水平受荷桩桩土相互作用研究

2018-03-20赵其华薛秋池

水利与建筑工程学报 2018年1期

戈迅，赵其华，薛秋池

桩基础是一种被人类广泛应用的基础形式。它通常将上部的结构荷载通过较软弱地层或水，稳妥的传递到深部坚硬的、压缩性小的土层或岩层，或通过桩身摩擦作用和桩端支承作用传至桩周或桩端土层［1］，这也就是桩基础在竖向荷载作用下的工作原理。目前国内外对于竖向荷载作用下的桩土作用原理以及其荷载分担已有较多的研究。如徐峰等［2］研究了在建筑荷载和土层作用下桩的位移量及其轴向分布。关中科等［3］、陈顺伟等［4］利用 ANSYS 有限元分析软件对竖向荷载作用下的单桩基础进行了计算分析，得到了桩基和土体中的位移和应力分布情况。赵晓蕾等［5］利用数值模拟软件分析了在竖向荷载作用下，不同的桩径和桩长对土体中的位移和应力分布情况的影响。李柃等［6］利用有限元软件探讨了在竖向荷载作用下群桩与土的相互作用机理。董齐蕾等［7］研究了在车辆荷载这种特殊的竖向荷载作用下桥台桩与土的相互作用。

但对于水平荷载作用下的单桩桩土相互作用研究相对较少。如赵会永等［8］应用灰色系统理论对湿陷性黄土地基中的水平受荷桩进行了分析，并与桩水平荷载实验数据进行了对比。结果表明，灰色系统法能够很好的预测桩的变形曲线与承载力。薛桦等［9］对水平推力作用下的大直径单桩的桩土作用进行分析并考虑桩侧翼缘对桩土作用规律的影响。郭骞等［10］利用原位水平加载实验，研究了在水平荷载作用下桩顶的荷载－位移曲线、桩身弯矩分布情况。张宇等［11］针对饱和密砂地基，进行了单向水平位移和双向水平位移加载下刚性单桩基础的离心模型实验，得出随着荷载的循环次数的增加，桩身弯矩与桩端反力也随之增加的规律。

上述对于水平荷载作用下的桩土相互作用的研究，主要集中在桩身的变形模式上，而忽略了桩土相互作用过程中桩周土体及其抗力的变化以及对于水平荷载作用下桩后被动土压力对桩基础稳定性影响的研究。针对这一点，作者在 15°、30°、45°三种斜坡地形条件下进行了单桩水平荷载现场试验。研究了加载过程中桩土相互作用和其变化过程，以及在这个过程中桩后被动土压力所起到的作用。

1 现场试验

1．1 试验方案

现场试验共进行3根桩基试验，均为混凝土人工挖孔灌注桩。其中1号桩桩长10 m，2、3号桩桩长10．5 m。3根桩桩径都为1 m，露头高度都是0．5 m。都位于碎石土场地，1、2、3 号桩分别进行 15°、30°、45°坡试验。桩身混凝土标号为 C25。

试验采用油压千斤顶进行水平力加载，千斤顶采用0．4级精密压力表进行加压，最大量程100 MPa（200 t），最长可伸出 200 mm，精度 0．5 MPa。反力装置采用C25混凝土反力墙，反力墙尺寸为高4 m、宽3 m、厚 1 m，外露 2 m。

试验过程中用位移计、测斜管、土压力盒、钢筋应力计分别对桩顶水平位移、桩身水平位移、桩侧土压力、斜坡坡面土压力还有钢筋应力进行了监测。现场试验及监测装置的布设情况如图1所示。

图1 现场试验及监测装置布设示意图

加载方式用慢速维持荷载法逐级加载，每一级荷载加载等级为预估桩基极限荷载的 1／10～1／15［12］。在每级荷载的作用下，桩顶位移变化量不超过0．1 mm／h为稳定标准，待桩稳定后读取数据。30 min后进行下一级加载。出现桩身已断裂、桩前土体失稳破坏、坡面处桩身位移超过100 mm时停止加载［13－14］。

1．2 场地概况

试验场地位于四川省理县薛城镇四马村左岸的一处高陡斜坡处，为碎石土场地，坡度在40°左右，地层主要是由第四系松散坡积物以及第三系石英砂岩组成，地层结构比较简单。覆盖层主要为第四系崩坡堆积层碎块石，试桩试验处覆盖层厚10 m。下伏基岩以古生界泥盆系厚层石英砂岩为主。

按试验方案在该场地进行了单桩水平载荷试验，其中，1号桩的现场试验如图2所示。

图2 现场试验

依据《土工试验规程》［15］（SL 237—1999）对试验土样和岩样进行了一系列物理力学实验，测得土体密度、含水率、最优含水率、最大干密度、黏聚力、内摩擦角等参数，如表1所示。

表1 土体参数表

2 桩土相互作用的基本模式

水平荷载作用下的桩基础是通过变形挤压桩周土体以调动桩周土体的水平抗力。无论是在平地还是斜坡，水平荷载下的桩土相互作用模式主要分为刚性和弹性两种模式（见图3）。

图3 桩土相互作用模式

如图3所示，刚性桩在水平荷载的作用下整体绕旋转点发生旋转变形。出现一个位移零点，即旋转点。弹性桩桩身上部分发生绕曲变形，下部分静止不变，出现两个位移零点。实际工程中绝对的刚性或弹性桩较少，常见桩身在发生绕曲变形的同时绕旋转点发生旋转变形，本文中现场试验的三根桩都是这种情况。

刚性桩或弹性桩都处于水平荷载、桩前被动土压力、桩后被动土压力的作用下。对于刚性桩，桩前、桩后被动土压力都绕旋转点对桩产生一个逆时针方向的弯矩，来抵抗水平荷载绕旋转点对桩产生的一个顺时针方向的弯矩。对于弹性桩，桩前、桩后被动土压力都绕第一个位移零点对桩产生一个逆时针方向的弯矩，来抵抗水平荷载绕第一个位移零点对桩产生的一个顺时针方向的弯矩。

对于斜坡地形条件下的桩基础，由于斜坡的存在，造成桩前土体发生缺失。特别是桩前浅表层土体，极易在水平荷载的作用下发生破坏，影响桩基础的稳定性。

3 水平受荷桩桩土相互作用

3．1 桩前与桩后被动土压力

通过现场试验的数据得到了3根桩在不同坡度，不同水平荷载下的桩前、桩后土压力图。其中，2号桩的桩前、桩后土压力图如图4、图5所示。

图4 桩前土压力

图5 桩后土压力

从图4、图5得出，在不同水平荷载作用下的桩前、桩后的土压力随深度的变化。其中，值为正的部分为水平向左的被动土压力，值为负的部分为水平向右的被动土压力。

由于本次试验中桩身设计和桩周土体参数十分相似，其余两根桩都得到了形态与2号桩类似的土压力图。从土压力图中发现，3根桩都在水平荷载的作用下绕深度为6 m左右的旋转点，即唯一的位移零点发生了旋转变形。旋转点以上（0 m～－6 m）分布着桩前被动土压力和桩后被动土压力，旋转点以下（－6 m～－9 m）分布着桩前被动土压力和桩后被动土压力。桩前、桩后被动土压力都可以视为沿桩身分布的线荷载，各级水平荷载下的土压力曲线与0 kN水平荷载下土压力曲线所围成的面积也就是桩前、桩后被动土压力的总值。而各级水平荷载下的桩前、桩后被动土压力在随深度的大小分布上都呈现出了明显的对称性，从图中可以看出，桩前、桩后被动土压力的对称中心线分别在－4 m和－8 m处，由此可把桩前、桩后被动土压力的作用点分别确定在桩身－4 m和－8 m处，而它们对桩身产生弯矩的力臂都是2 m。

3．2 桩前、桩后被动土压力的总值之比

作者在CAD中求取了3根桩在各级水平荷载下的土压力曲线与0 kN水平荷载下土压力曲线所围成的面积，由此得到了桩后、桩前被动土压力在各级荷载下的总值。再求出各级荷载下桩前、桩后被动土压力的总值之比。桩后、桩前被动土压力总值乘上相应的力臂可得到桩前、桩后被动土压力对桩身产生的弯矩。因为桩前、桩后被动土压力的力臂相等，总值之比也可表示它们对桩身所产生弯矩的大小之比。其结果如表2所示。

表2 水平荷载与总值之比

由表2可看出，3根桩的总值之比随荷载的增加都出现一个先下降后上升，最后趋于平稳的过程。本文将其分别定义为桩土相互作用前期、中期和后期。首先出现的下降阶段（桩土作用前期）是因为桩基础水平荷载作用下的初始阶段，旋转点以上的水平位移大于旋转点以下的水平位移，更强烈的挤压桩周土体导致桩前被动土压力增长更快，桩后被动土压力与桩前被动土压力总值之比相应减小。其后的上升阶段（桩土作用中期）是因为旋转点以上的桩身位移达到了一定的程度。桩前浅表层土体开始脱离弹性阶段，进入半弹性或塑性阶段，水平抗力下降，弹性区向下移动，桩前被动土压力随水平荷载的增幅减慢。而同时期旋转点以下的桩身位移还较小，桩周土体还处于弹性阶段，随荷载增幅较大，于是总值之比上升。一二阶段的转折点是整体曲线的最低点，在此点桩前浅表层土体开始脱离弹性阶段。最后一阶段（桩土作用后期）趋于平稳是因为随着水平荷载的增大，旋转点以下的桩身位移也达到了一定的程度，部分桩周土体开始脱离弹性阶段，随水平荷载的增幅减慢。桩后、桩前总值之比达到了一个比较平衡的状态，在桩土作用后期稳定在13%左右，总体不超过20%。从这个数值可以看出桩后被动土压力相对于桩前被动土压力对桩基础稳定性的影响更大。

从表2还可以看出，随着坡度的增加，最后稳定下来的总值比也有一定幅度的增加。说明随着坡度的增加，桩后被动土压力所起到的作用在桩土作用后期会增加。一二阶段转折点的横坐标随荷载增加而增加，纵坐标随荷载增加而减少，在水平荷载达到800 kN后开始进入稳定阶段。