持力層厚度變化對預(yù)制樁承載特性的影響研究

胡錫鵬，鄧修甫，楊珍幀

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

持力層厚度變化對預(yù)制樁承載特性的影響研究

胡錫鵬，鄧修甫，楊珍幀

(湖南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，湘潭 411201)

針對樁身位于粉質(zhì)粘土中而樁端支撐在圓礫層上的預(yù)制管樁,進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究樁端圓礫層的厚度變化對預(yù)制管樁承載力的影響及模型樁荷載作用下的側(cè)摩阻力分布.試驗(yàn)結(jié)果表明：圓礫層厚度越大，樁的承載力越大；圓礫層厚度越大，樁側(cè)摩阻力的增幅越大；圓礫層的厚度越大，預(yù)制管樁破壞時(shí)的總沉降量越小，破壞反應(yīng)較厚度小者更強(qiáng)烈，樁側(cè)摩阻力隨樁土相對位移的增大出現(xiàn)極限值.

粉質(zhì)粘土；圓礫層；模型試驗(yàn)；側(cè)摩阻力

0 引言

由于城市建設(shè)的高速發(fā)展，預(yù)制樁得到了廣泛運(yùn)用，樁端條件的不同對樁基設(shè)計(jì)提出了很多新的要求，在打樁過程中遇到密實(shí)礫石夾層的情況導(dǎo)致預(yù)制樁無法打到指定深度甚至出現(xiàn)斷樁、樁頭打爛等情況.鑒于將預(yù)制樁持力層設(shè)置在礫石夾層上的試驗(yàn)研究不太完整，本文針對礫石夾層基礎(chǔ)條件設(shè)計(jì)模型地基，研究礫石夾層做持力層的條件下，礫石夾層厚度變化對預(yù)制樁承載力及側(cè)摩阻力特性影響的研究.以往的模型多基于砂土地基模型的研究，對粘土特別是復(fù)雜層狀地基基礎(chǔ)的模型試驗(yàn)研究相對較少，主要原因是砂土條件下的模型試驗(yàn)周期短，操作方便；粘土基礎(chǔ)模型的固結(jié)時(shí)間長導(dǎo)致周期較長[1].然而工程實(shí)際中均質(zhì)的樁側(cè)土環(huán)境是不存在的，為了更加貼近實(shí)際工況本文涉及了上述模型.本文的結(jié)論對樁基承載性狀研究做了一些補(bǔ)充，具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義[11].

1 試驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

為使試驗(yàn)結(jié)果更貼近實(shí)際情況，本試驗(yàn)根據(jù)實(shí)際工況資料設(shè)置模型地基，基礎(chǔ)土層分為粉質(zhì)粘土層、礫石夾層、粘土層、透水層.土層參數(shù)如表1所示.

表1 試驗(yàn)所用土的物理力學(xué)指標(biāo)

試驗(yàn)采用4 cm鋁合金管做模型樁，鋁合金的彈性模量E=70 GPa，同時(shí)設(shè)置一根同條件補(bǔ)償樁用以補(bǔ)充試驗(yàn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行對比分析得出準(zhǔn)確地結(jié)論.樁土關(guān)系如圖1所示.

圖1 樁土關(guān)系圖

1.2 方案設(shè)計(jì)

試驗(yàn)加載采用慢速維持加載方案，在樁頂放置30 cm×30 cm承壓板為厚度1 cm，承壓板上對稱布置的量程為50 mm，精度為0.01 mm兩個(gè)百分表監(jiān)測試樁的豎向位移.針對樁身軸力數(shù)據(jù)監(jiān)測，考慮到應(yīng)變測量外貼外引線法會影響樁土關(guān)系，模型設(shè)計(jì)時(shí)決定采用在鋁合金管內(nèi)部貼片的內(nèi)貼內(nèi)引線方案，同時(shí)在樁端埋設(shè)土壓力盒用以監(jiān)測樁端阻力變化.根據(jù)現(xiàn)有研究成果，樁端持力層部分的軸力變化幅度較大，為了準(zhǔn)確的反饋樁端部分的軸力數(shù)據(jù)在應(yīng)變片排布設(shè)計(jì)時(shí)考慮將端部位置設(shè)計(jì)為加密段，每5 cm粘貼一個(gè)應(yīng)變片，上部樁體按10 cm等距貼片，在樁底埋設(shè)直徑為3.8 cm的土壓力盒.根據(jù)現(xiàn)有研究成果，受力樁對樁周10倍樁徑以外范圍的影響基本可以忽略，模型箱尺寸和樁位布置采用圖2所示方案，樁身應(yīng)變和樁底阻力數(shù)據(jù)采集元件采用如圖3所示方案進(jìn)行布置.

圖2 樁位平面布置圖

圖3 樁位布置剖面圖

1.3 數(shù)據(jù)采集

試驗(yàn)每級加載為極限荷載預(yù)估值的1/10～1/15，每級荷載加載完成后間隔5 min、10 min、15 min各測度一次百分表讀數(shù)，達(dá)到相對穩(wěn)定后施加下一級荷載，終止加載的條件參照建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ94-2008)的相關(guān)要求[2].應(yīng)變和土壓力數(shù)據(jù)采集使用DH3816 靜態(tài)應(yīng)變測試系統(tǒng)，在采集過程中由于應(yīng)變測量容易受外界溫度、擾動、電流等條件影響，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，本試驗(yàn)采用多次讀數(shù)取平均、預(yù)熱穩(wěn)定和減少干擾等措施減少試驗(yàn)誤差[3].

2 模型試驗(yàn)結(jié)果

2.1 荷載沉降關(guān)系

從圖4所示工況的荷載(Q)-沉降(S)曲線可以發(fā)現(xiàn)，工況1中單樁的極限承載力為1200 N對應(yīng)沉降量為16.2 mm，工況2中單樁的極限承載力為1650 N對應(yīng)沉降量為2.5 mm.從圖示Q-S曲線可以看出，礫石夾層的厚度對樁破壞形式的影響明顯，對比工況可得出結(jié)論礫石夾層厚度越大承載能力越強(qiáng)而極限荷載后的破壞反應(yīng)更為迅速，在極限荷載出現(xiàn)之前的總沉降量較工況1要小,工況2則表現(xiàn)為明顯的刺入破壞，由此可知持力層厚度的差異是影響單樁極限承載力的主要原因.

圖4 單樁荷載(Q)—沉降(S)曲線

2.2 樁身軸力分布

根據(jù)粘貼在試樁上的應(yīng)變片測得的應(yīng)變數(shù)據(jù)，按下式計(jì)算樁身軸力

Pi=EsK(fi-f0)ΔAp

(1)

式中：Pi第i級荷載下的軸力和應(yīng)變；Es模型樁的彈性模量；K應(yīng)變片的標(biāo)定系數(shù)；ΔAp模型管樁截面面積。

圖5 單樁軸力傳遞曲線

通過分析圖5所示軸力分布曲線發(fā)現(xiàn)室內(nèi)模型試驗(yàn)所得出來的樁身軸力分布曲線和理論分析值基本一致，在豎向荷載施加后樁身上部分首先受壓并產(chǎn)生相對土體向下的沉降，沉降發(fā)生的過程樁周土對樁體下沉的摩阻力由上而下開始發(fā)揮作用，樁頂荷載在傳遞過程中沿樁身方向不斷向土體中擴(kuò)散，從而導(dǎo)致樁身軸力沿土深度增加逐漸減少.

2.3 樁側(cè)摩阻力

樁側(cè)平均阻力的計(jì)算公式如下：

τi=(Pi-Pi-1)/Ap

(2)

圖6 單樁側(cè)摩阻力曲線

從圖6可以看出，樁側(cè)摩阻力隨樁土相對位移的增大出現(xiàn)極限值，樁身側(cè)摩阻力隨樁身入土深度增加總體呈現(xiàn)增大趨勢，樁端持力層部分側(cè)摩阻力明顯大于上部粉質(zhì)粘土層，持力層厚度變化對摩阻力影響明顯，厚度較大的持力層對樁側(cè)摩阻力的樁端強(qiáng)化作用現(xiàn)象更為明顯，而厚度較小的持力層對樁側(cè)摩阻力的在樁端強(qiáng)化作用較弱.樁身上部分摩阻力隨樁頂沉降增加而增大，達(dá)到極限后反而隨沉降量增加呈下降趨勢，樁端位置的側(cè)向摩阻力在達(dá)到極限荷載之前一直呈現(xiàn)增大的趨勢[10].

3 結(jié)論

本文通過對模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)靜載荷試驗(yàn)進(jìn)行的對比分析研究，得出以下結(jié)論：

(1)樁側(cè)摩阻力沿深度方向分布大致呈現(xiàn)單個(gè)峰值狀態(tài)，而且隨樁頂沉降的增大峰值出現(xiàn)的位置逐步下移.在達(dá)到極限承載力時(shí)的單樁，樁周土體隨位置變化，經(jīng)歷加固硬化，應(yīng)變軟化和殘余強(qiáng)度階段.

(2)樁身上部的摩阻力隨樁土相對位移的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，而樁端位置的摩阻力在極限荷載出現(xiàn)之前總體呈現(xiàn)增大的趨勢.

(3)對比兩個(gè)工況單樁的承載力隨持力層的厚度增加而變大，持力層較厚者破壞時(shí)的沉降量小，達(dá)到極限承載力引起破壞時(shí)持力層較厚者表現(xiàn)為明顯的刺入破壞形式.

(4)樁身軸力眼入土深度方向呈現(xiàn)下降趨勢，隨荷載增大軸力由上到下傳遞，由此可知樁端阻力和樁側(cè)摩阻力不是同時(shí)發(fā)揮作用，有時(shí)樁端阻力甚至不發(fā)揮作用.

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Model Test on Prefab Pile Bearing Behaviors Under Thickness Variation

HU Xi-peng, DENG Xiu-fu, YANG Zhen-zhen

(School of Civil Engineering, Hunan University of Science and Technology, Xiangtan 411201, China)

A laboratory model test is conducted to reveal the thickness variation of round gravel layer, at the bottom of a pile. The influence of the gravec layer thickness change on the model pile load bearing capacity and the action of pile skin friction distribution under the bearing are otudied. The test results show that the bigger the round gravel layer thickness is, the greater the bearing capacity of the pile and the skin friction are; the bigger the round gravel layer thickness, the less the pile settlement is and the more intense the reaction of destroy is. The skin friction resistance shows limit value along with the increase of pile-soil relative displacement.

silty clay; round gravel; model test; skin friction

2015-03-28

胡錫鵬(1990-)，男，碩士研究生，研究方向：巖土工程.

TU413.4

A

1671-119X(2017)01-0091-04