鈣質(zhì)砂中樁基承載性狀的模型試驗研究

楊 超，江 浩，岳 健，劉 洋

(1.湖南科技大學(xué) a.頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室; b.巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201; 2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南 250013)

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鈣質(zhì)砂中樁基承載性狀的模型試驗研究

楊 超1a，1b，江 浩2，岳 健1b，劉 洋1a

(1.湖南科技大學(xué) a.頁巖氣資源利用湖南省重點實驗室; b.巖土工程穩(wěn)定控制與健康監(jiān)測湖南省重點實驗室，湖南 湘潭 411201; 2.山東電力工程咨詢院有限公司，濟(jì)南 250013)

通過室內(nèi)模型試驗研究鈣質(zhì)砂中樁的承載性狀，并采用石英砂進(jìn)行對比。試驗結(jié)果表明：在鈣質(zhì)砂和石英砂中樁的承載性狀差異顯著；開、閉口對樁的承載性能影響不大，相對密實度越大表現(xiàn)越明顯；相同相對密實度下鈣質(zhì)砂中閉口樁的承載力較石英砂中低很多；鈣質(zhì)砂中樁側(cè)荷載分擔(dān)較小，大部分荷載由樁端土體承擔(dān)，樁身下部與上部軸力相差不大，密實度越大，樁端軸力分擔(dān)比例越高；石英砂中，樁身軸力沿樁身呈迅速減少，軸力衰減速率隨深度增加而增大；與鈣質(zhì)砂相比，石英砂中樁側(cè)摩阻力大很多；鈣質(zhì)砂和石英砂中樁側(cè)摩阻力分布形式相似，近似呈拋物線型，表現(xiàn)出相同的性質(zhì)；鈣質(zhì)砂中樁側(cè)摩阻力未隨相對密實度的增大而明顯增加，而石英砂中樁側(cè)摩阻力隨相對密實度的增大而增加十分顯著。

鈣質(zhì)砂；模型試驗；承載力；樁側(cè)摩阻力；顆粒破碎

1 研究背景

鈣質(zhì)砂是一種海洋生物成因，CaCO3含量超過50%的粒狀、片狀材料，其顆粒強(qiáng)度低、形狀不規(guī)則、棱角尖銳，一般還具有內(nèi)孔隙，因此更易于顆粒破碎[1-2]。鈣質(zhì)砂地層的特殊性質(zhì)，使其樁基承載性狀極其復(fù)雜，已有樁基工程中的傳統(tǒng)經(jīng)驗難以適用于鈣質(zhì)砂地層[3-6]。因此，學(xué)者們采用室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場測試的方法對鈣質(zhì)砂中樁基承載性能進(jìn)行了廣泛研究[7-12]。尤其近年來對南海石油天然氣資源的勘探和開采、南海諸島開發(fā)以及國防需要，開展鈣質(zhì)砂中樁基承載性狀的研究顯得尤為重要。

本文通過對比鈣質(zhì)砂和石英砂2種不同巖土材料中開口樁和閉口樁的荷載-沉降關(guān)系、樁身軸力傳遞特性以及側(cè)摩阻力特性進(jìn)行鈣質(zhì)砂中樁基承載性狀研究。

2 試驗概況

2.1 試驗材料

試驗所用鈣質(zhì)砂取自南海南沙某島礁附近海域，為未膠結(jié)松散珊瑚碎屑沉積物，對比材料采用石英砂；鈣質(zhì)砂與石英砂均采用干砂，含水量不超過2%。同時，為減少顆粒破碎對試驗結(jié)果的影響，分層輕壓控制鈣質(zhì)砂和石英砂的相對密實度Dr為46%和75%。試驗材料物理性質(zhì)參數(shù)、顆分曲線分別見表1和圖1。

表1 試驗材料的物理性質(zhì)參數(shù)

圖1 鈣質(zhì)砂和石英砂顆分曲線

2.2 試驗方案

試驗選擇模型箱尺寸為：φ700 mm的鋼性圓筒，高900 mm；模型樁為：模型樁采用無縫鋼管，彈性模量Es=2.06×105MPa，外徑30 mm，內(nèi)徑24 mm，長600 mm。

圖2 試驗?zāi)Ｐ图凹虞d實景

試驗?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。參考文獻(xiàn)[13]，本次試驗中模型的幾何尺寸相似比例為1∶30。江浩[8]在臨近箱壁和箱底的砂中各埋設(shè)一個土壓力盒來測試模型箱的邊界效應(yīng)；實測發(fā)現(xiàn)，臨近箱壁和箱底處砂的土壓力變化很小，幾乎可以忽略不計，可以認(rèn)為邊界效應(yīng)已消除。因此，本試驗可以不考慮模型箱的邊界效應(yīng)影響。

試驗采用3 kN的油壓千斤頂加載，施加荷載通過油壓表控制；樁頂位移由對稱設(shè)置的2個百分表測得；樁身平均布置5個應(yīng)變測點，均設(shè)置有特殊防潮措施的箔式電阻應(yīng)變片；同時，在靠近模型箱邊緣的土層中設(shè)置溫度補(bǔ)償片。試驗前，對所有測量傳感器進(jìn)行標(biāo)定。

試驗采用快速加載，每級加載1 h后，施加下一級荷載；每5，10，15，15，15 min各記錄1次讀數(shù)；若樁頂?shù)某两盗繛榍耙患壓奢d作用下沉降量的5倍或達(dá)到千斤頂最大行程方可終止試驗。

圖3 開、閉口樁Q-s曲線

3 試驗成果分析

3.1 開、閉口對樁基承載特性的影響

從圖3可以看出:鈣質(zhì)砂地基中，樁頂荷載P較小時，即Q-s曲線呈直線段，此時樁周土變形處于彈性階段，開、閉口樁的Q-s曲線較接近，開、閉口對樁的承載性能影響不大，相對密實度越大表現(xiàn)越明顯；隨著荷載的繼續(xù)增大，Q-s曲線進(jìn)入曲線段，此時樁周土進(jìn)入塑性階段，開口樁樁端土體進(jìn)入樁體內(nèi)部，開、閉口對樁的承載性能影響開始顯現(xiàn)，但由于鈣質(zhì)砂顆粒破碎的影響，土塞效應(yīng)并不十分明顯；Dr=46%時，閉口樁的單樁極限承載力比開口樁提高約12%；Dr=75%時，閉口樁的單樁極限承載力比開口單樁提高約17%；相對密實度對開、閉口樁的承載能力提高影響不大。

同時，相同相對密實度下鈣質(zhì)砂中閉口單樁的承載力較石英砂中低很多。如Dr=75%，鈣質(zhì)砂中閉口樁的單樁極限承載力為2.15 kN，約為石英砂的66%，體現(xiàn)出鈣質(zhì)砂具有特殊工程性質(zhì)。

3.2 樁身軸力傳遞特性

由圖4可以看出，各級荷載作用下，鈣質(zhì)砂中樁側(cè)土分擔(dān)荷載較小，大部分承載力由樁端土體承擔(dān)，樁身軸力變化不大，樁端軸力達(dá)70%以上，表現(xiàn)為摩擦端承樁性狀；相對密實度越大樁端軸力分擔(dān)比例越高，但提高比例不大，Dr=75%較Dr=46%中樁端軸力分擔(dān)比例提高約5%(見圖5)。

圖4 不同樁頂荷載閉口樁樁身軸力分布

圖5 不同相對密實度鈣質(zhì)砂地基中閉口樁樁身軸力分布

然而，石英砂中樁身軸力分布較鈣質(zhì)砂中有較大差異(見圖4、圖6)。石英砂中，樁身軸力沿樁身呈迅速減少，軸力衰減速率隨深度增加而增大，荷載較小時，樁端軸力分擔(dān)樁頂荷載比例約5%；隨荷載增大，端阻增加較快，相對密實度越大，增加越大。Dr=46%，樁頂荷載0.22 kN時，樁端軸力分擔(dān)樁頂荷載比例5%，樁頂荷載增加0.95 kN，樁端軸力分擔(dān)樁頂荷載比例達(dá)46%；Dr=75%，樁頂荷載0.34 kN時，樁端軸力分擔(dān)樁頂荷載比例12%，樁頂荷載增加2.90 kN，樁端軸力分擔(dān)樁頂荷載比例達(dá)70%。與鈣質(zhì)砂相比，石英砂中樁側(cè)摩阻力大很多。鈣質(zhì)砂和石英砂地基中樁端土體分擔(dān)荷載比例見表2。

圖6 鈣質(zhì)砂與石英砂地基中樁身軸力之差

地基類型相對密實度Dr/%樁頂荷載/kN樁端軸力/kN樁端分擔(dān)荷載比例/%鈣質(zhì)砂石英砂460.220.1568460.830.6882750.340.2574752.902.4986460.220.105460.950.4446750.340.0412752.902.0270

圖7 不同樁頂荷載閉口樁樁側(cè)摩阻力分布

3.3 樁側(cè)摩阻力特性

從圖7可以看出，鈣質(zhì)砂和石英砂中樁側(cè)摩阻力分布形式相似，近似呈拋物線型，表現(xiàn)出相同的性質(zhì)，二者樁側(cè)摩阻力都隨樁頂荷載增加而增大；當(dāng)荷載到達(dá)一定值時，樁側(cè)摩阻力基本維持一個穩(wěn)定值，而不隨荷載而發(fā)生較大的變化。值得注意的是，鈣質(zhì)砂中樁側(cè)摩阻力并未隨相對密實度的增大而顯著增加；鈣質(zhì)砂中相對密實度Dr為46%，75%時，樁側(cè)極限摩阻力分別為3.86 kN和4.56 kN。而石英砂中樁側(cè)摩阻力隨相對密實度的增大而增加十分顯著；相對密實度Dr為46%，75%時，樁側(cè)極限摩阻力分別為14.08 kN和22.84 kN。

一般認(rèn)為，鈣質(zhì)砂的摩擦角高于石英砂，但鋼管樁的樁側(cè)摩阻力卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石英砂的，承載能力也較低是由鈣質(zhì)砂顆粒破碎造成的[14]。樁側(cè)摩阻力可由式(1)求得，即

(1)

軸向荷載作用時，通過樁土應(yīng)力傳遞，樁周土?xí)瑫r產(chǎn)生剪切作用和擠壓作用。剪切作用使樁周土發(fā)生大量的顆粒破碎；擠壓作用在使樁周土壓密的同時，還促使鈣質(zhì)砂發(fā)生顆粒破碎；從而導(dǎo)致樁周砂土級配隨之變化，樁周水平有效應(yīng)力減小。對于鈣質(zhì)砂來說，顆粒破碎引起的樁周水平有效應(yīng)力的降低遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于擠密作用導(dǎo)致水平有效應(yīng)力的增加[11]。

4 結(jié) 論

(1) 開、閉口對樁的承載性能影響不大，相對密實度越大表現(xiàn)越明顯；且相同相對密實度下鈣質(zhì)砂中閉口樁的承載力較石英砂中低很多。

(2) 各級荷載作用下，鈣質(zhì)砂中樁側(cè)分擔(dān)荷載較小，大部分荷載由樁端土體承擔(dān)，樁身下部與上部軸力相差不大，密實度越大，樁端軸力分擔(dān)比例越高。石英砂中，樁身軸力沿樁身迅速減少，軸力衰減速率隨深度增加而增大。與鈣質(zhì)砂相比，石英砂中樁側(cè)摩阻力大很多。

(3) 鈣質(zhì)砂和石英砂中樁側(cè)摩阻力分布形式相似，近似呈拋物線型，表現(xiàn)出相同的性質(zhì)。當(dāng)荷載到達(dá)一定值時，樁側(cè)摩阻力基本維持一個穩(wěn)定值，而不隨荷載而發(fā)生較大變化。但鈣質(zhì)砂中樁側(cè)摩阻力并未隨相對密實度的增大而顯著增加；而石英砂中樁側(cè)摩阻力隨相對密實度的增大而增加十分顯著。

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(編輯：趙衛(wèi)兵)

Model Test on Bearing Behaviors of Single Pile in Calcareous Sand

YANG Chao1,2, JIANG Hao3, YUE Jian2, LIU Yang1

(1.Hunan Provincial Key Laboratory of Shale Gas Resource Utilization, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China; 2.Hunan Provincial Key Laboratory of Geotechnical Engineering for Stability Control and Health Monitoring, Hunan University of Science and Technology,Xiangtan 411201,China;3.Shandong Electric Power Engineering Consulting Institute Co. Ltd., Jinan 250013, China)

The bearing behaviors of pile in calcareous soil foundation were studied by model test. Silica sand was also tested for comparison. Results reveal that the bearing behaviors of single pile in calcareous sand are different with those in silica sand. The bearing capacity of end-open pipe pile hardly differs from that of end-closed pipe pile. But in the presence of the same relative compaction, the bearing capacity of end-closed pipe pile in calcareous sand is much lower than that in silica sand. Moreover, in calcareous sand, the soil at pile’s endpoint undertakes most of the loads, and the axial force on the upper part of the pile has no big difference with that on the lower part. The greater the soil compactness, the more the ratio of load sharing by pile’s axial force. In silica sand, the axial force of pile reduces rapidly along the depth direction, and the rate of decay grows with the increase of depth. The side friction of pile in silica sand is larger than that in calcareous soils. The side friction of pile in calcareous sand distributes in a parabola shape, which is similar with that in silica sand. In calcareous sand, the side friction resistance of pile does not increase with the increase of relative compactness; whereas in silica sand, the increase is remarkable.

calcareous sand; model test; bearing capacity; side frictional resistance; grain crushing

2015-10-03；

2015-11-06

國家自然科學(xué)基金項目(51308209，51608192)；水能資源利用關(guān)鍵技術(shù)湖南省重點實驗室開放基金項目(PKLHD201602);湖南科技大學(xué)科研啟動基金(E51497)

楊 超(1983-)，男，湖北武漢人，博士，講師，主要從事巖土力學(xué)與工程方面的教學(xué)和研究工作，(電話)0731-58290269(電子信箱)yangc_3201@foxmail.com。

10.11988/ckyyb.20150830

2017,34(1):87-90

TU43

A

1001-5485(2017)01-0087-04