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        碼頭砂基樁承載性能試驗(yàn)研究

        2021-05-08 00:55:20吳文鳳文訓(xùn)科
        關(guān)鍵詞:樁基模型

        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]。但對于臨近長江的高樁碼頭結(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]。

        本文針對外界荷載對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,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階段,分別為,緩慢增長、非線性增長和急速增長。在豎向荷載小于1.2KN時,樁基沉降呈現(xiàn)出線性的緩慢增長,該過程小于樁基的臨界荷載,樁基保持相對穩(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,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,樁側(cè)土體可能會產(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)。

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