飽和軟土中樁基豎向承載力特性的試驗(yàn)研究

蔣玉龍 馮國(guó)鵬 徐澤楠

摘要：通過(guò)調(diào)節(jié)樁土試樣圍壓，對(duì)樁基試樣進(jìn)行豎向循環(huán)荷載加載試驗(yàn)，研究了飽和軟土地基中樁基豎向承載力剛度特性。研究結(jié)果表明：樁頂?shù)拇怪毖h(huán)位移荷載會(huì)削弱樁-土系統(tǒng)，但同時(shí)也增加地基土的固結(jié)包絡(luò)，提高樁-土系統(tǒng)的抗削弱能力。樁基動(dòng)剛度受到地基土固結(jié)狀態(tài)的影響十分顯著，隨著固結(jié)圍壓的增大，在循環(huán)荷載的作用下，土體的動(dòng)剛度也會(huì)呈現(xiàn)一個(gè)增大的趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：軟土；樁基礎(chǔ)；圍壓；循環(huán)荷載

0? ?引言

在工程建設(shè)活動(dòng)中，飽和軟土地基承載力較弱，自然條件下，一般無(wú)法承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)所傳遞下來(lái)的荷載。因此，通過(guò)打樁穿過(guò)軟土層達(dá)到有足夠地基承載力的持力層，是一種有效的地基處理方法。在荷載作用下，樁周土體會(huì)發(fā)生位移，為此對(duì)飽和軟土中樁基豎向承載力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究非常必要。

在巖土工程領(lǐng)域，已有許多專家學(xué)者對(duì)樁基礎(chǔ)進(jìn)行了研究。黃朝煊[1]推導(dǎo)出水平受荷樁在成層軟土中的彈塑性解析解和塑性區(qū)深度，并給出無(wú)量綱計(jì)算式，來(lái)計(jì)算樁頂?shù)乃轿灰坪蜆渡淼淖畲髲澗?。王章[2]認(rèn)為旁壓試驗(yàn)極限壓力受到多種因素影響，采用臨塑壓力較為準(zhǔn)確，效率較高。宋弋飛[3]等從安全性與經(jīng)濟(jì)性兩方面出發(fā)，提出單樁承載力取值的合理評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。劉越[4]等結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試樁試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)多層軟土樁基工程水平承載力的計(jì)算進(jìn)行探討，修正了規(guī)范中未涉及的系數(shù)。余建飛[5]等對(duì)預(yù)應(yīng)力管樁進(jìn)行拉拔試驗(yàn)對(duì)大面積深厚軟土地區(qū)樁基工程抗拉性能、負(fù)摩阻力和中性點(diǎn)進(jìn)行了研究。

本文以飽和軟土場(chǎng)地為樁周土體，采用自制可調(diào)節(jié)樁周土試樣圍壓的豎向循環(huán)荷載加載系統(tǒng)，進(jìn)行循環(huán)加載試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬分析探究樁基豎向承載力剛度特性。

1? ?試驗(yàn)方法

1.1? ?試驗(yàn)材料

試驗(yàn)用土來(lái)自于2022嘉秀洲-018號(hào)地塊項(xiàng)目。該項(xiàng)目位于浙江省嘉興市秀洲區(qū)高照街道，土體為淤泥質(zhì)黏土，呈灰色，流塑，絮狀結(jié)構(gòu)，厚層狀結(jié)構(gòu)，偶見腐殖質(zhì)，嗅有腥臭味；干強(qiáng)度中等，韌性中等，無(wú)搖振反應(yīng)，稍有光澤。將原狀土取出后，經(jīng)過(guò)105℃烘干、破碎后，再根據(jù)試驗(yàn)要求制成飽和土試樣，并放入試驗(yàn)設(shè)備中進(jìn)行預(yù)固結(jié)以待試驗(yàn)。

1.2? ?試驗(yàn)設(shè)備

采用自制可調(diào)節(jié)樁土試樣圍壓的豎向循環(huán)荷載加載系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。該系統(tǒng)的組成部分如下：一是伺服電機(jī)。用于對(duì)模型樁施加豎向位移荷載。二是聯(lián)軸器，用于傳遞動(dòng)力。三是滾柱絲杠，用于將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為加載板的直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)精確的位移控制。四是加載板，用于與模型樁頂端接觸，施加豎向荷載。五是水壓加載裝置，用于對(duì)土樣進(jìn)行圍壓加載。六是土樣，用于模擬地基土，可以是飽和軟土、干燥砂土等不同類型的土壤。七是模型樁，用于模擬樁基礎(chǔ)，可以是單樁、群樁、不同形狀和材料的樁等。

1.3? ?試驗(yàn)方法

為了研究不同固結(jié)狀態(tài)下樁基的動(dòng)力性能，本文進(jìn)行了樁基模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。試驗(yàn)中，樁的初始埋深為20cm。土體設(shè)置了3種固結(jié)度，圍壓為200kPa達(dá)到60%固結(jié)度，圍壓為400kPa達(dá)到60%固結(jié)度，圍壓為400kPa達(dá)到 90% 固結(jié)度。

進(jìn)行循環(huán)加載后的靜載試驗(yàn)，加載速率為0.5cm/min，直至土體破壞。采用正弦函數(shù)模式循環(huán)加載，加載頻率為1Hz，振幅控制為0.1～0.4mm，共4種振幅，每組循環(huán)荷載加載50次。數(shù)值模擬與試驗(yàn)條件相同，僅針對(duì)200kPa圍壓、60%固結(jié)度的情況。試驗(yàn)方案見表1。

2? ?試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1? ?循環(huán)荷載條件下樁基剛度分析

本次試驗(yàn)的目的是研究樁基動(dòng)力學(xué)特性。為了獲得更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)中采取了一系列措施。取一個(gè)滯回圈內(nèi)兩個(gè)角點(diǎn)進(jìn)行線性擬合，所得到的線性擬合結(jié)果斜率，即為循環(huán)荷載條件下，該滯回周期中樁基的動(dòng)剛度。它可以有效地反映樁基受力變化情況，應(yīng)用它可以進(jìn)一步分析樁基動(dòng)剛度的變化規(guī)律。滯回曲線如圖1所示。

循環(huán)周期樁基的動(dòng)剛度K為2206，說(shuō)明樁基在本次循環(huán)周期中所表現(xiàn)的動(dòng)剛度較高。以設(shè)備總共施加了n次循環(huán)荷載，每組加載振幅為0.1mm。令第n次加載時(shí)的動(dòng)剛度為Kn，將不同滯回圈數(shù)下的樁基動(dòng)剛度值歸一化，得到如圖2所示的曲線。

地基土圍壓和固結(jié)度分別為200kPa、60%時(shí)，地基的動(dòng)剛度在振幅為0.1mm保持基本穩(wěn)定。但從振幅0.2mm開始，初始動(dòng)剛度比72%，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，地基的動(dòng)剛度劇烈下降，隨后下降速率逐漸降低直至一極限值從。而振幅從0.2mm上升到0.3直至0.4mm的過(guò)程中，初始動(dòng)剛度下降至50%和37%，相對(duì)于振幅0.2mm時(shí)，動(dòng)剛度變化曲線更加平緩。這說(shuō)明地基的動(dòng)剛度隨著振幅的增加逐漸減小，這與樁基的動(dòng)力學(xué)特性密切相關(guān)。需要注意的是，不同振幅下得到的動(dòng)剛度值應(yīng)該被歸一化，以便更好地比較其差異和趨勢(shì)。

地基土圍壓為400kPa、固結(jié)度為60%、振幅為0.2～0.4mm時(shí)，初始動(dòng)剛度比的變化規(guī)律與200kPa、60%時(shí)基本一致，分別為76%、57%、44%。而當(dāng)降低至穩(wěn)定值后，在相應(yīng)振幅下均大于200kPa圍壓時(shí)的初始剛度比。

地基土圍壓為400kPa、固結(jié)度為90%時(shí)，高固結(jié)度樁周土在受到加載的過(guò)程中發(fā)生硬化現(xiàn)象。隨著振幅的增加，初始動(dòng)剛度比呈先上升、后下降的趨勢(shì)。當(dāng)振幅為0.1mm時(shí)，樁周土出現(xiàn)硬化；而當(dāng)振幅為0.2mm時(shí)，樁周土體開始軟化，初始動(dòng)剛度比也開始降低，直到振幅增加到0.4mm時(shí)，初始動(dòng)剛度比為79%。分析認(rèn)為，前兩組沒有出現(xiàn)這一類現(xiàn)象，是由于前者硬化閾值較低。而當(dāng)固結(jié)度提升至90%，硬化閾值也隨即提升。在土圍壓為400kPa、固結(jié)度為90%時(shí)，可見幅度為0.2mm時(shí)即為硬化閾值。

從圖2中的3組曲線中可以看出，地基樁周土隨著循環(huán)次數(shù)發(fā)生硬化的應(yīng)力閾值，與土體的固結(jié)狀態(tài)緊密相關(guān)，樁土系統(tǒng)的動(dòng)剛度比隨著循環(huán)荷載的大小而變化。循環(huán)荷載小于應(yīng)力閾值時(shí)，動(dòng)剛度比呈增加趨勢(shì)。循環(huán)荷載大于應(yīng)力閾值時(shí)，動(dòng)剛度比呈衰減趨勢(shì)。振幅越大，初始動(dòng)剛度比越低。相同振幅的動(dòng)剛度比會(huì)隨著振動(dòng)次數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定。這反映了地基土的固結(jié)度和圍壓，對(duì)樁周土硬化應(yīng)力閾值的作用，以及循環(huán)荷載和振幅對(duì)樁土動(dòng)剛度比的作用，因此提高固結(jié)度或圍壓可以降低動(dòng)剛度衰減的速度。

2.2? ?數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本文對(duì)Z1模型試驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)值模擬，以探究樁端阻力和樁側(cè)摩擦的變化對(duì)樁承載力循環(huán)弱化的影響。樁側(cè)摩阻力和樁端阻力是構(gòu)成樁基承載力的兩部分，因此本研究將飽和軟土循環(huán)弱化模型作為地基土模型，來(lái)研究樁側(cè)摩阻力和樁端阻力在土中的特性。此外，該模型考慮了非線性運(yùn)動(dòng)硬化的效應(yīng)。

建立軸對(duì)稱有限元模型，用樁土界面的公共節(jié)點(diǎn)表示樁土邊界，并在水平側(cè)和底側(cè)施加約束邊界條件。施加約束條件前，該模型采用網(wǎng)格劃分模式，并將約束施加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上。這些措施旨在通過(guò)數(shù)值模擬，更好地了解樁側(cè)摩擦和樁端阻力的變化，以及樁承載力的循環(huán)弱化。樁基承載力由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力組成，樁土有限元模型如圖3所示。

樁側(cè)摩阻力在循環(huán)加載開始和結(jié)束時(shí)，沿樁身深度的變化情況如圖4所示。樁側(cè)摩阻力隨著加載的進(jìn)行而逐漸減弱，尤其在振幅為0.2mm時(shí)，幾乎完全消失。當(dāng)振幅增加到0.3mm和0.4mm時(shí)，樁側(cè)摩阻力分布幾乎沒有區(qū)別。從樁身上看，樁側(cè)摩阻力隨著樁體深度的增加而減小，且在樁頂降低得最顯著。由此可見，樁側(cè)摩阻力的減弱是造成樁承載力下降的根本原因。當(dāng)樁端阻力減弱到剩余值時(shí)，整個(gè)樁-土系統(tǒng)的作用即不再繼續(xù)弱化。

3? ?結(jié)束語(yǔ)

本文采用循環(huán)荷載，對(duì)不同固結(jié)狀態(tài)下樁基的動(dòng)力性能進(jìn)行模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬。試驗(yàn)結(jié)果表明，樁基承載力在循環(huán)加載后被削弱，且與土體的固結(jié)度、振幅和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力在循環(huán)加載過(guò)程中均有減弱，但樁側(cè)摩阻力減弱更為顯著。得到的主要結(jié)論如下：

豎向加載的循環(huán)荷載導(dǎo)致樁基動(dòng)剛度顯著弱化，而對(duì)土體施加圍壓后增大了地基樁周土的固結(jié)度，導(dǎo)致整體動(dòng)剛度增大。在循環(huán)加載過(guò)程中，樁相對(duì)土體向上移動(dòng)，產(chǎn)生的摩阻力導(dǎo)致整個(gè)樁基承載力下降。

樁周土體動(dòng)剛度與土體固結(jié)度緊密相關(guān)。高固結(jié)度樁周土在小振幅循環(huán)荷載作用下，相較于初始狀態(tài)，動(dòng)剛度反而有所提升。但當(dāng)振幅超過(guò)硬化閾值后，其動(dòng)剛度終將低于初始狀態(tài)。而低固結(jié)度樁周土自受到循環(huán)荷載后，其動(dòng)剛度就開始弱化。

樁側(cè)摩阻力隨樁身深度的增加而逐漸減小。樁基承載力的下降是由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同作用所導(dǎo)致的，但樁基承載力主要靠樁側(cè)摩阻力來(lái)提供，因此樁端阻力決定了整個(gè)樁土體系弱化過(guò)程是否結(jié)束。

在工程實(shí)際中一般無(wú)法避免飽和軟土樁基承載力的下降，因此需要采取相應(yīng)措施進(jìn)行地基處理。首先應(yīng)提前采取堆載預(yù)壓排水，使得場(chǎng)地固結(jié)度提高，進(jìn)一步提升地基承載力中的殘余應(yīng)力，使樁基承載力發(fā)生弱化現(xiàn)象后有足夠承載力承擔(dān)上部荷載。此外，還可以采取高壓注漿固化場(chǎng)地土體，增大地基承載力。當(dāng)采取固化方法處理地基場(chǎng)地時(shí)，由于土體硬化，樁端阻力與樁側(cè)摩阻力與初始狀態(tài)產(chǎn)生的差異較大，不可忽視。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃朝煊，袁文喜，胡國(guó)杰.成層軟土地基預(yù)固結(jié)處理后樁基水平承載力估算方法[J].巖土力學(xué)，2021，42（1）：113-124，134.

[2] 王章.基于旁壓試驗(yàn)的樁基承載力計(jì)算[J].中國(guó)房地產(chǎn)業(yè)，2020（4）：157-158.

[3] 宋弋飛，褚建平，史敏磊.軟土樁基工程中單樁豎向承載力的評(píng)判與取值[J].建筑施工，2006，28（8）：596-599.

[4] 劉越，黃朝煊.多層軟土地基中樁基水平承載計(jì)算研究[J].人民長(zhǎng)江，2022，53（7）：187-192.

[5] 余建飛，張靜，楊石飛.大面積填土場(chǎng)地深厚軟土中預(yù)應(yīng)力管樁下拉荷載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)[J].工業(yè)建筑，2022，52（1）：143-149，64.