碼頭砂基樁承載性能試驗(yàn)研究

吳文鳳 文訓(xùn)科 舒 丹

1. 四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院 四川 成都 610000

2.重慶交通大學(xué)國(guó)家內(nèi)河航道整治工程技術(shù)研究中心 重慶 400074

1 概述

樁基礎(chǔ)是一種應(yīng)用廣泛而歷史悠久的基礎(chǔ)形式，在碼頭結(jié)構(gòu)中得到廣泛用[1]。但對(duì)于臨近長(zhǎng)江的高樁碼頭結(jié)構(gòu)來說，砂基條件下樁身變形較大[2]，破壞形式明顯，對(duì)樁身的承載性能要求較高。研究單樁在豎向力及水平力作用下的工作性狀，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量研究并取得成果，關(guān)于樁基在水平荷載作用下的受力機(jī)理及特性，國(guó)內(nèi)外有關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了諸多研究[3]。其中，地基反力法和p-y曲線法常被用于單樁的水平承載力研究中，除此之外，線彈性法和數(shù)值分析、理論分析的方法也逐漸被廣大學(xué)者采用[4]。

本文針對(duì)外界荷載對(duì)砂基樁的承載性能開展室內(nèi)模型試驗(yàn)，著力研究單樁在以河沙為地基材料時(shí)，樁分別在豎向力和水平力作用下，鋼管樁的樁身微應(yīng)變變化規(guī)律，獲得樁身位移-荷載關(guān)系曲線，進(jìn)而得到樁側(cè)土體應(yīng)力與樁身彎矩的關(guān)系，為理論研究和工程實(shí)際提供數(shù)據(jù)支撐。

2 模型設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)采用模型試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，采用室內(nèi)混凝土模型槽提供剛性地基條件，模型樁按原形樁比尺縮放得到，尺寸如圖1所示。

圖1 模型布置圖

為了保證試驗(yàn)的真實(shí)性，試驗(yàn)地基采用模型沙模擬，實(shí)驗(yàn)中未設(shè)置地基坡度，樁身長(zhǎng)度為1.0m，樁基入土0.7m，模型樁橫豎間距0.6m，最大限度減少群樁效應(yīng)的干擾。原型樁直徑為2m，根據(jù)模型比尺縮放樁身直徑后的模型樁直徑為0.1m，樁身材料與原型樁一致，均采用C30混凝土澆筑，其抗壓的彈性模量為30Gpa，樁身鋼筋籠采用32φ28mm的二級(jí)鋼筋作為受力筋，箍筋采用φ20@2000mm，樁身截面及斷面如圖2所示。

圖2 模型樁配筋圖

模型樁懸臂段長(zhǎng)0.3m，由該懸臂段承受來自樁頂?shù)呢Q向荷載，并在懸臂端布置傳感器、采集器等，模型整體如圖3所示。

圖3 模型試驗(yàn)圖

3 砂基樁承載性狀

樁身截面截面參數(shù)均由試驗(yàn)測(cè)得的截面應(yīng)變推算。其中，截面應(yīng)力采用下式計(jì)算：

樁身軸力采用下式計(jì)算：

樁身側(cè)摩阻力采用下式計(jì)算：

圖4 砂基樁QS曲線圖

從圖4可以看出，樁基的沉降過程大致分為三個(gè)階段，分別為，緩慢增長(zhǎng)、非線性增長(zhǎng)和急速增長(zhǎng)。在豎向荷載小于1.2KN時(shí)，樁基沉降呈現(xiàn)出線性的緩慢增長(zhǎng)，該過程小于樁基的臨界荷載，樁基保持相對(duì)穩(wěn)定；當(dāng)外界荷載大于該臨界荷載后，樁基沉降開始出現(xiàn)非線性變化，此過程短暫而急促，隨后轉(zhuǎn)向急速增長(zhǎng)，樁基發(fā)生失穩(wěn)破壞。

圖5 砂基樁樁身軸力曲線圖

由圖5可以看出，沿樁身往下，由于樁側(cè)摩阻力的作用，樁身軸力逐級(jí)減小，樁身軸力由上往下逐漸通過剪應(yīng)力的形式傳遞給樁周土體，導(dǎo)致樁身上部軸力值遠(yuǎn)大于樁身下部軸力值；從圖中還可以看出，隨著荷載的逐級(jí)增大，樁基軸力同比增大，且豎向荷載越大，樁身軸力沿豎向衰減的趨勢(shì)越為明顯。

由圖6分析可得，樁側(cè)摩阻力曲線沿樁身往下呈現(xiàn)出“R”型曲線規(guī)律，隨著樁基埋深的增加，側(cè)摩阻力先增大，后減小，出現(xiàn)第一峰值，隨后再次增大到某一峰值，最終沿埋深逐漸減小。經(jīng)分析得知，樁側(cè)摩阻力的本質(zhì)是剪應(yīng)力，而剪應(yīng)力是通過樁身變形來實(shí)現(xiàn)的，樁頂?shù)呢Q向力越大，樁身變形越明顯，與周圍土體的作用越強(qiáng)，樁身側(cè)摩阻力就越大，而當(dāng)樁頂荷載過大時(shí)，樁側(cè)土體可能會(huì)產(chǎn)生剪切破壞，樁身側(cè)摩阻力開始退化。從圖中還可以看出，在樁基同一位置處，樁身的側(cè)摩阻力是隨著荷載的增加而逐級(jí)發(fā)揮的，其大小是豎向力與埋深的共同函數(shù)。

圖6 樁側(cè)摩阻力曲線圖

4 小結(jié)

本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)與理論分析相結(jié)合的方法，采用樁身軸力-荷載曲線與樁側(cè)摩阻力-埋深曲線分析樁基的破壞模式。經(jīng)分析得，在臨界荷載內(nèi)，樁身軸力沿深度逐級(jí)減小，樁身下部軸力遠(yuǎn)小于上部軸力，其原因在于，由上部傳遞至下部的豎向荷載很大部分以樁側(cè)摩阻力的形式傳遞給了樁周土體，樁側(cè)摩阻力沿樁身往下呈現(xiàn)“S”型曲線分布，其大小是豎向力與埋深的共同函數(shù)。