羅少鋒,楊文星

(1.西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院,陜西西安710055;2.西安科技大學(xué)建筑與土木工程學(xué)院,陜西西安710054)

地基土中單獨(dú)的一根樁稱為單樁,由2根以上樁組成的樁基稱為群樁。豎向荷載作用下,由于樁、承臺(tái)和土的相互作用,群樁中一根樁單獨(dú)受荷時(shí)的承載性狀往往與獨(dú)立單樁的有顯著區(qū)別。當(dāng)群樁基礎(chǔ)承受豎向荷載而沉降時(shí),承臺(tái)底面產(chǎn)生土反力并分擔(dān)了部分荷載,提高了樁基的承載力,且由于樁-土-承臺(tái)的相互作用,使群樁基礎(chǔ)的荷載傳遞較承載力僅由樁側(cè)阻力和樁端阻力兩部分組成的單樁要復(fù)雜。樁和承臺(tái)的荷載分擔(dān)受荷載水平、樁長(zhǎng)、樁徑、承臺(tái)底面尺寸、地基土的物理力學(xué)性質(zhì)等諸多因素的影響,無(wú)法簡(jiǎn)單的以一種固定的模式或以簡(jiǎn)單的規(guī)律加以全部概括,在樁、承臺(tái)和土共同作用的研究中,單樁與承臺(tái)共同作用(帶承臺(tái)單樁)的試驗(yàn)研究是最經(jīng)濟(jì)、最易實(shí)施的試驗(yàn)內(nèi)容。因此,有必要對(duì)帶承臺(tái)單樁的荷載傳遞特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,而已有的文獻(xiàn)資料中大多采用模型試驗(yàn)或數(shù)值分析法[1-4],現(xiàn)場(chǎng)的原位試驗(yàn)較少。本文通過現(xiàn)場(chǎng)的單樁和帶承臺(tái)單樁的原位試驗(yàn)結(jié)果,研究了樁和承臺(tái)的荷載分擔(dān)比以及承臺(tái)對(duì)樁基荷載傳遞特性的影響規(guī)律,這對(duì)于復(fù)合樁基、路堤樁的受力變形特性等的研究具有一定的參考價(jià)值。

1 試驗(yàn)概況

1.1 場(chǎng)地條件

試驗(yàn)場(chǎng)地西安市北郊,根據(jù)勘察報(bào)告提供的資料顯示,場(chǎng)地土層由上而下各地層主要特征分別為:①層素填土:土質(zhì)不均,結(jié)構(gòu)雜亂,以粘性土為主,層厚2.1 m;②層黃土狀土,硬塑,屬高壓縮性土,層厚1.5 m;③層黃土,硬塑,屬高壓縮性土,層厚3.0 m;④層黃土,硬塑,屬中壓縮性土,層厚1.7 m;⑤層黃土,可塑～軟塑,屬中壓縮性土,層厚4.0 m;⑥層古土壤,可塑～軟塑,屬中壓縮性土,層厚4.0 m;⑦層中粗砂,礦物成分以長(zhǎng)石、石英為主,飽和,密實(shí),層厚12.2 m。本次試驗(yàn)的試坑地面正好處于第④層黃土的頂面。場(chǎng)地地基土層的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)平均值見表1。

表1 地基土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容及方法

1.2.1 天然地基承載力靜載試驗(yàn)

為了解淺部地基土層的承載力,在試坑內(nèi)的底面處布置天然地基承載力靜載試驗(yàn)點(diǎn)3處。承壓板采用1.0 m直徑的剛性圓形壓板,分級(jí)荷載取為30 kPa,每級(jí)加載后按間隔10 min、10 min、10 min、15 min、15 min,以后為每隔30 min測(cè)讀一次承壓板的沉降量,當(dāng)在連續(xù)兩小時(shí)內(nèi)每小時(shí)的沉降量小于0.1 mm時(shí),則認(rèn)為已趨穩(wěn)定,可加下一級(jí)荷載,直至預(yù)計(jì)的最大加載值。

試驗(yàn)結(jié)束后,繪制p～s曲線,根據(jù)曲線形態(tài)判定各試驗(yàn)點(diǎn)的承載力。

1.2.2 單樁豎向承載力靜載試驗(yàn)

試樁入土樁長(zhǎng)11.5 m,樁徑500 mm,樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。

試驗(yàn)加荷時(shí),每級(jí)以150 kN的荷載遞增。每級(jí)荷載下樁頂沉降的觀測(cè)次數(shù)為:加荷后第1個(gè)小時(shí)按第5 min、10 min、15 min、15 min、15 min測(cè)讀樁頂沉降量,以后每隔30 min測(cè)讀一次,直到沉降相對(duì)穩(wěn)定為止。當(dāng)每一小時(shí)內(nèi)的樁頂沉降量不超過0.1 mm并連續(xù)出現(xiàn)兩次時(shí),認(rèn)為在本級(jí)荷載下的沉降已穩(wěn)定,即可施加下一級(jí)荷載,直至達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的最大加載值。

試驗(yàn)結(jié)束后,繪制Q～s曲線,以Q～s曲線上明顯陡降點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的荷載作為該試驗(yàn)樁的單樁豎向極限承載力。

1.2.3 帶承臺(tái)單樁靜載試驗(yàn)

試樁入土樁長(zhǎng)11.5 m,樁徑500 mm,樁身混凝土強(qiáng)度等級(jí)C30。樁頂面和試坑地面平齊,樁頂設(shè)邊長(zhǎng)為1.5 m×1.5 m的剛性承臺(tái),承臺(tái)形心和樁的形心重合。

試驗(yàn)加荷時(shí),每級(jí)以112.5 kN的荷載(相應(yīng)的承臺(tái)底總反力為50 kPa)遞增,直至達(dá)到試驗(yàn)設(shè)計(jì)的最大加載值。每級(jí)荷載下承臺(tái)沉降量的觀測(cè)次數(shù)、沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)與單樁時(shí)相同。

1.2.4 樁身應(yīng)力及承臺(tái)底土反力測(cè)試

在單樁豎向承載力靜載試驗(yàn)和帶承臺(tái)單樁靜載試驗(yàn)中,在樁頂、樁端及主要土層分界面處埋設(shè)了鋼筋計(jì),距樁頂?shù)木嚯x分別為0 m(帶承臺(tái)單樁此處為0.5 m)、1.7 m、5.7 m和9.7 m。在帶承臺(tái)單樁靜載試驗(yàn)中,在承臺(tái)下的不同位置埋設(shè)了7個(gè)土壓力盒以量測(cè)承臺(tái)底的土壓力。某一級(jí)荷載下沉降達(dá)到穩(wěn)定后,測(cè)讀一次鋼筋計(jì)及土壓力盒的讀數(shù),據(jù)此求得相應(yīng)樁身軸力和承臺(tái)底的土壓力。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 承載力測(cè)試

圖1所示為天然地基靜載試驗(yàn)p～s曲線。二條曲線的形態(tài)較為接近,均在300 kPa處發(fā)生陡降,按規(guī)范[5]規(guī)定,可將承壓板下應(yīng)力主要影響范圍內(nèi)的極限承載力確定為300 kPa。圖2所示為單樁及帶承臺(tái)單樁靜載試驗(yàn)的Q～s曲線。

圖1 天然地基p～s曲線

圖2 單樁和帶承臺(tái)單樁的Q～s曲線

單樁的Q～s曲線形態(tài)呈急進(jìn)陡降型。按規(guī)范[6]判定已達(dá)到破壞,其單樁豎向極限承載力標(biāo)準(zhǔn)值為1 200 kN,但此時(shí)相應(yīng)的沉降量很小,只有2.93 mm。為查明端阻力的發(fā)揮性狀,破壞后繼續(xù)加載,在1 500 kN的荷載下達(dá)到穩(wěn)定后,相應(yīng)的沉降量為68.23 mm。帶承臺(tái)單樁的Q～s曲線也呈陡降型,其極限承載力為1 687.5 kN,相應(yīng)的沉降量為18.23 mm。在1 912.5 kN的荷載下達(dá)到穩(wěn)定后相應(yīng)的沉降量為67.98 mm。在達(dá)到各自的極限荷載以前,與單樁相比,帶承臺(tái)單樁在相同荷載下的沉降量較大。

2.2 樁-土的荷載分擔(dān)比

圖3、圖4所示分別為各級(jí)荷載作用下帶承臺(tái)單樁的樁頂荷載隨總荷載變化情況及承臺(tái)下土的平均壓力隨總壓力的變化情況。圖中的總壓力為施加于承臺(tái)上的荷載與承臺(tái)面積之比,土的平均壓力為各土壓力盒測(cè)試結(jié)果的平均值,樁頂荷載為由樁頂處鋼筋計(jì)測(cè)得的軸力值。

圖3 樁頂分擔(dān)荷載隨總荷載的變化情況

圖4 各級(jí)荷載作用下的土壓力變化情況

樁、承臺(tái)分擔(dān)荷載的比例均隨著總荷載的增大而增大,但曲線斜率的變化有所不同。在圖3中,在總荷載超過1 012.5 kN后(相應(yīng)于總壓力為450 kPa),曲線的斜率略有增大,而當(dāng)總荷載達(dá)到1 687.5 kN后(相應(yīng)于總壓力為750 kPa),曲線的斜率又開始減小,分別表明了樁頂所分擔(dān)荷載的比例在增大和減小。在圖4中,在加載初期(總壓力在100 kPa前)曲線較為平緩,說(shuō)明此時(shí)土分擔(dān)的荷載偏小,這可能與土壓力盒埋設(shè)不夠密實(shí)及中粗砂找平層的壓密過程有關(guān);此后圖4中的曲線表現(xiàn)出了兩個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn),分別是總壓力為450 kPa和750 kPa,曲線的斜率表現(xiàn)出先減小后增大,表明承臺(tái)下土反力所分擔(dān)荷載的比例先減小后增大。從圖4還可以看出,土反力的最大值甚至超過了由天然地基承載力靜載試驗(yàn)得到的極限值,這是由于樁的存在以及承臺(tái)對(duì)土的約束作用阻礙了土的側(cè)向變形,使承臺(tái)下土的承載能力提高。

承臺(tái)分擔(dān)荷載比例的這種變化應(yīng)該是受到總變形量的逐漸增大、樁端土層變形的產(chǎn)生和發(fā)展以及樁端阻力的逐漸發(fā)揮等因素的影響。當(dāng)總變形量增大到一定程度時(shí),樁端阻力的發(fā)揮程度開始逐漸增大,由于樁端土層的剛度大于樁上部土層的剛度,使得承臺(tái)下樁頂承受荷載的比例增大,而土所承受荷載的比例有所減小。

2.3 樁身軸力

根據(jù)鋼筋計(jì)的測(cè)試結(jié)果整理繪制出單樁和帶承臺(tái)單樁各量測(cè)斷面軸力隨深度的變化情況,如圖5所示。

圖5 各量測(cè)斷面軸力隨深度的變化情況

樁的軸力衰減梯度越大,說(shuō)明沿樁身的摩阻力越大。通過圖5中曲線(a)、(b)的對(duì)比可以看出,在樁身上部(5.7 m以上),單樁側(cè)阻力的發(fā)揮程度高于帶承臺(tái)單樁中樁側(cè)阻力的發(fā)揮程度。為更清楚地說(shuō)明承臺(tái)對(duì)樁側(cè)阻力的發(fā)揮的影響,將單樁和帶承臺(tái)單樁在樁頂荷載分別為450 kN和750 kN下樁身的軸力曲線繪制在同一張圖上,如圖6所示。從圖6中可以看出,在樁身上部同一樁段內(nèi),單樁的軸力衰減較快而帶承臺(tái)單樁的軸力衰減較慢,這表明帶承臺(tái)單樁中承臺(tái)對(duì)樁上部側(cè)阻存在明顯的削弱作用。

圖6 單樁和帶承臺(tái)單樁軸力曲線對(duì)比

此外,結(jié)合單樁和帶承臺(tái)單樁靜載試驗(yàn)的結(jié)果(其Q-s曲線如圖2所示),單樁在其極限荷載(1200 kN)作用下時(shí),樁頂沉降較小,樁端位移為0,樁端阻力也為0,此時(shí)該樁屬純摩擦樁類型。當(dāng)達(dá)到其極限荷載后又繼續(xù)加載,使樁頂沉降增大,端阻力開始逐漸發(fā)揮,當(dāng)加載至1 500 kN、總沉降量為68.23 mm時(shí),端阻力大小為292 kN,占樁頂總荷載的比例為19.5%,此時(shí)該樁則又表現(xiàn)為端承摩擦型。帶承臺(tái)單樁在總荷載為675 kN、總沉降量為3.85 mm時(shí),樁端阻力即開始發(fā)揮。當(dāng)總荷載為1 912.5 kN、總沉降量為67.98 mm時(shí),端阻力占樁頂荷載的29.3%。這也說(shuō)明承臺(tái)的作用不僅影響到了樁端阻力的發(fā)揮程度,還使得發(fā)揮樁端阻力所需的樁頂沉降減小。

根據(jù)樁身軸力的測(cè)試結(jié)果,計(jì)算出某級(jí)荷載下樁端阻力與樁頂荷載(單樁)或總荷載(帶承臺(tái)單樁)的比值,即為樁端分擔(dān)荷載比例,將其隨荷載水平的變化規(guī)律繪制于圖7。由圖7可以看出,單樁在荷載水平大于80%后,端阻力才開始發(fā)揮,而帶承臺(tái)單樁的這一指標(biāo)為30%。當(dāng)荷載水平為80%～100%時(shí),單樁樁端阻分擔(dān)的荷載為0～15.5%,而相同荷載水平下,帶承臺(tái)單樁的樁端阻分擔(dān)的荷載為8.4%～17.7%。由此可見,帶承臺(tái)單樁中承臺(tái)對(duì)樁的端阻的發(fā)揮有增強(qiáng)作用。

圖8為根據(jù)樁身軸力得到的單樁和帶承臺(tái)單樁在達(dá)到各自的極限承載力前各量測(cè)斷面之間摩阻力隨位移的變化情況。單樁的樁側(cè)摩阻力基本上隨位移的增大而增大,即為硬化型;而帶承臺(tái)單樁在5.7 m以上,摩阻力-位移關(guān)系曲線卻呈軟化型,且隨深度增大,達(dá)到極限摩阻力時(shí)所需的位移也在增大。這表明與樁同步下沉的承臺(tái)使樁身上部樁土之間的相對(duì)位移減小,影響了樁身上部摩阻力的發(fā)揮。

圖7 端阻力分擔(dān)荷載與荷載水平的關(guān)系

圖8 摩阻力與位移的關(guān)系

根據(jù)單樁的樁頂荷載及帶承臺(tái)單樁在總荷載作用下樁頂處的軸力,繪制出二者在達(dá)到各自的極限承載力前的樁頂荷載-沉降關(guān)系曲線,如圖9所示。對(duì)于帶承臺(tái)單樁,由于剛性承臺(tái)的影響,迫使承臺(tái)下土體與樁同步下沉,由于土的剛度低,荷載作用下產(chǎn)生的變形大,此外,由于承臺(tái)對(duì)端阻有增強(qiáng)作用,而端阻在發(fā)揮的同時(shí)也是樁端土層被壓密、樁端土層變形產(chǎn)生的過程;但對(duì)于單樁而言,達(dá)到極限荷載時(shí),樁端阻力未發(fā)揮,總沉降量小。因此,盡管帶承臺(tái)單樁的極限承載力要大于單樁的,但在相同樁頂荷載下,帶承臺(tái)單樁中樁頂?shù)某两盗繀s較單樁的大。

圖9 單樁與承臺(tái)下單樁的荷載～沉降曲線

3 結(jié) 論

(1)承臺(tái)下土分擔(dān)荷載的作用明顯,且承受的壓力已大于天然地基的極限承載力。

(2)在荷載作用下,由于承臺(tái)與樁同步下沉,使樁段上部樁土之間的相對(duì)位移減小,影響了該樁段側(cè)摩阻力的發(fā)揮。

(3)帶承臺(tái)單樁中的承臺(tái)對(duì)端阻的發(fā)揮有明顯的增強(qiáng)作用,但同時(shí),由于發(fā)揮端阻所需的位移量較大,因此,在相同樁頂荷載下,帶承臺(tái)單樁中樁頂?shù)某两盗枯^單樁的樁頂沉降量大。

[1]王 浩,周 健,鄧志輝.樁-土-承臺(tái)共同作用的模型試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2006,28(10):1253-1258.

[2]陳亞東,宰金珉,佘躍心,等.基于DIC技術(shù)的樁-土-承臺(tái)共同作用性狀的模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2009,28(Z1):3001-3007.

[3]李 濤.軟土地基樁-土-承臺(tái)共同作用的有限元分析[J].路基工程,2009,(4):140-142.

[4]李富盈.樁-土-承臺(tái)共同作用的模型試驗(yàn)研究[J].河南科學(xué),2007,25(6):957-959.

[5]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.GB50007-2002.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003:100-101.

[6]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.JGJ106-2003J256-2003.建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003:13-18.