單樁與帶承臺單樁承載性能的對比試驗

羅少鋒,楊文星

(1.西安建筑科技大學土木工程學院,陜西西安710055;2.西安科技大學建筑與土木工程學院,陜西西安710054)

地基土中單獨的一根樁稱為單樁,由2根以上樁組成的樁基稱為群樁。豎向荷載作用下,由于樁、承臺和土的相互作用,群樁中一根樁單獨受荷時的承載性狀往往與獨立單樁的有顯著區別。當群樁基礎承受豎向荷載而沉降時,承臺底面產生土反力并分擔了部分荷載,提高了樁基的承載力,且由于樁-土-承臺的相互作用,使群樁基礎的荷載傳遞較承載力僅由樁側阻力和樁端阻力兩部分組成的單樁要復雜。樁和承臺的荷載分擔受荷載水平、樁長、樁徑、承臺底面尺寸、地基土的物理力學性質等諸多因素的影響,無法簡單的以一種固定的模式或以簡單的規律加以全部概括,在樁、承臺和土共同作用的研究中,單樁與承臺共同作用(帶承臺單樁)的試驗研究是最經濟、最易實施的試驗內容。因此,有必要對帶承臺單樁的荷載傳遞特性進行試驗研究,而已有的文獻資料中大多采用模型試驗或數值分析法[1-4],現場的原位試驗較少。本文通過現場的單樁和帶承臺單樁的原位試驗結果,研究了樁和承臺的荷載分擔比以及承臺對樁基荷載傳遞特性的影響規律,這對于復合樁基、路堤樁的受力變形特性等的研究具有一定的參考價值。

1 試驗概況

1.1 場地條件

試驗場地西安市北郊,根據勘察報告提供的資料顯示,場地土層由上而下各地層主要特征分別為:①層素填土:土質不均,結構雜亂,以粘性土為主,層厚2.1 m;②層黃土狀土,硬塑,屬高壓縮性土,層厚1.5 m;③層黃土,硬塑,屬高壓縮性土,層厚3.0 m;④層黃土,硬塑,屬中壓縮性土,層厚1.7 m;⑤層黃土,可塑～軟塑,屬中壓縮性土,層厚4.0 m;⑥層古土壤,可塑～軟塑,屬中壓縮性土,層厚4.0 m;⑦層中粗砂,礦物成分以長石、石英為主,飽和,密實,層厚12.2 m。本次試驗的試坑地面正好處于第④層黃土的頂面。場地地基土層的物理力學性質指標平均值見表1。

表1 地基土物理力學性質指標

1.2 試驗內容及方法

1.2.1 天然地基承載力靜載試驗

為了解淺部地基土層的承載力,在試坑內的底面處布置天然地基承載力靜載試驗點3處。承壓板采用1.0 m直徑的剛性圓形壓板,分級荷載取為30 kPa,每級加載后按間隔10 min、10 min、10 min、15 min、15 min,以后為每隔30 min測讀一次承壓板的沉降量,當在連續兩小時內每小時的沉降量小于0.1 mm時,則認為已趨穩定,可加下一級荷載,直至預計的最大加載值。

試驗結束后,繪制p～s曲線,根據曲線形態判定各試驗點的承載力。

1.2.2 單樁豎向承載力靜載試驗

試樁入土樁長11.5 m,樁徑500 mm,樁身混凝土強度等級C30。

試驗加荷時,每級以150 kN的荷載遞增。每級荷載下樁頂沉降的觀測次數為:加荷后第1個小時按第5 min、10 min、15 min、15 min、15 min測讀樁頂沉降量,以后每隔30 min測讀一次,直到沉降相對穩定為止。當每一小時內的樁頂沉降量不超過0.1 mm并連續出現兩次時,認為在本級荷載下的沉降已穩定,即可施加下一級荷載,直至達到試驗設計的最大加載值。

試驗結束后,繪制Q～s曲線,以Q～s曲線上明顯陡降點所對應的荷載作為該試驗樁的單樁豎向極限承載力。

1.2.3 帶承臺單樁靜載試驗

試樁入土樁長11.5 m,樁徑500 mm,樁身混凝土強度等級C30。樁頂面和試坑地面平齊,樁頂設邊長為1.5 m×1.5 m的剛性承臺,承臺形心和樁的形心重合。

試驗加荷時,每級以112.5 kN的荷載(相應的承臺底總反力為50 kPa)遞增,直至達到試驗設計的最大加載值。每級荷載下承臺沉降量的觀測次數、沉降穩定標準與單樁時相同。

1.2.4 樁身應力及承臺底土反力測試

在單樁豎向承載力靜載試驗和帶承臺單樁靜載試驗中,在樁頂、樁端及主要土層分界面處埋設了鋼筋計,距樁頂的距離分別為0 m(帶承臺單樁此處為0.5 m)、1.7 m、5.7 m和9.7 m。在帶承臺單樁靜載試驗中,在承臺下的不同位置埋設了7個土壓力盒以量測承臺底的土壓力。某一級荷載下沉降達到穩定后,測讀一次鋼筋計及土壓力盒的讀數,據此求得相應樁身軸力和承臺底的土壓力。

2 試驗結果與分析

2.1 承載力測試

圖1所示為天然地基靜載試驗p～s曲線。二條曲線的形態較為接近,均在300 kPa處發生陡降,按規范[5]規定,可將承壓板下應力主要影響范圍內的極限承載力確定為300 kPa。圖2所示為單樁及帶承臺單樁靜載試驗的Q～s曲線。

圖1 天然地基p～s曲線

圖2 單樁和帶承臺單樁的Q～s曲線

單樁的Q～s曲線形態呈急進陡降型。按規范[6]判定已達到破壞,其單樁豎向極限承載力標準值為1 200 kN,但此時相應的沉降量很小,只有2.93 mm。為查明端阻力的發揮性狀,破壞后繼續加載,在1 500 kN的荷載下達到穩定后,相應的沉降量為68.23 mm。帶承臺單樁的Q～s曲線也呈陡降型,其極限承載力為1 687.5 kN,相應的沉降量為18.23 mm。在1 912.5 kN的荷載下達到穩定后相應的沉降量為67.98 mm。在達到各自的極限荷載以前,與單樁相比,帶承臺單樁在相同荷載下的沉降量較大。

2.2 樁-土的荷載分擔比

圖3、圖4所示分別為各級荷載作用下帶承臺單樁的樁頂荷載隨總荷載變化情況及承臺下土的平均壓力隨總壓力的變化情況。圖中的總壓力為施加于承臺上的荷載與承臺面積之比,土的平均壓力為各土壓力盒測試結果的平均值,樁頂荷載為由樁頂處鋼筋計測得的軸力值。

圖3 樁頂分擔荷載隨總荷載的變化情況

圖4 各級荷載作用下的土壓力變化情況

樁、承臺分擔荷載的比例均隨著總荷載的增大而增大,但曲線斜率的變化有所不同。在圖3中,在總荷載超過1 012.5 kN后(相應于總壓力為450 kPa),曲線的斜率略有增大,而當總荷載達到1 687.5 kN后(相應于總壓力為750 kPa),曲線的斜率又開始減小,分別表明了樁頂所分擔荷載的比例在增大和減小。在圖4中,在加載初期(總壓力在100 kPa前)曲線較為平緩,說明此時土分擔的荷載偏小,這可能與土壓力盒埋設不夠密實及中粗砂找平層的壓密過程有關;此后圖4中的曲線表現出了兩個轉折點,分別是總壓力為450 kPa和750 kPa,曲線的斜率表現出先減小后增大,表明承臺下土反力所分擔荷載的比例先減小后增大。從圖4還可以看出,土反力的最大值甚至超過了由天然地基承載力靜載試驗得到的極限值,這是由于樁的存在以及承臺對土的約束作用阻礙了土的側向變形,使承臺下土的承載能力提高。

承臺分擔荷載比例的這種變化應該是受到總變形量的逐漸增大、樁端土層變形的產生和發展以及樁端阻力的逐漸發揮等因素的影響。當總變形量增大到一定程度時,樁端阻力的發揮程度開始逐漸增大,由于樁端土層的剛度大于樁上部土層的剛度,使得承臺下樁頂承受荷載的比例增大,而土所承受荷載的比例有所減小。

2.3 樁身軸力

根據鋼筋計的測試結果整理繪制出單樁和帶承臺單樁各量測斷面軸力隨深度的變化情況,如圖5所示。

圖5 各量測斷面軸力隨深度的變化情況

樁的軸力衰減梯度越大,說明沿樁身的摩阻力越大。通過圖5中曲線(a)、(b)的對比可以看出,在樁身上部(5.7 m以上),單樁側阻力的發揮程度高于帶承臺單樁中樁側阻力的發揮程度。為更清楚地說明承臺對樁側阻力的發揮的影響,將單樁和帶承臺單樁在樁頂荷載分別為450 kN和750 kN下樁身的軸力曲線繪制在同一張圖上,如圖6所示。從圖6中可以看出,在樁身上部同一樁段內,單樁的軸力衰減較快而帶承臺單樁的軸力衰減較慢,這表明帶承臺單樁中承臺對樁上部側阻存在明顯的削弱作用。

圖6 單樁和帶承臺單樁軸力曲線對比

此外,結合單樁和帶承臺單樁靜載試驗的結果(其Q-s曲線如圖2所示),單樁在其極限荷載(1200 kN)作用下時,樁頂沉降較小,樁端位移為0,樁端阻力也為0,此時該樁屬純摩擦樁類型。當達到其極限荷載后又繼續加載,使樁頂沉降增大,端阻力開始逐漸發揮,當加載至1 500 kN、總沉降量為68.23 mm時,端阻力大小為292 kN,占樁頂總荷載的比例為19.5%,此時該樁則又表現為端承摩擦型。帶承臺單樁在總荷載為675 kN、總沉降量為3.85 mm時,樁端阻力即開始發揮。當總荷載為1 912.5 kN、總沉降量為67.98 mm時,端阻力占樁頂荷載的29.3%。這也說明承臺的作用不僅影響到了樁端阻力的發揮程度,還使得發揮樁端阻力所需的樁頂沉降減小。

根據樁身軸力的測試結果,計算出某級荷載下樁端阻力與樁頂荷載(單樁)或總荷載(帶承臺單樁)的比值,即為樁端分擔荷載比例,將其隨荷載水平的變化規律繪制于圖7。由圖7可以看出,單樁在荷載水平大于80%后,端阻力才開始發揮,而帶承臺單樁的這一指標為30%。當荷載水平為80%～100%時,單樁樁端阻分擔的荷載為0～15.5%,而相同荷載水平下,帶承臺單樁的樁端阻分擔的荷載為8.4%～17.7%。由此可見,帶承臺單樁中承臺對樁的端阻的發揮有增強作用。

圖8為根據樁身軸力得到的單樁和帶承臺單樁在達到各自的極限承載力前各量測斷面之間摩阻力隨位移的變化情況。單樁的樁側摩阻力基本上隨位移的增大而增大,即為硬化型;而帶承臺單樁在5.7 m以上,摩阻力-位移關系曲線卻呈軟化型,且隨深度增大,達到極限摩阻力時所需的位移也在增大。這表明與樁同步下沉的承臺使樁身上部樁土之間的相對位移減小,影響了樁身上部摩阻力的發揮。

圖7 端阻力分擔荷載與荷載水平的關系

圖8 摩阻力與位移的關系

根據單樁的樁頂荷載及帶承臺單樁在總荷載作用下樁頂處的軸力,繪制出二者在達到各自的極限承載力前的樁頂荷載-沉降關系曲線,如圖9所示。對于帶承臺單樁,由于剛性承臺的影響,迫使承臺下土體與樁同步下沉,由于土的剛度低,荷載作用下產生的變形大,此外,由于承臺對端阻有增強作用,而端阻在發揮的同時也是樁端土層被壓密、樁端土層變形產生的過程;但對于單樁而言,達到極限荷載時,樁端阻力未發揮,總沉降量小。因此,盡管帶承臺單樁的極限承載力要大于單樁的,但在相同樁頂荷載下,帶承臺單樁中樁頂的沉降量卻較單樁的大。

圖9 單樁與承臺下單樁的荷載～沉降曲線

3 結 論

(1)承臺下土分擔荷載的作用明顯,且承受的壓力已大于天然地基的極限承載力。

(2)在荷載作用下,由于承臺與樁同步下沉,使樁段上部樁土之間的相對位移減小,影響了該樁段側摩阻力的發揮。

(3)帶承臺單樁中的承臺對端阻的發揮有明顯的增強作用,但同時,由于發揮端阻所需的位移量較大,因此,在相同樁頂荷載下,帶承臺單樁中樁頂的沉降量較單樁的樁頂沉降量大。

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