劉 瑩，覃立勝，甘 慶，劉 濤

(1.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，南寧 530004；2.廣西大學(xué)工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全重點實驗室，南寧 530004；3.南寧市建筑設(shè)計研究院有限公司，南寧 530002；4.廣西大學(xué)海洋學(xué)院，南寧 530004)

近年來，中國海洋經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，海洋建筑興建，常見的海上風(fēng)機(jī)、海上鉆井平臺、港口碼頭、橋梁等建筑的基礎(chǔ)型式均采用樁基礎(chǔ)，這些海洋建筑常常會承受機(jī)器運轉(zhuǎn)、風(fēng)、浪、地震、車輛來往等帶來的循環(huán)荷載。針對豎向循環(huán)荷載對樁基承載特性的影響，學(xué)者們已開展了廣泛研究。為了反映實際工況中樁基循環(huán)加載特性，學(xué)者們采用原位試驗[1-3]和離心試驗[4-5]方法進(jìn)行了研究。陳仁朋等[1]通過現(xiàn)場試驗，研究軟黏土地基中不同靜荷載與循環(huán)荷載組合作用下管樁的極限承載力及累積沉降特性。Li等[4]通過離心模型試驗研究了在豎向循環(huán)荷載作用下，樁的不同安裝方式對樁基性能的影響。這些試驗成本高、測試難度大、可重復(fù)性小，因此對樁基承載力的試驗研究更多采用室內(nèi)模型試驗[6-12]。Harry等[10]通過室內(nèi)模型試驗發(fā)現(xiàn)，循環(huán)荷載引起的樁側(cè)摩阻力退化程度與循環(huán)位移、循環(huán)次數(shù)、土體類型和樁的類型有關(guān)。陳竹昌等[11]在黏性土中進(jìn)行單樁室內(nèi)模型試驗，揭示了隨著循環(huán)次數(shù)增加，位移呈現(xiàn)增大直至增大趨勢逐漸平緩的規(guī)律。胡瑞庚等[12]研制了一種多荷載耦合循環(huán)加載裝置，可研究多荷載耦合作用下海洋工程樁基礎(chǔ)動力響應(yīng)及樁土相互作用導(dǎo)致的樁周土剛度弱化規(guī)律。樁基室內(nèi)模型試驗已取得大量成果和不斷的創(chuàng)新，但常規(guī)的室內(nèi)模型試驗可施加的圍壓有限，難以模擬離岸工程實際工況中樁基的應(yīng)力狀態(tài)。

軟土在中國分布廣泛[13]，它具有滲透系數(shù)小、固結(jié)時間長等特點，當(dāng)作為基礎(chǔ)時易對樁產(chǎn)生負(fù)摩阻力，使樁基產(chǎn)生非常大的下拉荷載和沉降，導(dǎo)致基礎(chǔ)不均勻沉降，對建筑物造成危害[14]。在不同區(qū)域、不同深度，軟土固結(jié)狀態(tài)不同，樁基承載能力也有所區(qū)別。現(xiàn)階段對于不同固結(jié)狀態(tài)軟土的樁基承載能力的研究較少，但對不同固結(jié)狀態(tài)軟土的剪切特性的研究已有一定的成果。蘇棟等[15]通過數(shù)值模擬研究了場地初始固結(jié)度對單樁負(fù)摩阻力的影響。張濤[16]通過動三軸儀研究了地鐵列車荷載下不同固結(jié)度重塑黏土動力特性。汪洪星等[17]通過理論分析及室內(nèi)模型試驗研究了軟土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)隨固結(jié)度變化規(guī)律。馮東[18]通過空心圓柱扭剪試驗,深入研究了多維耦合應(yīng)力定向加載與間歇循環(huán)動力加載兩種應(yīng)力條件,對于不同固結(jié)度軟土的靜動力特性的影響。大量已有的試驗表明[19-21]，固結(jié)狀態(tài)對飽和軟土的抗剪強(qiáng)度有較大影響，飽和軟土中的樁基礎(chǔ)在不同固結(jié)狀態(tài)的承載特性值得進(jìn)行深入研究。

使用小型樁基豎向循環(huán)加載系統(tǒng)進(jìn)行模型試驗，其可對土樣施加較高圍壓，模擬實際工程中高圍壓狀況下樁基的真實應(yīng)力狀態(tài)。模型試驗在3種不同固結(jié)狀態(tài)的飽和軟土中分別進(jìn)行了靜載試驗、循環(huán)加載后靜載試驗，對試驗所得樁基動剛度、樁基極限承載力變化結(jié)果進(jìn)行分析，研究不同固結(jié)狀態(tài)下，循環(huán)荷載對飽和軟土中樁基循環(huán)承載能力的影響。采用數(shù)值分析方法對模型試驗進(jìn)行模擬，得出樁側(cè)摩阻力、樁端阻力變化曲線，進(jìn)一步分析樁基承載力的弱化規(guī)律。根據(jù)研究成果，對實際工程中樁基礎(chǔ)的豎向循環(huán)弱化提出應(yīng)對措施和建議。

1 試驗介紹

1.1 試驗土樣

試驗土樣取自南寧市云景路北側(cè)，環(huán)城高速公路東側(cè)屯里車輛段，經(jīng)過風(fēng)干及粉碎制成飽和軟土。對飽和軟土進(jìn)行預(yù)固結(jié)，作為地基土試驗土樣，其基本物理性質(zhì)如表1所示。

1.2 試驗設(shè)備

試驗采用小型樁基豎向循環(huán)加載模型試驗系統(tǒng)(圖1)[22]。試驗系統(tǒng)由加載系統(tǒng)、壓力室、起吊裝置、模型樁及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。加載系統(tǒng)通過伺服電機(jī)驅(qū)動聯(lián)軸器帶動滾柱絲杠轉(zhuǎn)動，使加載板在立柱上滑動，連動壓力傳感器對模型樁施加豎向單向位移荷載(0～10 cm)或循環(huán)位移荷載(0～5 cm)。壓力室為土樣容器，土樣尺寸為300 mm×400 mm(直徑×高度)，通過乳膠膜與水隔開，并由圍壓控制器通過水壓加載法對土樣施加圍壓。模型樁為不銹鋼實心樁，直徑為10 mm，長度為 500 mm，樁端為60°錐型，彈性模量為200 GPa。試驗過程可實時獲取樁頂荷載、樁頂位移、圍壓、排水體積等數(shù)據(jù)。試驗時，將乳膠膜套在壓力室底座，利用承膜桶將預(yù)固結(jié)后的土裝入乳膠膜中塑形，再將壓力室罩吊入預(yù)定位置，形成壓力室。通過螺帽將模型樁與壓力傳感器相接，加載系統(tǒng)施加位移使模型樁插入地基土預(yù)定深度。向壓力室注滿水，通過電腦控制圍壓達(dá)到預(yù)定值。保持壓力室出水口打開，以保證試樣能排水固結(jié)。達(dá)到預(yù)定固結(jié)度后，在操控面板輸入靜加載速率、動荷載幅值、動加載頻率等參數(shù)開始試驗。

圖1 小型樁基豎向循環(huán)加載系統(tǒng)實物圖

1.3 試驗方案

樁基模型試驗選取200 kPa圍壓60%固結(jié)度、400 kPa圍壓60%固結(jié)度、400 kPa圍壓90%固結(jié)度3種不同固結(jié)狀態(tài)分別進(jìn)行初始靜載試驗和循環(huán)加載后靜載試驗，樁的初始埋深均為20 cm，模型試驗示意圖如圖2所示。兩種靜載試驗均以 0.5 cm/min 的速率勻速加載至土體破壞。循環(huán)加載波形選用正弦波，加載頻率為1 Hz，連續(xù)對樁頂施加0.1、0.2、0.3、0.4 mm振幅的循環(huán)荷載，每組循環(huán)荷載均加載50次，循環(huán)加載結(jié)束后即進(jìn)行靜載試驗。數(shù)值模擬為200 kPa圍壓，60%固結(jié)度下的循環(huán)加載試驗，加載方式與模型試驗相同。試驗方案如表2所示，動加載示意圖如圖3所示。

圖2 樁基模型試驗示意圖

圖3 動加載示意圖

表2 試驗方案

試驗時土樣處于封閉高壓的壓力室中，無法取出。試驗結(jié)束后土樣必須先卸壓再取出，固結(jié)狀態(tài)已發(fā)生變化，因此無法對試驗時土樣的固結(jié)狀態(tài)進(jìn)行校核。飽和軟土因滲透系數(shù)較小而存在固結(jié)度不均勻的現(xiàn)象，因此由排水體積計算近似固結(jié)度Ut，即

(1)

式(1)中：Vt表示地基土隨著時間t的總排水體積；V∞表示固結(jié)完成時的最大排水體積。飽和軟土試樣較大，難以充分固結(jié)，故計算最大排水體積公式為

(2)

式(2)中：V表示地基土初始總體積；e0為初始孔隙比；ec表示固結(jié)完成時對應(yīng)的孔隙比，ec由圖4的三維壓縮曲線所得。利用GDS(global digital systems limited)動三軸儀對試驗土樣施加200 kPa圍壓進(jìn)行固結(jié)，體積穩(wěn)定后卸載至10 kPa，再次穩(wěn)定后加壓p′至400 kPa，得試驗土樣的三維壓縮曲線，由曲線斜率得:壓縮系數(shù)λ=0.097，回彈系數(shù)κ=0.02。

圖4 試驗土樣的三維壓縮曲線

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 樁基豎向循環(huán)加載模型試驗結(jié)果及分析

2.1.1 樁頂荷載-位移變化曲線分析

圖5～圖7為不同固結(jié)狀態(tài)下的3組樁頂荷載-位移變化的滯回曲線，第1次循環(huán)加載未能形成滯回圈，將第2、50次循環(huán)的滯回圈加黑表示。

在地基土圍壓為200 kPa，固結(jié)度為60%的情況下，當(dāng)振幅為0.1 mm時，樁頂荷載幅值稍有下降，滯回圈的面積及形狀基本不變，樁土系統(tǒng)近似處于彈性狀態(tài)。當(dāng)振幅為0.2 mm時，樁頂荷載幅值下降很大，滯回圈向位移軸傾斜，樁周土的塑性變形增加。當(dāng)振幅為0.3 mm和0.4 mm時，初始樁頂荷載幅值約為280 N，與0.2 mm時相比沒有增加，滯回圈變化不大。說明樁周土的弱化主要發(fā)生在0.2 mm振幅，在0.2 mm振幅循環(huán)后期已經(jīng)弱化至殘余強(qiáng)度。

在地基土圍壓為400 kPa，固結(jié)度為60%的情況下，各振幅的試驗現(xiàn)象與DZ1基本相同。樁周土同樣在0.2 mm振幅循環(huán)后期弱化至殘余強(qiáng)度，但殘余強(qiáng)度幅值比地基土圍壓為200 kPa時高約30 N，說明圍壓的增加減少了循環(huán)荷載的弱化作用。

在地基土圍壓為400 kPa，固結(jié)度為90%的情況下，當(dāng)振幅為0.1、0.2 mm時，滯回曲線基本重合，樁土系統(tǒng)處于彈性狀態(tài)，在0.2 mm振幅時初始樁頂荷載幅值大幅提高。說明隨著固結(jié)壓力以及固結(jié)度的增加，樁基強(qiáng)度和剛度也增加。當(dāng)振幅為0.3 mm時，出現(xiàn)了明顯的弱化現(xiàn)象，滯回圈明顯下移，隨著振次的增加滯回圈變小并逐漸穩(wěn)定，進(jìn)入了亞穩(wěn)定狀態(tài)，在振幅為0.4 mm時脫離穩(wěn)定，滯回圈再次變胖，樁土系統(tǒng)回到塑性狀態(tài)。

從圖5～圖7可以看出，循環(huán)加載過程中，隨著振動次數(shù)增加，樁土系統(tǒng)發(fā)生弱化，樁頂荷載的幅值會逐漸下降并趨于穩(wěn)定，加載振幅越大下降趨勢越明顯，說明振幅越大弱化效果越強(qiáng)。同一振幅，地基土固結(jié)度越大、固結(jié)圍壓越高，樁頂荷載幅值變化越緩，說明固結(jié)度、固結(jié)圍壓的提高增強(qiáng)了樁土系統(tǒng)的抗弱化能力。

圖5 DZ1樁頂荷載-位移變化曲線(σc=200 kPa,Ut=60%)

圖7 DZ3樁頂荷載-位移變化曲線(σc=400 kPa,Ut=90%)

2.1.2 樁基動剛度結(jié)果分析

本次試驗以單個周期內(nèi)樁頂荷載-位移滯回曲線的兩個角點所成直線的斜率作為該循環(huán)周期中樁基的動剛度，如圖8所示，循環(huán)周期樁基的動剛度K=2 207.3。為了更好地分析整個實驗過程的樁基動剛度變化規(guī)律，每組試驗以振幅為0.1 mm時第一個滯回圈的樁基動剛度為K1，第n個滯回圈的樁基動剛度為Kn，將動剛度歸一化(k=Kn/K1)得到如圖9所示3組曲線。

圖8 樁基動剛度示意圖

圖9 循環(huán)加載過程中樁基動剛度隨振幅的變化曲線

在地基土圍壓為200 kPa，固結(jié)度為60%的情況下，振幅為0.1 mm時，動剛度基本沒有變化；振幅為0.2時，初始動剛度比為72%，隨著循環(huán)次數(shù)的增加有明顯的減小趨勢，最后趨于穩(wěn)定；振幅為0.3、0.4 mm時，初始動剛度比分別為50%、37%，動剛度變化曲線較為平緩，最終衰減至32%。

在地基土圍壓為400 kPa，固結(jié)度為60%的情況下，振幅為0.2、0.3、0.4 mm時，初始動剛度比分別為76%、57%、44%。每個振幅的動剛度比變化趨勢與圍壓為200 kPa時基本一致，穩(wěn)定時的動剛度比均大于圍壓為200 kPa相應(yīng)振幅的動剛度比，最終衰減至35%。

在地基土圍壓為400 kPa，固結(jié)度為90%的情況下，樁周土硬化的應(yīng)力閾值較高。當(dāng)振幅為 0.1 mm 時，樁周土發(fā)生硬化，動剛度比有微弱的上升趨勢。振幅為0.2 mm時，初始動剛度比提升至114%，循環(huán)荷載已超過應(yīng)力閾值，樁周土開始軟化，動剛度比有下降趨勢。振幅為0.3 mm時，初始動剛度比為108%，動剛度軟化更顯著。振幅為 0.4 mm 時，初始動剛度比降至79 %，隨著循環(huán)次數(shù)增加最終衰減至71%。前兩組試驗沒出現(xiàn)此類情況是因為其樁周土硬化的應(yīng)力閾值較低，在振幅0.1 mm時已超過硬化應(yīng)力閾值，樁周土已開始微小軟化，振幅0.2 mm時軟化至殘余值。

從以上3組曲線可以看出:地基土固結(jié)度、固結(jié)圍壓的提升會樁周土硬化的應(yīng)力閾值。當(dāng)循環(huán)荷載小于應(yīng)力閾值時，樁土系統(tǒng)的動剛度比有上升趨勢。當(dāng)循環(huán)荷載大于應(yīng)力閾值時，樁土系統(tǒng)的動剛度會產(chǎn)生衰減，振幅越大初始動剛度比越小，同一振幅隨著振次的增加衰減至穩(wěn)定。因此固結(jié)度或固結(jié)壓力的提高會減緩動剛度衰減速率。

2.1.3 初始靜載試驗和循環(huán)加載后靜載試驗結(jié)果及分析

在進(jìn)行靜力加載試驗時，隨著樁頂位移的增加，樁頂豎向荷載逐漸增大。當(dāng)位移增加到達(dá)一定值后，樁頂荷載基本不再變化，此轉(zhuǎn)折點對應(yīng)的樁頂荷載即為樁基極限承載力。圖10為3種固結(jié)狀態(tài)下初始靜載和循環(huán)加載后靜載的樁頂位移-荷載關(guān)系曲線。由圖10可以看出，循環(huán)加載后靜載的曲線形狀和初始靜載相似。初始靜載試驗JZ1、JZ2、JZ3得到的樁基極限承載力分別為440、1 000、1 480 N，循環(huán)加載后靜載試驗DZ1、DZ2、DZ3得到的殘余樁基極限承載力分別為300、520、610 N，分別弱化為原來的75%、52%、41%。此變化規(guī)律反映了固結(jié)度和固結(jié)圍壓的增加對樁基承載力有明顯的提升作用。循環(huán)加載使樁基強(qiáng)度弱化及剛度軟化，隨著固結(jié)度和固結(jié)圍壓的提高，弱化后的殘余樁基承載力也提升，但其相應(yīng)的殘余承載比(殘余樁基極限承載力/初始樁基極限承載力)卻減小。

C表示固結(jié)圍壓，kPa；U表示固結(jié)度

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

樁基承載力包括樁側(cè)摩阻力和樁端阻力，為了深入研究樁基承載力的循環(huán)弱化，對模型試驗DZ1進(jìn)行了數(shù)值模擬，以知樁側(cè)摩阻力與樁端阻力的變化。地基土模型采用基于非線性運動硬化的飽和軟土循環(huán)弱化模型[23]。模型計算參數(shù)如表3所示。建立軸對稱有限元模型，在樁土界面上，將樁土邊界設(shè)置為共節(jié)點，并將土體和樁中軸處施加水平方向約束，土體底部施加固定約束。模型選用8節(jié)點四邊形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并在樁附件的土體采用網(wǎng)格加密，樁土有限元模型如圖11所示。

圖11 樁基有限元模型

表3 數(shù)值模擬中的材料參數(shù)

圖12為數(shù)值模擬得到的樁頂荷載-位移滯回曲線，振幅為0.1 mm時，滯回圈基本不變。振幅為0.2 mm時，樁頂荷載幅值下降很大，上拔荷載下拉荷載同步下降，滯回圈逐漸向位移軸傾斜。振幅為0.3 mm和0.4 mm時，樁土系統(tǒng)僅有殘余強(qiáng)度發(fā)揮作用，數(shù)值模擬與模型試驗的滯回圈大小及變化規(guī)律基本吻合。由此可知，該數(shù)值模擬具有較好的準(zhǔn)確有效性，所得樁側(cè)摩阻力、樁端阻力的變化結(jié)果較為可靠。

圖12 SM1樁頂荷載-位移變化曲線

圖13、圖14分別為0.1、0.2 mm振幅的深度1、5、10、15 cm時的樁側(cè)摩阻力變化圖。隨著樁頂循環(huán)位移的加載，不同深度處的樁側(cè)摩阻力幅值隨振次增加逐漸減小。振幅為0.1 mm時，各個深度處樁側(cè)摩阻力弱化不明顯。當(dāng)振幅為0.2 mm時，各深度的樁側(cè)摩阻力變化曲線有明顯的弱化，均在25次左右時弱化完全。當(dāng)樁頂位移振幅繼續(xù)增大時(0.3、0.4 mm)，樁側(cè)摩阻力也僅剩殘余值。

圖13 0.1 mm振幅循環(huán)荷載下不同深度樁側(cè)摩阻力變化圖

圖14 0.2 mm振幅循環(huán)荷載下不同深度樁側(cè)摩阻力變化圖

圖15為循環(huán)加載初期與后期的樁側(cè)摩阻力沿著深度的分布圖。在加載后期，樁側(cè)摩阻力均產(chǎn)生了的弱化，在振幅為0.2 mm時弱化最明顯，并在加載后期弱化完全，因此振幅為0.3、0.4 mm時的樁側(cè)摩阻力分布圖基本一致。沿著樁身，深度越大樁側(cè)摩阻力越小，樁身上端的樁側(cè)摩阻力弱化更大，深度為19 cm時樁側(cè)摩阻力很小，弱化也更小，說明了該樁承載力主要以樁側(cè)摩阻力為主。樁側(cè)摩阻力的弱化是樁基承載力降低的主要原因。

圖15 樁側(cè)摩阻力沿深度分布圖

圖16為不同循環(huán)荷載振幅下樁端阻力變化曲線數(shù)值模擬結(jié)果圖。振幅為0.1 mm時，樁端阻力并無明顯弱化現(xiàn)象，這與樁側(cè)摩阻力變化趨勢一致。振幅為0.2 mm時，樁端阻力隨著加載次數(shù)的增加而弱化，加載50次時也沒有出現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，與樁側(cè)摩阻力相比，樁端阻力的弱化速率更慢。振幅為0.3 mm時，樁端阻力持續(xù)弱化至25次后趨于穩(wěn)定。振幅為0.4 mm時，樁端土僅剩殘余阻力發(fā)揮作用。

圖16 樁頂循環(huán)幅值不同時樁端阻力變化圖

由此可知，樁頂荷載由樁側(cè)摩阻力與樁端阻力共同承擔(dān)，樁基承載力弱化過程中，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同弱化，樁端阻力的弱化速率滯后于樁側(cè)摩阻力。當(dāng)樁端阻力弱化至殘余值時，整個樁土系統(tǒng)的弱化完成。

3 結(jié)論

(1)樁頂豎向循環(huán)位移加載會使樁土系統(tǒng)弱化，地基土固結(jié)圍壓和固結(jié)度增加使樁土系統(tǒng)抗弱化能力提高。循環(huán)位移加載過程中，土體相對于樁向下位移而產(chǎn)生負(fù)摩阻力，降低樁基承載力。

(2)地基土的固結(jié)狀態(tài)影響樁基動剛度的變化。固結(jié)度較低時，振幅越大，動剛度越小。固結(jié)圍壓較大、固結(jié)度較高時，小振幅循環(huán)荷載使樁周土硬化，動剛度反而增加，當(dāng)循環(huán)加載超過硬化應(yīng)力閾值后動剛度開始降低，最終動剛度小于初始動剛度。

(3)循環(huán)荷載作用后，樁基極限承載力會發(fā)生弱化。固結(jié)圍壓越大、固結(jié)度越高，初始和弱化后的樁基極限承載力越大，相應(yīng)的殘余承載比卻減小。

(4)通過數(shù)值模擬可知，深度越淺樁側(cè)摩阻力越大，弱化也越大。樁基承載力弱化時，樁側(cè)摩阻力、樁端阻力共同弱化，但樁端阻力弱化較慢，當(dāng)樁端阻力弱化至殘余值時，整個樁土系統(tǒng)的弱化完成。

(5)實際工程中循環(huán)荷載對飽和軟土樁基承載力的衰減難以避免，但可以采取一定措施應(yīng)對衰減帶來的結(jié)果:若工期時間充裕，應(yīng)進(jìn)行地基處理促進(jìn)排水固結(jié)后再開展工程，以在樁基弱化后能提供足夠的殘余承載力；若工期緊迫，可對樁周土進(jìn)行注漿加固，提升樁基承載力。當(dāng)樁端持力層為較堅硬的土層，在設(shè)計樁基承載力時應(yīng)將樁側(cè)負(fù)摩阻力考慮在內(nèi)。