碼頭砂基樁承載性能試驗研究

吳文鳳 文訓科 舒 丹

1. 四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院 四川 成都 610000

2.重慶交通大學國家內河航道整治工程技術研究中心 重慶 400074

1 概述

樁基礎是一種應用廣泛而歷史悠久的基礎形式，在碼頭結構中得到廣泛用[1]。但對于臨近長江的高樁碼頭結構來說，砂基條件下樁身變形較大[2]，破壞形式明顯，對樁身的承載性能要求較高。研究單樁在豎向力及水平力作用下的工作性狀，國內外學者已做了大量研究并取得成果，關于樁基在水平荷載作用下的受力機理及特性，國內外有關學者已經開展了諸多研究[3]。其中，地基反力法和p-y曲線法常被用于單樁的水平承載力研究中，除此之外，線彈性法和數值分析、理論分析的方法也逐漸被廣大學者采用[4]。

本文針對外界荷載對砂基樁的承載性能開展室內模型試驗，著力研究單樁在以河沙為地基材料時，樁分別在豎向力和水平力作用下，鋼管樁的樁身微應變變化規律，獲得樁身位移-荷載關系曲線，進而得到樁側土體應力與樁身彎矩的關系，為理論研究和工程實際提供數據支撐。

2 模型設計

本實驗采用模型試驗與理論分析相結合的方法，采用室內混凝土模型槽提供剛性地基條件，模型樁按原形樁比尺縮放得到，尺寸如圖1所示。

圖1 模型布置圖

為了保證試驗的真實性，試驗地基采用模型沙模擬，實驗中未設置地基坡度，樁身長度為1.0m，樁基入土0.7m，模型樁橫豎間距0.6m，最大限度減少群樁效應的干擾。原型樁直徑為2m，根據模型比尺縮放樁身直徑后的模型樁直徑為0.1m，樁身材料與原型樁一致，均采用C30混凝土澆筑，其抗壓的彈性模量為30Gpa，樁身鋼筋籠采用32φ28mm的二級鋼筋作為受力筋，箍筋采用φ20@2000mm，樁身截面及斷面如圖2所示。

圖2 模型樁配筋圖

模型樁懸臂段長0.3m，由該懸臂段承受來自樁頂的豎向荷載，并在懸臂端布置傳感器、采集器等，模型整體如圖3所示。

圖3 模型試驗圖

3 砂基樁承載性狀

樁身截面截面參數均由試驗測得的截面應變推算。其中，截面應力采用下式計算：

樁身軸力采用下式計算：

樁身側摩阻力采用下式計算：

圖4 砂基樁QS曲線圖

從圖4可以看出，樁基的沉降過程大致分為三個階段，分別為，緩慢增長、非線性增長和急速增長。在豎向荷載小于1.2KN時，樁基沉降呈現出線性的緩慢增長，該過程小于樁基的臨界荷載，樁基保持相對穩定；當外界荷載大于該臨界荷載后，樁基沉降開始出現非線性變化，此過程短暫而急促，隨后轉向急速增長，樁基發生失穩破壞。

圖5 砂基樁樁身軸力曲線圖

由圖5可以看出，沿樁身往下，由于樁側摩阻力的作用，樁身軸力逐級減小，樁身軸力由上往下逐漸通過剪應力的形式傳遞給樁周土體，導致樁身上部軸力值遠大于樁身下部軸力值；從圖中還可以看出，隨著荷載的逐級增大，樁基軸力同比增大，且豎向荷載越大，樁身軸力沿豎向衰減的趨勢越為明顯。

由圖6分析可得，樁側摩阻力曲線沿樁身往下呈現出“R”型曲線規律，隨著樁基埋深的增加，側摩阻力先增大，后減小，出現第一峰值，隨后再次增大到某一峰值，最終沿埋深逐漸減小。經分析得知，樁側摩阻力的本質是剪應力，而剪應力是通過樁身變形來實現的，樁頂的豎向力越大，樁身變形越明顯，與周圍土體的作用越強，樁身側摩阻力就越大，而當樁頂荷載過大時，樁側土體可能會產生剪切破壞，樁身側摩阻力開始退化。從圖中還可以看出，在樁基同一位置處，樁身的側摩阻力是隨著荷載的增加而逐級發揮的，其大小是豎向力與埋深的共同函數。

圖6 樁側摩阻力曲線圖

4 小結

本文通過室內模型試驗與理論分析相結合的方法，采用樁身軸力-荷載曲線與樁側摩阻力-埋深曲線分析樁基的破壞模式。經分析得，在臨界荷載內，樁身軸力沿深度逐級減小，樁身下部軸力遠小于上部軸力，其原因在于，由上部傳遞至下部的豎向荷載很大部分以樁側摩阻力的形式傳遞給了樁周土體，樁側摩阻力沿樁身往下呈現“S”型曲線分布，其大小是豎向力與埋深的共同函數。