吳澤軍，耿大新，方 燾

(1.華東交通大學(xué) 道路與鐵道工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南昌 330013;2.華東交通大學(xué) 土木建筑學(xué)院，南昌 330013)

變截面樁具有單樁承載力高、工程進(jìn)度快、省材經(jīng)濟(jì)等優(yōu)點(diǎn)，隨著樁基技術(shù)的逐漸發(fā)展和不斷應(yīng)用，諸多工程科技人員已經(jīng)開(kāi)始對(duì)樁在承受水平向荷載的承載形狀和工作機(jī)理方面展開(kāi)了研究。變截面樁已經(jīng)在國(guó)家重點(diǎn)工程蘇通跨海大橋［1］和京滬高鐵南京大勝關(guān)大橋［2］中得到了充分的應(yīng)用?，F(xiàn)行的技術(shù)規(guī)范和傳統(tǒng)的樁基理論體系已經(jīng)不能恰當(dāng)?shù)胤治鲎兘孛鏄兜墓ぷ鳈C(jī)理和受力性狀。盡管近年來(lái)對(duì)等截面樁進(jìn)行了豎向、水平向荷載及動(dòng)荷載等作用下樁基礎(chǔ)響應(yīng)方面的大量研究，然而在變截面樁方面研究相對(duì)較少。特別近年來(lái)，水平承載樁的應(yīng)用日趨廣泛，但水平荷載作用下樁的計(jì)算理論仍有不少問(wèn)題尚待解決。諸多學(xué)者［3］進(jìn)行了樁基的水平荷載試驗(yàn)，推出了不同條件的水平荷載P—水平位移y曲線。

針對(duì)上述問(wèn)題，基于水平荷載模型試驗(yàn)和樁身應(yīng)力測(cè)試結(jié)果，對(duì)變截面樁在水平承載性能方面進(jìn)行了分析研究，并得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

1 模型試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)裝置包括模型試驗(yàn)箱和變截面模型樁。模型樁采用松木人工加工而成，詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。預(yù)先對(duì)樁體進(jìn)行防水處理，采用桐油輕輕刷在樁體表面，然后陰干3 d，繼而沿樁身布設(shè)應(yīng)變片，測(cè)試水平荷載作用下樁身曲率變化情況。用可防水型HY-704硅橡膠涂抹于應(yīng)變片和端子片上，繼而用E-44環(huán)氧樹(shù)脂和速凝劑摻和拌勻涂抹在樁體曲面上，將過(guò)0.5 mm篩孔的沙(將沙清洗干凈并放于烘箱中的時(shí)間＞24 h)均勻地撒鋪在樁體上與環(huán)氧樹(shù)脂緊密固結(jié)，同時(shí)靜置1 d以上。

表1 變截面圓形樁的物理參數(shù)

樁身應(yīng)變量測(cè)布設(shè)采用樁體軸線對(duì)稱(chēng)粘貼應(yīng)變片的方法，布置見(jiàn)圖1所示。試驗(yàn)采用的測(cè)試元件是電阻應(yīng)變片，型號(hào)為 B×120-50AA，電阻值為(120±0.1)Ω，采用屏蔽式銅芯導(dǎo)線，每根導(dǎo)線長(zhǎng)度約為5 m，其阻值為2.0 Ω。其中參考文獻(xiàn)［6］介紹了測(cè)點(diǎn)表面預(yù)先清潔處理、貼片及防潮處理。數(shù)據(jù)收集采用TS3860靜態(tài)電阻應(yīng)變測(cè)試系統(tǒng)儀，該儀器可同時(shí)采集24個(gè)測(cè)點(diǎn)，低漂移、低噪聲、低誤差、采集效率較高。測(cè)量時(shí)所有應(yīng)變片均采用半橋連接方式，同時(shí)為了提高測(cè)量精度，應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償采用一一對(duì)應(yīng)式的同類(lèi)材料補(bǔ)償。在樁頂以下約20 cm處布設(shè)2塊大量程百分表用以測(cè)試樁的水平位移，并由2塊百分表的讀數(shù)差及表間距計(jì)算出樁頂?shù)霓D(zhuǎn)角。固定百分表的基準(zhǔn)梁布置在受荷樁影響的范圍之外。

圖1 應(yīng)變片布設(shè)示意(單位:cm)

圖2 模型加載示意(單位:cm)

模型箱采用自制加工而成的1 797 mm×1 797 mm×2 000 mm的不同型鋼組合而成的模型箱體。箱內(nèi)填埋黏性土，分層夯實(shí)，其中測(cè)試土體的夯實(shí)強(qiáng)度檢測(cè)，采用輕型動(dòng)力觸探和EVD觸探試驗(yàn)。模型樁埋入土中深度約為1.5 m，水平荷載作用線在土表面以上1 cm左右。模型樁埋設(shè)完畢后，多次進(jìn)行灑水靜置，并用篷布遮蓋土體表面，以使土體達(dá)到軟土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。采用環(huán)刀取樣測(cè)試土樣含水量為22.5%，孔隙比為0.854，非飽和濕土密度為1 799 kg/m3，固結(jié)排水抗剪強(qiáng)度為12.5 kPa。

加載分級(jí)施加水平荷載，由 0，124.5，379.5，634.5，1 144.5，1 399.5，1 654.5，1 909.5，2 419.5，2 929.5，3 439.5，3 949.5，4 459.5，4 714.5，4 969.5，5 224.5，5 479.5，5 734.5 N 共18級(jí)水平荷載，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試樁身應(yīng)變、樁身土壓力和泥面處的位移。

施加水平荷載采用單位統(tǒng)一的鐵質(zhì)砝碼放于吊籃中，由定滑輪將豎向荷載轉(zhuǎn)換為水平向荷載，加載如圖2所示。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)加載方法宜采用多循環(huán)加卸載法，并取預(yù)估水平極限承載力的1/10～1/15作為每級(jí)加載增量。根據(jù)樁徑大小并適當(dāng)考慮土層軟硬程度，結(jié)合相關(guān)規(guī)范按實(shí)際情況增量加載，試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試樁身應(yīng)變和樁土接觸面處位移。

加載程序與位移觀測(cè)方法:試驗(yàn)采用重物(單位統(tǒng)一的鐵質(zhì)砝碼)施加水平作用力的方法，如圖2所示。每級(jí)荷載施加完后，恒載4 min測(cè)讀水平位移，然后卸載至零，停測(cè)2 min讀取殘余水平位移，至此完成一個(gè)加卸載循環(huán)，如此循環(huán)5次完成一級(jí)荷載的試驗(yàn)觀測(cè)。加載時(shí)間應(yīng)盡量縮短，測(cè)量位移的間隔時(shí)間要嚴(yán)格準(zhǔn)確，試驗(yàn)不間斷持續(xù)進(jìn)行。當(dāng)樁身折斷或者水平位移超過(guò)30～40 mm(軟土按40 mm)時(shí)，可以終止試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 樁的水平荷載—水平位移

從中選取較為典型的2#單樁進(jìn)行分析，2#樁的水平荷載p與其作用點(diǎn)處水平位移y的關(guān)系如圖3。由圖3可知，2#樁的位移變化形態(tài)屬正常，曲線基本呈現(xiàn)出緩變形，可以認(rèn)為開(kāi)始是漸進(jìn)式破壞后續(xù)是整體式破壞。當(dāng)水平荷載＞0.55 kN后，樁的水平位移加劇，曲線變陡，一旦荷載超過(guò)一定限度，位移速率將急速增大到最大。由于樁主要是依靠樁周土的壓力來(lái)承受水平荷載，樁在水平荷載作用下會(huì)發(fā)生變位。樁頂水平位移越大，則在樁端下層面，直接分配給樁的荷載相應(yīng)變大，對(duì)于較長(zhǎng)的剛性素混凝土樁，在樁身中產(chǎn)生的彎矩也就更大，樁身就越容易破壞。

由圖3可知，隨著水平荷載的逐步增加，水平位移也逐漸增大，由于樁身段為階梯式橫截面，每級(jí)荷載下水平位移增加的幅度不是很大。在整個(gè)加載過(guò)程中，水平位移與荷載基本呈現(xiàn)出非線性變化關(guān)系。在水平荷載作用下，變截面樁會(huì)有水平位移發(fā)生，同時(shí)樁身會(huì)發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)或撓曲，此時(shí)樁身會(huì)出現(xiàn)位移零點(diǎn)。而樁身零點(diǎn)與樁身剛度、樁的入土深度、樁的截面尺寸和形狀、水平荷載的大小及樁周土體的工程性狀等多個(gè)因素有關(guān)。水平荷載—位移梯度(p－δΔy/Δp)曲線如圖4所示。由圖3、圖4可以看出，樁的水平臨界荷載pcr=3.5 kN，水平極限荷載pu=5.8 kN。

圖3 2#樁水平荷載—位移曲線

圖4 2#樁水平荷載—位移梯度關(guān)系曲線

2.2 樁頂轉(zhuǎn)角

2#樁的水平荷載與其作用點(diǎn)處樁頂轉(zhuǎn)角的關(guān)系如圖5所示。從圖5中可知，2#樁的轉(zhuǎn)角變化曲線初期在較小荷載作用下呈現(xiàn)出較為平緩趨勢(shì)，隨著載荷的不斷增加，樁頂轉(zhuǎn)角逐步增加，速率呈現(xiàn)上漲趨勢(shì)，當(dāng)荷載＞0.55 kN后，樁頂轉(zhuǎn)角曲線明顯變陡，直接呈現(xiàn)出線性關(guān)系。

2.3 樁身入土深度—拉壓應(yīng)變

2#樁的樁身入土深度、水平荷載與拉壓應(yīng)變片的關(guān)系如圖6、圖7所示。

圖5 水平荷載—樁頂轉(zhuǎn)角曲線

圖6 2#樁入土深度與拉壓應(yīng)變關(guān)系曲線

圖7 2#樁循環(huán)加卸荷載—位移曲線

從圖6可知，2#樁拉壓應(yīng)變都沿著樁身入土深度的增加而逐步減小。2#樁的拉壓應(yīng)變隨著樁身入土深度曲線呈現(xiàn)拋物線形，兩個(gè)拋物線形方向朝向依次呈現(xiàn)相反狀，約在50 cm處應(yīng)變曲線發(fā)生拐點(diǎn)，繼而又逐漸增大直至樁身入土約110 cm處曲線走向發(fā)生回繞彎。在入土深度約140 cm處拉壓應(yīng)變?nèi)孔優(yōu)?點(diǎn)。從圖6中可以看出，樁身拉壓應(yīng)變都隨著水平荷載的增大而逐漸增加，樁身應(yīng)力逐漸得到發(fā)揮的同時(shí)樁身應(yīng)變也迅速增大;最大荷載下樁的兩側(cè)都出現(xiàn)了壓應(yīng)變，拉應(yīng)變只在樁受拉力一側(cè)存在。由循環(huán)加卸載—水平位移曲線圖7可知，樁土在初始荷載施加較小時(shí)，發(fā)生變形的反復(fù)性較為不明顯，隨著水平荷載的繼續(xù)不斷加大，水平位移幅度也隨之加大，然而變形幅度呈現(xiàn)緩慢增大趨勢(shì)，直至水平荷載步入臨界荷載與水平極限荷載階段，樁土的位移變形量開(kāi)始力度加大，呈現(xiàn)出線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，一直到水平荷載增至峰值，土體完全喪失阻抗能力，并由于變形過(guò)大而無(wú)法復(fù)位導(dǎo)致土體最終破壞形成。

2.4 樁的工作性能

根據(jù)水平荷載變截面樁模型試驗(yàn)分析得知，樁體在經(jīng)歷較長(zhǎng)的荷載過(guò)程才發(fā)生破壞，且樁身并未破壞。樁身和土體之間的工作性能差異也較為明顯，樁身上部截面積較下部大，抵抗水平位移能力明顯較強(qiáng)。2#樁變截面位置以下入土較深，抵抗水平位移的效果較為不明顯，且樁身下部處的較深截面段抵抗水平位移并沒(méi)有發(fā)揮很大的作用。

3 結(jié)論

1)變截面樁水平承載主要依靠樁身上部截面段，上部段承擔(dān)了大部分的水平荷載。變截面位置處應(yīng)變發(fā)生頸縮，有力地緩解了水平荷載下樁土相互作用的應(yīng)力集中。

2)變截面樁的變截面位置有良好的平衡樁身應(yīng)力的能力，使水平荷載作用下的最大應(yīng)力集中明顯驟減，有利于節(jié)省樁身材料，因此變截面的位置布設(shè)在樁身中上部可節(jié)省材料且能充分發(fā)揮其作用。

3)通過(guò)對(duì)水平荷載作用下不同變截面樁樁周土相互作用的分析，樁身的轉(zhuǎn)動(dòng)中心一般在樁身下部，由于變截面處的緩解作用，合理地設(shè)置變截面位置可使轉(zhuǎn)動(dòng)中心往上移。

4)水平荷載—水平位移曲線為緩變形曲線，樁土破壞在水平荷載作用下為漸進(jìn)式破壞，水平承載力主要由樁頂?shù)乃阶冃蝸?lái)控制。

［1］王伯惠，上官興.中國(guó)鉆孔灌注樁新發(fā)展［M］.北京:人民交通出版社，1999:1-73.

［2］鐵道部京滬高速鐵路建設(shè)總指揮部南京指揮部.京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋工程技術(shù)論文集［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，2009:28-47.

［3］NABIL F，ISMAEL.Behavior of step tapered bored piles in sand under static lateral loading［J］.Joumal of geotechnical and geoenvironmental engineering，ASCE，2009，59(7):669-676.

［4］中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ94—2008 建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.