高志堯1，趙 鵬2，齊明柱3，李錦輝4，蘇 棟1
（1. 深圳大學(xué) 土木工程學(xué)院，廣東 深圳 518060；2. 中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；3. 招商局蛇口工業(yè)區(qū)有限公司，廣東 深圳 518067；4. 哈爾濱工業(yè)大學(xué) 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）
摘 要：進(jìn)行砂土的單樁和2×2群樁的壓、拔試驗(yàn)，測(cè)定樁身軸力、樁頂荷載、位移以及樁端阻力。試驗(yàn)研究結(jié)果表明，群樁的抗壓群樁效應(yīng)系數(shù) >1，最優(yōu)樁間距為4D(D為直徑)，對(duì)應(yīng)的 約為1.2；樁端阻力群樁效應(yīng)系數(shù) 大于樁側(cè)摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù) ，其最優(yōu)樁間距為5D，對(duì)應(yīng)的 值約為1.3；樁側(cè)摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)在3D時(shí)約為1.2，但隨樁間距的增大而減小。與前人理論分析的結(jié)果不同，由于砂土的擠密效應(yīng)，試驗(yàn)測(cè)得抗拔群樁效應(yīng)系數(shù)也大于1，最優(yōu)樁間距在4D～5D之間，系數(shù)約為1.2。樁間距為7D時(shí)壓、拔群樁效應(yīng)系數(shù)均趨近于1，可基本忽略群樁效應(yīng)。
關(guān) 鍵 詞：模型試驗(yàn)；軸向荷載；砂土；群樁效應(yīng)
1 引 言
樁基礎(chǔ)的試驗(yàn)研究主要有原位試驗(yàn)、室內(nèi)模型試驗(yàn)和離心機(jī)模型試驗(yàn)三類
[1－4]。在目前對(duì)承受軸向荷載樁基的試驗(yàn)研究中，譚國(guó)煥等
[5]通過試驗(yàn)得到3根有機(jī)玻璃樁在松砂中的抗拔荷載-位移曲線，發(fā)現(xiàn)樁側(cè)表面越粗糙，單樁的抗拔承載力越大。徐和等
[6]進(jìn)行了6種不同相對(duì)密實(shí)度砂土中的單樁抗拔試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)砂土相對(duì)密實(shí)度從18%增加到99.1%時(shí)相應(yīng)的單樁軸向極限抗拔承載力由0.192 kN急劇提高到2.9 kN。陳小強(qiáng)等
[7]進(jìn)行了長(zhǎng)徑比大于40的單樁抗拔和抗壓試驗(yàn)，得到單樁在受拉時(shí)的位移和位移增長(zhǎng)速率都大于受壓時(shí)抗壓樁屬于緩進(jìn)型破壞，抗拔樁屬于突進(jìn)型破壞，抗拔樁總摩阻力
小于抗壓樁總摩阻力
，且
= 0.56，抗拔樁的樁底部側(cè)摩阻力表現(xiàn)出弱化效應(yīng)，抗壓樁則表現(xiàn)出強(qiáng)化效應(yīng)。殷宗澤等
[8]使用有機(jī)玻璃模型樁探究了單樁和群樁在壓力荷載下樁身的軸力分布規(guī)律和樁頂荷載-位移曲線，表明砂土中抗壓群樁效應(yīng)系數(shù)大于1且最優(yōu)樁間距略大于4D(D為樁直徑)。Ismael
[9]的原位試驗(yàn)測(cè)得了2D～3D樁間距群樁的群樁效應(yīng)系數(shù)。在數(shù)值模擬方面，田美存等
[10]用疊加力的方法，把荷載傳遞法應(yīng)用于群樁，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單途徑，可以考慮成層地基和土的非線性。王浩等
[11]使用MIDAS/GTS建立群樁模型，探究了軸向荷載作用下樁長(zhǎng)、樁數(shù)及樁間距對(duì)群樁效應(yīng)的影響，研究表明抗拔群樁效應(yīng)系數(shù)隨樁間距增大逐漸增大，樁間距大于6D時(shí)群樁效應(yīng)系數(shù)趨近于1。
雖然已有大量的試驗(yàn)研究，但群樁的抗拔試驗(yàn)，特別是對(duì)同一群樁同時(shí)進(jìn)行壓、拔試驗(yàn)相對(duì)較少。本研究主要通過模型試驗(yàn)，探討樁間距對(duì)群樁的抗壓和抗拔群樁效應(yīng)的影響，分析樁端阻力和樁側(cè)摩阻力對(duì)抗壓群樁效應(yīng)的貢獻(xiàn)。
2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?br />
試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖?見圖1)為圓柱型，內(nèi)部直徑為1.2 m，高1 m，能放約2 t重的標(biāo)準(zhǔn)砂，加載反力架通過夾具固定于模型箱上。
為實(shí)現(xiàn)模型樁的豎向上拉和下壓加載研制了豎向加載裝置，可按預(yù)先設(shè)定好的速率勻速垂直上拔或下壓樁體，還可以通過對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制器編程控制實(shí)現(xiàn)樁頂?shù)呢Q向往復(fù)運(yùn)動(dòng)。
圖1 試驗(yàn)裝置 參考文獻(xiàn)[12]，模型樁采用外徑為32 mm、壁厚2.5 mm、長(zhǎng)667 mm的有機(jī)玻璃管。將管沿中軸線切成對(duì)稱的兩半，在樁體內(nèi)側(cè)粘貼應(yīng)變片，應(yīng)變片的位置見圖2。兩半玻璃管重新粘合后，在樁表面粘貼一層砂。試驗(yàn)中共制作了兩種粗糙度的樁，樁外表面分別粘結(jié)粒徑0.1～0.075 mm和1～0.5 mm的砂（稱為細(xì)砂樁和粗砂樁）。共制作了4根細(xì)砂樁和4根粗砂樁，每組試驗(yàn)中2根貼有應(yīng)變片的樁對(duì)角布置稱為1#樁和2#樁。
圖2 模型樁 共進(jìn)行了兩種粗糙度5種樁間距（3D、4D、5D、5D×7D（雙向不等間距）和7D）下的群樁試驗(yàn)。所有群樁的入土深度為17D（54.4 cm），入土深度保證了第一組應(yīng)變片的位置在砂樣表面以上，可以測(cè)量群樁頂部荷載在各個(gè)單樁的分配情況。為了分析樁間距對(duì)群樁效應(yīng)的影響，還進(jìn)行了兩種粗糙度的單樁試驗(yàn)。
試驗(yàn)選用福建平潭砂，其物理參數(shù) d10=0.35 mm，d50=0.64 mm，d30=0.5 mm，d60=0.72 mm，計(jì)算得到不均勻系數(shù)Cu=2.06，曲率系數(shù)Cc=0.99。砂土的均質(zhì)性和可重復(fù)性對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響很大，為了能保證砂樣的均勻性和可重復(fù)性，采用干落法制作砂樣。試驗(yàn)中盡量均勻的將砂子撒到模型箱里面，保證砂樣表面齊平不出現(xiàn)鼓包。通過隨機(jī)在砂樣中埋設(shè)小盒，驗(yàn)證了砂樣的均質(zhì)性，砂樣的相對(duì)密實(shí)度約為40%，重度約為15.0 kN/m3。
3 群樁試驗(yàn)
3.1 群樁的抗壓試驗(yàn)
試驗(yàn)中群樁的總荷載通過安裝在承臺(tái)上方的荷載傳感器測(cè)量，各樁的樁頂荷載通過樁身上貼的應(yīng)變片測(cè)量。圖3為3D細(xì)砂群樁的荷載-位移曲線。從圖中可以看出，1#、2#樁荷載位移曲線基本重合，加載的每個(gè)時(shí)刻群樁荷載大約都是單樁荷載的4倍，說明群樁荷載被均勻的分配到各根單樁。為了比較樁間距對(duì)抗壓群樁效應(yīng)的影響，將5組細(xì)砂群樁和細(xì)砂單樁的抗壓荷載-位移曲線繪于圖4。從圖中可以看出，各種樁間距群樁的抗壓荷載-位移曲線的發(fā)展趨勢(shì)與單樁的抗壓荷載-位移曲線相似，群樁的抗壓荷載-位移曲線不重合，說明樁間距對(duì)群樁的抗壓承載能力有明顯影響。
圖3 3D細(xì)砂群樁抗壓荷載與位移曲線
圖4 群樁抗壓荷載-位移曲線
定義位移值為D/10對(duì)應(yīng)的荷載為群樁和單樁的抗壓極限承載力，利用式（1）計(jì)算各組群樁的抗壓群樁效應(yīng)系數(shù)
：
式中：
為群樁極限承載力；
為單樁極限承載力。
根據(jù)極限荷載下群樁中2根單樁的樁端阻力，取其平均值作為群樁中單樁的樁端阻力代表值
，根據(jù)式（2）計(jì)算群樁中單樁的側(cè)摩阻力代表值
：
計(jì)算樁端阻力群樁效應(yīng)系數(shù)
和側(cè)摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)
，即
式中：
為極限荷載下單樁端阻力；
為極限荷載下單樁側(cè)摩阻力。
為了直觀地比較樁間距對(duì)群樁效應(yīng)系數(shù)的影響，將不同樁間距下的
、
與
數(shù)據(jù)點(diǎn)繪于圖5。由于數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布具有一定的離散性，分別對(duì)
、
與
的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。從擬合曲線可以看出，在不同樁間距下均有
>
>
>1；抗壓群樁效應(yīng)系數(shù)
隨著樁間距的增大先增加后減小，在4D樁間距時(shí)，群樁效應(yīng)系數(shù)達(dá)到極大值，約為1.2，與文獻(xiàn)[8]的研究成果相符合；樁端阻力群樁效應(yīng)系數(shù)
與
的發(fā)展規(guī)律相似，但其最優(yōu)距離樁間距在4D～5D之間，極值約為1.3；摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)
隨樁間距的增大而減小，3D時(shí)的系數(shù)約為1.2；樁間距達(dá)到7D時(shí)，
、
、
均近似等于1，說明樁間距大于7D時(shí)群樁效應(yīng)基本可以忽略。
圖5 群樁的抗壓群樁效應(yīng)系數(shù)
3.2 群樁的抗拔試驗(yàn)
圖6為3D細(xì)砂群樁抗拔荷載-位移曲線。與抗壓群樁相似，群樁荷載基本平均分配到了4根單樁。將細(xì)砂單樁和不同樁間距下群樁的荷載-位移曲線繪制于圖7，發(fā)現(xiàn)群樁的抗拔荷載-位移曲線與單樁形狀相似，但群樁抗拔荷載達(dá)到最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的位移比單樁小。取2 mm位移對(duì)應(yīng)的荷載為極限抗拔荷載，利用式（1）計(jì)算抗拔群樁效應(yīng)系數(shù)。
繪制抗拔群樁效應(yīng)系數(shù)與樁間距的關(guān)系如圖8所示。從圖中可以看出，抗拔群樁效應(yīng)系數(shù)具有一定的離散性，絕大多數(shù)群樁的抗拔群樁效應(yīng)系數(shù)大于1，此結(jié)論與破裂面模型[13]和有限元模型[11]給出的抗拔群樁效應(yīng)系數(shù)小于1的結(jié)論相矛盾。破裂面模型和有限元模型無法模擬靜壓樁成樁時(shí)樁-土之間的擠密效應(yīng)，而擠密效應(yīng)對(duì)靜壓樁的受力性能起決定性作用，是靜壓樁與挖孔樁的根本區(qū)別。靜壓群樁對(duì)砂土的擠密效應(yīng)比單樁強(qiáng)是導(dǎo)致靜壓群樁的抗拔群樁效應(yīng)系數(shù)大于1的根源。對(duì)10組數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，如圖8所示，擬合曲線表明抗拔群樁的最優(yōu)樁間距在4D～5D之間，對(duì)應(yīng)極值約為1.2。
圖6 3D細(xì)砂群樁抗拔荷載-位移曲線
圖7 群樁抗拔荷載-位移曲線
圖8 群樁的抗拔群樁效應(yīng)系數(shù)
4 結(jié) 論
?。?）群樁的的抗壓、抗拔荷載-位移曲線與單樁抗壓、抗拔荷載-位移曲線形狀類似，群樁的極限位移比單樁稍小。
?。?）群樁的抗壓群樁效應(yīng)系數(shù) 大于1，最優(yōu)樁間距為4D，對(duì)應(yīng)的群樁效應(yīng)系數(shù)約為1.2。群樁受壓時(shí)，樁端阻力群樁效應(yīng)系數(shù)大于側(cè)摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)。樁端阻力群樁效應(yīng)系數(shù)的最優(yōu)樁間距為5D，系數(shù)約為1.3；樁側(cè)摩阻力群樁效應(yīng)系數(shù)在3D時(shí)約為1.2。
（3）群樁的抗拔群樁效應(yīng)系數(shù)大于1，與前人數(shù)值模擬的預(yù)測(cè)不同，這是因?yàn)楸驹囼?yàn)采用靜壓法成樁，群樁對(duì)樁側(cè)砂土的擠密效應(yīng)比單樁強(qiáng)烈很多?？拱稳簶兜淖顑?yōu)樁間距在4D～5D之間，系數(shù)約為1.2。
（4）樁間距為7D時(shí)群樁效應(yīng)系數(shù)均趨于1，群樁效應(yīng)基本可以忽略。
參 考 文 獻(xiàn)
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