要進(jìn)行加固處理。在以這類土質(zhì)為地基的橋梁工程中主要采用群樁基礎(chǔ)。在水平荷載作用下樁的受力性狀是一個(gè)非常復(fù)雜的樁土相互作用過程。地基系數(shù)m法是國內(nèi)比較盛行的計(jì)算橫向受樁樁身水平位移和內(nèi)力的方法。但眾多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，m法對(duì)軟土地區(qū)橫向受荷群樁基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)并不能達(dá)到預(yù)期的效果。本項(xiàng)目以滬通高鐵為工程依托，作為“軟土地區(qū)群樁基礎(chǔ)側(cè)向抗力m值取值研究”的主要內(nèi)容之一，針對(duì)典型的深厚軟土，開展橫向受荷樁的大比例三維地質(zhì)模型試驗(yàn)。

二、研究目的

本項(xiàng)目以滬通高鐵為依托：①針對(duì)典型的深厚軟土，開展橫向受荷樁的大比例三維地質(zhì)模型試驗(yàn)，研究樁長、樁徑、樁的剛度、群樁效應(yīng)、荷載大小等因素對(duì)橫向受荷樁的荷載傳遞及樁土變形的影響規(guī)律；②在室內(nèi)土工試驗(yàn)和地質(zhì)力學(xué)模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，采用數(shù)值模擬和理論分析等方法，建立適用于軟土地區(qū)的樁-土相互作用力學(xué)模型，研究樁土水平荷載傳遞規(guī)律。導(dǎo)出典型軟土的m值與橫向受荷樁主要影響參數(shù)之間的關(guān)系式，最終得到用來計(jì)算水平推力樁的m值，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)，還可以降低經(jīng)濟(jì)成本、提高施工效率和安全度，并用于指導(dǎo)其它類似工程實(shí)踐。

三、研究內(nèi)容

1.搜集資料，進(jìn)行理論分析。

2.開展橫向受荷樁的大比例三維地質(zhì)模型試驗(yàn)：（1）通過室內(nèi)土工試驗(yàn)得到相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)。（2）進(jìn)行多組大比例三維地質(zhì)模型試驗(yàn)：a、改變樁數(shù)，討論群樁效應(yīng)對(duì)群樁基礎(chǔ)水平受荷特性的影響；b、根據(jù)不同的加載大小，研究水平荷載大小與群樁基礎(chǔ)水平受荷特性之間的關(guān)系。

3.對(duì)比模型試驗(yàn)和理論計(jì)算得出的樁身彎矩、水平位移。并將模型試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算的結(jié)果相互比較，得出荷載-位移曲線，分析水平荷載-水平變位的關(guān)系，研究得出橫向受荷群樁內(nèi)力、變形規(guī)律。

四、研究方法

1.收集現(xiàn)場地質(zhì)水文資料并進(jìn)行整理，分析軟土地區(qū)群樁基礎(chǔ)主動(dòng)受荷下受力 的特性。

2.根據(jù)國內(nèi)工程所采用群樁基礎(chǔ)的埋深、承臺(tái)幾何尺寸及樁土體應(yīng)力影響范圍的關(guān)系，考慮邊界效應(yīng)，根據(jù)試驗(yàn)本身可行性確定試驗(yàn)域，從而確定試驗(yàn)槽的尺寸。

3.通過室內(nèi)土工試驗(yàn)獲得相關(guān)物理力學(xué)參數(shù)，根據(jù)相似理論和實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有設(shè)備條件以及試驗(yàn)的可實(shí)現(xiàn)性，確定幾何相似比。

4.按照剛度相似的控制條件確定采用有機(jī)玻璃管制作模型樁，混凝土制作承臺(tái)，再根據(jù)用π定理計(jì)算出的幾何相似比確定樁長、樁徑，并確定群樁布樁形式為最簡單的2*2。土體材料采用原型土。

5.模型試驗(yàn)水平加載沿線路縱向施加荷載，采用單向多循環(huán)加、卸載方法，加載時(shí)的最大荷載約為豎向設(shè)計(jì)荷載的80%，并取預(yù)估水平極限承載力的1/10～1/15作為每級(jí)加載增量。

6.采用沿樁身每隔10-15厘米對(duì)稱布設(shè)電阻應(yīng)變片的方法來測試水平荷載作用下樁身曲率變化。實(shí)際測量時(shí)所有應(yīng)變片均采用半橋連接式，應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償采用一一對(duì)應(yīng)式的同類材料補(bǔ)償。采用兩塊大量程百分表測量樁的水平位移，并依靠兩塊百分表的的度數(shù)差和表間距計(jì)算出樁頂?shù)霓D(zhuǎn)角。采用拉力傳感器測試水平荷載的大小。

7.根據(jù)處理模型試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)繪制水平荷載-水平位移關(guān)系曲線、水平荷載-承臺(tái)轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線、荷載-樁身彎矩關(guān)系曲線，還可以根據(jù)各級(jí)水平荷載和相應(yīng)的水平位移反算m 值，最后分析群樁效應(yīng)、荷載大小等因素與橫向受荷樁的荷載傳遞及樁土變形之間的關(guān)系。

五、試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)樁頂水平位移與水平力的關(guān)系曲線可得單樁臨界荷載 為10N，極限荷載 為17.5N；群樁臨界荷載 為60N，極限荷載 為100N

由單樁和群樁兩組曲線不難得出：（1）同一荷載作用下，樁身水平位移隨樁身深度的增加而減??；（2）相同樁身位置，樁身水平位移隨荷載增加而增加；且在相同位置，相同荷載作用下，單樁的樁身水平位移大于群樁的樁身位移；（3）群樁由于群樁效應(yīng)，在較小荷載作用下，樁身水平位移變化不大，且均小于單樁。

根據(jù)試撿所測得的樁身各測試斷面測點(diǎn)處的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變 后，即可由該斷面的彎曲應(yīng)變 來計(jì)算相應(yīng)截面的彎矩：

（1）同一荷載作用下，樁身彎矩在0cm-7cm范圍內(nèi)為負(fù)，且隨深度增加而減小，7cm-20cm范圍內(nèi)隨著深度增加而增加，20cm-50cm范圍內(nèi)隨著深度增加而減小，當(dāng)深度大于50cm后，彎矩約為0；（2）同一深度，樁身彎矩隨荷載增加而增大；在20cm處，彎矩變化程度最大。（3）對(duì)比群樁與單樁的樁身彎矩圖可得：相同大小荷載作用下，同一深度的單樁樁身彎矩大于群樁的樁身彎矩。

將理論計(jì)算所得的結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較，分析如下：⑴在同樣大小荷載作用下，試驗(yàn)所得的地面水平位移均小于理論計(jì)算結(jié)果。初步分析是由于試驗(yàn)土體為軟土，具有泌水性，地表淤積較多水分，使得試驗(yàn)所用土體較工程實(shí)地土體更軟，在相同荷載作用下，會(huì)產(chǎn)生更大的水平位移；⑵理論計(jì)算所得結(jié)果表明相同荷載相同深度的樁身水平位移，群樁小于單樁，這與試驗(yàn)結(jié)果一致。

六、結(jié)論

在樁身彎矩方面，由m法理論計(jì)算所得到的彎矩的最大值要大于實(shí)際試驗(yàn)的彎矩最大值，理論計(jì)算所得的樁身最大彎矩位置樁深要低于實(shí)際試驗(yàn)時(shí)最大彎矩出現(xiàn)的樁深，而兩者間的差距不大。在樁身的底部出現(xiàn)了負(fù)彎矩，在m法中無法體現(xiàn)。而在位移方面，由m法理論計(jì)算所得到的樁身地面處的水平位移要小于實(shí)際試驗(yàn)所得樁身地面處的水平位移值，而兩者間的差距較大。由此可見，用m計(jì)算所得的彎矩與實(shí)際試驗(yàn)比較接近，而且大于實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的彎矩，因此是偏于安全的。而在地面處的水平位移方面，m法計(jì)算所得的水平位移要小于實(shí)際試驗(yàn)時(shí)的數(shù)據(jù)，且差別較大。因此，m法計(jì)算水平位移是比較不準(zhǔn)確的，且是偏于不安全的。