靜載及循環(huán)荷載下砂土中復合樁基承載特性模型試驗研究

胡 娟， 宋 一 凡， 賀 拴 海

( 1.長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064；2. 陜西鐵路工程職業(yè)技術學院， 陜西 渭南 714000 )

靜載及循環(huán)荷載下砂土中復合樁基承載特性模型試驗研究

胡 娟*1,2， 宋 一 凡1， 賀 拴 海1

( 1.長安大學 公路學院， 陜西 西安 710064；2. 陜西鐵路工程職業(yè)技術學院， 陜西 渭南 714000 )

隨著樁基的廣泛應用，對樁土間承載機理的研究越來越多．根據(jù)樁土間接觸作用，采用大比例樁土模型進行了室內(nèi)試驗．為更好地仿真樁土間的摩阻效果，試驗過程中對樁的材料進行了改進，并開發(fā)了一套豎向靜載及循環(huán)加載系統(tǒng)和測試裝置．通過對砂土中復合樁基進行豎向靜載和循環(huán)加載試驗，基于模型樁基的樁頂沉降、樁身軸力、樁側摩阻力及樁底反力等數(shù)據(jù)的分析，發(fā)現(xiàn)樁基承載性能隨加載次數(shù)增加而增強：樁頂沉降提高了29.6%，樁身軸力提高了40.4%，樁側摩阻力下降，樁底反力提高了50%，且樁基極限承載力提高了25%，為繼續(xù)研究服役期樁基不同加載條件下的樁-土作用提供了數(shù)據(jù)支撐．

靜載；循環(huán)荷載；復合樁基；承載特性；模型試驗

0 引 言

樁基是目前廣泛應用于橋梁工程的一種基礎形式，承受豎向荷載作用，其破壞模式主要取決于樁的尺寸和類型、樁側土的抗剪強度、樁端支承情況等，主要變形特征表現(xiàn)為累積沉降變形．研究樁基承載能力的最實用方法是現(xiàn)場試驗．現(xiàn)場試驗主要是指各類試樁．通過試樁荷載-沉降的觀測數(shù)據(jù)，科研人員可以較為宏觀地了解樁土相互作用特性，并因此推算、分析不同土層在樁基受荷過程中樁土相互作用的規(guī)律．通過試樁進行樁土相互作用試驗存在費用高、不便于精細掌握樁土相互作用特性等問題．為克服這些問題帶來的不便，科研人員開展了樁土相互作用的室內(nèi)試驗．

早期樁土界面相互作用室內(nèi)試驗主要注重于掌握土與混凝土表面相互作用的力學特性．此外，一些學者還進行了變荷載作用下的樁基承載特性模型試驗，為研究變荷載作用下的樁土相互作用特征提供了基礎資料．

Al-Douri和Poulos[1-2]研究了鈣質(zhì)砂土中的模型樁在等振幅循環(huán)荷載與變振幅循環(huán)荷載下的永久累積位移變化規(guī)律．徐和等[3]、陳竹昌等[4]通過小尺寸試驗，模擬了海浪力對樁基的拉拔影響，得到了不同循環(huán)荷載比下樁頂動位移幅值隨振動次數(shù)變化的規(guī)律．楊龍才等[5]研究了長期單向循環(huán)荷載作用對高速鐵路路基動位移幅值、樁頂沉降等的影響．律文田[6]、彭雄志等[7]針對循環(huán)荷載下樁基的軸向振動特性也開展了一些現(xiàn)場及室內(nèi)模型試驗研究工作．黃清[8]則提出了循環(huán)荷載作用下樁基沉降量大小、沉降隨循環(huán)振動次數(shù)發(fā)展速率的計算方法．黃雨等[9]通過飽和砂土中模型樁在單向循環(huán)荷載比(循環(huán)荷載幅值與樁的極限承載力的比值)分別為12.5%、25%、50%三種情況下的沉降試驗，研究了模型樁在不同動力循環(huán)加載情況下的樁頂累積沉降和動位移幅值隨振動次數(shù)的變化而改變的規(guī)律,擬合了沉降試驗曲線的回歸方程．朱斌等[10]開展了單樁基礎豎向下壓循環(huán)荷載作用下的大比例模型試驗，獲得了不同側/端阻比下樁基的循環(huán)承載力及樁頂循環(huán)累積沉降．任宇[11]通過大比尺模型試驗、數(shù)值模擬等方法系統(tǒng)研究了飽和粉土中單樁在長期豎向循環(huán)荷載作用下的承載和變形性狀及累積沉降調(diào)控方法．郭鵬飛[12]選取蘭州黃河沿岸某單層工業(yè)廠房作為實例，研究不同循環(huán)荷載幅值、不同樁周土對單樁承載性質(zhì)的影響．

現(xiàn)有的循環(huán)荷載下的承載性能試驗初步揭示了樁基在循環(huán)荷載作用下的沉降與靜力計算結果有差異．但現(xiàn)有的研究多是針對建筑工程、海洋工程及廠房荷載開展的，對橋梁承受的活載對樁基礎的作用特性，活載作用頻次、頻率等對沉降及樁側、樁端阻力的影響尚未開展深入研究．室內(nèi)模型試驗中不同的樁基模型材料、樁的入土模式、樁土接觸的密實程度和數(shù)據(jù)采集設備及測試手段均會影響樁壁阻力、樁底反力以及樁頂累積沉降達到穩(wěn)定時的循環(huán)次數(shù)．從現(xiàn)有服役橋梁技術狀況評定和承載力評定的研究來看，這些領域目前的深入研究很少，不能滿足對服役橋梁樁基礎承載力做出科學的診斷與評價的需求．本文主要采用自制加載設備，外徑為48 mm，壁厚3.5 mm鋼管外包16 mm厚的玻璃纖維水泥砂漿作為模型樁，樁長為1 600 mm,在砂土地基進行靜載及循環(huán)加載試驗，研究砂土中的復合材料模型樁在靜載、循環(huán)荷載下的承載變化機理，為服役橋梁基礎承載力的評定提供服務．

1 模型試驗簡介

1.1 試驗設計

試驗采用長×寬×高=2 000 mm×2 000 mm×3 000 mm的模型試驗槽[11-13]．模型試驗槽底部和3個側面均為帶肋鋼板拼接而成，每塊鋼板長×寬=500 mm×500 mm；最后一個側面為角鋼配合鋼化玻璃拼接而成，如圖1所示．砂土采用蘇北地區(qū)建筑用砂，含水率為7.9%，密度為1.6 g/cm3，內(nèi)摩擦角為49.05°．

為了更好地模擬鉆孔樁表面與砂土間的粗糙接觸，采用水泥砂漿內(nèi)包鋼管的形式．內(nèi)包鋼管外徑為48 mm，壁厚3.5 mm，將DY.E.44型新一代環(huán)氧樹脂膠與DY.EP型新一代環(huán)氧固化劑按1∶1進行混合后涂于鋼管表面，并在水泥砂漿中摻加早強劑和玻璃纖維，將水泥砂漿涂于混合劑表面，外包水泥砂漿厚度為16 mm，最終形成的復合模型樁的外徑為80 mm，埋入砂土地基中深度為1 600 mm，形成樁徑樁長比為1∶20，如圖2所示．

圖1 模型試驗槽立面圖Fig.1 Elevation of model test box

圖2 模型樁圖Fig.2 Photo of model pile

樁身軸力的量測采用粘貼應變片的方式．應變片在澆水泥砂漿前貼在鋼管外側，采用201膠水粘貼應變片和接線片，烘干后焊接導線，然后把703膠涂在應變片、接線片和接點表層，最后把DY.E.44型新一代環(huán)氧樹脂膠與DY.EP型新一代環(huán)氧固化劑按1∶1進行混合后涂在導線外側，使其與鋼管粘接牢固，固化后，它既能隔水防潮，又能保護應變片不受外界的影響，同時也增強了水泥砂漿和鋼管間的黏接．

1.2 加載及采集系統(tǒng)

采用特制電動循環(huán)加載設備進行加載．在樁身上首先分級施加一個軸向靜載，直至樁基出現(xiàn)破壞，然后再進行循環(huán)加載．循環(huán)加載時，在樁身上首先分級施加一個軸向靜載，其值為樁基極限荷載的40%；然后再施加一個頻率為0.25 Hz的正弦荷載，其幅值為樁基極限荷載的10%，以模擬服役期樁基上活載情況．數(shù)據(jù)采集采用靜態(tài)和動態(tài)應變儀，可以采集樁身應變、樁頂沉降以及樁底土壓力，如圖3所示．

圖3 數(shù)據(jù)加載及采集系統(tǒng)Fig.3 Data loading and data acquisition system

本試驗中加載分為靜載、循環(huán)加載、卸載三個環(huán)節(jié)．加載公式如下：

(1)

式中：P(t)為實際加載在模型樁頂荷載值；Ps為為模型樁恒載設計值；Pc為循環(huán)荷載幅值，即單樁承擔的活載值；ω為循環(huán)荷載角頻率，ω=2πf，f=0.25 Hz；t為加載時間．

所施加的循環(huán)荷載如圖4所示．

圖4 循環(huán)加載示意圖Fig.4 Sketch map of cyclic loading

1.3 量測儀器布置

分別采用應變片、土壓力盒和位移計3種測量儀器．測試的內(nèi)容主要有樁身應變、樁底土壓力以及樁頂位移沉降量．其立面布置如圖5(a)所示．樁身應變片布置如圖5(b)所示．其應變片沿樁身縱向每200 mm的每一斷面上安裝4片，共8層．最下層距樁底為100 mm．

圖5 測量儀器布置圖(單位：mm)Fig.5 Map of measuring instrument (unit: mm)

2 試驗結果及分析

2.1 數(shù)據(jù)處理依據(jù)

為了確定樁的極限承載力，試驗過程中應隨時整理試驗資料并作如下的一些初步判斷：

(1)破壞荷載．為確定樁的極限承載力，模型樁須加載到破壞．

(2)極限荷載．破壞荷載前一級的荷載，為極限荷載．

(3)樁側摩阻力的計算．根據(jù)實測的樁頂荷載P、樁底反力R和樁身軸力Ni計算樁側摩阻力Fi的方法如圖6所示．先計算樁身軸力，在樁埋入砂土前對樁進行加載試驗，得到樁身的剛度，然后在樁埋入砂土后進行加載試驗，根據(jù)樁身應變及剛度計算樁身軸力，再將樁進行分段計算樁側摩阻力．

圖6 樁側摩阻力計算簡圖Fig.6 Sketch of calculation of pile wall resistance

2.2 靜載試驗結果分析

試驗加載前對加載反力架進行了強度、剛度驗算，因加載力相對其剛度很小，故反力架變形不予考慮．模型試驗采用定做的伺服電動缸按慢速維持荷載法進行逐級加載．并根據(jù)所加荷載與樁頂沉降值，通過繪測P-s曲線確定樁端土體的破壞狀態(tài)．本試驗最終加載到9 kN，且沉降不穩(wěn)定，故確定此復合樁基的極限承載力為上一級荷載8 kN，所對應的最大沉降量為7.21 mm，靜載試驗中荷載與沉降曲線見圖7，樁側摩阻力隨樁身入土深度h變化曲線如圖8所示，樁底反力與荷載間關系曲線如圖9所示，樁身軸力沿樁身深度變化曲線如圖10所示．

由圖7～10可知，樁在工作荷載作用下，樁頂P-s曲線呈直線，表明樁基基本處于彈性工作狀態(tài)．樁側摩阻力隨著樁身入土深度及所加荷載大小不同而不同，荷載小時，樁側摩阻力較小，沿深度變化不明顯，表明此時樁側摩阻力沒有發(fā)揮作用；而隨著荷載的加大，樁側摩阻力變化明顯，表明在豎向加載過程中，樁與土間的相對位移，使得樁側摩阻力逐步發(fā)揮出來．樁底反力也隨著荷載的增加而逐步增加，在樁頂荷載為7 kN左右后，樁底反力變化加劇．樁身軸力隨荷載的增加而增加．

圖7 靜載試驗P-s曲線Fig.7 P-s curve of static loading

圖8 樁側摩阻力隨樁身入土深度變化曲線Fig.8 Change curve of pile wall resistance with the depth of pile into soil

圖9 樁底反力隨樁頂荷載變化曲線Fig.9 Change curve of pile bottom reaction force with the pile top load

圖10 樁身軸力沿樁身深度變化曲線Fig.10 Change curve of axial force along the depth of pile

2.3 循環(huán)加載試驗結果分析

循環(huán)加載時，先在樁頂分級施加到靜載3.6 kN，然后再以幅值為0.4 kN正弦荷載進行循環(huán)加載．模擬服役樁基在正常運營狀態(tài)下的承載特性，結果見圖11～13．

由圖11、12曲線可知，循環(huán)加載600次后，同荷載水平下樁身軸力和樁底反力分別由1.710 kN和0.194 kN增加到2.400 kN和0.291 kN，分別提高40.4%和50.0%．由圖8和11可知，樁側摩阻力沿樁身深度均有不同變化，在樁深度60、100 cm和樁底處有所增加，其他深度處均呈減小趨勢．由圖7和12可見樁頂沉降由靜載時的0.71 mm增加到循環(huán)加載600次后的0.92 mm，提高了29.6%．對比兩種加載所得結果可知，相對于靜載階段，由于樁與土接觸面的多次循環(huán)荷載，樁側摩阻力有所下降，而隨著循環(huán)加載次數(shù)的增加，樁底土體越來越密實，樁側摩阻力的下降也提高了樁底反力來平衡外部所加荷載．圖11(c)、(d)顯示，在多次豎向循環(huán)加載時，樁底反力以及樁頂沉降基本不變．由圖13可知，當樁頂循環(huán)加載為極限承載力的10%，循環(huán)加載達到4×104～6×104次以后樁頂沉降量增加可以忽略．且經(jīng)過10×104次循環(huán)以后模型樁的極限承載力為10 kN，比靜載的極限承載力8 kN提高了25%，試驗結果表明在小振幅下多次循環(huán)加載時，樁的極限承載力有所增加．

試驗結果表明，當循環(huán)荷載較小時，樁頂沉降在很小的循環(huán)次數(shù)下很快達到穩(wěn)定，樁身軸力和樁底反力均有所增加，樁壁豎向摩阻力有所下降，與文獻[3,5-12]中相應結果進行對比，其變化趨勢與文獻均一致，本文試驗結果可信．文獻[13]中循環(huán)荷載比小于等于0.1時，累積沉降為不發(fā)展型，這與本文中所得的結果趨勢一致．只是在本文中循環(huán)荷載比為0.1，而循環(huán)加載次數(shù)達1.0×104～1.4×104后趨于穩(wěn)定，原因是文獻[13]中模型樁采用千斤頂靜力壓入的方式打入至設計深度，而本文是采用將模型樁預埋在土內(nèi)，兩者與樁側土的接觸面受力機理不同，故本文中產(chǎn)生的累積沉降與文獻[13]略有不同；同時沉降穩(wěn)定時循環(huán)加載的次數(shù)也不同，本文因模型樁與樁周土體摩阻力較大，而沉降達到穩(wěn)定時克服樁側摩阻力所需要的循環(huán)次數(shù)高于文獻[13]中的循環(huán)次數(shù)．此外，本文針對循環(huán)加載后模型樁進行極限承載力試驗，初步探索了樁在靜載和循環(huán)荷載作用前后的承載力變化特點．

(a) 軸力曲線

(b) 樁側摩阻力曲線

(c) 樁底反力曲線

(d) 樁頂沉降曲線

圖11 樁承載性能與循環(huán)加載次數(shù)關系曲線

Fig.11 Relationship curves of bearing capacities of pile with the number of cyclic loading

圖12 循環(huán)加載600次后樁頂加載-卸載沉降曲線Fig.12 Curve of settlement of pile top with 600 times of cyclic loading

(a)

(b)

圖13 循環(huán)加載次數(shù)與樁頂沉降關系曲線

Fig.13 Curve of settlement of pile top and number of cyclic loading

3 結 論

(1)在靜荷載和豎向循環(huán)荷載的共同作用下，樁頂沉降、樁身軸力及樁底反力隨著循環(huán)次數(shù)增加而增加，樁側摩阻力則減小．在循環(huán)10萬次后，樁的極限承載力由8 kN增加到10 kN，表明樁的極限承載力與循環(huán)次數(shù)有關．

(2在循環(huán)荷載作用下，樁身軸力和樁底反力均有所增加，樁側摩阻力變化主要集中在距樁頂1/3～3/4樁身深度范圍的土層中．

(3)在循環(huán)荷載比為0.1時，循環(huán)加載次數(shù)達1.0×104～1.4×104以后，樁頂沉降基本達到穩(wěn)定．

[1] Al-Douri R H, Poulos H G. Predicted and observed cyclic performance of piles in calcareous sand [J]. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1995, 121(1):1-16.

[2]Poulos H G. Cyclic axial loading analysis of piles in sand [J]. Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 1989, 115(6):836-852.

[3]徐 和,陳竹昌,任陳寶. 在軸向循環(huán)荷載作用下砂土中模型樁的試驗研究[J]. 巖土工程學報, 1989, 11(4):64-71.

XU He, CHEN Zhu-chang, REN Chen-bao. Model test on pile under axial cyclic loading in sand [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1989, 11(4):64-71. (in Chinese)

[4]陳竹昌,徐 和. 土類對軸向循環(huán)荷載下樁性狀的影響[J]. 同濟大學學報, 1989, 17(3):329-336.

CHEN Zhu-chang, XU He. Influence of soil type on behavior of cyclic axially loaded pile [J]. Journal of Tongji University, 1989, 17(3):329-336. (in Chinese)

[5]楊龍才,郭慶海,周順華. 高速鐵路橋樁在軸向循環(huán)荷載長期作用下的承載和變形特性試驗研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2005, 24(13):2362-2368.

YANG Long-cai, GUO Qing-hai, ZHOU Shun-hua. Dynamic behaviors of pile foundation of high-speed railway bridge under long-term cyclic loading in soft soil [J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, 2005, 24(13):2362-2368. (in Chinese)

[6]律文田. 靜動荷載作用下鐵路橋梁樁基的動力特性研究[D]. 長沙:中南大學, 2005.

Lü Wen-tian. Study on dynamical characteristics of the railway bridge pile foundation under static-dynamic load [D]. Changsha:Central South University, 2005. (in Chinese)

[7]彭雄志,趙善銳,羅書學,等. 高速鐵路橋梁基礎單樁動力模型試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2002, 24(2):218-221.

PENG Xiong-zhi, ZHAO Shan-rui , LUO Shu-xue,etal. Dynamic model tests on pile foundation of high-speed railway bridge [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2002, 24(2):218-221. (in Chinese)

[8]黃 清. 循環(huán)荷載作用下單樁沉降規(guī)律研究[D]. 上海:同濟大學, 2008.

HUANG Qing. Settlement behaviour of single piles under cyclic loading [D]. Shanghai:Tongji University, 2008. (in Chinese)

[9]黃 雨,柏 炯,周國鳴,等. 單向循環(huán)荷載作用下飽和砂土中單樁沉降模型試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2009, 31(9):1440-1444.

HUANG Yu, BAI Jiong, ZHOU Guo-ming,etal. Model tests on settlement of a single pile in saturated sand under unilateral cyclic loading [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(9):1440-1444. (in Chinese)

[10]朱 斌,任 宇,陳仁朋,等. 豎向下壓循環(huán)荷載作用下單樁承載力及累積沉降特性模型試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2009, 31(2):186-193.

ZHU Bin, REN Yu, CHEN Ren-peng,etal. Model test on bearing capacity and accumulated settlement of single pile subjected to axial cyclic loading [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2009, 31(2):186-193. (in Chinese)

[11]任 宇. 長期豎向循環(huán)荷載作用下樁的變形特性試驗及理論研究[D]. 杭州:浙江大學, 2013.

REN Yu. Model test and theoretical study on deformation behavior of single piles to long-term cyclic axial loading [D]. Hangzhou:Zhejiang University, 2013. (in Chinese)

[12]郭鵬飛. 循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性模型試驗研究[D]. 蘭州:蘭州交通大學, 2013.

GUO Peng-fei. Model test on bearing capacity of single pile under cyclic load in saturated loess [D]. Lanzhou:Lanzhou Jiaotong University, 2013. (in Chinese)

[13]陳仁朋,任 宇,陳云敏. 剛性單樁豎向循環(huán)加載模型試驗研究[J]. 巖土工程學報, 2011, 33(12):1926-1933.

CHEN Ren-peng, REN Yu, CHEN Yun-min. Experimental investigation on a single stiff pile subjected to long-term axial cyclic loading [J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2011, 33(12):1926-1933. (in Chinese)

Research on model tests of bearing capacities for composite pile foundation under static and cyclic loading in sand

HU Juan*1,2, SONG Yi-fan1, HE Shuan-hai1

( 1.School of Highway, Chang′an University, Xi′an 710064, China；2.Shaanxi Railway Institute, Weinan 714000, China )

With the wide application of pile foundation, there are more and more researches on the bearing mechanism between the pile and soil. According to the contact between pile and soil, a large proportional pile-soil model test was adopted, and in order to simulate the friction effect of pile and soil better, the pile material was improved in the test, and a set of loading and measuring apparatuses were developed to adapt the vertical static and cyclic loading. The tests of vertical static and cyclic loading were taken on the composite pile foundation in sand, and the pile top settlement, the axial force and lateral friction resistance of pile, pile bottom reaction force were analyzed. The experimental results show that the pile performances are enhanced with the increasing of the loading numbers: the pile top settlement being improved by 29.6%, the axial force being improved by 40.4%, lateral friction resistance being decreased, pile bottom reaction force being increased by 50%, and the pile ultimate bearing capacity being increased by 25%, which provides a reference for the study of interaction between pile and soil under different loading conditions for the serviced pile foundation in the future.

static loading; cyclic loading; composite pile foundation; bearing capacities; model test

1000-8608(2015)03-0305-07

2014-09-25；

2015-03-21．

交通運輸部建設科技項目(2012319223020)；中央高校基本科研業(yè)務費專項資金資助項目(2013G1502019)；陜西鐵路工程職業(yè)技術學院常規(guī)項目(2013-48)；陜西省教育廳專項科研計劃資助項目.

胡 娟*(1976-)，女，博士，副教授，E-mail:hujuane_816@163.com.

U448

A

10.7511/dllgxb201503012