水平、彎矩荷載作用下樁基承載特性的離心模型試驗研究

文松霖，柴紅濤，顧 穎

（長江科學院a.水利部巖土力學與工程重點實驗室；b.生態(tài)修復技術(shù)中心，武漢 430010）

水平、彎矩荷載作用下樁基承載特性的離心模型試驗研究

文松霖a，柴紅濤a，顧 穎b

（長江科學院a.水利部巖土力學與工程重點實驗室；b.生態(tài)修復技術(shù)中心，武漢 430010）

通過幾組離心模型試驗及成果分析，研究了樁基在水平、彎矩組合荷載作用下的承載機制和承載力屈服包絡線特性。結(jié)果表明：樁基在水平、彎矩組合荷載作用下承載力屈服包絡線形狀近似為橢圓形，其承載力屈服包絡線方程可用橢圓方程來近似表示；水平、彎矩組合荷載作用下樁基承載力屈服包絡線方程為檢驗樁基在水平、彎矩組合荷載作用下樁基的安全性提供了依據(jù)；在樁基設計過程中必須要考慮水平荷載和彎矩荷載之間的相互影響作用。

樁基；離心模型試驗；組合荷載；承載力；屈服包絡線

1 研究背景

港口、橋梁、支擋建筑、高聳塔型建筑及近海鉆采平臺的基礎大部分采用樁基礎，這些樁基礎往往受到組合荷載（水平荷載H、豎直荷載V、彎矩荷載M）的作用，其承載機理極為復雜。對于組合荷載作用下的樁基礎，目前采用傳統(tǒng)的簡化方法進行設計，即單方向荷載下的承載力、強度、構(gòu)造計算及校核（如下壓荷載設計、水平荷載、上拔荷載校核等）。而采用傳統(tǒng)的樁基設計方法，在計算上雖然能夠滿足各項荷載的要求，但是由于沒有考慮各項荷載之間的相互影響，使得建筑物樁基在承載力方面存在較大的安全隱患。

對于組合荷載作用下的樁基礎，目前的樁基設計理論很難滿足工程的需要，而采用傳統(tǒng)的簡化方法進行的樁基設計，又會使得建筑物樁基承載力存在比較大的隨意性。如果樁基承載力取值不合理，易造成樁基礎失穩(wěn)或者沉降過大，對工程的安全運行影響很大。如何合理地評價組合荷載作用下的樁基礎承載力，關(guān)系到建筑物的安全和設計優(yōu)化，對基礎工程的投資也起著控制性的作用。

對于在組合荷載作用下（水平荷載H、豎直荷載V、彎矩荷載M）樁基以及淺基礎的有關(guān)包絡線特性，國內(nèi)外有關(guān)專家、學者做了不少研究工作。Meyerhof和Ranjian對剛性樁的研究表明［1－4］，與鉛直線成α度的斜向極限承載力Qu所描述的屈服包絡線可近似為一個中心在坐標原點的橢圓；Butterfield.R和Gottardi的研究結(jié)果提出了淺基空間屈服包絡面的經(jīng)驗公式［5］；范慶來對V－H－T荷載空間內(nèi)桶形基礎的破壞包絡面進行了數(shù)值模擬方面的研究［6－8］；文松霖對鉛直、水平荷載作用下以及水平、彎矩荷載作用下擴底樁的承載機理及擴底樁承載力空間屈服包絡面的基本特性做了一些基礎研究工作［9－10］。但是至今沒有發(fā)現(xiàn)樁基礎承載力空間屈服面研究的其它相關(guān)報道。

如何合理地評價組合荷載作用下樁基礎承載力，在樁基礎承載力方面不同類型荷載之間究竟存在怎樣的影響，組合荷載作用下樁基礎承載力屈服包絡線（面）具有怎樣的特性，是急需解決的課題。作為國家自然科學基金項目的研究環(huán)節(jié)之一，本文通過離心模型試驗及結(jié)果分析，主要探討了水平荷載和彎矩荷載組合荷載作用下樁基承載力屈服包絡線的基本特性。

2 離心試驗裝置及試驗概要

2.1 試驗加載裝置及概要

本次試驗在長江科學院的土工離心機上實施，該新型土工離心機由中國工程物理研究院總體工程研究所承擔研制，2010年交付使用。容量200 g-t，有效半徑3.7 m，最大加速度200 g。本次試驗所用模型箱尺寸為：1.0 m（長）×0.4 m（寬）×0.8 m（高），所用的加載裝置如圖1所示。本次離心模型試驗采用的離心加速度n＝95 g，加載方式為荷載控制，每級施加荷載值為30～40 N，分級加載，直至達到極限荷載為止，水平荷載加載高度分別為h1＝90 mm，h2＝115 mm，h3＝135 mm，h4＝159 mm。彎矩荷載通過M＝Hh（其中H為水平荷載，h為相應的加載高度）進行模擬，水平荷載利用氣壓缸施加，施加荷載值通過荷載傳感器進行量測，樁身應變的測定通過在樁身上粘貼應變片實現(xiàn)，加載過程中通過3個激光位移傳感器測定兩點樁頭水平位移和地基表面的沉降，試驗數(shù)據(jù)通過離心機數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行采集。

圖1 離心試驗加載裝置圖Fig.1 Loading device of centrifugalmodel test

2.2 模型樁

模型樁材料為不銹鋼管，模型樁相對于地基為半剛性樁，模型樁埋在地基中深度為32 cm，樁徑為16 mm，不銹鋼管壁厚為0.6 mm，試驗離心加速度為95 g，試驗用的模型樁數(shù)量為4根，長度L1＝37.5 cm，L2＝39.5 cm，L3＝41.5 cm，L4＝43.5 cm。

為量測樁身應變，在模型樁表面粘貼9對應變片（圖2（a）），應變片采用1／4橋路連接，用502粘貼，環(huán)氧樹脂防水，通過在模型樁上鉆小孔，應變片導線從模型樁管內(nèi)部引出，底部用木塞塞住，并用環(huán)氧樹脂密封，模型樁通過樁頭連接桿件與加載裝置進行連接；模型樁實體如圖2（b）所示。

圖2 模型樁Fig.2 Sketch and photo of themodel pile

由于所施加的離心加速度n＝95 g，所以模擬比尺為95，模擬原型鋼管樁尺寸為：樁徑1 520 mm，壁厚57 mm，樁長L′1＝35.6 m，L′2＝37.5 m，L′3＝39.4 m，L′4＝41.3 m。

2.3 模型地基

模型地基為勻質(zhì)黏土地基，地基厚度46 cm，采用分層擊實，每層2 cm，模型樁埋深為32 cm，在樁體周圍畫5 cm×5 cm方格觀測試驗前后樁體以及土體的有關(guān)變形情況。模型地基和模型樁在地基中的埋設情況如圖3所示。

圖3 離心試驗模型樁在地基中的埋設Fig.3 Installation ofm odel piles in centrifugalm odel test

所用土料為重慶黏性土，土體有關(guān)參數(shù)如表1所示，制作模型地基的土過5 mm篩子，通過擊實試驗其最優(yōu)含水量為15%，最大干密度為1.97 g／cm3；模型制備時模型的控制干密度為1.77 g／cm3，控制含水量為15%，相對密實度為90%。

表1 土料物性參數(shù)Table 1 Physical-mechanical parameters of test soil

3 試驗成果及分析

通過對4組不同水平加載高度下離心模型試驗，得出模型樁的H－S曲線（H為樁基水平荷載，S為樁頭水平位移）以及荷載和樁身轉(zhuǎn)角曲線，如圖4、圖5所示。由圖5可以看出在相同水平荷載作用下，加載高度高的樁身轉(zhuǎn)角比加載高度低的樁身轉(zhuǎn)角要大，也就是說，樁身轉(zhuǎn)角隨著加載高度的增加而變大，這與日本學者松本在1 g條件下砂土地基中觀測到的現(xiàn)象基本一致［11］。

圖4 不同加載高度下樁基H-S曲線Fig.4 H-S curves ofmodel pile at different loading heights

圖5 不同加載高度下樁基荷載和轉(zhuǎn)角曲線Fig.5 Curves of pile inclination vs.load at different loading heights

根據(jù)離心試驗的H-S曲線（圖4），為了分析的方便，取10%樁徑的樁頭水平位移對應的水平荷載為樁基水平極限荷載，相對應的極限彎矩荷載為M＝Hh（h為水平加載高度）。由以上取值標準，得到各種加載高度下的水平極限荷載和極限彎矩荷載如表2所示。綜合表2、圖4分析發(fā)現(xiàn)：在相同荷載條件下樁頭水平位移隨著樁基水平加載高度的增加而變大；隨著水平荷載的增加樁頭水平位移的增加幅度變大；在相同位移條件下，樁基水平承載力隨著水平加載高度的增加而減小；隨著加載高度的減小樁基的極限彎矩荷載減小，樁基極限水平承載力增加。

將樁基屈服點描繪制M-H平面坐標系上，連接所有的屈服點，可得到樁基在水平、彎矩組合荷載作用下的屈服包絡線如圖6所示，通過對曲線的擬合，其形狀大致呈橢圓形，并且橢圓中心與坐標原點重合。

表2 樁基極限水平荷載和極限彎矩荷載

Table 2 The lim it horizontal loads and lim itmoment loads ofmodel pile foundation

注：樁頭位移為10%樁徑

圖6 M-H荷載平面上樁基承載力屈服包絡線Fig.6 Failure envelopes ofmodel pile in M-H loading plane

根據(jù)離心模型試驗數(shù)據(jù)假定樁基在水平、彎矩組合荷載作用下其承載力屈服包絡線方程為中心與坐標原點重合的橢圓，其方程為

其中：Mm為極限彎矩荷載，Hm為極限水平荷載，分別為屈服包絡線方程的短軸和長軸，其值可以通過單方向試樁結(jié)果或者任意2個加載高度下離心模型試驗數(shù)據(jù)確定。任意選取2組試驗數(shù)據(jù)得到M-H加載平面上屈服包絡線的方程，如圖6所示。由圖6可知，屈服包絡線方程和試驗數(shù)據(jù)點有很好的一致性，可以說明在水平、彎矩組合荷載作用下樁基承載力包絡線近似呈橢圓形，并且M-H荷載平面上屈服包絡線方程可以近似用橢圓方程（1）來表示。這與1 g條件下砂土模型地基中擴底樁的屈服包絡特性是相似的［9－10］。

通過圖6中M，H坐標軸上的2個屈服荷載點作垂線交于N點，與承載力屈服包絡線圍成B區(qū)域；M，H坐標軸與承載力屈服包絡線圍成A區(qū)域；如圖7所示。圖7中A區(qū)是按傳統(tǒng)計算方法設計為偏于安全的區(qū)域；而圖7中B區(qū)（陰影部分）是按傳統(tǒng)計算方法設計為安全而實際上已經(jīng)發(fā)生破壞的區(qū)域；也是采用傳統(tǒng)計算方法進行水平、彎矩組合荷載作用下樁基設計時所存在的安全隱患區(qū)。由此可見，在樁的承載力方面不同類型荷載之間是相互影響的。

圖7 樁基承載力屈服包絡線和傳統(tǒng)設計方法對比Fig.7 Contrast between safe areas of pile foundation’s bearing capacity calculated by failure envelope and traditional design method

通過試驗結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，對樁基承載力而言，彎矩荷載和水平荷載之間存在相互影響，由于組合荷載的作用降低了樁基水平方向的抵抗能力和抗彎能力，在設計過程中不能只考慮單方向荷載對樁基的影響，而應該綜合考慮彎矩荷載和水平荷載相互影響作用對樁基承載力的減弱效應。由于荷載的對稱性，在M-H荷載平面內(nèi)的樁基承載力屈服包絡線應滿足f（H，M）＝f（－H，M），f（H，M）＝f（H，－M）的條件；M-H荷載平面內(nèi)的樁基承載力屈服包絡線方程為檢驗樁基在水平、彎矩組合荷載作用下樁基承載力的安全性提供了依據(jù)，可以用樁基承載力屈服包絡線方程對其是否處于安全狀態(tài)進行判定。當M，H組合荷載在樁基承載力屈服包絡線以內(nèi)時，說明樁基在M，H荷載作用下處于安全狀態(tài)；當M，H組合荷載在樁基承載力屈服包絡線上時，說明樁基在M，H荷載作用下處于極限狀態(tài)；當M，H組合荷載處于樁基承載力屈服包絡線以外時，說明樁基在M，H組合荷載作用下將發(fā)生失穩(wěn)破壞。

4 結(jié) 論

通過對水平、彎矩組合荷載作用下樁基離心模型試驗數(shù)據(jù)的分析，探討樁基在M-H荷載平面上的屈服包絡線特性，得出以下結(jié)論：

（1）在相同荷載條件下樁頭水平位移隨著樁基水平加載高度的增加而變大；隨著水平荷載增加樁頭水平位移的增加幅度在變大；在相同位移條件下，樁基水平承載力隨著水平加載高度的增加而減小；隨著加載高度的減小樁基的極限彎矩荷載在減小，樁基極限水平承載力在增加。

（2）在相同水平荷載作用下，樁身轉(zhuǎn)角隨著加載高度的增加而增加。

（3）樁基在水平、彎矩組合荷載作用下的樁基承載力屈服包絡線近似為中心在坐標原點的橢圓，并且樁基承載力屈服包絡線方程可用等式（1）來近似表示。

（4）在樁基設計過程中，M-H荷載平面內(nèi)的樁基承載力屈服包絡線方程為檢驗樁基在水平、彎矩組合荷載作用下樁基承載力的安全性提供了依據(jù)，可以檢驗樁基在M，H荷載作用下是否處于極限失穩(wěn)狀態(tài)。

（5）在樁基設計過程中必須考慮水平荷載和彎矩荷載的相互影響作用對樁基的影響。

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（編輯：周曉雁）

Centrifugal M odel Test on Resistance Behavior of Pile Foundation Under Horizontal Load and M oment Load

WEN Song-lin1，CHAIHong-tao1，GU Ying2
（1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the MWR，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Technology Center of Ecological Restoration，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China）

The load-bearingmechanism and failure envelope behavior of pile foundation under combined horizontal load and moment load were investigated through centrifugalmodel tests.Analysis on the results revealed that the failure envelope shape of pile foundation under horizontal load andmoment load is an ellipse approximately，and the failure envelope equation can be expressed by elliptic equation.The failure envelope，which can be used to inspect the limit instability of pile foundation，provides a basis to inspect the safety of pile foundation under horizontal load and moment load.The interaction between horizontal load andmoment load mustbe considered in the design of pile foundation.

pile foundation；centrifugalmodel test；combined load；bearing capacity；failure envelope

TU443

A

1001－5485（2012）11－0050－05

10.3969／j.issn.1001－5485.2012.11.011

2011－09－09；

2011－10－20

國家自然科學基金資助項目（50978034）

文松霖（1962－），男，湖南零陵人，教授級高級工程師，博士，主要從事樁基承載機制等方面的研究工作，（電話）027－82927245（電子信箱）wsl0012003＠yahoo.com。