碎石土密實度對地基水平承載力影響研究

黃 宇 軒，趙 其 華，劉 斌,劉 俊 鵬

(1.地質災害防治與地質環境保護國家重點試驗室，四川 成都 610059； 2.成都理工大學 環境與土木工程學院，四川 成都 610059 3.江西省地質環境監測總站，江西 南昌 330095)

1 研究背景

我國西南山區河流眾多，水電資源豐富，而電力的消耗主要集中在東南沿海地區，所以如何安全地將電力進行輸送則顯得至關重要。其中輸電塔樁基的水平承載力是否能達到設計要求是關鍵。在四川西部山區，邊坡出露的土多以碎石土為主，而根據《建筑樁基技術規范》[1](JGJ94-2008)，當中密碎石土地基采用預制樁時，對m值則沒有給出明確的取值范圍，而對灌注樁給出的經驗取值又較為寬泛(100～300 MN/m4)，所以針對不同密實度條件下的碎石土地基需要更加科學詳細的m值取值。

對于不同條件下地基土的水平承載特性，多年來不少學者已經做了大量研究。丁梓涵等通過改變地基土中石膏含量控制地基土強度[2]，研究發現樁基m值與地基土黏聚力C成線性關系，地基土強度越高，m值越大。范秋雁等通過分析m值的影響因素后認為增加樁的埋深、控制地基土的含水率以及提高混凝土的澆灌質量等可提高m值[3]。莊培芝等通過數值模擬研究認為，樁徑和樁周土體剛度是影響單樁水平承載力的主要因素[4]。劉東燕等通過開展室內碎石土直剪試驗研究后認為[5]，在同一細粒土含量中，碎石土抗剪強度隨著其密實度的增加而增強。帥正陽等通過分析單樁水平現場靜載試驗后認為[6]，斜坡場地中，樁前坡度和土體密度是影響樁基m值的主要因素。其他學者也針對土性、結構等方面對單樁水平承載力以及m值做了一系列的研究[7-11]。

承受水平荷載的樁基礎，其水平抗力的影響因素很復雜，不僅受到樁的埋深、樁身本身的幾何尺寸、樁前土體坡度的大小等因素影響，還與地基土本身的性質密切相關[12-14]，例如密實度、級配、含水率等，而對于密實度這一影響因素的研究仍缺乏。基于此，本文以西南山區某輸電線塔樁基為原型，通過改變碎石土地基密實度進行室內單樁水平受荷物理模擬試驗，研究密實度對樁基礎水平承載特性以及m值的影響，為樁基設計提供參考依據。

2 物理模擬試驗

2.1 試驗模型設計及試驗加載方案

本次試驗依托于成都理工大學地質災害防治與地質環境保護國家重點實驗室三維地質物理模擬實驗室進行。試驗槽尺寸為4 m×3 m×1.5 m。為減少邊界效應對試驗結果的影響，碎石土地基尺寸1.3 m×1.3 m×1.1 m(長×寬×高)；混凝土預制樁樁身截面0.1 m×0.1 m，樁長1 m，樁身配筋率1.13%，樁頂距泥面0.1 m，樁底距地基地面0.2 m，混凝土強度采用C30，模型布置示意圖如圖1。

圖1 模型示意(單位：cm)Fig.1 Model schematic diagram

在樁身指定位置分別布設BF350-6AA(11)-x電阻應變片和 XY-TY02A電阻式土壓力盒，以測試樁身曲率及樁周土壓力變化。樁身監測元件布置示意圖如圖2所示。

圖2 樁身監測原件布置(單位：cm)Fig.2 The layout of the monitor

加載設備采用高精度靜態伺服液壓機的千斤頂，加載方式使用慢速維持荷載法進行加載。根據《建筑樁基檢測技術規范》(JGJ106-2014)[15]，加載過程不得中途停頓，直至樁身折斷或在恒載下水平位移急劇增加，或者水平位移超過30 mm時，方可終止試驗。

2.2 地基密實度的量化

本文主要研究不同密實度碎石土地基對m值的影響，為了量化碎石土密實度，本次試驗參照了砂土的相對密實度的分類標準對碎石土樣進行密實度的劃分。用公式(1)作為其密實度的計算定量值。

(1)

式中,Dr為密實度;ρdmax為最密實狀態下的最大干密度；ρdmin為松散堆積狀態下的最小干密度；ρd為實測干密度，通過灌砂法獲得。

本次試驗的碎石土樣松散堆積狀態下的最小干密度為1.48 kg/m3，為了獲得試驗碎石土樣最大干密度，采用多功能電動擊實儀進行擊實試驗。取配制好的碎石土樣10 kg進行擊實，以干密度為縱坐標，含水率為橫坐標，作ρd-w關系曲線，如圖3所示。由擊實試驗可得，試驗土樣的最優含水率為8.5%，最大干密度為2.38 g/cm3。

圖3 ρd-ω關系曲線 Fig.3 The relationship curve ofρd-ω

參照砂土的相對密實度的分類標準，試驗碎石土地基密實度量化劃分為20%,40%,60%，其對應的密實程度分別為松散、中密、密實。

2.3 不同密實度碎石土地基模型制作

本次試驗地基模型根據密實度的不同，一共劃分為3個模型。地基模型的制作，采用分層夯實法進行夯實。20%密實度的地基模型，每次堆積松散土體20 cm，夯實到厚度為18.4 cm時停止夯實。夯實完成后，采用灌砂法進行密度測定，實測模型地基密度為1.79×103kg/m3，將挖出的碎石土式樣進行烘干后測得干密度為1.66×103kg/m3，通過公式(1)計算得到松散密實程度的地基土密實度為Dr=20.7%，滿足設計要求。40%密實度的地基模型以及60%密實度的地基模型同樣按照上述方法進行制作，實測模型密實度分別為40.2%和60.0%，均滿足設計要求(圖4)。

圖4 試驗地基模型Fig.4 Test model

2.4 地基土體相關參數

試驗土樣均取自于現場試驗的原狀碎石土，通過粗顆粒土大三軸試驗得到碎石土的抗剪強度參數如表1所示。

表1 碎石土抗剪強度參數Tab.1 Shear strength parameters of gravel soil

3 試驗結果及m值變化規律

3.1 臨界荷載的判釋

一般情況下，由規范對極限荷載Hu的判斷較為容易，但對臨界荷載Hcr的判斷通常情況下由于樁頂位移-荷載曲線突變點較多而難以界定[16]，所以本文采用樁頂位移梯度-荷載曲線第一直線段的終點作為臨界荷載點。

3.2 試驗結果

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)附錄中地基水平抗力系數的比例系數計算公式為

(1)

式中，m為地基土水平抗力系數的比例系數,MN/m4；Hcr為單樁水平臨界荷載,kN；Xcr為單樁水平臨界荷載對應的位移,m；vx為樁頂位移系數，b0為樁身計算寬度,m;EI為樁身的抗彎剛度,MPa·m4。

因此，為了得到不同密實度條件下碎石土地基的m值，需參照文獻[16]中臨界荷載以及臨界位移的判定方法，先求出Hcr以及Xcr。為此，根據本次試驗數據,繪制出各樁水平荷載-位移(H-x)曲線與水平荷載-位移梯度(H-Δx/ΔH)曲線，如圖5、6所示。

圖5 不同密實度條件下荷載-位移曲線 Fig.5 Load-displacement curve under different compactness conditions

3.3 試驗數據分析

從圖5～6可以看出，荷載施加初期，樁頂位移基本呈線性增長，位移梯度也較小，土體處于線彈性變形階段。隨著荷載的增大，位移增長由線性轉變為非線性，位移梯度也逐漸增大，此時地基土進入彈塑性階段。在加載的最后階段、樁頂位移已不能穩定，很小的荷載增量都會引起很大的位移增量，地基土發生破壞。

隨著地基土密實度的增加，樁基礎的水平承載力有了顯著的提高，密實度為松散時樁基礎在水平力的作用下極易失穩破壞。而適當提高密實度可以有效提高承載力，因此對松散碎石土進行夯實處理可以有效提高水平受荷樁的承載力，而當密實度達到密實狀態Dr=60.0%時基樁水平承載性能最好，地基土體能夠提供的水平抗力達到最大。

3.4 水平承載力

分析圖6(a)，當地基土密實度為20.7%時，荷載-位移梯度曲線呈較為明顯的“三段式”。當水平荷載小于0.80 kN時，曲線呈較平緩的直線，此時地基土處于線彈性階段；當荷載為0.80～3.42 kN時，曲線斜率明顯增大，地基土從線彈性階段過渡到彈塑性階段。依據規范定義，取0.80 kN為該模型的臨界荷載(Hcr)，其對應的位移為臨界位移(Xcr)。當荷載超過3.42kN以后，曲線斜率陡增，很小的荷載增量都會引起很大的位移增量，地基土不再具有承載能力，所以取3.42 kN為該模型的極限荷載。40.2%密實度地基模型的水平荷載與位移梯度曲線的變化規律與圖6(a)類似，只是臨界荷載比20.7%密實度地基模型有了顯著增加，說明密實度的增加對地基土的臨界荷載有著顯著的影響。

圖6 不同密實度條件下荷載-位移梯度曲線 Fig.6 Load displacement gradient curves under different compactness conditions

圖6(c)的荷載-位移梯度曲線與上述兩條曲線有著一定差別。首先在第一曲線段，曲線基本為一條平緩的直線，說明在該密實度下，地基土的水平承載力顯著提高，地基能夠發揮的水平抗力大幅增加。其次，在倒數第二級荷載(10.15 kN)施加以后，曲線明顯地突變，呈直立形上升，分析其原因，主要是因為在該級荷載施加以后，樁身出現了斷裂，如圖7所示。而斷樁之后繼續施加水平荷載所產生的位移主要以斷樁處以上的樁身繞斷樁點所產生的相對旋轉為主，地基土基本不發生水平壓縮。

根據(JGJ106-2014)《建筑樁基檢測技術規范》[15]，當樁身不允許開裂或配筋率小于0.65%時，可取臨界荷載的0.75倍作為單樁水平承載力特征值；對鋼筋混凝土預制樁、鋼樁和樁身配筋率不小于0.65%時，可取設計樁頂標高處水平位移為10 mm(水平位移敏感建筑物取6 mm)所對應荷載的0.75倍作為單樁水平承載力特征值[16]。由于此次試驗的模型樁配筋率為1.13%，故本文選擇以樁頂位移10 mm所對應荷載的0.75倍作為單樁水平承載力特征值。

圖7 模型樁樁身斷裂Fig.7 Fracture of pile

將不同密實度的各級樁頂位移下的m值繪制成曲線如圖8。從圖中可以看出，不同密實度下的m值隨樁頂位移的變化規律基本一致，m值隨樁頂位移的增大呈現出非線性減小的趨勢：在荷載施加初段，很小的位移增量都會引起m值很大的變化，隨著荷載的增大，m值減小的趨勢逐漸趨于平緩，并最終趨于恒定。

圖8 各密實度樁頂位移-m值曲線Fig.8 The m value curve of the pile top displacement of each compactness

將3個模型試驗數據的臨界荷載以及臨界位移帶入公式(2)可得到不同密實度碎石土地基系數的比例系數m值以及單樁水平承載力特征值，見表2。

從表2中可以看出，密實度對m值有著顯著影響，線性相關度也較好，密實度每提高20%，m值增加1.39倍，承載力特征值增加1.38～3.01倍，m值與密實度基本呈正比線性關系(圖9)。

由曲線擬合成果可得，其他條件不變時，碎石土地基樁土水平作用參數m值與地基密實度d呈線性關系：

表2 不同密實度下的單樁水平承載力特征值及m值

Tab.2 The characteristic value of single pile horizontal bearing capacity and m value under different compactness

密實度/%臨界荷載/kN臨界位移/mmm值/(MN·m-4)承載力特征值/kN20.70.800.8262.01.4840.24.613.8484.34.4660.06.344.27120.16.17

圖9 m值-密實度關系曲線Fig.9 Relationship between m value and compactness

m=29.188+1.4792d

(3)

樁土作用參數m值及單樁水平承載力特征值與土體類別、強度、樁身尺寸、剛度等諸多因素相關。表2以及式(3)是以碎石土模型為基礎所得，限定其他影響因素為恒定，該結論規律僅供參考，實際工程取值請結合當地經驗綜合選取。

4 結 論

本文將密實度量化之后通過室內單樁水平靜載試驗，對單樁水平承載力特征值和m值的取值問題進行探討，得出以下結論。

(1) 西南山區碎石土地基系數的比例系數m值取值范圍為62～120.1 MN/m4，密實度越大，m值取值越大。

(2) 隨著碎石土地基密實度的增大，樁土作用體系水平受荷能力越大，m值隨密實度的增大呈線性增加，密實度每提高20%，m值增加1.39倍。

(3) 越密實的碎石土地基其單樁水平承載力特征值越高，密實度每提高20%，承載力特征值增加1.38～3.01倍。