黃 宇 軒，趙 其 華，劉 斌,劉 俊 鵬

(1.地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學(xué) 環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川 成都 610059 3.江西省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，江西 南昌 330095)

1 研究背景

我國(guó)西南山區(qū)河流眾多，水電資源豐富，而電力的消耗主要集中在東南沿海地區(qū)，所以如何安全地將電力進(jìn)行輸送則顯得至關(guān)重要。其中輸電塔樁基的水平承載力是否能達(dá)到設(shè)計(jì)要求是關(guān)鍵。在四川西部山區(qū)，邊坡出露的土多以碎石土為主，而根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1](JGJ94-2008)，當(dāng)中密碎石土地基采用預(yù)制樁時(shí)，對(duì)m值則沒有給出明確的取值范圍，而對(duì)灌注樁給出的經(jīng)驗(yàn)取值又較為寬泛(100～300 MN/m4)，所以針對(duì)不同密實(shí)度條件下的碎石土地基需要更加科學(xué)詳細(xì)的m值取值。

對(duì)于不同條件下地基土的水平承載特性，多年來不少學(xué)者已經(jīng)做了大量研究。丁梓涵等通過改變地基土中石膏含量控制地基土強(qiáng)度[2]，研究發(fā)現(xiàn)樁基m值與地基土黏聚力C成線性關(guān)系，地基土強(qiáng)度越高，m值越大。范秋雁等通過分析m值的影響因素后認(rèn)為增加樁的埋深、控制地基土的含水率以及提高混凝土的澆灌質(zhì)量等可提高m值[3]。莊培芝等通過數(shù)值模擬研究認(rèn)為，樁徑和樁周土體剛度是影響單樁水平承載力的主要因素[4]。劉東燕等通過開展室內(nèi)碎石土直剪試驗(yàn)研究后認(rèn)為[5]，在同一細(xì)粒土含量中，碎石土抗剪強(qiáng)度隨著其密實(shí)度的增加而增強(qiáng)。帥正陽等通過分析單樁水平現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)后認(rèn)為[6]，斜坡場(chǎng)地中，樁前坡度和土體密度是影響樁基m值的主要因素。其他學(xué)者也針對(duì)土性、結(jié)構(gòu)等方面對(duì)單樁水平承載力以及m值做了一系列的研究[7-11]。

承受水平荷載的樁基礎(chǔ)，其水平抗力的影響因素很復(fù)雜，不僅受到樁的埋深、樁身本身的幾何尺寸、樁前土體坡度的大小等因素影響，還與地基土本身的性質(zhì)密切相關(guān)[12-14]，例如密實(shí)度、級(jí)配、含水率等，而對(duì)于密實(shí)度這一影響因素的研究仍缺乏?；诖?，本文以西南山區(qū)某輸電線塔樁基為原型，通過改變碎石土地基密實(shí)度進(jìn)行室內(nèi)單樁水平受荷物理模擬試驗(yàn)，研究密實(shí)度對(duì)樁基礎(chǔ)水平承載特性以及m值的影響，為樁基設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2 物理模擬試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)及試驗(yàn)加載方案

本次試驗(yàn)依托于成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室三維地質(zhì)物理模擬實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)槽尺寸為4 m×3 m×1.5 m。為減少邊界效應(yīng)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，碎石土地基尺寸1.3 m×1.3 m×1.1 m(長(zhǎng)×寬×高)；混凝土預(yù)制樁樁身截面0.1 m×0.1 m，樁長(zhǎng)1 m，樁身配筋率1.13%，樁頂距泥面0.1 m，樁底距地基地面0.2 m，混凝土強(qiáng)度采用C30，模型布置示意圖如圖1。

圖1 模型示意(單位：cm)Fig.1 Model schematic diagram

在樁身指定位置分別布設(shè)BF350-6AA(11)-x電阻應(yīng)變片和 XY-TY02A電阻式土壓力盒，以測(cè)試樁身曲率及樁周土壓力變化。樁身監(jiān)測(cè)元件布置示意圖如圖2所示。

圖2 樁身監(jiān)測(cè)原件布置(單位：cm)Fig.2 The layout of the monitor

加載設(shè)備采用高精度靜態(tài)伺服液壓機(jī)的千斤頂，加載方式使用慢速維持荷載法進(jìn)行加載。根據(jù)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)[15]，加載過程不得中途停頓，直至樁身折斷或在恒載下水平位移急劇增加，或者水平位移超過30 mm時(shí)，方可終止試驗(yàn)。

2.2 地基密實(shí)度的量化

本文主要研究不同密實(shí)度碎石土地基對(duì)m值的影響，為了量化碎石土密實(shí)度，本次試驗(yàn)參照了砂土的相對(duì)密實(shí)度的分類標(biāo)準(zhǔn)對(duì)碎石土樣進(jìn)行密實(shí)度的劃分。用公式(1)作為其密實(shí)度的計(jì)算定量值。

(1)

式中,Dr為密實(shí)度;ρdmax為最密實(shí)狀態(tài)下的最大干密度；ρdmin為松散堆積狀態(tài)下的最小干密度；ρd為實(shí)測(cè)干密度，通過灌砂法獲得。

本次試驗(yàn)的碎石土樣松散堆積狀態(tài)下的最小干密度為1.48 kg/m3，為了獲得試驗(yàn)碎石土樣最大干密度，采用多功能電動(dòng)擊實(shí)儀進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。取配制好的碎石土樣10 kg進(jìn)行擊實(shí)，以干密度為縱坐標(biāo)，含水率為橫坐標(biāo)，作ρd-w關(guān)系曲線，如圖3所示。由擊實(shí)試驗(yàn)可得，試驗(yàn)土樣的最優(yōu)含水率為8.5%，最大干密度為2.38 g/cm3。

圖3 ρd-ω關(guān)系曲線 Fig.3 The relationship curve ofρd-ω

參照砂土的相對(duì)密實(shí)度的分類標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)碎石土地基密實(shí)度量化劃分為20%,40%,60%，其對(duì)應(yīng)的密實(shí)程度分別為松散、中密、密實(shí)。

2.3 不同密實(shí)度碎石土地基模型制作

本次試驗(yàn)地基模型根據(jù)密實(shí)度的不同，一共劃分為3個(gè)模型。地基模型的制作，采用分層夯實(shí)法進(jìn)行夯實(shí)。20%密實(shí)度的地基模型，每次堆積松散土體20 cm，夯實(shí)到厚度為18.4 cm時(shí)停止夯實(shí)。夯實(shí)完成后，采用灌砂法進(jìn)行密度測(cè)定，實(shí)測(cè)模型地基密度為1.79×103kg/m3，將挖出的碎石土式樣進(jìn)行烘干后測(cè)得干密度為1.66×103kg/m3，通過公式(1)計(jì)算得到松散密實(shí)程度的地基土密實(shí)度為Dr=20.7%，滿足設(shè)計(jì)要求。40%密實(shí)度的地基模型以及60%密實(shí)度的地基模型同樣按照上述方法進(jìn)行制作，實(shí)測(cè)模型密實(shí)度分別為40.2%和60.0%，均滿足設(shè)計(jì)要求(圖4)。

圖4 試驗(yàn)地基模型Fig.4 Test model

2.4 地基土體相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)土樣均取自于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的原狀碎石土，通過粗顆粒土大三軸試驗(yàn)得到碎石土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)如表1所示。

表1 碎石土抗剪強(qiáng)度參數(shù)Tab.1 Shear strength parameters of gravel soil

3 試驗(yàn)結(jié)果及m值變化規(guī)律

3.1 臨界荷載的判釋

一般情況下，由規(guī)范對(duì)極限荷載Hu的判斷較為容易，但對(duì)臨界荷載Hcr的判斷通常情況下由于樁頂位移-荷載曲線突變點(diǎn)較多而難以界定[16]，所以本文采用樁頂位移梯度-荷載曲線第一直線段的終點(diǎn)作為臨界荷載點(diǎn)。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)附錄中地基水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)計(jì)算公式為

(1)

式中，m為地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù),MN/m4；Hcr為單樁水平臨界荷載,kN；Xcr為單樁水平臨界荷載對(duì)應(yīng)的位移,m；vx為樁頂位移系數(shù)，b0為樁身計(jì)算寬度,m;EI為樁身的抗彎剛度,MPa·m4。

因此，為了得到不同密實(shí)度條件下碎石土地基的m值，需參照文獻(xiàn)[16]中臨界荷載以及臨界位移的判定方法，先求出Hcr以及Xcr。為此，根據(jù)本次試驗(yàn)數(shù)據(jù),繪制出各樁水平荷載-位移(H-x)曲線與水平荷載-位移梯度(H-Δx/ΔH)曲線，如圖5、6所示。

圖5 不同密實(shí)度條件下荷載-位移曲線 Fig.5 Load-displacement curve under different compactness conditions

3.3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

從圖5～6可以看出，荷載施加初期，樁頂位移基本呈線性增長(zhǎng)，位移梯度也較小，土體處于線彈性變形階段。隨著荷載的增大，位移增長(zhǎng)由線性轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷€性，位移梯度也逐漸增大，此時(shí)地基土進(jìn)入彈塑性階段。在加載的最后階段、樁頂位移已不能穩(wěn)定，很小的荷載增量都會(huì)引起很大的位移增量，地基土發(fā)生破壞。

隨著地基土密實(shí)度的增加，樁基礎(chǔ)的水平承載力有了顯著的提高，密實(shí)度為松散時(shí)樁基礎(chǔ)在水平力的作用下極易失穩(wěn)破壞。而適當(dāng)提高密實(shí)度可以有效提高承載力，因此對(duì)松散碎石土進(jìn)行夯實(shí)處理可以有效提高水平受荷樁的承載力，而當(dāng)密實(shí)度達(dá)到密實(shí)狀態(tài)Dr=60.0%時(shí)基樁水平承載性能最好，地基土體能夠提供的水平抗力達(dá)到最大。

3.4 水平承載力

分析圖6(a)，當(dāng)?shù)鼗撩軐?shí)度為20.7%時(shí)，荷載-位移梯度曲線呈較為明顯的“三段式”。當(dāng)水平荷載小于0.80 kN時(shí)，曲線呈較平緩的直線，此時(shí)地基土處于線彈性階段；當(dāng)荷載為0.80～3.42 kN時(shí)，曲線斜率明顯增大，地基土從線彈性階段過渡到彈塑性階段。依據(jù)規(guī)范定義，取0.80 kN為該模型的臨界荷載(Hcr)，其對(duì)應(yīng)的位移為臨界位移(Xcr)。當(dāng)荷載超過3.42kN以后，曲線斜率陡增，很小的荷載增量都會(huì)引起很大的位移增量，地基土不再具有承載能力，所以取3.42 kN為該模型的極限荷載。40.2%密實(shí)度地基模型的水平荷載與位移梯度曲線的變化規(guī)律與圖6(a)類似，只是臨界荷載比20.7%密實(shí)度地基模型有了顯著增加，說明密實(shí)度的增加對(duì)地基土的臨界荷載有著顯著的影響。

圖6 不同密實(shí)度條件下荷載-位移梯度曲線 Fig.6 Load displacement gradient curves under different compactness conditions

圖6(c)的荷載-位移梯度曲線與上述兩條曲線有著一定差別。首先在第一曲線段，曲線基本為一條平緩的直線，說明在該密實(shí)度下，地基土的水平承載力顯著提高，地基能夠發(fā)揮的水平抗力大幅增加。其次，在倒數(shù)第二級(jí)荷載(10.15 kN)施加以后，曲線明顯地突變，呈直立形上升，分析其原因，主要是因?yàn)樵谠摷?jí)荷載施加以后，樁身出現(xiàn)了斷裂，如圖7所示。而斷樁之后繼續(xù)施加水平荷載所產(chǎn)生的位移主要以斷樁處以上的樁身繞斷樁點(diǎn)所產(chǎn)生的相對(duì)旋轉(zhuǎn)為主，地基土基本不發(fā)生水平壓縮。

根據(jù)(JGJ106-2014)《建筑樁基檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[15]，當(dāng)樁身不允許開裂或配筋率小于0.65%時(shí)，可取臨界荷載的0.75倍作為單樁水平承載力特征值；對(duì)鋼筋混凝土預(yù)制樁、鋼樁和樁身配筋率不小于0.65%時(shí)，可取設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高處水平位移為10 mm(水平位移敏感建筑物取6 mm)所對(duì)應(yīng)荷載的0.75倍作為單樁水平承載力特征值[16]。由于此次試驗(yàn)的模型樁配筋率為1.13%，故本文選擇以樁頂位移10 mm所對(duì)應(yīng)荷載的0.75倍作為單樁水平承載力特征值。

圖7 模型樁樁身斷裂Fig.7 Fracture of pile

將不同密實(shí)度的各級(jí)樁頂位移下的m值繪制成曲線如圖8。從圖中可以看出，不同密實(shí)度下的m值隨樁頂位移的變化規(guī)律基本一致，m值隨樁頂位移的增大呈現(xiàn)出非線性減小的趨勢(shì)：在荷載施加初段，很小的位移增量都會(huì)引起m值很大的變化，隨著荷載的增大，m值減小的趨勢(shì)逐漸趨于平緩，并最終趨于恒定。

圖8 各密實(shí)度樁頂位移-m值曲線Fig.8 The m value curve of the pile top displacement of each compactness

將3個(gè)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)的臨界荷載以及臨界位移帶入公式(2)可得到不同密實(shí)度碎石土地基系數(shù)的比例系數(shù)m值以及單樁水平承載力特征值，見表2。

從表2中可以看出，密實(shí)度對(duì)m值有著顯著影響，線性相關(guān)度也較好，密實(shí)度每提高20%，m值增加1.39倍，承載力特征值增加1.38～3.01倍，m值與密實(shí)度基本呈正比線性關(guān)系(圖9)。

由曲線擬合成果可得，其他條件不變時(shí)，碎石土地基樁土水平作用參數(shù)m值與地基密實(shí)度d呈線性關(guān)系：

表2 不同密實(shí)度下的單樁水平承載力特征值及m值

Tab.2 The characteristic value of single pile horizontal bearing capacity and m value under different compactness

密實(shí)度/%臨界荷載/kN臨界位移/mmm值/(MN·m-4)承載力特征值/kN20.70.800.8262.01.4840.24.613.8484.34.4660.06.344.27120.16.17

圖9 m值-密實(shí)度關(guān)系曲線Fig.9 Relationship between m value and compactness

m=29.188+1.4792d

(3)

樁土作用參數(shù)m值及單樁水平承載力特征值與土體類別、強(qiáng)度、樁身尺寸、剛度等諸多因素相關(guān)。表2以及式(3)是以碎石土模型為基礎(chǔ)所得，限定其他影響因素為恒定，該結(jié)論規(guī)律僅供參考，實(shí)際工程取值請(qǐng)結(jié)合當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)綜合選取。

4 結(jié) 論

本文將密實(shí)度量化之后通過室內(nèi)單樁水平靜載試驗(yàn)，對(duì)單樁水平承載力特征值和m值的取值問題進(jìn)行探討，得出以下結(jié)論。

(1) 西南山區(qū)碎石土地基系數(shù)的比例系數(shù)m值取值范圍為62～120.1 MN/m4，密實(shí)度越大，m值取值越大。

(2) 隨著碎石土地基密實(shí)度的增大，樁土作用體系水平受荷能力越大，m值隨密實(shí)度的增大呈線性增加，密實(shí)度每提高20%，m值增加1.39倍。

(3) 越密實(shí)的碎石土地基其單樁水平承載力特征值越高，密實(shí)度每提高20%，承載力特征值增加1.38～3.01倍。