軟土地區群樁基礎受力特性研究

徐圣欽

摘 要：本文章主要介紹針對目前橋梁樁基工程設計時采用的m法的不足，對軟土地區的群樁水平受力特性進行模型試驗研究，分析各因素對橫向受荷樁的荷載傳遞及樁土變形的影響規律。

關鍵詞：軟土；群樁基礎

一、項目背景

我國東南沿海地區廣泛分布著軟土，這種軟土通常是指抗剪強度較低，壓縮性較高，滲透性較小的淤泥和淤泥質土等。工程樁是深入土層的柱型構件，樁與連接樁頂的承臺組成深基礎。其作用是將上部結構的荷載，通過較弱的地層傳遞到深部較堅硬的、壓縮性小的土層或巖層。樁基礎具有承載力大、穩定性好、沉降小而均勻、沉降速率收斂快的特點。常用于豎向荷載大而集中、受大面積地面荷載影響的結構和在沉降方面有較高要求的建筑物等。樁基可以承受一定的豎向荷載和抗拔力，可用于高聳結構物超負荷和地下建筑或構筑物的抗浮要求，此外，還用于振動對結構的影響以及作為地震區的一種結構抗震重要措施。 在荷載作用下建筑物引起地基沉降，水平向偏移或不均勻沉降超過相應的允許值，將引起上部結構的變形。沉降是造成墻身開裂的主要原因，表現為傾斜、彎曲及空間扭曲，從而影響到建筑和構筑物的正常使用，嚴重的會威脅建筑物的安全，在軟土地區產生此類現象的建筑物不少，有些建成后沒兩年，就需要進行加固處理。在以這類土質為地基的橋梁工程中主要采用群樁基礎。在水平荷載作用下樁的受力性狀是一個非常復雜的樁土相互作用過程。地基系數m法是國內比較盛行的計算橫向受樁樁身水平位移和內力的方法。但眾多的實踐經驗表明，m法對軟土地區橫向受荷群樁基礎進行設計并不能達到預期的效果。本項目以滬通高鐵為工程依托，作為“軟土地區群樁基礎側向抗力m值取值研究”的主要內容之一，針對典型的深厚軟土，開展橫向受荷樁的大比例三維地質模型試驗。

二、研究目的

本項目以滬通高鐵為依托：①針對典型的深厚軟土，開展橫向受荷樁的大比例三維地質模型試驗，研究樁長、樁徑、樁的剛度、群樁效應、荷載大小等因素對橫向受荷樁的荷載傳遞及樁土變形的影響規律；②在室內土工試驗和地質力學模型試驗的基礎上，采用數值模擬和理論分析等方法，建立適用于軟土地區的樁-土相互作用力學模型，研究樁土水平荷載傳遞規律。導出典型軟土的m值與橫向受荷樁主要影響參數之間的關系式，最終得到用來計算水平推力樁的m值，為工程設計提供依據，還可以降低經濟成本、提高施工效率和安全度，并用于指導其它類似工程實踐。

三、研究內容

1.搜集資料，進行理論分析。

2.開展橫向受荷樁的大比例三維地質模型試驗：（1）通過室內土工試驗得到相關物理力學參數。（2）進行多組大比例三維地質模型試驗：a、改變樁數，討論群樁效應對群樁基礎水平受荷特性的影響；b、根據不同的加載大小，研究水平荷載大小與群樁基礎水平受荷特性之間的關系。

3.對比模型試驗和理論計算得出的樁身彎矩、水平位移。并將模型試驗結果與理論計算的結果相互比較，得出荷載-位移曲線，分析水平荷載-水平變位的關系，研究得出橫向受荷群樁內力、變形規律。

四、研究方法

1.收集現場地質水文資料并進行整理，分析軟土地區群樁基礎主動受荷下受力 的特性。

2.根據國內工程所采用群樁基礎的埋深、承臺幾何尺寸及樁土體應力影響范圍的關系，考慮邊界效應，根據試驗本身可行性確定試驗域，從而確定試驗槽的尺寸。

3.通過室內土工試驗獲得相關物理力學參數，根據相似理論和實驗室現有設備條件以及試驗的可實現性，確定幾何相似比。

4.按照剛度相似的控制條件確定采用有機玻璃管制作模型樁，混凝土制作承臺，再根據用π定理計算出的幾何相似比確定樁長、樁徑，并確定群樁布樁形式為最簡單的2*2。土體材料采用原型土。

5.模型試驗水平加載沿線路縱向施加荷載，采用單向多循環加、卸載方法，加載時的最大荷載約為豎向設計荷載的80%，并取預估水平極限承載力的1/10～1/15作為每級加載增量。

6.采用沿樁身每隔10-15厘米對稱布設電阻應變片的方法來測試水平荷載作用下樁身曲率變化。實際測量時所有應變片均采用半橋連接式，應變片的溫度補償采用一一對應式的同類材料補償。采用兩塊大量程百分表測量樁的水平位移，并依靠兩塊百分表的的度數差和表間距計算出樁頂的轉角。采用拉力傳感器測試水平荷載的大小。

7.根據處理模型試驗所得數據繪制水平荷載-水平位移關系曲線、水平荷載-承臺轉角關系曲線、荷載-樁身彎矩關系曲線，還可以根據各級水平荷載和相應的水平位移反算m 值，最后分析群樁效應、荷載大小等因素與橫向受荷樁的荷載傳遞及樁土變形之間的關系。

五、試驗結果

根據樁頂水平位移與水平力的關系曲線可得單樁臨界荷載 為10N，極限荷載 為17.5N；群樁臨界荷載 為60N，極限荷載 為100N

由單樁和群樁兩組曲線不難得出：（1）同一荷載作用下，樁身水平位移隨樁身深度的增加而減小；（2）相同樁身位置，樁身水平位移隨荷載增加而增加；且在相同位置，相同荷載作用下，單樁的樁身水平位移大于群樁的樁身位移；（3）群樁由于群樁效應，在較小荷載作用下，樁身水平位移變化不大，且均小于單樁。

根據試撿所測得的樁身各測試斷面測點處的拉應變和壓應變 后，即可由該斷面的彎曲應變 來計算相應截面的彎矩：

（1）同一荷載作用下，樁身彎矩在0cm-7cm范圍內為負，且隨深度增加而減小，7cm-20cm范圍內隨著深度增加而增加，20cm-50cm范圍內隨著深度增加而減小，當深度大于50cm后，彎矩約為0；（2）同一深度，樁身彎矩隨荷載增加而增大；在20cm處，彎矩變化程度最大。（3）對比群樁與單樁的樁身彎矩圖可得：相同大小荷載作用下，同一深度的單樁樁身彎矩大于群樁的樁身彎矩。

將理論計算所得的結果與試驗結果相比較，分析如下：⑴在同樣大小荷載作用下，試驗所得的地面水平位移均小于理論計算結果。初步分析是由于試驗土體為軟土，具有泌水性，地表淤積較多水分，使得試驗所用土體較工程實地土體更軟，在相同荷載作用下，會產生更大的水平位移；⑵理論計算所得結果表明相同荷載相同深度的樁身水平位移，群樁小于單樁，這與試驗結果一致。

六、結論

在樁身彎矩方面，由m法理論計算所得到的彎矩的最大值要大于實際試驗的彎矩最大值，理論計算所得的樁身最大彎矩位置樁深要低于實際試驗時最大彎矩出現的樁深，而兩者間的差距不大。在樁身的底部出現了負彎矩，在m法中無法體現。而在位移方面，由m法理論計算所得到的樁身地面處的水平位移要小于實際試驗所得樁身地面處的水平位移值，而兩者間的差距較大。由此可見，用m計算所得的彎矩與實際試驗比較接近，而且大于實際試驗時的彎矩，因此是偏于安全的。而在地面處的水平位移方面，m法計算所得的水平位移要小于實際試驗時的數據，且差別較大。因此，m法計算水平位移是比較不準確的，且是偏于不安全的。