湛江组结构性黏土中单桩水平承载性状试验研究

汤 斌，郭凡夫，沈建华

（1.武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉，430065；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉，430071）

湛江组结构性黏土中单桩水平承载性状试验研究

汤 斌1，郭凡夫1，沈建华2

（1.武汉科技大学城市建设学院，湖北武汉，430065；2.中国科学院武汉岩土力学研究所，湖北武汉，430071）

选取材质和桩径相同、桩长不同的3组模型桩，采用单向多循环加载法，在湛江组结构性黏土中进行单桩水平静载现场试验。通过对试验数据的处理，得到桩顶的水平荷载-时间-水平位移（H0-t-Y0）曲线、水平临界荷载Hcr、水平极限承载力Hu以及单桩的桩身弯矩、桩身剪力、桩侧土抗力沿桩入土深度的变化情况。分析结果表明，在水平荷载作用下，湛江组结构性黏土中具有相同材质、相同桩径的单桩，其水平临界荷载Hcr和极限承载力Hu与入土桩长呈正相关关系；桩身弯矩、剪力和桩侧土抗力的最大值均随着入土桩长的增加而增大；桩身弯矩和桩身剪力主要集中在桩身上部，最容易发生剪切破坏的部位在桩顶处；湛江组结构性黏土中单桩的桩侧土抗力沿入土深度呈不完整的S形分布，且其最大值出现在地平面附近。

桩基础；单桩；水平承载力；湛江黏土；结构性黏土；模型试验

桩基础在土木工程中应用广泛，其在风荷载、地震荷载、机械制动荷载或土压力、水压力等作用下，大多会承受一定的水平荷载，这种条件下桩的受力实质上是一个复杂的桩土相互作用过程。目前，对水平荷载作用下桩基工作性状的研究已获得了许多成果。Reese等［1］通过对埋入砂土中的钢管桩进行水平荷载试验，提出了砂土中的p-y曲线确定方法；Bhowmik等［2］通过现场模型试验及数值模拟，对模型桩在成层土中受水平荷载作用下的工作性状进行了初步分析；蔡忠祥等［3］选取上海典型场地软土试桩，采用混凝土塑性损伤模型对其水平承载性状进行了探讨；王建华等［4］通过某大型码头桩基工程的现场试验，结合数值分析研究了在水平荷载作用下大直径嵌岩钢管混凝土桩的工作机理；单华刚［5］通过模型试验分析了珊瑚礁区钙质砂中桩基水平承载性能；陈祥等［6］结合北京市某办公楼工程混凝土灌注桩的水平静载试验进行分析，验证了钢筋计测试结果的可靠性；周万清等［7］通过试验分析了珠海保税区深厚软土地基中细长PHC管桩在水平荷载作用下的受力特点；朱照清等［8］在东海大桥附近海域对海上风电场大直径钢管桩进行试验，测试了直桩、正反斜桩的水平承载力及位移。这些研究成果对特定区域、特定土质条件下的桩基工程设计和施工具有指导意义。

分布在我国湛江地区的灰色黏土以其特有的强结构性及导致的工程特性引起了学术界和工程界的广泛关注［9-12］。由于湛江地区上部黏土及上覆土层的土质特殊，并且现在建筑物越来越高，天然地基已经满足不了高层建筑的承载要求，故而桩基础在当地有着非常广泛的应用需求［12］。然而已有的桩基设计计算理论和方法应用于湛江组结构性黏土桩基设计时或多或少存在一些计算误差，因此本文从工程实际需求考虑，采用原位单桩模型试验，对湛江组结构性黏土桩基水平承载性状进行研究，以期为相关桩基设计和施工提供一定的参考与借鉴。

1　单桩水平静载试验

1.1试验场地的地质条件

试验场地位于广东省湛江市霞山区东简镇北部，孔口高程为9.60 m（“1985国家高程基准”），钻孔深度为25 m，表1为该地区结构性黏土试样的基本物理性质指标。

1.2模型桩概况

相似性原理是模型试验必须满足的基本原理，为了使桩基模型试验能代表原型试验，必须使二者具有共同的力学表现，即物理力学方程相似。

桩顶水平位移s和桩身应力σ主要受如表2所示物理量的影响，所列量纲采用力量系统，即以力F、长度L、时间T为基本量纲。因为采用现场模型试验，场地土体条件相同，故与土体性质有关的物理量可不予讨论。

表1　湛江组结构性黏土的基本物理性质指标Table 1 Basic physical property indexes of Zhanjiang formation structural clay

表2　相似模型设计中的主要物理量及其量纲Table 2 Main physical quantities and their dimensions in the similar model design

所求参数s、σ与主要物理量之间的关系式为

对桩顶位移公式（1）进行量纲分析，得到如表3所示的量纲分析矩阵。

表3　桩顶位移的量纲分析矩阵Table 3 Dimensional analysis matrix of displacement at the pile top

对桩身应力公式（2）进行量纲分析，得到如表4所示的量纲分析矩阵。

表4　桩身应力的量纲分析矩阵Table 4 Dimensional analysis matrix of the pile stress

求解上述量纲矩阵，得到4个无量纲π数，并综合桩顶位移量纲分析，最终得到5个相似判据:

模型与原型相似的充要条件是:只有全部相似准数相等才能被称为完全相似。但这在模型设计中往往是不可能实现的，因为许多相似准数之间是矛盾的。在进行模型设计时要分清各物理量的主次关系，首先要保证与研究对象关系密切的物理量的相似准数相等，而忽略其他次要的物理量相似准数。

根据模型在制作过程中的实际情况，并考虑到可利用的设备条件，从经济性、试验的可操作性等方面综合分析，选取相似常数cL=20，即模型的几何比尺为1∶20，而桩的长度及直径都按相同比例缩小，即cK=1。

根据相似性原理可进行如下推导，其中各物理量的下标p和m分别代表原型和模型。

1.3试验设备布置

图1为试验装置示意图。基准桩设在模型桩及反力装置影响范围以外。大量程百分表固定在基准梁上并对称布置于模型桩的外侧。模型桩桩身的应力应变数据通过电阻应变片采集，其型号为BX120-5AA、电阻为（119.5±0.1）Ω，灵敏系数为2.08±1%，栅长5 mm，栅宽3 mm，精度等级A。电阻应变片贴于模型桩的桩身内侧，沿深度方向逐层埋设，同一高度处以桩身轴线为基准对称布置两片。2#、3#桩从地平面开始每间隔200 mm布置应变片；1#桩因入土深度相对较浅，为更精确起见，每间隔100 mm布置应变片。电阻应变片通过端子和导线与程控静态应变仪相连，后者连接一台数值整理电脑。

图1　试验装置示意图Fig.1 Schematic diagrams of the experimental apparatus

在模型桩与反力装置之间依次设置球形铰座、千斤顶及荷载传感器。反力装置包括荷载板和若干根刚性短桩，荷载板竖直放置，荷载板的内侧紧贴荷载传感器，荷载板的外侧紧靠若干根等间距埋设的刚性短桩。球形铰座、千斤顶、荷载传感器均在一条直线上，且均通过模型桩桩身轴线。千斤顶施加的水平力通过模型桩的轴线，水平荷载作用线在地平面上50 mm处。桩顶水平位移由大量程百分表测得，水平荷载由荷载传感器和数值测力仪测得。

1.4试验加载方法

试验采用单向多循环加载法。由反力装置提供反力，采用10 t液压千斤顶来施加水平推力，荷载量值的控制和显示由荷载传感器和数值测力仪来实现。加载方法按照《建筑地基基础检测规范》（DBJ 15—60—2008）［13］执行。

2　试验结果及分析

2.1单桩水平承载力

根据整理后的试验数据绘制出桩顶水平荷载-时间-桩顶水平位移（H0-t-Y0）曲线，如图2所示，图中“↓↑”表示加、卸载。

由图2可见，3组模型桩的H0-t-Y0曲线均由直线段、弯曲段和陡降段组成。根据文献［13］的规定:单桩的水平临界荷载Hcr取单向多循环加载法时的H0-t-Y0曲线出现拐点的前一级水平荷载值，水平极限承载力Hu取H0-t-Y0曲线产生明显陡降的起始点对应的水平荷载值。由此得到如表5所列的单桩水平静载荷试验结果。

图2　单桩的H0-t-Y0曲线Fig.2 H0-t-Y0curves of the single piles

表5　单桩水平静载试验结果Table 5 Experimental results of horizontal static loading on the single piles

结合图2和表5可以看出:3组模型桩的受力在达到水平临界荷载Hcr之前，H0-t-Y0曲线呈明显的线性关系，循环加、卸载的残余变形量小，大部分变形可恢复，而且在同级荷载内，桩的水平位移随加、卸载次数增加而增大的幅度很小；然而当桩顶受力大于水平临界荷载后，在相同的荷载增量下，桩的水平位移增量明显大于前一级，且在同级荷载内，桩的水平位移随加、卸载次数增加而增大的幅度逐渐变大；当桩顶受力大于极限承载力Hu后，桩的位移速率突然变大，H0-t-Y0曲线出现明显的陡降段；在材质相同、桩径不变的前提下，水平临界荷载Hcr和极限承载力Hu与入土桩长呈正相关关系。

2.2桩身截面弯矩

桩身任意截面弯矩M的计算公式为:式中:b0为拉、压应变测点的间距；I为模型单桩的桩截面对中性轴的惯性矩；Δε为桩截面上两个电阻应变片之间的轴向应变差，Δε=ε+-ε-，其中ε+、ε-分别为拉应变和压应变。根据测量结果计算得到桩身弯矩如图3所示。

图3　单桩的桩身弯矩曲线Fig.3 Bending moment curves of the single piles

从图3中可以看出:在各级荷载条件下，1#、2#桩的桩身弯矩最大处分别集中在入土深度100 mm左右和200～300 mm，而3#桩的桩身弯矩最大处在入土深度300 mm左右，即桩身最大弯矩所在深度随着桩的延长而增加，但最大弯矩点位置均在入土桩长的12.5%～18.5%之间，变化幅度不大；相同荷载条件下，桩身最大弯矩值随着桩的延长而增大；弯矩主要集中在桩身上部，桩身下部弯矩很小，可以忽略；1#、2#、3#桩的桩身零弯矩点均随着荷载的增大而沿桩身向下移动，这表明随着荷载的增加，更深处的土体参与作用以抵抗水平荷载。

2.3桩身剪力及桩侧土抗力沿桩身的分布

对桩身弯矩M进行一次微分得桩身剪力Q，对M进行二次微分得桩侧土抗力Ps，即

式中:D为桩身直径。

图4所示为桩身剪力Q沿桩入土深度的分布情况。从图4中可以看出:3组模型桩的桩身最大剪力均出现在地平面处，即该处为最容易发生剪切破坏的部位；桩身剪力主要集中在桩身上部，且相同荷载下桩身最大剪力随着桩入土深度的增加而增大。在实际工程中，桩基础一般都是与筏板或承台等相连接的，故要根据需求着重加固桩身上部剪力较大的部位，并采取一定措施对桩基础与筏板、承台等的连接处进行处理。

图4　单桩的桩身剪力曲线Fig.4 Shearing force curves of the single piles

图5所示为桩侧土抗力Ps沿桩入土深度的分布情况。从图5中可以看出:3组模型桩的桩侧土抗力最大值均出现在地平面附近，且相同荷载下桩侧土抗力的最大值随着桩入土深度的增加而增大；土抗力在桩身中部出现一个较大值，随着桩入土深度的增加，该部位距地平面的深度也随之增加，而随着水平加载级数的增多，该部位沿桩身向下小幅移动，这也是土抗力随水平荷载加大而逐步发挥作用的一种体现。

图5　单桩的桩侧土抗力曲线Fig.5 Lateral soil resistance curves of the single piles

根据桩基理论，大多数桩侧土抗力曲线呈S形或倒S形分布，但从图5中可以看出，湛江组结构性黏土中单桩的桩侧土抗力曲线呈不完整的S形分布，且桩侧土抗力最大值出现在靠近桩顶的位置，其具体原因有待于进一步研究。

3　结论

（1）湛江组结构性黏土中，在水平荷载作用下，相同材质、相同桩径单桩的水平临界荷载Hcr和极限承载力Hu与入土桩长呈正相关关系。

（2）桩侧土抗力、桩身弯矩和桩身剪力的最大值均随着入土桩长的增加而增大。

（3）在水平荷载作用下，桩身弯矩和桩身剪力主要集中在桩身上部，且最容易发生剪切破坏的部位在桩顶处，在实际工程建设中要根据需要着重加固桩身上部剪力较大的部位，并采取一定措施对桩基础与筏板、承台等的连接处进行处理。

（4）湛江组结构性黏土中单桩的桩侧土抗力沿桩入土深度呈不完整的S形分布，且其最大值出现在靠近桩顶的位置。

［1］Reese L C，Cox W R，Koop F D.Analysis of laterally loaded pile in sand［C］//Proceedings of 6th Offshore Technology Conference.Houston，May 6-8，1974:473-483.

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［13］广东省建筑科学研究院.DBJ 15—60—2008建筑地基基础检测规范［S］.北京:中国建筑工业出版社，2008.

［责任编辑 尚 晶］

Experimental study on horizontal bearing capacity of single pile in Zhanjiang formation structural clay

Tang Bin1，Guo Fanfu1，Shen Jianhua2
（1.College of Urban Construction，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430065，China；2.Institute of Rock and Soil Mechanics，Chinese Academy of Sciences，Wuhan 430071，China）

The horizontal static load field tests for three model single piles with the same material，diameter and different length in Zhanjiang formation structural clay were carried out by using unidirectional cyclic loading method.The horizontal load-time-horizontal displacement（H0-t-Y0）relationship curves of pile top，horizontal critical load Hcr，ultimate horizontal bearing capacity Huand the variations of the single pile’s bending moment，shear force and lateral soil resistance with its buried depth were obtained based on the test data processing.Analysis results show that，under lateral load，Hcrand Huof the single piles with the same material and diameter in Zhanjiang formation structural clay are positively correlated with the pile length in the clay；the maxima of bending moment，shear force and lateral soil resistance increase with the lengthening of the piles；the bending moment and shear force are mainly distributed on the upper part of the piles，and shear failure most likely occurs at the pile tops；distribution curves of the lateral soil resistance with the pile’s buried depth in Zhanjiang formation structural clay have incomplete“S”shape，and the maximum soil resistance appears near the ground surface.

pile foundation；single pile；horizontal bearing capacity；Zhanjiang clay；structural clay；model test

TU473.1

A

1674-3644（2016）05-0387-06

2016-04-13

国家自然科学基金面上项目（41372299）；国家自然科学基金青年科学基金项目（41302238）.

汤 斌（1970-），男，武汉科技大学教授，博士.E-mail:tangbinruocheng@163.com