豎向荷載作用下根式基礎模型試驗研究

劉臻，朱大勇，殷永高，鄒本輝，侯超群

(1.合肥工業大學土木與水利工程學院，安徽 合肥 230009； 2，浙江大學寧波理工學院，浙江 寧波 315100；3.安徽省交通控股集團有限公司，安徽 合肥 230008； 4.中路高科交通檢測檢驗認證有限公司，北京 100088；5.合肥工業大學汽車與交通工程學院，安徽 合肥 230009)

0 引言

隨著城市建設飛速發展，土地資源利用有限，設計、施工、建造水平逐漸提高，選擇合理的基礎形式成為工程師面臨的首要問題。由于樁基承載力高、穩定性好等特點，在一般民用建筑、橋梁、近海鉆采平臺、抗震工程中得到廣泛應用[1]。合理使用樁基既能有效控制建筑物的變形沉降，又能提高建筑物的自身承載力。目前，樁基種類多達200余種，工程應用廣泛的傳統樁基形式主要有:螺旋式基礎、端頭擴孔式基礎等。

根式基礎作為一種新型的變截面基礎形式由殷永高在2006年提出[2]。根式基礎利用仿生學原理，通過增加樁基與周圍土體的接觸面來提高樁基的承載力。此后，眾多學者針對根式基礎開展了大量的研究。龔維明[3]指出根鍵能帶動樁基周邊土體共同發揮作用。楊光武[4]建立根式沉井在豎向荷載作用下的力學模型并結合經驗公式，推導出該類基礎豎向承載的分析方法，將計算結果與實測結果進行對比得出增加根鍵可有效提高沉井基礎的承載力。周廣騰[5]進行彈塑性有限元分析，探討了根鍵布置位置及數量等因素對其承載力的影響。劉彥峰等[6]采用自平衡試驗的方法對某長江大橋的普通樁以及根式樁進行豎向承載力試驗，最終驗證根鍵能提高樁基承載力以及減小樁頂沉降。孫敦華[7]研究表明根鍵在受壓情況下帶動周邊土體承擔荷載效果顯著，根式基礎比普通樁基承載能力大幅度提高。秋仁東[8]通過長樁基礎承載力性狀研究，給出樁基軸力、側阻力、土壓力的承載力隨群樁沉降的變化規律并分析其承載機理。

上述研究成果提高了對根式基礎承載機理的認識，同時也助推了根式基礎在工程實踐中的應用。目前，在安徽省合肥-阜陽高速公路淮河特大橋、安徽省池州秋浦河懸索橋等橋梁下部結構均采用根式基礎。

截止目前，根式基礎的理論研究已取得很大進步，但在試驗研究方面仍存在一定的滯后。本文通過室內模型試驗，對根式樁基進行豎向抗壓實驗，探究其荷載-沉降規律以及荷載在砂土中的分布特征，為工程建設提供設計參考依據。

1 室內試驗模型概況

1.1 試驗模型裝置及土料準備

室內模型試驗在一個由角鋼、槽鋼、工字鋼通過高強螺栓拼接形成 2 m(L)×2 m(B)×2.55 m(H)的結構框架內開展。已有文獻表明，樁基試驗時，在土體中的應力影響范圍約為(3-8)D，(D為模型樁的直徑)。本次試驗中，模型樁的直徑為8 cm，樁基外側到模型箱內壁距離為12.4 D，樁基底部到模型箱底部距離55 cm，滿足試驗要求。

為保證加載過程荷載穩定，本試驗采用杠桿加載的方式。杠桿與壓力傳感器之間放置鋼珠作為兩者之間的點接觸，加載裝置如圖1所示。

圖1 模型加載裝置

模型箱內土樣選擇干砂以保持實驗過程材料特性穩定，其顆粒級配曲線如圖2所示。通過室內土工實驗得出砂土基本物理力學指標性質如表1所示。

試驗中砂土分層填埋，分層厚度10 cm，再利用小型手提式混凝土振動壓實機進行壓實，當砂土高度達到30 cm時，按設計位置放置土壓力盒并保證其平整，直至砂土高度達到樁基45 cm，完成填埋。選取樁基影響范圍內的5個點，利用輕型觸探儀進行砂土密實度檢測，防止樁基周邊砂土密實度不同造成試驗誤差。

圖2 試驗砂土顆粒級配曲線

表1 砂土物理力學性質指標

1.2 試驗模型樁基制作

在模型樁基的材料選擇上，充分考慮強度、變形方面的要求，選用尼龍材料制作模型樁。模型樁幾何尺寸為直徑8 cm，樁長60 cm，砂土中埋設45 cm。根鍵與樁基采用同種材料，采用嵌入的方式使根鍵與樁基形成整體構件。

本次實驗將模型樁分為三類，分別為等截面樁(第1類試樁)、貫穿式樁(第2類試樁)、梅花式樁(第3類試樁)，如圖3所示，試驗模型樁幾何尺寸以及編號，見表2。

圖3(a) 第2類根鍵布置俯視圖

圖3(b) 第3類根鍵布置俯視圖

圖3(c) 樁基主視圖(單位：mm)

表2 模型樁具體參數

1.3 試驗數據測量

實驗過程中量測系統主要分為以下幾個部分:

(1) 變形量測

采用精度0.01 mm，量程50 mm的大行程百分表，測量實驗過程中樁基的豎向位移。測量時百分表分布在樁基兩側，防止測量過程中出現偏心，起到數值對比的效果。

(2) 樁頂荷載量測

樁頂荷載由壓力量程為5000 kg的輪輻式稱重傳感器測量，搭配精確量程顯示器讀取數據。

(3) 土壓力量測

本次實驗選擇電阻式土壓力盒測量樁基在受壓情況下周圍土體中的土壓力變化趨勢。土壓力盒直徑為2.8 cm，厚度為1 cm，樁底兩側的量程為0.1 MPa，樁底的量程為3 MPa。試驗中土壓力盒擺放位置如圖4所示，1號樁、2-1號樁、2-2號樁、3-2號樁土壓力盒擺放位置一致，方便實驗數據比對。本次試驗中，應變式測試元件采用XL 2101B6型靜態應變儀測試分析系統采集。

1.4 試驗加載方式

試驗中采用快速維持穩定加載法進行加載。快速維持荷載法是將預計的最大加載分為若干等級，以相等的時間間隔連續進行加載并讀取相應的沉降量，由此獲得荷載—沉降曲線來確定樁的極限承載力[9-10]。這種方法可以減少實驗時間，特別適用于砂土地基。

圖4 測試元件分布圖(單位：mm)

實驗中，若出現以下情況，判斷實驗終止[1]:

1)樁基在某級荷載作用下，樁頂沉降量大于前一級荷載作用下樁頂沉降量的5倍。

2)已達設計要求的最大加載量。

2 豎向極限承載特性分析

圖5為第一類試樁(1號樁)、第二類試樁(2-1號樁、2-2號樁、2-5號樁)、第三類試樁(3-2號樁、3-5號樁)的荷載-沉降曲線。

圖5 荷載-沉降對比曲線關系圖

可以看出，在樁基達到承載極限之前，荷載-沉降關系曲線基本處于線性變化。當荷載-沉降關系曲線變為非線性變化時，則表示樁基達到破壞狀態，樁基發生沉降驟變，施加在該狀態上的前一級荷載為樁基的極限承載力。整理得出試驗各樁型極限承載力以及1號樁與其余試樁進行對比的情況，如表3所示。

表3 3類試樁極限承載力以及對比

由圖5可知，2-1、2-2、2-5號樁當所受荷載較小時，沉降變化沒有差別；當荷載逐漸變大時，2-1、2-2、2-5號樁的沉降變化成遞增關系。說明根鍵層數對樁基承載力的提升成遞增關系，根鍵層數越多，樁基承載力提升越大。

當荷載達到12 kN時2-2號樁、3-2號樁，以及當荷載達到19 kN時2-5號樁、3-5號樁，荷載-沉降曲線均出現明顯差異，說明樁基在根鍵層數相同的情況下根鍵位置分布對樁基承載力的提升影響不同。

由表3可知，相比第1類試樁，改變樁基上根鍵布置位置及數量，均有提高樁基承載力功效。

從根鍵受力特性分析，根鍵在樁基上位置不同，樁基性能發揮存在差異。在保持根鍵數相同、根鍵布置形式相同的情況下，將2-2號樁、3-2號樁以及2-5號樁、3-5號樁分成兩組進行試驗得出數據，并繪圖分析。

如圖6所示，在荷載到達11 kN之前，2-2號樁、3-2號樁的曲線基本重合，當荷載大于11 kN后，3-2號樁沉降開始小于2-2號樁。造成這種差別的原因是，2-2號樁根鍵從4個不同方向嵌入砂土，3-2號樁根鍵從8個不同方向嵌入砂土，提高樁基與周邊砂土契合度，更好的使試樁與周邊砂土共同承擔荷載，有效抑制樁基豎向沉降，對樁基的承載力提升有一定效果。

圖6 2-2號樁、3-2號樁荷載-沉降曲線對比圖

如表4所示，3-2號樁的承載性能相對2-2號樁有所提升。雖樁基承載性能提升不足10%，但得出在試樁根鍵層數相同時，根鍵分布位置有差異，其承載性能也存在不同。

如圖7所示，2-5號樁、3-5號樁，在所受荷載達到18 kN時，承載性能開始出現差異。2-5號樁此時已達到極限承載，而3-5號樁再持續幾級加載后，最終達到極限承載。同時在樁基沉降方面，2-5號樁在達到極限荷載后的沉降略大于3-5號樁。原因在于3-5號樁根鍵與砂土契合程度強于2-5號樁，被根鍵嵌入的砂土與樁基共同承擔抵抗沉降，砂土能對樁基自身產生更大的側摩阻力，對提高承載力有顯著的幫助，當樁基帶動土體越多時，沉降反而相對減少。

表4 2-2號與3-2號樁承載性能比較

圖7 2-5號樁、3-5號樁荷載-沉降曲線對比

如表5所示，3-5號樁的承載性能相對2-5號樁提升僅有7%，而3-2號樁相對2-2號樁有10%。說明當樁基上布置根鍵層數越多時，根鍵布置位置對承載性能的提升效果逐漸減弱。

表5 2-5號樁與3-5號樁承載性能比較

第三類試樁僅對每層根鍵分布的位置進行調整，便可提升樁基承載力。第二、三類樁基在荷載較小時存在細微關聯，在荷載作用逐漸變大后，第三類樁基沉降少于第二類樁基。在樁基根鍵層數相同情況下，第三類樁基相比第二類樁基承載力有顯著提升。

由此得出，根鍵帶動周圍砂土共同發揮作用能顯著提高樁基的豎向承載能力，從加載初期便可以顯著提升樁基的豎向承載力。同時增加樁基的根鍵層數可以提高樁基承載力和減少樁頂沉降，改變樁基上根鍵的分布位置對樁基的承載力、沉降量存在影響。

3 樁底土壓力分布規律

通過埋設在樁底的土壓力盒，得到本文所探究的土壓力分布。為近一步研究3類樁基(1號樁、2-1號樁、2-2號樁、3-2號樁)樁底砂土受力情況，參照砂土荷載傳播范圍擺放土壓力盒，離樁近擺放較密，離樁遠擺放較疏，擺放位置如圖4所示，其土壓力盒量程由中間向兩邊依次降低，并且擺放順序不變。此處，將最貼近樁基砂土中的土壓力盒所測結果進行對比分析。在荷載作用下，土壓力值會逐漸增大并反映出一定規律，如圖8-圖11所示。

圖8-圖11分別是1號樁、2-1號樁、2-2號樁、3-2號樁，在荷載作用下，樁底土壓力值逐漸增大的變化趨勢。為研究根鍵帶來的提升效果，此處選擇1號樁、2-1號樁的試驗結果進行對比分析，見表6所示。

表6 1號樁、2-1號樁實測數據對比

由圖8可知，樁基在荷載作用下，樁底土壓力值最大并且向四周擴散逐漸減小，但變化明顯的土壓力值擴散范圍有限。1號樁達到承載力極限時，測得樁底土壓力值變化為37%，是因樁基沉降增大，影響樁底土壓力分布，但仍集中在底部。當荷載為2.88 kN和9.53 kN時，測得距離樁8 cm處的土壓力值幾乎相近并且較小。由此分析，1號樁樁底的應力場范圍在樁基的8 cm周邊以內。

由圖9可知，2-1號樁土壓力值變化趨勢與1號樁相近，由樁底向兩側逐漸減少。2-1號樁在前兩級荷載作用下，土壓力值變化幅度達到94%略小于1號樁變化趨勢。原因在于2-1號樁所受荷載并非直接由樁頂向樁底傳遞，其中一部分荷載在傳遞過程中被根鍵抵消，剩余荷載才通過樁底傳遞至砂土中，因此土壓力值變化幅度相對減小。當樁基承載達到極限時，樁底土壓力值達到711 kPa，遠大于1號樁在達到承載極限時所測的土壓力值。當荷載為2.3 kN、11.73 kN時，測得距離樁8 cm處的土壓力值增幅大于1號樁變化幅度，同時距離樁16 cm處土壓力值變化微小。由此得出，2-1號樁在砂土中應力傳遞范圍8-12 cm。

圖8 1號樁樁底水平方向變化規律

圖9 2-1號樁樁底水平方向變化規律

可以看出，實測土壓力近似呈V型，離樁近的值較大，離樁遠的較小，隨著荷載的增大，這種趨勢更加明顯。這是由于根鍵對其下一定范圍內砂土有壓密作用，致使樁底砂土密實度增大，造成一定的傳遞影響。

根鍵與樁基構成整體結構，增加樁基與砂土的嵌入度以及牢固度，帶動更多的砂土承載豎向荷載，提高樁基豎向承載力，使土壓力傳遞范圍增大，說明根鍵對于力的擴散有明顯的影響。

圖10 2-2號樁樁底水平方向變化規律

圖11 3-2號樁樁底水平方向變化規律

接下來，在荷載作用下將層數相同的第二類、第三類樁基(2-2號樁、3-2號樁)所測得土壓力值進行分析對比，如表7所示。

表7 2-2號樁、3-2號樁實測數據對比

通過圖10-圖11可知，3-2號樁的土壓力峰值相比2-2號樁略大。當2-2號樁所受荷載為2.5 kN、12.58 kN時，測得距樁16 cm處的土壓力值僅存微小差距，表明較為明顯的土壓力值變化趨勢在樁周16 cm以內。同理，3-2號樁土壓力擴散范圍在距樁周18 cm以內。由此得出，根鍵層數的增加不僅提高樁底土壓力值，還增大荷載在砂土中的傳遞范圍。

在荷載作用下，2-2號樁所測出的土壓力值均比3-2號樁的土壓力值小，原因在于樁基上的根鍵分布位置不同。2-2號樁的根鍵是增加同方向根鍵的數量，相對單層根鍵增加根鍵層數，根鍵在樁基上的方向不變；3-2號樁的根鍵通過增加不同方向上的根鍵，減少根鍵之間水平間距，來強化樁基的嵌入度，提高承載效能。當根鍵交錯增加時，受力面上的根鍵間距相對減少，使樁基根鍵聯系更加緊密。通過增加樁基受力面來充分發揮根鍵的效能，使樁基在沉降中帶動更多砂土，從而增加荷載傳遞范圍。2-5號樁、3-5號樁是2-2號樁、3-2號樁的增強版，提升極限承載力的原理類似，因此我們著重分析2-2號樁、3-2號樁。

1號樁、2-1號樁的數據對比得出樁基根鍵的作用，樁基上安裝根鍵提高樁基的承載性能，從而擴大荷載在周邊砂土中的傳播范圍，對土壓力的擴散作用明顯。2-2號樁、3-2號樁的數據對比得出，樁基根鍵位置分布可能存在最佳分布位置，一般的分布位置會造成根鍵承載力發揮不充分，試樁不能發揮最大承載特性。因此，不同分布位置的根鍵均會影響荷載在砂土中的傳遞范圍，尋找根鍵在樁基上的最佳分布位置，是根鍵在設計需要的考慮問題之一。

4 結論

為了更好的發揮根式樁的特性，本文以室內試驗為依托，開展了根式樁的試驗研究，通過布置百分表以及土壓力盒等監測儀器對相關內容進行測量，并將3類試樁的測量結果進行相互比較，得出幾條結論:

(1)通過Q-S曲線知，在不同荷載作用下，試樁表現出不同的沉降特性。當荷載較小時，試樁的豎向承載力與豎向位移成正比例變化；當荷載逐漸增大時，根式樁的位移曲線斜率變化明顯緩于第一類試樁。根式樁可以顯著提高樁基的豎向承載特性。

(2)根鍵可以有效地提高樁基承載能力，根式基礎的承載性能遠大于普通樁基。2-1號樁承載力相對1號樁提升23%，除增加根鍵層數提升樁基承載力方法外，改變根鍵分布位置也可提升樁基承載力。3-2號樁、2-2號樁基相對1號樁分別提升43%和32%，同時3-2號樁基相對2-2號樁基提高了9%。根鍵層數相同的情況下，第三類樁基比第二類樁基在承載力方面有明顯的提高。

(3)土中應力變化范圍會根據樁基承載特性不同而有所區別。三類試樁的土中應力分布情況類似，但土中應力分布范圍有明顯不同。2-1號樁的土中應力范圍是1號樁范圍的1.5倍左右，3-2號樁基的土中應力分布范圍相對2-2號樁基的應力分布更廣。由此得出，根鍵層數、根鍵分布位置的變化造成樁基承載性能的變化從而對樁基砂土中傳遞荷載均有影響。