桩周浅层土硬化对桩侧向力学特性及破坏模式的影响

2022-04-13徐兵

广东建材 2022年3期

徐兵

（四川省公路规划勘察设计研究院有限公司）

0 引言

桩基础作为一种常见的深基础形式，能有效降低上部结构因自重荷载引起的沉降变形，同时还能有效抵御由风荷载、车辆或地震荷载导致的侧向变形。对于承受明显侧向作用的人工建(构)筑物，桩基础侧向承载力的评价是设计工作中一项重要的内容[1-2]。对于桩侧向承载特性及破坏模式的研究成果十分丰富。聂如松等[3]基于现场测试结果，采用三维有限元技术分析低承台桥台桩基在台后路基填土侧向作用中桩顶水平变形和桩侧附加水平挤压力。李润雨等[4]借助振动台，对饱和砂土中的桩侧向动力响应特性和p-y 滞洄曲线进行研究。吴晓等[5]通过土质岸坡框架码头模型试验，分析了在水平推力作用下桩前后侧向土压力沿深度方向、水平方向的分布规律。肖成志等[6]通过有限差分数值模拟与模型试验对比分析，分析了复合基础下单桩与群桩的承载特性和破坏模式。

然而以上研究桩周土大多为天然地基，而桩周土物理力学特性对桩横向承载力的影响很大[7-8]，在工程中对桩周一定范围的浅层土进行适当加固或硬化，对提高桩侧向承载具有显著的效果且较为经济。因此本文开展刚性桩侧向加载现场试验研究，对桩周土不同范围及深度的土层进行硬化处理，以探讨土层硬化效应对桩侧向承载特性及破坏模式发展的影响。

1 模型试验介绍

1.1 试验场地

查阅现场详细地勘报告可知，场地土为低塑性黏土，天然重度γ=16.2kN/m3，液限25.1%，塑限11.9%。另外通过三轴试验，可得地基土有效粘聚力（c′）为24.2kPa，有效内摩擦角（φ′）为22.9°。

1.2 桩周土层硬化

桩周土硬化材料采用水泥稳定砂，即风干的河沙（emax=0.92，emin=0.63，D50=0.18）、硅酸盐水泥和水按一定比例均匀混合而成，三者的重量比为75:10:15。具体施作过程：先将桩周地表土按设计深度进行挖除，然后采用搅拌均匀的水泥稳定砂进行分层填筑，规定每层厚度为80mm，压实至设计重度17.8kN/m3，压实后含水率保持在12%。填筑完成后需要保水养护15d 后再开展侧向加载试验，同时取硬化土样（直径50mm，高100mm）进行排水路径的三轴试验（围压分别为20kPa、200kPa 及400kPa），试验曲线如图1 所示。从图中可得硬化土层的有效粘聚力（c′）为345.5kPa，有效内摩擦角（φ′）为37.9°。本次试验的试验变量为硬化土层的直径和深度，试验工况见表1。

表1 试验工况

图1 地表加固土三轴试验曲线图

1.3 侧向荷载方案

图2 为现场侧向荷载试验方案图。试验中刚性桩为螺旋挖孔桩，桩身采用C15 混凝土浇筑，桩径D=0.6m，桩长L=3m。试验过程中为了防止桩体在侧向荷载下出现塑性变形，对桩身进行H 型钢加固。侧向加载的动力系统为液压千斤顶，与钢管传力杆相连，传力杆两端各作用一根试桩，形成作用力和反作用力的力学平衡模式，该方案设计可采集到两组试验条件相同的数据。在传力杆端头镶嵌力传感器，并与计算机相连，用以实时采集、记录试验数据。试验过程严格按照《建筑地基基础设计规范》中的规定，采用分级加载，每级荷载为水平极限承载力的1/10～1/15，且每级荷载持时为10 个小时，待桩体变形稳定(侧向位移小于0.1mm)后再施加下一级。

图2 现场试验布置图

2 试验结果分析

2.1 桩周土加固深度的影响

侧向极限承载力呈先增加后减小的变化趋势，在Dc=1.8m 时最大，在桩周硬化深度较小时，存在一个最优的硬化直径，此时控制桩侧向承载力的主要因素是硬化深度Lc；而对于硬化深度Lc=0.2L，桩侧向极限承载力随着硬化直径的增大呈近似线性增加。这说明只有在桩周硬化深度达到一定值的基础上，通过增加硬化直径才能使桩侧向承载力达到工程预期。

图3 不同加固深度与水平极限承载力的关系图

2.2 桩周土加固直径的影响

图4 为桩周土不同硬化直径与桩水平极限承载力关系曲线图。从图中可以看出，当硬化直径与桩径比Dc/D=3 时，刚性桩水平极限承载力与硬化直径呈线性增加关系；而当Dc/D=4 时，水平极限承载力随硬化直径的增加呈先增后减的趋势，存在一个最优硬化直径(Dc=0.6m)使得水平极限承载力达到最大。可见，当桩周土硬化直径达到一定值后，一味地增加硬化直径对提高桩的侧向承载力没有显著效果，甚至还会起到降低的作用。

图4 不同加固直径与水平极限承载力的关系图

2.3 破坏模式分析

图5 为地表土加固(Lc=0.1L，Dc=3D)的刚性桩横向承载失效示意简图。从图中可以看出，桩周土加固下刚性桩侧向承载失效的变化过程大致可分为三个阶段。第一个阶段，处于加载初期，侧向荷载较小（约为15%侧向极限荷载），由于刚度差异在侧向荷载作用一侧加固土层与天然地基之间出现了空隙，空隙延伸至垂直于荷载方向过圆心的位置，且以荷载方向呈45°角向天然地基继续延伸，沿两侧基本对称分布。与此同时，加固土与刚性桩仍保持为一有机整体，共同承担侧向荷载作用，未见明显裂缝，刚性桩还具有较大的侧向承载储备，可将这一阶段视为弹塑性变形阶段。

图5 地表土加固下刚性桩横向承载失效模式示意图

在第二阶段，随着侧向荷载的增加（约为75%侧向极限荷载），加固土中出现贯通裂缝，以45°角从加固土-桩界面延伸至加固土-天然地基界面，沿两侧对称分布。且在加固土与桩体之间出现空隙，空隙末端连接贯通裂缝，致使加固土与桩身之间的整体性遭到破坏，侧向刚度显著降低，侧向变形有较大增加。另外，在加固土与天然地基交界面（侧向力作用方向）出现较多延伸至天然地基中的裂缝，并在不断发展扩大，这是由于桩和加固层在侧向变形时对毗邻天然地基侧向挤压所致。此时加固土-刚性桩系统已进入完全塑性阶段。

在第三阶段，侧向荷载已接近最大侧向承载力，与上一阶段特征显著不同的是，在加固土中新增了一条与侧向力几乎平行的宏观贯通裂缝，且在加固土-天然地基土界面的侧向力作用方向一侧，出现肉眼可见的裂隙，并在周围伴随密集的、延伸至天然地基的细小裂缝。加固土和天然地基用以提供给刚性桩的侧向抗力达到最大，侧向承载开始失效，而桩身并未发生结构破坏，此时可视为桩周硬化土-刚性桩系统达到极限承载阶段。