周德泉1, 2，顏 超1, 3，羅衛(wèi)華4
（1.長沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院，湖南 長沙 410114；2.長沙理工大學(xué) 巖土工程施工災(zāi)變防控與環(huán)境修復(fù)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心，湖南 長沙 410114；3.湖北省路橋集團有限公司，湖北 武漢 430000；4.湖南省永龍高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司，湖南 永順 416700）
摘 要：樁體復(fù)合地基上堆載可能引起側(cè)向約束樁側(cè)移，導(dǎo)致側(cè)向約束樁和樁體復(fù)合地基失穩(wěn)破壞。采用室內(nèi)模型試驗研究樁體復(fù)合地基重復(fù)加、卸載過程中側(cè)向約束樁水平變位規(guī)律。結(jié)果表明：（1）樁體復(fù)合地基上加載時，側(cè)向約束樁的樁身側(cè)移沿深度先增大、后減小、存在峰值，峰值隨加載增大而增大，出現(xiàn)在距離地面0.4倍地面以下樁長處，峰值位移與樁頂（或地面）處位移的比例系數(shù)和發(fā)生側(cè)移的樁身長度隨荷載增大而增大；（2）樁體復(fù)合地基上重復(fù)加、卸載時，側(cè)向約束樁的樁頂側(cè)移隨樁間距增大而增大，彈性變形則變小。中樁側(cè)移比邊樁大。樁頂側(cè)移增長率隨重復(fù)加載次數(shù)增加而減小。若荷載超過首次加載的最大荷載，側(cè)向復(fù)合地基上加載-樁水平位移曲線將回到首次加載曲線的延長線，具有記憶效應(yīng)。第 次卸載曲線與第i次卸載曲線線型相似且相互平行。每次卸載的初、中期，荷載的減小不影響樁頂側(cè)移，只有卸載到最后1～2級時，側(cè)移才開始減小，直到永久塑性變形。側(cè)向約束樁的頂部水平位移回彈曲線特征與巖石或土在垂直加、卸載作用下的回彈曲線相似。
關(guān) 鍵 詞：樁體復(fù)合地基；加卸載；側(cè)向約束樁；水平變位規(guī)律
1 引 言
側(cè)向堆載作用下樁體的受力非常復(fù)雜。堆載時，受壓土體會產(chǎn)生下沉盆，促使側(cè)向樁體受到負(fù)摩阻力作用，也會擠壓側(cè)向樁體，促使樁身水平側(cè)移并產(chǎn)生撓曲變形。側(cè)向堆載對既有樁體的作用機制和工程效應(yīng)問題已經(jīng)引起學(xué)術(shù)界和工程界的高度關(guān) 注[1-3]。Poulos[4]利用半無限彈性體的Mindlin方程計算樁與土體之間的關(guān)系，通過對土體之間的應(yīng)力接觸面進行計算，得到樁體的作用內(nèi)力和撓曲變形。Matsui等[5]為驗證Ito等[6]提出的作用于抗滑樁上土壓力計算公式，通過一系列模型試驗表明作用于樁上的側(cè)向土壓力隨土體位移增加而增加，在達到峰值后，黏土的側(cè)向壓力基本不隨位移再增大，而砂土則稍微有所減少。由于試驗?zāi)Ｐ拖涑叽缣?，不能忽略箱壁對土體的約束作用。張建勛等[7]采用平面有限元分析時由于忽略了樁土之間的繞流效應(yīng)，將樁體等效為板樁，使得分析結(jié)果與實測結(jié)果不太吻合。吳江斌等[8]對主體結(jié)構(gòu)和樁身的受力變形進行了整體平面應(yīng)變分析，提出了結(jié)構(gòu)、地基處理、基坑圍護隔離等方面的技術(shù)措施，取得了較好的效果。王愷敏等[9]采用三維數(shù)值模擬，研究了在大面積堆載條件下樁體所受負(fù)摩擦力及樁體變形，并通過案例驗證了結(jié)論。李忠誠等[10-11]利用三維數(shù)值模型分析了地面堆載條件下土體的受力變形及沉降規(guī)律，并提出了地面堆載情況下鄰近樁基受力變形的實用計算方法。梁發(fā)云等[12]對土體側(cè)向位移作用下軸向受荷樁的承載和變形特性進行了室內(nèi)模型試驗。吳瓊等[13]應(yīng)用三維有限元方法分析了側(cè)向堆載作用下樁體的受力變形及樁身彎矩變化規(guī)律。肖世國等[14]分析了現(xiàn)行抗滑樁間距分析模型缺陷，總結(jié)出合理樁間距的計算方法。以上研究主要集中在均質(zhì)地基上堆載對側(cè)向樁體的影響。側(cè)向約束樁是控制斜坡路堤變形的一種有效措施[15]，但樁體復(fù)合地基上堆載對側(cè)向約束樁側(cè)移的影響規(guī)律尚不清楚，開展的研究也極少，制約了該組合型復(fù)合地基的設(shè)計與推廣應(yīng)用。本文采用室內(nèi)模型試驗，研究樁體復(fù)合地基重復(fù)加卸載過程中側(cè)向約束樁變位規(guī)律，以指導(dǎo)側(cè)向約束樁-復(fù)合地基的設(shè)計與監(jiān)控。
2 模型試驗概況
本次模型試驗在長度 寬度 高度為2.5 m 1.5 m 1.5 m的鋼筋混凝土模型槽內(nèi)進行，槽內(nèi)側(cè)向單排樁及復(fù)合地基模型樁的布置如圖1所示，樁的參數(shù)見表1。圖中，6根復(fù)合地基樁體采用PVC管充填水泥砂漿圓形樁，樁體直徑為4 cm，樁長有2種，Z1、Z2、Z4和Z5樁體的樁長為80 cm，其中Z2和Z5樁為中點斷裂的缺陷樁，Z3和Z6樁 體的樁長為40 cm，承壓板長邊方向3根樁之間的樁間距為23 cm，短邊方向的樁間距為36 cm（見 圖1(a)）；側(cè)向單排樁長度為120 cm、邊長為5 cm的方形水泥砂漿樁，B樁距離A樁為10 cm（2倍樁徑），C樁距離A樁為20 cm（4倍樁徑）。
模型土由過篩后室內(nèi)存放6 a的干燥紅黏土與砂土等比拌和、自重填筑而成。模型土最大粒徑 5 mm，不均勻系數(shù) 
5.36，曲率系數(shù)
1.39，級配良好，級配曲線見圖2。填土厚度為1 m。填土前，先把各樁在模型槽內(nèi)的分布位置按圖1(a)確定好，然后用不同高度的鐵條來固定全部模型樁，確保在填土?xí)r樁體垂直、平面位置準(zhǔn)確；填土?xí)r，A樁外側(cè)在不同深度（距離樁頂分別為100、400、600、800、1 100 mm）水平設(shè)置直徑為
10 mm的PVC管，在與樁表面接觸處與樁側(cè)預(yù)先固定的柔性套管連通，確保模型土不進入PVC管內(nèi)形成堵塞，并穿過外側(cè)擋板、端部與擋板平齊，便于安裝百分表（用加長探針接長）。填筑完成后，靜置近1個月，讓模型土自重沉降。
試驗前，將加長探針穿過水平PVC管，穩(wěn)固安裝A樁深部的4個數(shù)顯式百分表，A樁、B樁、C樁的頂部距樁頂100 mm 處分別安裝1個數(shù)顯式百分表。整個試驗由千斤頂和壓力傳感器（采用萬能壓力機進行標(biāo)定，由DN-1型多用數(shù)顯儀采集電信號）加載，通過砝碼堆載提供反力。試驗參照規(guī)范附錄B[16]進行，要點為：測試前加載5 kN，以校核實驗系統(tǒng)的整體工作性能；首次加載20 kN，隨后每級荷載增量為10 kN，根據(jù)平臺反力與變形特征決定終載；每級荷載前后測讀承壓板沉降量和側(cè)向約束樁的側(cè)移，以后每0.5 h測讀1次，當(dāng)1 h內(nèi)承壓板沉降小于0.1 mm時加下一級荷載；操作油泵旋紐、盡量分級卸載，每級維持 0.5 h，測讀承壓板沉降量和側(cè)向約束樁水平位移。在600 mm 500 mm的復(fù)合地基上共進行了4次加載和卸載循環(huán)，獲得了樁體復(fù)合地基循環(huán)加、卸載過程中側(cè)向約束樁的水平變位規(guī)律（獲得的其他規(guī)律另文討論）。
(a) 平面布置圖(單位: cm)
(b) Z6-Z3-A剖面示意圖(單位: cm)
(c) 模型樁實體
(d) 安裝好的試驗?zāi)Ｐ?br />
圖1 模型樁布置示意圖
圖2 模型土級配曲線
表1 模型樁參數(shù)
|
樁號
|
直徑或
邊長D
/ mm
|
長度
L
/ mm
|
截面
形狀
|
彈性
模量E
/ GPa
|
材料
|
|
A、B、C
|
50
|
1 200
|
方形
|
16.55
|
水泥砂漿
|
|
Z1、Z4
|
40
|
800
|
圓形
|
6.91
|
PVC管充填
水泥砂漿
|
|
Z2、Z5
|
40
|
800
|
圓形
|
6.91
|
|
Z3、Z6
|
40
|
400
|
圓形
|
6.91
|
注：①B樁距離A樁10 cm（2D），C樁距離A樁20 cm（4D）；②Z2、Z5樁長一半處鋸斷；③模型樁彈性模量采用簡支梁法標(biāo)定。
3 試驗結(jié)果與分析
3.1 加載過程中樁身側(cè)移隨深度變化規(guī)律
圖3為加載過程中，側(cè)向約束樁A在各級荷載（指樁體復(fù)合地基承受的荷載，下同）下樁身側(cè)移（水平位移，下同）隨與土頂面距離變化曲線。分析發(fā)現(xiàn)：
?。?）加載過程中，樁體復(fù)合地基承受某荷載時，側(cè)向約束樁的樁身側(cè)移均沿深度先增大、后減小，將最大側(cè)移值稱為峰值位移。水平位移y與土頂面距離z曲線類似于一端固定、一端鉸接、作用三角形線狀荷載的直梁撓度曲線。與劉吉福等[17]分析剛性樁復(fù)合地基工程實測資料歸納總結(jié)的坡腳剛性樁及樁間土的側(cè)移曲線形態(tài)相似，這為側(cè)向約束樁的設(shè)計提供了試驗依據(jù)。
?。?）加載過程中，側(cè)向約束樁的樁身側(cè)移沿深度先增大、后減小的變化率均隨荷載增大而增大，或者說，峰值位移與樁頂位移或地面處位移的比例系數(shù) 1且隨荷載增大而增大?，F(xiàn)場監(jiān)測時，樁頂或地面處位移比較容易獲得，可以據(jù)此預(yù)測側(cè)向約束樁的變形和破壞趨勢。當(dāng)荷載較小時（如圖3中小于50 kN），側(cè)移僅發(fā)生在樁身上部，如圖3中 600 mm處，相當(dāng)于地面以下樁長的0.6倍。荷載增大時，發(fā)生側(cè)移的樁身長度不斷增大。說明加大樁長有利于抵抗較大荷載。隨著荷載的加大，峰值位移也依次增大。峰值位移出現(xiàn)在距離地面0.4倍地面以下樁長處，位置基本不隨荷載變化。荷載增加，樁身側(cè)移也增加。
圖3 加載過程中側(cè)向約束樁的樁身側(cè)移隨深度變化規(guī)律
3.2 不同間距的樁頂側(cè)移隨重復(fù)加載變化規(guī)律
圖4為重復(fù)加載過程中不同間距側(cè)向約束樁的樁頂（距離實際樁頂為100 mm，下同）水平位移-加載曲線。分析發(fā)現(xiàn)：
（1）加載過程中，樁頂側(cè)移隨荷載增大而增大。
實際工程中，可以通過減少荷載來減小樁身側(cè)移。
首次加載曲線具有明顯的拐點，是由于外側(cè)擋板約束的緣故。
（2）每級荷載作用下，C樁的側(cè)移最大、A樁次之、B樁最小，說明荷載作用下，樁間距越大，樁頂側(cè)移則越大；中樁側(cè)移比邊樁大。據(jù)此推理，在確保樁身不破壞的前提下，可以通過減少樁間距來減小樁頂和樁身側(cè)移。
3.3 不同間距的樁頂側(cè)移隨重復(fù)卸載變化規(guī)律
圖5為重復(fù)卸載過程中不同間距側(cè)向約束樁的樁頂側(cè)移-卸載曲線。分析發(fā)現(xiàn)：
?。?）卸載過程中，曲線由豎直線經(jīng)弧線向原點偏轉(zhuǎn)，具有明顯的拐點（圖中對應(yīng)荷載為20～30 kN）。說明在卸載初期，樁的水平變形為不可恢復(fù)的塑性變形，在最后1～2級荷載時才開始出現(xiàn)彈性變形。荷載全部卸除為0時，彈性變形達到最大。此規(guī)律與地基巖土的垂直位移回彈曲線相似[18-19]。
?。?）B樁的水平彈性變形最大、A樁次之、C樁最小，說明卸載作用下，樁間距越大，水平彈性變形則越小。
3.4 不同加載階段樁頂側(cè)移變化規(guī)律
圖6為不同加載階段側(cè)向約束樁的樁頂側(cè)移變化規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)：
(a) 第1次加載
(b) 第2次加載
(c) 第3次加載
(d) 第4次加載
圖4 不同間距的側(cè)向約束樁樁頂側(cè)移隨加載變化規(guī)律
(a) 第1次卸載
(b) 第2次卸載
(c) 第3次卸載
(d) 第4次卸載
圖5 不同間距的側(cè)向約束樁樁頂側(cè)移隨卸載變化規(guī)律
(a) A樁
(b) B樁
(c) C樁
圖6 不同加載階段側(cè)向約束樁的樁頂側(cè)移變化規(guī)律
?。?）首次加載和重復(fù)加載過程中，樁頂側(cè)移隨荷載的增加而增加，增長率隨重復(fù)加載次數(shù)增加而減小。原因是，經(jīng)受前一次加載，樁土發(fā)生了不可恢復(fù)的塑性變形。
?。?）重復(fù)加載過程中，若荷載超過首次加載的最大荷載，如第4次加載，側(cè)向復(fù)合地基上加載-樁側(cè)移曲線將回到首次加載曲線的延長線，具有記憶效應(yīng)。這與巖土體的再壓縮曲線特征類似[18-19]。
3.5 不同卸載階段樁頂側(cè)移變化規(guī)律
圖7為不同卸載階段側(cè)向約束樁的樁頂側(cè)移變化規(guī)律。分析發(fā)現(xiàn)：
?。?）各樁、各卸載階段的曲線從豎直線向原點
(a) A樁
(b) B樁
(c) C樁
圖7 不同卸載階段側(cè)向約束樁的樁頂側(cè)移變化規(guī)律
?。?）第
次卸載曲線在第
次卸載曲線右側(cè)，說明加載次數(shù)增加，塑性變形隨之增加。
4 結(jié) 論
?。?）樁體復(fù)合地基上首次加載時，側(cè)向約束樁發(fā)生側(cè)移并沿深度先增大、后減小、存在峰值，峰值隨荷載的加大而增大，出現(xiàn)在距離地面0.4倍地面以下樁長處，位置基本不隨荷載變化。峰值位移與樁頂（或地面）處位移的比例系數(shù)和發(fā)生側(cè)移的樁身長度隨荷載增大而增大。樁體復(fù)合地基重復(fù)加載時，樁間距越大，樁頂側(cè)移則越大，中樁側(cè)移比邊樁大。樁頂側(cè)移增長率隨重復(fù)加載次數(shù)增加而減小，若荷載超過首次加載的最大荷載，側(cè)向復(fù)合地基上加載-樁水平位移曲線將回到首次加載曲線的延長線，具有記憶效應(yīng)。設(shè)計時，可以通過減少完整樁的樁間距來減小樁身側(cè)移。工程監(jiān)測時，可以據(jù)此預(yù)測樁的變形和破壞趨勢。
?。?）樁體復(fù)合地基卸載的初、中期，隨著荷載的減小，側(cè)向約束樁的樁頂側(cè)移基本不變，只有卸載到最后1～2級時，樁頂側(cè)移才開始減小、最終停留在永久塑性變形階段。第
次（
）卸載時的樁頂側(cè)移曲線在第
次卸載曲線右側(cè)、線型相似且相互平行。樁間距越大，樁頂水平彈性變形則越小。樁體復(fù)合地基垂直加、卸載作用下側(cè)向約束樁頂部水平位移的回彈曲線具有巖石或土在垂直加卸載作用下的回彈曲線相似的特征。
參 考 文 獻
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（本文摘自第十二屆全國樁基工程學(xué)術(shù)會議論文集）
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