焉學(xué)永， 周德泉， 楊志華， 蘇　偉

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 永順　416700；　2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙　410114；　3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 巖土工程施工災(zāi)變防控與環(huán)境修復(fù)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖南 長(zhǎng)沙　410114；　4.湖北省路橋集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢　430000)

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樁體復(fù)合地基重復(fù)加卸載過(guò)程中側(cè)向約束樁土壓力特性實(shí)驗(yàn)研究

焉學(xué)永1， 周德泉2，3， 楊志華2，4， 蘇偉1

(1.湖南省永龍高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司， 湖南 永順416700；2.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木與建筑學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙410114；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 巖土工程施工災(zāi)變防控與環(huán)境修復(fù)技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心， 湖南 長(zhǎng)沙410114；4.湖北省路橋集團(tuán)有限公司， 湖北 武漢430000)

[摘要]側(cè)向約束樁土壓力問(wèn)題比較復(fù)雜。采用室內(nèi)模型實(shí)驗(yàn)研究樁體復(fù)合地基重復(fù)加卸載過(guò)程中側(cè)向約束樁土壓力特性。結(jié)果表明： ①荷載作用下，樁側(cè)土壓力在樁上部呈直角三角形分布，中部有一個(gè)最大值，下部呈直角梯形分布，整體上呈拋物線分布。 ②重復(fù)加、卸載過(guò)程中，下部的樁側(cè)土壓力增(降)幅最小，上部次之，中部最大。 ③首次加載階段，峰值出現(xiàn)在0.11～0.33 H處，有下移趨勢(shì)。重復(fù)加載階段，峰值位置有上移趨勢(shì)；重復(fù)卸載階段，峰值位置有下移趨勢(shì)，變化范圍在0.55～0.33 H處。 ④重復(fù)加、卸載到相同荷載時(shí)，樁側(cè)土壓力隨加、卸載次數(shù)增加而減??；分布曲線的拋物線線型和峰值位置不變。

[關(guān)鍵詞]樁體復(fù)合地基； 加卸載； 側(cè)向約束樁； 土壓力； 實(shí)驗(yàn)

0前言

剛性擋土墻側(cè)向土壓力計(jì)算有多種方法[1]，計(jì)算復(fù)雜，影響因素繁多，分布形式各異。近年來(lái)，針對(duì)具體情況[2-6]開(kāi)展了相關(guān)研究工作。劉斯宏等[2]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土工袋柔性擋墻墻后土壓力沿墻高呈非線性分布，土壓力最大值位置接近墻底的下部。為解決錢塘江古海塘外傾問(wèn)題，鄭燁等[3]對(duì)氣泡混合輕質(zhì)土、原狀土和頁(yè)巖陶粒等不同填筑材料下塘背土壓力進(jìn)行了觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)塘背土壓力分布形式基本相同，均呈中間大，兩端小的分布形狀，在塘背中部，存在著不同程度的褶曲。傅翔等[4]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)全埋式抗滑樁樁身土壓力呈現(xiàn)上下小、中間大的近似拋物線分布，樁身最大土壓力出現(xiàn)在樁中部。祝廷尉等[5]通過(guò)物理模型試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，嵌巖樁樁后土壓力隨深度分布形式從三角形演變成拋物形，樁前土壓力隨深度呈三角形分布形式，坡表處抗力較小，接近滑動(dòng)面處抗力值較大。劉偉宏等[6]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)單個(gè)圍樁-土耦合抗滑結(jié)構(gòu)抗滑段內(nèi)各圍樁后土壓力近似呈拋物線分布。“側(cè)向約束樁-復(fù)合地基[7]”是一種組合型復(fù)合地基，即在填土外側(cè)或者坡下一側(cè)軟基中設(shè)置剛度很大的樁(稱為側(cè)向約束樁)以重點(diǎn)控制側(cè)向變形、填土正下方軟基中設(shè)置散體材料樁或者柔(剛)性樁以重點(diǎn)控制豎向變形，取得了良好的工程效果[8，9]，但這種組合型復(fù)合地基工作機(jī)制研究剛剛起步，樁體復(fù)合地基上堆載時(shí)側(cè)向約束樁土壓力特性尚不清楚，制約了“側(cè)向約束樁-復(fù)合地基”的設(shè)計(jì)與推廣應(yīng)用。本文采用室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究樁體復(fù)合地基3次重復(fù)加、卸載過(guò)程中側(cè)向約束樁土壓力分布與變化規(guī)律，為探索相應(yīng)計(jì)算方法提供依據(jù)。

1模型實(shí)驗(yàn)概況

本次模型試驗(yàn)在長(zhǎng)度×寬度×高度為2.5 m×1.5 m×1.5 m的鋼筋混凝土模型槽內(nèi)進(jìn)行，槽內(nèi)側(cè)向約束樁(端承樁)及復(fù)合地基模型樁(摩擦樁)的布置如圖1所示，樁的參數(shù)見(jiàn)表1。圖1中，側(cè)向約束樁長(zhǎng)度為120 cm、邊長(zhǎng)為5 cm的方形水泥砂漿樁，B樁距離A樁2倍樁徑為10 cm，C樁距離A樁4倍樁徑為20 cm。

圖1　模型樁布置示意圖Figure 1　Arrangements of model piles

表1 模型樁參數(shù)Table1 Parametersofmodelpiles樁號(hào)直徑或邊長(zhǎng)D/mm長(zhǎng)度L/mm截面形狀彈性模量E/GPa材料與樁型A、B、C501200 方形16.55水泥砂漿、端承樁Z1、Z440800圓形6.91Z2、Z540800圓形6.91Z3、Z640400圓形6.91PVC管充填水泥砂漿樁。Z2、Z5樁長(zhǎng)一半處鋸斷 注:①B樁距離A樁10cm(2D),C樁距離A樁20cm(4D);②樁埋入土頂面以下長(zhǎng)度用H表示。

試驗(yàn)前，先預(yù)制模型樁并在水槽中養(yǎng)護(hù)1個(gè)月。在A樁有凹槽的一面用雙面膠固定土壓力盒(丹東市三達(dá)測(cè)試儀器廠生產(chǎn)，型號(hào)為DYB-2，量程為 0.1 MPa，10個(gè)壓力盒與土頂面距離分別為0，110，220，330，440，550，660，770，880，990 mm。

模型土由過(guò)篩后室內(nèi)存放6 a的干燥紅黏土與砂土等比拌和、自重填筑而成。模型土含水率為2.5%，密度為1.26 g/cm3，最大粒徑5 mm，不均勻系數(shù)Cu=5.36，曲率系數(shù)Cc=1.39，級(jí)配良好。填土厚度為1 m。填土前，先把各樁在模型槽內(nèi)的分布位置按圖1(a)確定好，側(cè)向約束樁有凹槽的一面作為迎土面。每填筑20 cm校準(zhǔn)樁體垂直度和平面位置。填筑完成后，靜置近1個(gè)月，讓模型土自重沉降。

整個(gè)試驗(yàn)由千斤頂加載，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)砝碼堆載提供反力。采用TDS-530及其配套的電腦軟件采集各壓力盒的應(yīng)變，再根據(jù)壓力盒的標(biāo)定方程計(jì)算樁側(cè)土壓力值。試驗(yàn)參照規(guī)范[10]附錄B進(jìn)行。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1重復(fù)加載過(guò)程中樁側(cè)土壓力隨深度變化規(guī)律

圖2為樁體復(fù)合地基3次加壓過(guò)程中，側(cè)向約束樁A在各級(jí)荷載(指樁體復(fù)合地基承受的荷載，下同)作用下樁側(cè)土壓力p與離土頂面距離z變化曲線。分析發(fā)現(xiàn)：

① 每級(jí)荷載作用下，上部的樁側(cè)土壓力p呈直角三角形分布，與土頂面距離z增大時(shí)，樁側(cè)土壓力p先增大、后減小，有一個(gè)最大值，下部的樁側(cè)土壓力p呈直角梯形分布，整體上形成拋物線，與彈性理論確定超載(集中荷載、線荷載、條形荷載、面荷載)產(chǎn)生的側(cè)向壓力沿?fù)跬翂Ω叨确植记€類似[1]。這為樁體復(fù)合地基受載時(shí)側(cè)向約束樁土壓力計(jì)算指明了方向。

② 荷載增加過(guò)程中，下部的樁側(cè)土壓力增幅最小，上部次之，中部最大。說(shuō)明側(cè)向約束樁中部對(duì)樁體復(fù)合地基受載非常敏感。

③ 不同加載階段的峰值變化規(guī)律不同。首次加載階段(見(jiàn)圖2(a))，峰值出現(xiàn)在0.11～0.33H處，有下移趨勢(shì)；第2和第3次加載階段(見(jiàn)圖2(b，c))，峰值出現(xiàn)在0.55～0.33H處，有上移趨勢(shì)，高壓力階段的峰值位置0.33H剛好與彈性理論確定超載(集中荷載、線荷載、條形荷載、面荷載)產(chǎn)生的側(cè)向壓力沿?fù)跬翂Ω叨确植记€峰值位置0.4H接近[1，11]。

圖2　3次加載過(guò)程中樁側(cè)土壓力隨深度變化規(guī)律Figure 2　Relationship between depth and lateral constraint 　　　pile′s lateral soil pressure under 3 times loading

為了研究不同加載階段達(dá)到相同荷載時(shí)的樁側(cè)土壓力分布規(guī)律，作出3次加載到120 kN時(shí)樁側(cè)土壓力隨離土頂面距離z和加載次序i變化曲線，見(jiàn)圖3。分析發(fā)現(xiàn)：

① 3次重復(fù)加載到相同荷載時(shí)，分布曲線的拋物線線型和峰值位置不變。

② 3次重復(fù)加載到相同荷載時(shí)，樁側(cè)土壓力隨加載次數(shù)增加而減小。

2.2重復(fù)卸載過(guò)程中樁側(cè)土壓力隨深度變化規(guī)律

圖4為樁體復(fù)合地基3次卸載過(guò)程中，側(cè)向約束樁A在各級(jí)荷載(指樁體復(fù)合地基承受的荷載，下同)作用下樁側(cè)土壓力p與離土頂面距離z變化曲線。分析發(fā)現(xiàn)：

① 線型與3次重復(fù)加載過(guò)程類似，每級(jí)荷載作用下，上部的樁側(cè)土壓力p呈直角三角形分布，與土頂面距離z增大時(shí)，樁側(cè)土壓力p先增大、后減小，有一個(gè)最大值，下部的樁側(cè)土壓力p呈直角梯形分布，整體上形成拋物線。

圖3　3次加載到120 kN時(shí)樁側(cè)土壓力變化Figure 3　Changes of lateral constraint pile′s lateral soil 　　　pressure when3 times loading to 120 kN

② 荷載減少過(guò)程中，下部的樁側(cè)土壓力減幅最小，上部次之，中部最大；峰值出現(xiàn)在0.55～0.33H處，有下移趨勢(shì)。說(shuō)明側(cè)向約束樁中部對(duì)樁體復(fù)合地基卸載非常敏感。

③ 卸載到零時(shí)，0.11H處出現(xiàn)拉力。

為了研究不同卸載階段達(dá)到相同荷載時(shí)的樁側(cè)土壓力分布規(guī)律，作出3次卸載到0時(shí)樁側(cè)土壓力隨離土頂面距離z變化曲線，見(jiàn)圖5。分析發(fā)現(xiàn)：

① 3次重復(fù)卸載到相同荷載時(shí)，分布曲線的拋物線線型和峰值位置不變。

② 3次重復(fù)卸載到相同荷載時(shí)，樁側(cè)土壓力隨卸載次數(shù)增加而減小。

圖4　3次卸載過(guò)程中樁側(cè)土壓力隨深度變化規(guī)律Figure 4　Relationship between depth and lateral constraint 　　　pile′s lateral soil pressure under 3 times unloading

圖5　3次卸載到0 時(shí)樁側(cè)土壓力變化Figure 5　Changes of lateral constraint pile′s lateral soil 　　　pressure when3 times unloading to zero

3結(jié)論

樁體復(fù)合地基重復(fù)加、卸載過(guò)程中，側(cè)向約束樁側(cè)向土壓力出現(xiàn)了特殊規(guī)律。

① 荷載作用下，樁上部的側(cè)向土壓力呈直角三角形分布，與土頂面距離增大時(shí)，樁側(cè)土壓力先增大、后減小，有一個(gè)最大值，下部的樁側(cè)土壓力呈直角梯形分布，整體上形成拋物線。這為樁體復(fù)合地基受載時(shí)側(cè)向約束樁土壓力計(jì)算指明了方向。

② 重復(fù)加、卸載過(guò)程中，樁下部的側(cè)向土壓力增(降)幅最小，上部次之，中部最大。說(shuō)明側(cè)向約束樁中部對(duì)樁體復(fù)合地基加、卸載非常敏感。

③ 首次加載階段，峰值出現(xiàn)在0.11～0.33H處，有下移趨勢(shì)。重復(fù)加載階段，峰值位置有上移趨勢(shì)；重復(fù)卸載階段，峰值位置有下移趨勢(shì)，變化范圍在0.55～0.33H處。

④ 重復(fù)加、卸載到相同荷載時(shí)，樁側(cè)土壓力隨加載次數(shù)增加而減??；分布曲線的拋物線線型和峰值位置不變。

[參考文獻(xiàn)]

[1]Joseph E.Bowles.Foundation Analysis and Design(5th ed.)[M].America：McGraw-Hill Book Company，1996.

[2]劉斯宏，薛向華，樊科偉，等.土工袋柔性擋墻位移模式及土壓力研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2014，36(12)：2267-2273.

[3]鄭燁，陳振華，張開(kāi)偉，等.不同填料下錢塘江古海塘塘背土壓力現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2014，35(6)：1623-1628.

[4]傅翔，謝強(qiáng)，張永興，等.全埋式抗滑樁傾覆破壞的室內(nèi)模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2014，35(8)：2205-2218.

[5]祝廷尉，胡新麗，徐聰，等.嵌巖樁抗滑特性的物理模型試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2014，35(增)：165-172.

[6]劉偉宏，鄭明新，王虹，等.單個(gè)圍樁-土耦合抗滑結(jié)構(gòu)的土壓力試驗(yàn)分析[J].河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35(1)：89-93.

[7]周德泉，顏超，羅衛(wèi)華.復(fù)合樁基重復(fù)加卸載過(guò)程中側(cè)向約束樁變位規(guī)律試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2015，36(10)：2780-2786.

[8]姚裕春，魏永幸，袁碧玉.高速鐵路斜坡路堤變形控制探討[J].鐵道工程學(xué)報(bào)，2014(5)：16-21.

[9]劉漢龍，趙明華.地基處理研究進(jìn)展[A].中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第十二屆土力學(xué)及巖土工程學(xué)術(shù)大會(huì)論文集[C].上海，2015：48-65.

[10]JGJ 79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[11]王廣月.地下結(jié)構(gòu)局部超載側(cè)壓力計(jì)算[J].巖土工程技術(shù)，1997(1)：35-40.

An Experimental Study of Soil Pressure Characteristics of Laterally Constraint Pile When Pile Composite Foundation Loading and Unloading Repeated

YAN Xueyong1， ZHOU Dequan2，3， YANG Zhihua2，4， SU Wei1

(1.Hunan Provincial Yonglong Expressway Construction and Development Co.， Ltd.， Yongshun， Hunan 416700， China；2.School of Civil Engineering and Architecture， Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hunan 410114， China；3.Collaborative Innovation Centre of Disaster Prevention and Environmental Restoration Technology for Geotechnical Engineering Construction， Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hunan 410114， China；4.Hubei Provincial Road & Bridge Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei 430000， China)

[Abstract]The problem of soil pressure for lateral constraint pile is more complicated.Soil pressure characteristics of laterally constraint pile were studied by experiment when pile composite foundation loading and unloading repeated.The study results are shown as follows： ①Under the load，the soil pressure in the upper part of the lateral constraint pile is a right angle triangle distribution and right angle trapezoidal distribution in the lower part and parabolic distribution on the whole.There is a maximum value in the middle. ②During repeated loading and unloading process，the lower part of the pile's lateral soil pressure increase(drop)the smallest，the second in the upper part，the largest in the middle. ③For the first loading stage，the peak appears in the 0.11～0.33H，and there is a downward trend.Repeated loading stage，the peak position has the upward trend，repeated unloading stage，the peak position has a downward trend，the peak changes in the range of 0.55～0.33H. ④Repeated loading or unloading to the same load，the pile's lateral soil pressure reduces with the increase of the number of loading or unloading.Parabolic curve and peak position of the distribution curve have not changed.

[Key words]pile composite foundation； loading and unloading； lateral constraint pile； pile′s lateral soil pressure； experiment

[中圖分類號(hào)]U 416.1+4

[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼]A

[文章編號(hào)]1674—0610(2016)02—0023—05

[作者簡(jiǎn)介]焉學(xué)永(1972—)，男，湖南邵東人，高級(jí)工程師，從事高速公路建設(shè)與管理工作。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(No.51378083，No.50978036)；湖南省交通運(yùn)輸廳科技項(xiàng)目資助(No.201304)；國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目資助(No.201410536003)；長(zhǎng)沙理工大學(xué)土木工程優(yōu)勢(shì)特色重點(diǎn)學(xué)科創(chuàng)新性項(xiàng)目資助。

[收稿日期]2016—02—17