砂土中單樁承載試驗(yàn)研究

曹建忠，羅元喜

（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，江蘇常州213000）

砂土中單樁承載試驗(yàn)研究

曹建忠*，羅元喜

（江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局第二地質(zhì)大隊(duì)，江蘇常州213000）

根據(jù)具體工程對砂性土中樁的垂直和水平承載特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。試驗(yàn)采用樁長為47m，地基土層主要為砂土。垂直承載試驗(yàn)結(jié)果表明，Q-s曲線可分為彈性階段、彈塑性階段和整體破壞3個(gè)階段，單樁極限承載力為4200kN，砂土層對樁身軸力的影響大，上部粉質(zhì)粘土對軸力的影響較小。水平荷載-位移曲線近似呈雙曲線型，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值為11.2。

砂土；樁；承載試驗(yàn)

1　概述

國內(nèi)外學(xué)者對不同荷載下單樁的承載特性做了大量的工作，其中，G.G.Meyerhof等［1-2］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)研究了均質(zhì)砂土、均質(zhì)粘土及分層土中偏心傾斜荷載作用下剛性短樁的承載特性，并將柔性長樁等代為剛性短樁計(jì)算單樁的承載力［3］。文獻(xiàn)［4］中對樁周土體為單一砂性土和粘性土條件下的超長樁承載機(jī)理進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明，典型的砂性土的側(cè)阻力與樁身位移的關(guān)系曲線與粘性土的明顯不一樣。但對絕大多數(shù)超長樁工程來說，土體為單一土層的狀況幾乎很少見，目前針對砂性土地基中超長樁的研究較少。

我國長江中下游（特別是江蘇省境內(nèi)）沿岸地表以下約10m深度范圍為雜填土或軟粘土，力學(xué)性質(zhì)差，承載力低，下部分布的土層為厚度60～100m的砂性土層。對于一些荷載比較大的工程，天然地基無法滿足承載力要求，一般采用樁基，因此，樁基持力層必然為砂性土層且樁身大部分位于砂性土層當(dāng)中。

單樁豎向承載力確定的常用方法主要包括：原型試驗(yàn)法、靜力學(xué)計(jì)算法、原位測試法、經(jīng)驗(yàn)公式法；單樁沉降計(jì)算方法主要包括［4-9］：荷載傳遞法、彈性理論法、剪切位移法、有限單元法以及其它簡化方法，每種方法都有其相應(yīng)的假定［10］，適用于一定的工程情況。但對計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確與否則要通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)。本文結(jié)合具體工程，通過試驗(yàn)研究砂性土地基中的基樁的承載特征。

2　試驗(yàn)條件及試驗(yàn)方法

2.1試驗(yàn)條件

常州地區(qū)某工程由于天然地基無法滿足建（構(gòu)）筑物對沉降的要求，擬采用樁基，根據(jù)勘察資料，所涉及地層主要由第四系全新統(tǒng)—上更新統(tǒng)沖積、湖積成因的粘性土層、粉土層、砂性土層及粘性土、粉土、砂性土的夾層，地基各土層主要巖土設(shè)計(jì)參數(shù)值詳見表1。

試樁樁徑為?800mm，樁長47m，樁身上部約4m位于粉質(zhì)粘土層中，其余均位于粉土、粉砂和粉細(xì)砂層中，以12粉細(xì)砂為樁端持力層，進(jìn)入深度約2.0m，故樁身荷載主要由砂性土層承擔(dān)?；炷翉?qiáng)度等級C35，預(yù)估單樁豎向抗壓極限承載力6300kN。試驗(yàn)最大加載量預(yù)定為8400kN。

2.2試驗(yàn)方法

試驗(yàn)嚴(yán)格按照《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》（JGJ106-2003）中的要求執(zhí)行。

（1）加載系統(tǒng)：采用8錨樁反力系統(tǒng)，錨樁重復(fù)使用。試驗(yàn)采用12000kN等級鋼梁，2臺(tái)千斤頂并聯(lián)加壓，試驗(yàn)設(shè)備最大加載能力達(dá)到10000kN。反力架裝置示意圖見圖1。

（2）采用全自動(dòng)觀測系統(tǒng)，自動(dòng)加壓、穩(wěn)壓、讀數(shù)、記錄并控制穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)。

（3）加、卸荷載等級：采用慢速維持荷載法加荷，按規(guī)定總加載量的1/10分級。

（4）沉降觀測：每級加載后，每隔5、10、15min時(shí)各測讀一次，以后每隔15min讀一次，累計(jì)滿一小時(shí)后每隔半小時(shí)測讀一次。

（5）沉降相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：在每級荷載作用下，樁的沉降量連續(xù)2次在每小時(shí)內(nèi)小于0.1mm時(shí)可視為穩(wěn)定。

表1　地基土層組主要巖土設(shè)計(jì)參數(shù)值表

圖1　基樁豎向抗壓荷載試驗(yàn)裝置

（6）終止加載條件：當(dāng)出現(xiàn)下列情況之一時(shí)，即可終止加載：

①某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下沉降量的5倍；

②△sn+1/△sn≥2，且經(jīng)24h尚未達(dá)到穩(wěn)定；

③已達(dá)到設(shè)計(jì)要求的最大加載量；

④達(dá)到錨樁的最大抗拔力。

（7）卸載觀測：每級卸載量為加載量的2倍。卸載后每隔15min測讀一次，讀兩次后隔半小時(shí)再讀一次，即卸下一級荷載，全部卸完后，隔3～4h再測讀一次。

3　試驗(yàn)結(jié)果

3.1單樁垂直靜載試驗(yàn)

通過試驗(yàn)得出試樁Q-s（垂直荷載-沉降）曲線見圖2、3。

從Q-s曲線特征看，在4200kN荷載作用下，累計(jì)沉降量僅為17.90mm，變形梯度比ΔS4200/ΔS3500=5.08，但從低應(yīng)變曲線看，該樁樁身無明顯缺陷，為合格樁，因此，該樁樁底可能存在沉渣，造成Q-s曲線沉降突增。根據(jù)規(guī)定，該類型樁荷載試驗(yàn)仍可繼續(xù)加載，在4200～5600kN荷載作用下，各級的觀測時(shí)間很長且每沉降量越來越大，在7000kN加載過程中，沉降量很快突破110mm，故終止試驗(yàn)。

由上述試樁結(jié)果可知，荷載與沉降關(guān)系呈非線性，Q-s曲線分為彈性階段、彈塑性階段和整體破壞3個(gè)階段：

（1）彈性階段（oa段）：樁頂荷載小于比例極限，該階段土體變形表現(xiàn)為彈性變形，Q-s曲線呈線性關(guān)系。

（2）彈塑性變形階段（ab段）：曲線呈非線性關(guān)系，曲線斜率逐漸增大，土體在荷載增量相同沉降越來越大，土體中局部開始出現(xiàn)塑性變形，但該階段s-lgt曲線變化平緩，表明土體沉降比較穩(wěn)定。

（3）整體破壞階段（bc段）：土體出現(xiàn)整體破壞，即使荷載不再增加，沉降量仍急劇增加，s-lgt曲線向下水平和垂直。

圖2　試樁垂直荷載-沉降關(guān)系曲線

圖3　樁頂沉降-時(shí)間關(guān)系曲線

圖4　樁身軸力分布曲線

樁身軸力（圖4）沿深度變化趨勢基本一致，在15m深度處有明顯的拐點(diǎn)，表明15m深度以下的粉細(xì)砂層側(cè)摩阻力對樁身軸力影響較大，15m以上地層，特別是上部粉質(zhì)粘土和對軸力影響較小。

3.2單樁水平靜載試驗(yàn)

水平加載分級：根據(jù)提供的極限承載力預(yù)估值，取預(yù)估水平極限承載力的1/10作為每級荷載的加載增量。每級荷載施加后，恒載4min測讀水平位移，然后卸載至零，停2min測讀殘余水平位移，至此完成一個(gè)加卸載循環(huán)，如此循環(huán)5次，完成一級荷載試驗(yàn)的位移觀測。測量位移的時(shí)間應(yīng)嚴(yán)格準(zhǔn)確，試驗(yàn)不得中途停歇。當(dāng)樁身折斷或水平位移超過40mm時(shí)終止。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，鉆孔灌注樁樁在270～300kN荷載作用下水平位移超過40mm，故終止試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制H（水平力）-△Y0（樁頂位移梯度）曲線見圖5。

圖5　樁頂水平位移-水平荷載關(guān)系曲線

水平荷載-位移曲線近似呈雙曲線型，根據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》提供的方法，試樁的水平臨界荷載為150kN。單樁水平承載力特征值為120kN。根據(jù)有關(guān)規(guī)范，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的確定：

式中：m——地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，MN/m4；

H——作用于地面的水平力，kN；

Y0——水平力作用點(diǎn)的水平位移，m；

EI——樁身抗彎剛度，kN·m2；

γy——樁頂水平位移系數(shù)；

b0——樁身計(jì)算寬度，m；根據(jù)上述公式，計(jì)算得m值為11.2。

4　結(jié)論

通過自行設(shè)計(jì)的加載裝置，對實(shí)際工程中樁頂預(yù)先施加豎向和水平荷載情況下單樁承載特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)論如下：

（1）樁頂豎向荷載-沉降關(guān)系表明，Q-s曲線可分為彈性階段、彈塑性階段和整體破壞3個(gè)階段。

（2）砂土層對樁身軸力的影響大，上部粉質(zhì)粘土對軸力的影響較小。

（3）水平荷載-位移曲線近似呈雙曲線型，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m值為11.2。

［1］MEYERHOF G.G.，SASTRYVV R.N..Bearing Capacity of Rigid Piles Under Eccentric and Inclined Loads［J］.Canadian Geotechnical Journal，1985，22（3）：267-276.

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［3］YALCIN A.S.，MEYERHOF G.G..Bearing Capacity of Flexible Piles Under Eccentric and Inclined Loads in Layered Soil［J］. Canadian Geotechnical Journal，1991，28（6）：909-917.

［4］蔣建平.大直徑灌注樁豎向承載性狀［M］.上海.上海交通大學(xué)出版社.2007.

［5］ Poulos.H.G.Pile Behavior-theory and Application.Rankine Lecture.Geotechnique［M］.1989.39（3）.

［6］Reese，L.C，and O'Neill.M.W.Drilled Shafts Construction Procedures and Design Methods［M］.Rep.1988.No.FHWA-HI-88-42.U.S.

［7］ Randolph，M.F，and Wroth，C.P.Analysis of Deformation of VerticallyLoadedPiles［M］.J.Geotech.Engrg.Div. ASCE.1978.104（12）.

［8］ Michael W.O'Neill.Side Resisitance in Piles and Drilled Shafts［M］.Journal of Geotechnical and Geoenvironment Engineering.2001.

［9］趙明華，李微哲，單遠(yuǎn)銘，等.地基中傾斜荷載樁改進(jìn)有限桿單元法研究［J］.工程力學(xué)，2008，25（5）：79-84.

［10］楊征宇.輸電塔基礎(chǔ)斜樁非線性p-y曲線［J］.河海大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2010，38（1）：104-108.

U443

A

1004-5716（2016）03-0005-04

2014-03-19

曹建忠（1966-），男（漢族），江蘇常州人，高級工程師，注冊安全工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察，邊坡、基坑等巖土、地質(zhì)工程的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測工作。