唐永勝，張鴻文，黃小明，劉學(xué)勇，任彥斌

（1.中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088；2.寧波市市政公用工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，浙江 寧波 315000）

在設(shè)計(jì)大型碼頭、跨江和跨海大橋、海上采油平臺等建筑物的樁基礎(chǔ)時(shí)，必須考慮到諸如波浪或地震等水平循環(huán)荷載對它們的影響。由于水平循環(huán)荷載下樁與樁周土體相互作用的機(jī)理十分復(fù)雜，現(xiàn)有理論很難確切地反映樁－土相互工作的實(shí)際情況。為此，本文在物理模型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上研究飽和砂土中不同埋深的樁在不同加載頻率和循環(huán)次數(shù)的水平循環(huán)荷載下所表現(xiàn)出的樁-土相互作用關(guān)系。

1 模型樁及其樁的就位

為了模擬工程中樁的實(shí)際受力特性，盡量使模型樁與工程樁的外徑和剛度成比例，本次試驗(yàn)選用了直徑為40 mm，壁厚為2.5 mm，6根長度為1.6 m和2根長度為1.25 m的鋁合金管。在樁的外壁對稱貼上應(yīng)變片。

為了提高理論上的計(jì)算精度，測點(diǎn)的布置分別為：對于長樁，埋深1.2 m，在泥面以下30 cm內(nèi)每隔6 cm貼片，在30～70 cm內(nèi)每隔8 cm貼片，在70～100 cm內(nèi)每隔15 cm貼片，整個(gè)樁身共粘貼26個(gè)工作片；對于短樁，埋深0.85 cm，在泥面以下30 cm內(nèi)每隔6 cm貼片，在30～54 cm內(nèi)每隔8 cm貼片，在54～70 cm內(nèi)每隔12 cm貼片，整個(gè)樁身共粘貼20個(gè)工作片。應(yīng)變片的導(dǎo)線從管樁內(nèi)穿出，應(yīng)變片的粘貼工藝、防潮措施等按操作規(guī)程進(jìn)行[1]。

8根模型樁相應(yīng)的幾何尺寸及力學(xué)性能指標(biāo)如表1所示。

表1 模型樁的平均特性參數(shù)

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒鄣某叨龋ㄩL×寬×深）為2.5m×1.5m×1.5 m的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)槽。采用中粗砂，共分5層落槽，每層厚約30 cm。每層砂土入槽后刮平并用輕夯逐點(diǎn)夯實(shí)，每層遍擊4次，以保證模型土的密實(shí)度基本一致。按照模型試驗(yàn)的目的和要求，模型樁在第1層砂土夯實(shí)后在試驗(yàn)槽內(nèi)按指定的地點(diǎn)和深度定位。在試驗(yàn)的前一天對砂土進(jìn)行灌水，以便模型槽內(nèi)土中各處的含水量與飽和度能與實(shí)際工程保持接近。整個(gè)試驗(yàn)完成后，對模型土做物理力學(xué)指標(biāo)的測定，具體指標(biāo)參數(shù)見表2。

表2 模型土土工試驗(yàn)結(jié)果

2 加載及測試裝置

為了很好地模擬實(shí)際工程中波浪荷載對樁基的水平循環(huán)作用，本次試驗(yàn)特別采用了液壓伺服系統(tǒng)裝置來產(chǎn)生正弦波形的力。為此，還專門設(shè)計(jì)加工了一個(gè)符合本次模型試驗(yàn)要求的小型伺服頭，采用荷載控制方式以保證模型樁受力的連續(xù)性和逼真性。

應(yīng)變片的率定和數(shù)據(jù)采集采用的是自動(dòng)巡測靜態(tài)電阻應(yīng)變儀，該儀器能自動(dòng)對埋入土中的樁身應(yīng)變片進(jìn)行率定和應(yīng)變值的調(diào)零，并以每秒13～14個(gè)測試測點(diǎn)的速度把采集到的應(yīng)變值記錄到計(jì)算機(jī)中去，測試速度快，抗干擾能力強(qiáng)，測試精度高。

3 試驗(yàn)內(nèi)容及成果整理

本次試驗(yàn)的8根模型樁分別考慮了各種不同因素的組合情況對樁-土相互作用關(guān)系的影響，具體安排如表3。

表3 模型樁的試驗(yàn)安排

試驗(yàn)終止條件[2]：1）樁身折斷；2）恒定荷載下樁的水平位移急劇增加，變位速率急劇加快；3）達(dá)到試驗(yàn)要求的最大荷載或位移，本次試驗(yàn)的最大位移規(guī)定為15 mm。

荷載分級：取預(yù)估極限荷載的1/10～1/12作為一級荷載，第一級加2～3倍分級荷載。

本次試驗(yàn)中樁身各點(diǎn)的水平位移y（x），由于二次積分后出現(xiàn)兩個(gè)待定系數(shù)，而邊界條件只有樁頂位移為已知，故無法用材料力學(xué)中對彎矩在沿樁的埋入深度方向上的二次積分求得，所以采用m法中的位移公式來推算[3]，即：

式中：Ay，By可查表得到；H0為樁在泥面處的水平荷載；M0為樁在泥面處的彎矩；T為樁土變形系數(shù)，T=，其中，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)取b0=0.504；m為地基比例系數(shù)。

在水平循環(huán)荷載作用下的樁基內(nèi)力及位移理論分析中，樁土變形系數(shù)T十分重要，它與地基比例系數(shù)m密切相關(guān)。m值的選取將直接影響樁身彎矩的理論計(jì)算結(jié)果。且大量的研究結(jié)果表明，地基比例系數(shù)m值與泥面處樁身水平位移y0呈指數(shù)衰減[4]。為了確保理論計(jì)算結(jié)果的可靠性和準(zhǔn)確性，本文采用泥面處樁身水平位移y0和內(nèi)力反算樁土變形系數(shù)T和地基比例系數(shù)m值。圖1描繪了其中任意2根樁的m-y0關(guān)系曲線，與工程經(jīng)驗(yàn)值較為接近。

圖1 模型樁的m-y0關(guān)系擬合曲線

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 加載頻率對樁－土相互作用的影響

圖2中，2號樁與6號樁在三種不同荷載等級下的比較可以看出：樁未破壞之前，在相同水平循環(huán)荷載等級作用下，隨著加載周期從6 s減小到2 s，基樁的樁身彎矩增大，增長幅度約為1.2倍左右，最大樁身彎矩所在位置相應(yīng)下移，但一般都出現(xiàn)在6～8倍樁徑范圍以內(nèi)。樁頂位移增大，增長幅度約為2～2.5倍，位移零點(diǎn)的深度也相應(yīng)下移，水平循環(huán)荷載對樁身位移的影響主要集中在泥面至17倍樁徑范圍內(nèi)。而樁周最大被動(dòng)土抗力和最大主動(dòng)土抗力均減小，減小幅度達(dá)30%～40%，并且樁周最大被動(dòng)土抗力和最大主動(dòng)土抗力所處深度也要相應(yīng)的下降，這表明樁周上面的土體在外力的往復(fù)作用下已經(jīng)有一部分發(fā)生了從彈性階段向塑性變形階段的轉(zhuǎn)變。

在樁接近或達(dá)到破壞時(shí)，隨著水平循環(huán)荷載頻率的增大，樁的水平極限承載力增大，增長幅度為6%左右。但最大樁身彎矩及其所處深度基本保持在6～8倍樁徑范圍內(nèi)不變，樁周最大被動(dòng)土抗力和最大主動(dòng)土抗力及其所處深度也幾乎沒有變化。

4.2 水平循環(huán)次數(shù)對樁－土相互作用的影響

圖3中，6號樁、4號樁與3號樁在三種不同荷載等級下的比較可看出：在加載等級很小時(shí)，基樁所受水平循環(huán)荷載次數(shù)差別不大，樁周土體基本上都處于彈性階段，最大樁身彎矩基本一致，最大樁身彎矩所處位置也總在7.5倍樁徑深度處，樁頂位移變化幅度不超過0.3 mm。樁周最大被動(dòng)土抗力在150次循環(huán)荷載下達(dá)到最大，比50次循環(huán)荷載下的值增大6%左右，相反，1000次循環(huán)荷載后樁周最大被動(dòng)土抗力比150次的略有減小，而最大主動(dòng)土抗力在50次循環(huán)荷載后最大，比150次循環(huán)荷載下的值提高15%左右。

隨著荷載等級的加大，樁受到的荷載循環(huán)次數(shù)出現(xiàn)很大的差別，樁周土體被擠密的程度也有很大不同。此時(shí)，最大樁身彎矩隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，增幅將近10%。樁頂位移變化也十分顯著，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，幅度達(dá)45%，這表明受循環(huán)次數(shù)多的樁周土體已經(jīng)部分發(fā)生了塑性變形。樁周最大被動(dòng)土抗力隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，減小幅度達(dá)13%左右。最大主動(dòng)土抗力在150次循環(huán)荷載下達(dá)到最大。基樁接近或達(dá)到破壞時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大樁身彎矩急劇減小，減幅達(dá)30%左右，但最大樁身彎矩所處位置還是在7.5倍樁徑深度處。位移零點(diǎn)的位置相應(yīng)下移，水平循環(huán)荷載對樁身位移的影響主要集中在泥面至20倍樁徑范圍內(nèi)。樁周最大被動(dòng)土抗力隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，減小幅度達(dá)57%左右，最大主動(dòng)土抗力也隨著循環(huán)次數(shù)的增加而減小，減幅達(dá)3.6倍，這表明循環(huán)次數(shù)對樁周土體的性質(zhì)產(chǎn)生了很大的影響，土體已經(jīng)發(fā)生了很大的塑性變形。

圖3 6號樁、4號樁與3號樁樁身彎矩、樁周土抗力、樁身位移的比較

樁的水平極限承載力隨著循環(huán)次數(shù)的增加減小很大，減幅約為30%左右。

4.3 埋深對樁－土相互作用的影響

圖4中，5號樁與8號樁在三種不同荷載等級下的比較可以看出：8號樁埋深0.85 m，5號樁埋深1.2 m，是8號樁埋深的1.41倍。從開始加載直至基樁破壞，樁周最大被動(dòng)土抗力隨著埋入深度的減小反而增大，增長幅度約為4%～8%。在剛開始加載時(shí)，埋深較大的樁樁周最大被動(dòng)土抗力所處位置要淺，當(dāng)?shù)竭_(dá)某一狀態(tài)后，無論長樁還是短樁其樁周最大被動(dòng)土抗力所處位置基本保持在6倍樁徑處不變。而樁周最大主動(dòng)土抗力隨著埋入深度的減小而減小，減幅達(dá)85%，埋深大的基樁其最大主動(dòng)土抗力所處位置在20倍樁徑處，埋深小的在16倍樁徑處。

在相同水平循環(huán)荷載等級作用下，隨著埋深的減小，樁頂位移增大，增長幅度約為15%，且埋深較淺的樁在整個(gè)樁身范圍內(nèi)始終不出現(xiàn)位移零點(diǎn)，埋深較大的樁其位移零點(diǎn)一般出現(xiàn)在15～18倍樁徑內(nèi)，這表明水平循環(huán)荷載對長樁樁身位移的影響主要集中在泥面至18倍樁徑范圍內(nèi)，而對短樁可影響到整個(gè)樁身位移。樁的埋入深度對最大樁身彎矩影響不大，且最大樁身彎矩所處深度基本保持在7～8倍樁徑處。

圖4 5號樁與8號樁樁身彎矩、樁周土抗力、樁身位移的比較

5 結(jié)論

1）樁未破壞之前，隨著加載周期的減小，樁身彎矩、樁頂位移增大，樁周最大被動(dòng)土抗力及最大主動(dòng)土抗力均有所減小。在樁接近破壞時(shí)，隨著加載頻率的增大，樁的水平極限承載力增大，而樁周最大被動(dòng)土抗力和最大主動(dòng)土抗力及其所處深度幾乎沒有變化。

2）當(dāng)加載等級較小時(shí)，樁身彎矩、樁頂位移幾乎一致，最大被動(dòng)土抗力在150次循環(huán)荷載下達(dá)到最大，而最大主動(dòng)土抗力在50次循環(huán)荷載后最大。隨著荷載等級的加大，樁身彎矩、樁頂位移都隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增加，而樁周最大被動(dòng)土抗力隨之減小。在樁接近破壞時(shí)，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，最大樁身彎矩、水平極限承載力、樁周最大被動(dòng)及主動(dòng)土抗力均減小很大。

3）從開始加載直至樁破壞，樁頂位移和最大被動(dòng)土抗力隨著埋深的減小而增大，最大主動(dòng)土抗力隨著埋深的減小而減小，樁的埋深對樁身彎矩影響不大，且最大樁身彎矩所處深度基本保持在7～8倍樁徑處。

[1]章連洋，陳竹昌.黏性土中側(cè)向受載樁的模型試驗(yàn)研究 [J].巖土工程學(xué)報(bào)，1990，12（5）：40-45.

[2]吳明戰(zhàn)，周洪波.循環(huán)加載后飽和軟黏土退化性狀的試驗(yàn)研究[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào)，1998，26（3）：275-277.

[3]Yang Ke-ji.Behavior of Pile Groups under Lateral Load[J].China Ocean Engineering，1991，5（2）：76-79.

[4]Lin San-Shyan，Liao Jen-chen.Permanent Strain of Piles in Sand due to Cyclic Lateral load[J].Geotechnical Geoenviroment Engi neering，1999，125（9）：798-802.