侯凱文

(廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530200)

0 引言

眾所周知，膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮的特殊黏性土[1]。由于含水量的增加會導致膨脹土在各方向發(fā)生體積膨脹，在原有側向土壓力的基礎上增加了側向膨脹壓力，就可能會給地下建(構)筑物(如擋土墻、樁基礎和隧道等)帶來各種問題[2]。尤其對于埋在膨脹土中的水平受荷樁，應力分布的不均勻對其承載特性也有一定的影響。許多學者[3-5]通過大量的室內試驗和現(xiàn)場調研等手段，針對水平膨脹力對樁基等地下建(構)筑物的影響展開了研究，也提出了相應的計算方法，然而這些方法受限于大量試驗參數(shù)的確定。

夏炎等[6]研究了膨脹土中抗滑樁的變形受力情況，提出一種土工膜結合的抗滑樁，通過實例驗證了其可行性，提供了一種對膨脹土滑坡治理的新思路和新方法。對于膨脹土地基中的基坑支護樁應用，一些學者[7-9]也開展了相關研究工作，同時提出了理論分析和優(yōu)化設計方法。由此可以看出，針對膨脹土地基中的水平受荷樁研究主要是基于抗滑樁和支護樁等被動樁來開展，而主動樁的研究相對匱乏，且水平受荷樁的研究大部分是基于黏土或砂土等土質情況，涉及膨脹土地基中的水平樁基的研究較少。本文通過自主研制具備浸水功能的樁基模型試驗裝置，分別對膨脹土浸水前后的樁基進行水平加載，揭示膨脹土膨脹作用對單樁水平承載特性的影響規(guī)律。

1 試驗準備

1.1 試驗裝置

本文研制出一套可以實現(xiàn)浸水和加載功能的試驗裝置(圖1)，由模型箱、加載裝置和浸水裝置三部分組成。其中，模型箱由鋼板焊接而成，尺寸為1 m×1 m×1 m；加載裝置由角鋼焊接形成桁架結構；浸水裝置則通過設置16根豎向浸水管和水桶組成，通過虹吸原理實現(xiàn)全方位浸水。

圖1 試驗裝置示意圖(mm)

1.2 模型樁

模型樁采用直徑為25 mm、壁厚為2 mm的鋁合金管制作而成，總長為700 mm，彈性模量為69.7 GPa。應變片粘貼在模型樁內壁，間距如圖2所示。模型樁底部采用尼龍塞封閉。

圖2 應變片粘貼位置示例圖(mm)

1.3 膨脹土參數(shù)

試驗所用膨脹土呈灰白色，自由膨脹率為65.5%，屬中等膨脹土，其基本性質如表1所示。模型箱內的膨脹土制備過程為：(1)將原狀土進行烘干和粉碎；(2)制作成含水量18%的土樣；(3)采用人工夯實的方法進行分層填筑，每層高度為100 mm，填至700 mm。

表1 膨脹土基本物理力學性質表

2 試驗方案

設置兩根模型樁，進行浸水前后的水平靜載試驗。通過模型試驗，對浸水前后的模型樁進行分級加載試驗，建立模型樁的p-y曲線，對比分析膨脹土浸水前后單樁的水平極限承載力。

加載過程中，利用靜態(tài)應變測試儀采集樁身應變，采用百分表測量樁頂和土表位移，樁頂和鐵掛籃之間設置力傳感器，用來記錄加載級數(shù)數(shù)據(jù)。

3 試驗結果分析

對試驗數(shù)據(jù)進行處理，得到膨脹土浸水前后樁身彎矩、土抗力、水平位移等沿深度的分布。處理應變片數(shù)據(jù)需要用到以下常量：

樁長lm=0.7 m，入土深度ls=0.6 m，外徑D=0.025 m，內徑d=0.021 m；

樁身鋁合金材料彈性模量Ep=69.5 GPa；

樁身抗彎剛度EpIp=69.5×109×9.63×10-9=669.3 N·m2。

由此按以下公式即可計算樁身曲率φ(z)及彎矩M(z)。

根據(jù)同一深度樁身兩側應變，由彈性梁理論求得樁身曲率：

(1)

式中：ε+、ε-——計算深度處樁身拉、壓應變；

y——應變片距樁身中性軸距離的兩倍，即為樁的內徑d。

由樁身曲率求得該深度處樁身彎矩：

(2)

3.1 樁身彎矩

根據(jù)試驗所測得的浸水前后的水平單樁應變值，并結合式(2)可求得模型樁在各級加載作用下不同測點處的彎矩值，如圖3所示。

(a)浸水前

(b)浸水后圖3 浸水前后樁身彎矩-深度曲線圖

從圖3可以看出，浸水前后各級荷載作用下的樁身彎矩-深度曲線的規(guī)律一致，均表現(xiàn)為：在相同的水平荷載作用下，樁身彎矩隨深度增加先增大后減小，即呈“兩頭小、中間大”的形式；隨著水平荷載的增加，彎矩峰值位置、零點位置均發(fā)生一定程度的下移。以上變化趨勢是符合水平受荷樁荷載傳遞規(guī)律的，驗證了本次試驗結果的準確性。

不同的是，相同的水平荷載作用下，浸水后的樁身彎矩值較浸水前明顯增大，且峰值點和零點位置也均發(fā)生相應的下移，樁身彎矩峰值差也比浸水前的大。如當水平荷載為410 N時，浸水前后的樁身彎矩峰值分別為47.7 N·m和54.9 N·m，兩者差值僅為7.2 N·m；隨著水平荷載增大至878 N，浸水前后的樁身彎矩峰值分別為125.7 N·m和156.9 N·m，此時兩者差值則達到了31.2 N·m，樁身彎矩峰值點也由浸水前的距地表面以下0.1 m降至浸水后的0.12 m。此外，還發(fā)現(xiàn)浸水前的樁底部分甚至出現(xiàn)了負彎矩。對于以上的變化規(guī)律，究其原因主要是膨脹土浸水后出現(xiàn)軟化及強度急劇下降的情況，當樁基承受相同水平力時，其樁頂?shù)闹苓呁敛荒艿挚箻痘淖冃味a(chǎn)生屈服破壞。同時，荷載傳遞至樁底的周邊土中，導致其塑性區(qū)逐漸下移。

3.2 承載性能

根據(jù)百分表和力傳感器的數(shù)據(jù)可知浸水前后兩根樁的樁頂水平位移和各級加載值，如表2所示。繪制成樁頂荷載-水平位移曲線(H-y曲線)如圖4所示。

表2 浸水前后各級荷載作用下樁頂水平位移數(shù)值表

圖4 浸水前后樁頂荷載-水平位移曲線圖

從圖4可以看出，浸水后的樁基水平極限承載力小于浸水前的，且相同荷載作用下，其樁頂水平位移亦大于浸水前的工況。可見浸水導致膨脹土軟化，土抗力大幅下降，由此樁頂位移增大，降低了樁基水平承載力。此外，從試驗結束后取出的模型樁(圖5)也可以看出，浸水前后的模型樁所產(chǎn)生的破壞形態(tài)截然不同：前者模型樁已經(jīng)被拉彎變形，為結構本身強度破壞；而后者的模型樁只產(chǎn)生彈性形變，為樁周土達到屈服破壞。

圖5 加載完畢后的模型樁形態(tài)示例圖

4 結語

本文通過自主研發(fā)的樁基模型試驗裝置，對膨脹土地基中單樁水平承載特性展開試驗研究，重點分析了浸水前后水平單樁的彎矩和承載力的差異。主要結論如下：

(1)對比膨脹土浸水前后樁身彎矩發(fā)現(xiàn)，各級荷載作用下兩種工況的樁身彎矩沿深度的分布均呈“兩頭小、中間大”的規(guī)律。不同的是，相同荷載作用下浸水后的樁身彎矩峰值明顯增大，且峰值和零點位置均發(fā)生下移；而浸水前的樁底部分出現(xiàn)了負彎矩。

(2)浸水后的水平單樁極限承載力小于浸水前的水平單樁；同等級荷載作用下的樁頂水平位移也大于浸水前的樁基。