軟土場(chǎng)地傾斜群樁室內(nèi)模型試驗(yàn)研究

夏 雄，封金財(cái)，王小平

(常州大學(xué) 巖土工程研究所，江蘇 常州 213164)

由于斜樁的研究相對(duì)復(fù)雜，通過(guò)模型試驗(yàn)對(duì)其作用機(jī)理和性狀進(jìn)行研究就具有較強(qiáng)的針對(duì)性和目的性。Meyerhof＆YalCin(1993)[1]及 Meyerhof(1995)[2]采用模型試驗(yàn)的方法研究了斜樁在傾斜荷載下的受力—變形特性，給出斜樁在不同傾角以及不同荷載下的樁頂水平位移和軸向位移隨荷載變化曲線(xiàn)。Zhang等[3](1999)用離心機(jī)在砂土中做水平荷載斜樁模型試驗(yàn)，給出了不同相對(duì)密度、不同內(nèi)摩擦角砂土中，不同傾角斜樁水平荷載—水平位移曲線(xiàn)。Zhang等[4](2002)用離心機(jī)做斜樁群樁水平承載力模型試驗(yàn)，研究斜樁群樁抵抗水平荷載的能力和特點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)樁頂豎向荷載作用對(duì)水平承載力的影響很小。譚國(guó)煥等[5]把樁周表面不同粗糙度的三根模型樁置于砂箱中，來(lái)研究松砂土中樁側(cè)表面粗糙程度對(duì)樁承載力的影響。趙明華等[6]以鋁管在砂箱內(nèi)進(jìn)行了不同傾角的傾斜荷載作用下的室內(nèi)模型樁試驗(yàn)，建立了傾斜荷載下確定極限承載力的經(jīng)驗(yàn)公式。這些研究都具有較好的參考價(jià)值。

本文結(jié)合韓江特大橋初步設(shè)計(jì)方案及其工程場(chǎng)地地質(zhì)勘察報(bào)告，選擇該區(qū)段具有代表性的群樁基礎(chǔ)作為研究對(duì)象，按傾斜度分別為0°，5°，8°，12°的 4 組情況，進(jìn)行群樁在深厚軟土中模型試驗(yàn)，研究斜樁工作性狀。

1 試驗(yàn)方法

在主要滿(mǎn)足實(shí)際樁長(zhǎng)徑比和剛度要求的條件下，取幾何相似比CL=1∶60。以此為基礎(chǔ)開(kāi)展室內(nèi)模型試驗(yàn)研究。實(shí)際工程中樁長(zhǎng)71 m，由幾何相似比CL=可得模型樁長(zhǎng)度1 180 mm。試驗(yàn)采用外徑為36 mm，內(nèi)徑為33 mm，彈性模量為70 GPa鋁合金管來(lái)制作模型樁。選用420 mm×280 mm×10 mm鋼板模擬樁基承臺(tái)。模型槽的設(shè)計(jì)主要考慮到邊界效應(yīng)、土量大小、測(cè)試方式、對(duì)填土的保水能力等因素。模型槽大小應(yīng)以盡量消除邊界效應(yīng)為原則，考慮模型槽寬度大于等于承臺(tái)板寬度5倍，高度大于等于樁長(zhǎng)1.5倍，因而模型槽實(shí)際尺寸選為1.2 m×1.2 m×1.6 m。模型槽三面為磚結(jié)構(gòu)，壁厚260 mm，一面為鋼模板，在模型槽內(nèi)側(cè)及下側(cè)均鋪薄膜塑料以減小周邊的尺寸效應(yīng)和避免土體中水的流失。

在模型土實(shí)際配制時(shí)，土樣的重度、含水量(Cγ=1，Cω=1)可以較為準(zhǔn)確地制備;黏聚力c與內(nèi)摩擦角φ精確配制較困難，因此取其近似值。

原位地質(zhì)地層主要分為四層，從上到下分別為淤泥、黏土、圓礫石、黏土，其中第二層與第四層黏土土性參數(shù)相同，原狀土和模型土物理參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 原狀土與模型土物理力學(xué)參數(shù)

試驗(yàn)加載系統(tǒng)由杠桿和砝碼組成，力臂比為3∶1，在杠桿上設(shè)置一個(gè)可以在杠桿上移動(dòng)的支點(diǎn)，便于按不同杠桿比施加荷載于樁上或承臺(tái)板上，在杠桿的一端設(shè)置一平動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)裝置，使加荷支點(diǎn)能放到模型槽的任何位置，便于加載。模型加荷裝置如圖1所示。

圖1 加荷裝置

試驗(yàn)中用到的量測(cè)設(shè)備包括百分表(數(shù)顯千分表)、應(yīng)變儀、應(yīng)變片、土壓力盒、兆歐表及萬(wàn)用表等。測(cè)量應(yīng)變片及土壓力盒應(yīng)變讀數(shù)采用4臺(tái)靜態(tài)應(yīng)變儀。應(yīng)變片選擇型號(hào)為BE120-5AA(中航電測(cè)儀器股份有限公司)應(yīng)變片，基底尺寸為3 mm×5 mm，電阻值為(120.3±0.1)Ω、具有一定防水性的聚氨脂精密級(jí)應(yīng)變片。測(cè)試靈敏系數(shù)為2.08±1%，最大應(yīng)變2%，用502膠水粘貼，703硅橡膠防水，由0.4 mm2的細(xì)導(dǎo)線(xiàn)引出，接到靜態(tài)電阻應(yīng)變儀。

2 模型試驗(yàn)

試驗(yàn)時(shí)，先清掃模型槽，然后在模型槽中按每10 cm一層，分層夯實(shí)至一定密度，再裝上一層土。裝入40 cm土后，開(kāi)始固定樁基模型，調(diào)節(jié)承臺(tái)板位置使之處于模型槽中心。在保證承臺(tái)板水平的情況下，裝下一層土，直至填到設(shè)計(jì)高度處。

群樁模型平面布置見(jiàn)圖2，其中除中心樁豎直外，其余各樁均背離中心傾斜，且傾角相等。試驗(yàn)中，群樁分為 0°，5°，8°，12°四組。

圖2 模型樁尺寸(單位:mm)

模型樁樁身應(yīng)變測(cè)量采用電阻應(yīng)變片，沿樁長(zhǎng)按150 mm為一個(gè)截面粘貼一組應(yīng)變片，如圖3所示。在樁端和樁周設(shè)置土壓力盒，測(cè)設(shè)土壓力。在樁頂安設(shè)四個(gè)數(shù)顯千分表分別測(cè)對(duì)角沉降和水平位移。

圖3 模型試驗(yàn)照片及樁身應(yīng)變片布置

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

將試驗(yàn)得到的樁頂荷載Q和相應(yīng)的沉降S繪制成Q—S曲線(xiàn)圖，如圖4所示。

圖4 群樁沉降曲線(xiàn)

不同傾角斜樁極限承載力的比較見(jiàn)表2。

從樁頂?shù)?Q—S曲線(xiàn)圖4可以看出，該曲線(xiàn)符合雙曲線(xiàn)形狀，符合大多數(shù)試驗(yàn)結(jié)果，說(shuō)明本試驗(yàn)方法是可行的。在荷載不大時(shí)，群樁沉降與樁頂荷載關(guān)系是線(xiàn)性的;荷載增大時(shí)，群樁沉降隨樁頂荷載迅速增加，其中設(shè)置有12°傾斜樁的樁基的這種關(guān)系表現(xiàn)得尤為明顯。沒(méi)有設(shè)置傾斜樁的樁基的荷載—沉降(Q—S)曲線(xiàn)為“緩變型”，沒(méi)有明顯的陡降段，因此按控制沉降量確定其容許承載力。

表2 極限承載力對(duì)比

設(shè)置有傾斜樁的樁基的荷載—沉降(Q—S)曲線(xiàn)為“陡降型”，陡降點(diǎn)為破壞特征點(diǎn)，且破壞特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的豎向荷載為極限荷載。設(shè)置5°，8°，12°傾斜樁的樁基的極限荷載分別為:7.0 kN，8.0 kN，6.5 kN，相對(duì)于沒(méi)有設(shè)置傾斜樁的樁基的極限承載力分別提高了12.9% ，29.0% ，4.8% 。

4 結(jié)論與建議

通過(guò)斜樁室內(nèi)模型試驗(yàn)研究，得出了在豎向荷載作用下的群樁工作性狀，得到了樁頂?shù)腝—S曲線(xiàn)和極限承載力提高程度。從本次試驗(yàn)可以看出:

1)群樁試驗(yàn)結(jié)果符合一般試驗(yàn)結(jié)果，采用本試驗(yàn)裝置進(jìn)行室內(nèi)模型試驗(yàn)研究是切實(shí)可行的;

2)對(duì)于韓江特大橋工程場(chǎng)地，設(shè)置有傾斜樁的樁基的極限承載力大于沒(méi)有設(shè)置傾斜樁的樁基。斜樁傾角在8°左右的范圍內(nèi)承載力提高幅度較大。

3)本次群樁試驗(yàn)中，在設(shè)置有傾斜樁的樁基中，隨著深度的增加，樁間距增大，這時(shí)樁土間應(yīng)力的疊加作用相應(yīng)減小，因此設(shè)置有傾斜樁的樁基的豎向承載力較豎直群樁有一定程度的增加。

[1] MEYERHOF G G，YALCIN A S.Behaviour of flexible batter piles under inclined loads in layered soil［J］.Canadidian Geotechnical Journal，1993，30(2):247-256.

[2] MEYERHOF G G.Behaviour of pile foundations under special loading conditions:1994 R.M.Hardy keynote address［J］.Canadidian Geotechnical Journal，1995，32(2):204-222.

[3] ZHANG L M，MICHAEL C，LAI P W.Centrifuge modeling of laterally loaded single battered piles in sands［J］.Canadidian Geotechnical Journal，1999，36(6):1074-1084.

[4] ZHANG L M，MCVAY M C，GARDNER R，et al.Effects of dead loads on the lateral response of battered pile groups［J］.Canadidian Geotechnical Journal，2002，39(3):561-575.

[5] 譚國(guó)煥，張佑啟，楊敏.松砂土中樁側(cè)表面粗糙程度對(duì)承載力的影響［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，1992，14(2):50-54.

[6] 趙明華，侯運(yùn)秋，曹善仁.傾斜荷載下基樁的受力研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，24(2):98-103.