摘要：為探究湛江組結(jié)構(gòu)性黏土地基中抗拔樁的承載特性，通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析樁的埋深、土的物理力學(xué)性質(zhì)對抗拔樁承載性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明：增大土體密實(shí)程度與埋深均能加快樁身軸力傳遞速率;樁側(cè)摩阻力沿埋深先增大后減小，峰值停留在樁身中下部位;湛江土中抗拔樁的荷載位移曲線在加載后期表現(xiàn)為明顯的陡降型;湛江土中抗拔樁極限承載力的大小與樁的埋深、土體黏聚力的增長呈正相關(guān)關(guān)系。

湛江組結(jié)構(gòu)性黏土是第四紀(jì)更新統(tǒng)海陸交互相沉積物，是一種主要由黏土顆粒（伊利石、蒙脫石、石英）組成的巖土介質(zhì)。由于受構(gòu)造運(yùn)動的影響[1]，該黏土具有高含水率、高靈敏度、高孔隙比、強(qiáng)結(jié)構(gòu)性等特點(diǎn)[2]，以及高強(qiáng)度、高塑性、強(qiáng)觸變性、低透水性，分布廣泛且空間分布差異性大等工程特性[3]，導(dǎo)致該土體在勘察、設(shè)計(jì)、施工中存在一系列巖土工程問題[4]，容易給工程建設(shè)造成一系列影響。

近年來，隨著湛江地區(qū)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，大批重點(diǎn)工業(yè)項(xiàng)目陸續(xù)落戶于此，湛江的城市建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施日益增多，特別是在高層建筑、橋梁和地下工程等領(lǐng)域，而樁基作為這些工程領(lǐng)域中一種重要的地基處理方式，其在湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中的受荷特性也逐漸受到了學(xué)者們的關(guān)注。湯斌等[5利用模型試驗(yàn)，分析了湛江土中單樁在豎向受荷作用下的承載特性。陳東升等[通過原位靜載試驗(yàn)，探討了湛江土中樁基的沉樁方式、樁型與承載力時(shí)效性間的關(guān)系。湯斌等通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，探究湛江土觸變性與單樁承載力時(shí)效性間的量化關(guān)系，指出湛江土的強(qiáng)觸變性對樁基的承載性狀有很大影響。付冬[8]結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)與數(shù)值模擬，總結(jié)了湛江土中樁基的承載特性。張一鳴[9]基于單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果，對湛江土中單樁豎向極限承載力進(jìn)行了研究。

目前，已有的研究都集中在湛江組結(jié)構(gòu)性黏土中樁基在豎向受壓方面的承載特性，而實(shí)際上，在沿海地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，需要考慮復(fù)雜的地質(zhì)條件、地下水浮力、潮汐變化、風(fēng)力和波浪沖擊等因素對建（構(gòu)）筑物產(chǎn)生的影響。與其他抗浮措施相比，抗拔樁具有抗拔力高、對樁周土體擾動小、施工便捷等優(yōu)勢[10]，因此，設(shè)置抗拔樁是沿海地區(qū)最常用的地下工程抗浮技術(shù)之一[1]。目前有關(guān)湛江組結(jié)構(gòu)性黏土地基中抗拔樁的承載機(jī)理研究尚不充分，故本文通過室內(nèi)模型試驗(yàn)，探究湛江組結(jié)構(gòu)性黏土地基中抗拔樁的承載特性。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 原狀土參數(shù)

本次試驗(yàn)材料取自廣東省寶鋼湛江鋼鐵基地附近。取土?xí)r，先結(jié)合湛江土地層分布與湛江地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造資料現(xiàn)場勘察，然后選取物理力學(xué)指標(biāo)有對比性的A、B兩種湛江組結(jié)構(gòu)性黏土作為試驗(yàn)用土。原狀土物理力學(xué)指標(biāo)見表1。

1.1.2重塑土制備與裝填

原狀土經(jīng)過曬干、粉碎、過篩等一系列處理后制備成重塑土。在制備重塑土的過程中，要控制重塑土的天然密度及含水率與原狀土保持一致。為保證模型試驗(yàn)的可重復(fù)性，以及避免尺寸效應(yīng)[12]對試驗(yàn)產(chǎn)生影響，采用篩析法控制重塑土的粒徑。為保證重塑土具有更好的工程性質(zhì)，本次試驗(yàn)所選用土體粒徑小于 1mm ，限制粒徑 d₆₀=0.5mm ，中值粒徑 d₃₀=0.25mm ，有效粒徑 d₁₀=0.075mm ，不均勻系數(shù)C_u=6.67 ，曲率系數(shù) C_c=1.67 ，屬級配良好土。重塑土制備完成后，通過室內(nèi)土工試驗(yàn)測量其物理力學(xué)指標(biāo)，然后分層裝填于模型箱中，每層填土厚度為 50mm ，并逐層夯實(shí)，直至達(dá)到試驗(yàn)要求高度為止。重塑土物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

1.2 模型樁

1.2.1 模型樁設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆兜脑O(shè)計(jì)綜合考慮試驗(yàn)場地、設(shè)備等條件，對比實(shí)際工程概況，遵循相似原理。

根據(jù)本次試驗(yàn)的研究內(nèi)容，相似論證選擇的物理量為樁的埋置深度L、樁頂荷載 Q 、樁身彈性模量 E 以及樁的長徑比 K 。各物理量的量綱見表3。

根據(jù)相似第二定理（ π 定理）[13]可知，與某一物理系統(tǒng)性質(zhì)相關(guān)的物理量有 n 個(gè)，其中 k 個(gè)物理量的量綱相互獨(dú)立，則這 n 個(gè)物理量可以表示為 n-k 個(gè)

相似準(zhǔn)數(shù) π₁、π₂、^…、π_n-k 之間的函數(shù)關(guān)系，即

F（π₁，π₂，…，π_n-k）=0，

在本次論證中，物理量有 n=4 個(gè)，取 L，Q 為基本物理量，則 k=2 。因此，有2個(gè)相似準(zhǔn)數(shù) π₁、π₂ 。

用矩陣法導(dǎo)出相似準(zhǔn)則，矩陣量綱見表4。

列線性方程

則

相似關(guān)系矩陣如表5所示。

根據(jù)相似矩陣，有

π₁=EL²/Q，π₂=K，

假設(shè) 其中， ?p 表示原型樁， m 表示模型樁，則可以推導(dǎo)出

本次試驗(yàn)?zāi)M的原型樁為埋深 12m 、樁徑 0.4m 及埋深 15m. 樁徑 0.5m 的PHC管樁，彈性模量為31.5GPa ，極限抗拔承載力通過靜載試驗(yàn)測得，分別為 ^{1000，1200kN} 。因此，選取樁長 1000mm 外徑30mm ，樁長 1300mm 、外徑 30mm ，壁厚 2mm 的兩種空心PVC管作為模型樁，埋置深度分別為900、1 200mm ，模型樁彈性模量為 2.8GPa ，通過預(yù)試驗(yàn)測得兩種模型樁極限抗拔承載力約為 500～800N ！700～1 100N 。將以上參數(shù)代人式（1）中進(jìn)行試算，結(jié)果表明該模型樁與原型樁滿足相似準(zhǔn)則。

1.2.2模型樁制作與處理

為獲取模型樁在承受豎向荷載時(shí)樁身軸力及側(cè)摩阻力的變化規(guī)律，樁身粘貼有BF120-5AA 電阻應(yīng)變片，樁身應(yīng)變片分布如圖1所示。

為保護(hù)應(yīng)變片在實(shí)驗(yàn)過程中不受破壞，先將PVC 管沿中軸線對稱切開，再用502膠水將應(yīng)變片粘貼于樁身內(nèi)壁，并在應(yīng)變片表面涂抹環(huán)氧樹脂做防潮處理，最后再將切開的PVC管粘貼完好。

1.3 模型箱與加載方案

本次試驗(yàn)所用模型箱內(nèi)部凈尺寸為 900mm×500mm×1 600mm? （長 × 寬 × 高），由不銹鋼材料焊接而成，側(cè)面鑲嵌有透明鋼化玻璃，頂部設(shè)置有一個(gè)可移動工字形反力梁，反力梁下側(cè)焊接滑輪用于加載。模型箱與加載裝置如圖2所示。試驗(yàn)的加載方式參考JGJ106—2014《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》[14]。

1.4 試驗(yàn)概況

本次試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆毒捎妙A(yù)埋的方式進(jìn)行沉樁。相關(guān)研究表明，抗拔樁的承載性能受樁身尺寸[15]、樁周土體性質(zhì)[16]以及樁身材料[17]的影響，其中樁身尺寸、樁周土體性質(zhì)是最主要的影響因素。因此，本次試驗(yàn)主要考慮埋深及地基土密實(shí)程度對樁基承載性狀的影響。試驗(yàn)設(shè)置樁長 1000mm 、樁徑30mm 埋深 900mm ，樁長 1 300mm 、樁徑 30mm 埋深 1 200mm 的兩種模型樁，用以探究樁的埋深對樁基承載特性的影響；地基土設(shè)置 兩種土樣，比較表2中兩種土樣的孔隙比和壓縮模量可知，土樣B更加密實(shí)。在本次試驗(yàn)中，模型樁距離模型箱邊界最近處遠(yuǎn)大于3倍樁徑，故可認(rèn)為不受邊界效應(yīng)18的影響。具體試驗(yàn)方案見表6。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樁身軸力傳遞特性

模型樁的樁身軸力按下式計(jì)算：

式中， .N_i 為模型樁第 i 個(gè)截面上的軸力， E_?m 為模型樁彈性模量， A_m 為模型樁橫截面積， 為模型樁第 i 個(gè)截面上的樁身應(yīng)變。

通過試驗(yàn)得到 1^#--4^# 模型樁各截面的樁身應(yīng)變值，利用式（2）計(jì)算模型樁各截面的樁身軸力，建立模型樁的樁身軸力與埋深的關(guān)系曲線如圖3所示。 1^#-A^# 模型樁在不同上拔荷載作用下，樁身軸力傳遞特性基本一致，其整體變化趨勢呈現(xiàn)為沿模型樁深度自上而下逐漸減小，樁身軸力在樁頂處最大，接近所施加的上拔荷載，在樁底處最小，接近于0。當(dāng)上拔荷載較小時(shí)（前三級荷載下），樁身軸力曲線基本呈線性分布，隨著上拔荷載的增大，軸力曲線表現(xiàn)為非線性變化，且在樁身中下部位，軸力變化速率逐漸大于樁身上部，這表明在湛江土中，樁身軸力的傳遞是一個(gè)異步的過程。

在圖3中， 1^#?4^# 模型樁樁身軸力在各級對應(yīng)荷載下的變化規(guī)律基本一致。以極限荷載下樁身軸力沿深度方向的分布情況為例，1— ?4^# 樁樁身軸力沿深度方向分別從 497.96、825.41、704.75、1 076.49N 衰減至 59.76，92.90，69.25，83.25N ，即 2^# 模型樁軸力衰減幅度大于 1^# 模型樁， 4^# 模型樁軸力衰減幅度大于 2^# 模型樁，表明當(dāng)埋深不變時(shí)，隨著土體密實(shí)程度的增加，樁身軸力衰減速率加快。與 1^# 模型樁相比， 3^# 模型樁由于埋深的增加，軸力衰減的范圍擴(kuò)展至 1 200mm ，但 900mm 以下的衰減速率明顯加快，4^# 模型樁與 2^# 模型樁相比，軸力變化幅度更大，表明當(dāng)土體的密實(shí)程度一定時(shí)，隨著埋深的增加，樁身軸力衰減速率加快。綜上，埋深與土體密實(shí)程度的增加均能夠提升樁身軸力的傳遞效率。

2.2 樁側(cè)摩阻力分布特性

模型樁的樁側(cè)摩阻力按下式計(jì)算：

式中， q_i 為第 i 個(gè)與第 i+1 個(gè)截面間的平均側(cè)摩阻力， A_i 為模型樁第 i 個(gè)與第 i+1 個(gè)截面之間的樁側(cè)面積。

利用式（3）計(jì)算 1^#?4^# 模型樁各截面的樁側(cè)平均側(cè)摩阻力，建立樁平均側(cè)摩阻力與埋深的關(guān)系曲線如圖4所示。湛江土中抗拔樁的樁側(cè)摩阻力在不同部位的發(fā)揮程度是不相同的，其分布隨深度的增加先增大后減小，呈現(xiàn)為兩頭小、中間大的變化趨勢。在加載初期，樁身各個(gè)部位側(cè)摩阻力分布相對較為均勻，側(cè)摩阻力最大值出現(xiàn)在樁頂部位，在加載中期，隨著上拔荷載的逐漸增大，側(cè)摩阻力開始向下傳遞，樁身中部側(cè)摩阻力明顯高于其他部位。在加載后期，隨著上拔荷載繼續(xù)增大，側(cè)摩阻力峰值停留在樁身中下部位。表明隨著荷載的增加，樁側(cè)摩阻力逐漸發(fā)揮，樁側(cè)摩阻力峰值停留在樁身中下部位。

從圖4中可以看出， 1^#?4^# 模型樁在加載中后期樁側(cè)摩阻力分布情況有所不同。以極限荷載下側(cè)摩阻力隨埋深的變化趨勢為例， 1^#，3^# 模型樁的樁側(cè)摩阻力隨埋深的整體分布較為平緩，峰值分別停留在 700mm 和 900mm 處，而 2^#?4^# 模型樁樁身上部側(cè)摩阻力變化平緩，在樁身中下部位側(cè)摩阻力分布發(fā)生陡然變化，峰值分別停留在 500mm 和 800mm 。表明樁的埋深及土體密實(shí)程度均影響樁側(cè)摩阻力的發(fā)揮，隨著土體密實(shí)程度的增加，樁側(cè)摩阻力峰值逐漸向樁身上移，隨著埋深的增加，樁側(cè)摩阻力峰值逐漸向樁身下移，且土體密實(shí)程度的變化會影響樁側(cè)摩阻力的分布情況。

2.3 極限抗拔承載力

1^# —4\"模型樁荷載位移曲線如圖5所示。湛江土中抗拔樁荷載位移曲線的發(fā)展經(jīng)歷三個(gè)階段，在加載初期，樁土處于彈性階段，樁頂位移與荷載呈線性關(guān)系，即荷載增加時(shí)，位移也以相對恒定的速率增加;隨著荷載繼續(xù)增加，樁土的變形特性開始發(fā)生變化，此時(shí)荷載位移曲線斜率增大，位移增長速率加

快，進(jìn)入彈塑性過渡階段;當(dāng)荷載達(dá)到極限抗拔承載力時(shí)，樁頂位移突然增加，模型樁出土破壞，此時(shí)樁基荷載位移曲線表現(xiàn)出明顯的陡降型。

各試樁條件下樁基極限抗拔承載力大小見表7。對比 1^#?4^# 模型樁極限抗拔承載力大小可知，增加埋深與地基土密實(shí)程度均能在一定程度上提升抗拔樁的極限承載能力，且模型樁極限抗拔承載力的大小與樁的埋深、土體黏聚力的增長呈正相關(guān)關(guān)系。

3結(jié)論

1）增大土體密實(shí)程度，不僅能提高樁基抗拔承載能力，還會影響樁側(cè)摩阻力的分布形式。因此，要在一定程度上保證地基土的密實(shí)程度。

2）在上拔荷載作用下，湛江土中抗拔樁的荷載位移曲線發(fā)展經(jīng)歷彈性變化段、彈塑性過渡段和破壞段三個(gè)階段，在破壞段會形成明顯的陡降?？拱螛兜亩附敌推茐囊馕吨谑芎蛇_(dá)到某一臨界值時(shí)，抗拔樁的承載能力會迅速下降，導(dǎo)致失穩(wěn)破壞，因此需要在設(shè)計(jì)、施工中采取相應(yīng)的措施，以確保工程的安全性。

3）湛江土中抗拔樁極限承載力的大小與樁的埋深、土體黏聚力密切相關(guān)。故關(guān)于湛江土中抗拔樁承載力計(jì)算不僅要考慮樁土間的摩擦力，還應(yīng)考慮土層的黏聚力。

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[責(zé)任編輯：魏強(qiáng)］

Abstract：In order to explore the bearing characteristics of the uplift pile in the structural clay foundation of the Zhanjiang Group，through the indoor model test，the impactof the buried depth of the pileand the physical mechanical properties of the soil on the load performanceof the pile is discussed.The results show that：Increasing the densityandburieddepthofthesoil canacceleratetheaxial force transferrateof thepile；Theresistance on the side of the pile increases along the burial depth first and then decreases，and the peak stays in the middle and lower part of the pile body；The load displacement curve of the pull-out pilein Zhanjiang soil shows an obvious steep decline in the later stage of loading;The limit bearing capacity of the pull-out pile n the soil of Zhanjiang is positively correlated with the buried depth of the pile and the growth of soil cohesion.

Key Words：Zhanjiang formation structural clay；pull-resistant bearing characteristics of single pile; indoor model test