工程地质学报  2018, Vol. 26 Issue (6): 1708-1714   (3495 KB)    
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  • 收稿日期:2017-12-02
  • 收到修改稿日期:2018-03-23
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    李建东
    王旭
    张延杰
    刘博诗
    李盛
    李泽源

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    李建东, 王旭, 张延杰, 等. 2018. 大厚度黄土地基超长群桩承载特性模型试验研究[J]. 工程地质学报, 26(6): 1708-1714. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-567.
    LI Jiandong, WANG Xu, ZHANG Yanjie, et al. 2018. Model tests for bearing behavior of large diameter and super long pile group in large thickness loess site[J]. Journal of Engineering Geology, 26(6): 1708-1714. doi: 10.13544/j.cnki.jeg.2017-567.

    大厚度黄土地基超长群桩承载特性模型试验研究
    李建东①②, 王旭, 张延杰, 刘博诗, 李盛, 李泽源    
    ① 兰州交通大学土木工程学院 兰州 730070;
    ② 道桥工程灾害防治技术国家地方联合工程实验室 兰州 730070;
    ③ 中国中铁二院工程集团有限责任公司 成都 610031
    摘要:大厚度黄土地基中大直径长桩、超长桩的应用急剧增多,但黄土地基中超长桩的承载变形机理、侧阻和端阻的发挥性状与普通桩差别较大。采用研制的黄土相似材料填筑模型,分别进行超长单桩和群桩竖向抗压静载试验,分析桩顶荷载作用下荷载-沉降、桩身轴力、桩侧阻力、桩端土体塑性区发展变化规律。研究结果表明:超长单桩在竖向荷载作用下,荷载主要由桩侧阻力承担,桩侧阻力由上向下逐步发挥,属纯摩擦桩,单桩破坏形式为刺入破坏,桩端土体塑性变形影响范围约为1.1 d。与单桩相比,超长群桩基础桩端承载力有较大幅度的提高,桩身轴力衰减深度范围有所减小,侧阻力沿桩身逐渐增大,桩端土层的影响范围约为1.25 d,与超长单桩的影响范围较为接近。本文的研究方法和结果可为大厚度黄土地区超长桩基的承载特性研究提供参考。
    关键词基础工程    承载特性    模型试验    超长桩    大厚度黄土    
    MODEL TESTS FOR BEARING BEHAVIOR OF LARGE DIAMETER AND SUPER LONG PILE GROUP IN LARGE THICKNESS LOESS SITE
    LI Jiandong①②, WANG Xu, ZHANG Yanjie, LIU Boshi, LI Sheng, LI Zeyuan    
    ① School of Civil Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070;
    ② National and Provincial Joint Engineering Laboratory of Road & Bridge Disaster Prevention and Control, Lanzhou 730070;
    ③ China Railway Eryuan Engineering Group Co. ltd, Chengdu 610031
    Abstract: Application of large-diameter long piles and super long piles in large thickness loess foundation has increased sharply. However, bearing deformation mechanism, lateral resistance and end bearing capacity of super long piles in loess foundation differ from those of the ordinary piles. Vertical compression static load tests of super long single pile and pile group are conducted respectively. The similar material is applied as filling of model test. Laws of development of load settlement, pile shaft force, lateral resistance and soil plastic zone at the end of pile under the vertical load are analysed. Test results show that load of super long single pile is mainly undertaken by lateral resistance of pile under the vertical load, which is gradually developed from top to bottom. It belongs to pure friction pile, and the failure mode of single pile is punching failure. The influence scope of plastic deformation of pile end soil is about 1.1 times of pile diameter. Compared with the single pile, the end bearing capacity of super long pile group is greatly improved, and pile shaft force attenuation depth of the pile has decreased, and lateral resistance increases gradually along the pile body. Influence scope of the pile end soil layer is about 1.25 times of diameter, which is close to the influence scope of super long single pile. Research method and results in this paper can provide reference for research on bearing characteristics of super long piles in large thickness loess foundation.
    Key words: Foundation engineering    Bearing characteristics    Model test    Super long piles    Large thickness loess    

    0 引言

    在“一带一路”战略大背景下,我国中西部地区各类工程正在或者将会迎来新一轮的发展高潮,大厚度黄土塬地区超高层建筑与大型桥梁建设项目急剧增加,大直径超长桩基逐渐受到青睐(阳吉宝,1998冯世进等,2004汪国烈等,2009)。黄土的工程特性和地层分布都具有其自身的特殊性,使得桩基的承载特性和沉降特性也必然有很大的差异。目前,针对黄土地基大直径超长桩的研究,主要是通过对超长单桩进行静载荷试验和桩身轴力测试,分析超长桩桩身轴力传递规律、桩侧阻力和端阻力发挥性状,探讨黄土地基中超长桩的荷载传递性状(刘争宏等,2010Pal et al., 2010曹卫平等,2012)。

    在黄土地区群桩承载特性研究方面,由于经济和技术的限制,大厚度黄土场地上群桩基础的现场试验未见报道。主要采用室内缩尺模型试验和数值模拟方法,进行群桩承载特性研究。徐亚利等(2011)通过室内模型试验,对黄土地基中大直径超长群桩基础的荷载-沉降关系、桩土承载情况等问题进行了研究。秋仁东等(2012)通过大比例尺长群桩基础模型试验,分析了长群桩基础的承载机理。王文良(2015)通过室内承台-桩-土自身体系的模型试验,研究了地下水上升对桩基础承载能力及变形的影响。李晋等(2005)通过建立群桩三维空间有限元计算模型和离心试验,分析了群桩基础的承载性状与群桩效应系数,探讨了黄土湿陷条件下负摩阻力的群桩效应。赵法锁(2001)以灌注桩桩土相互作用的原位试验为基础,采用有限单元法对桩土承载情况、荷载-位移-侧摩阻力之间的关系进行了研究。张延杰等(2013)利用湿陷性黄土相似材料做单桩负摩阻力模型试验,研究了湿陷性黄土地区桩基工程中广泛存在的负摩阻力。王东红等(2005)通过黄土地基中超长钻孔灌注桩静载荷试验和轴力测试,探讨了黄土地基中超长钻孔灌注桩的承载力性状和荷载传递规律。蒲建军等(2017)对黄土地区采用桩板支护和抗滑桩支护的两组边坡模型进行水平加载试验,发现抗滑桩设置挡土板后,使土压力合力的作用点更靠近锚固端,能有效地控制桩间土体横向变形。

    目前对黄土地基中大直径超长群桩承载性能以及荷载传递机理的研究相对较少。现行规范关于超长桩设计理论并非建立在超长桩承载变形机理的基础上(徐亚利等,2011)。所以研究大厚度黄土场地上超长桩的承载特性,优化桩基础设计,是桩基理论自身发展和工程实际的迫切要求。本文选用石英粉、砂、膨润土、石膏和工业盐制备黄土模型试验相似材料,采用黄土模型试验相似材料填筑模型,进行超长群桩基础承载特性试验研究。

    1 模型试验概况
    1.1 黄土相似材料制备

    相似材料的正确选择与否直接关系到模型与原型之间的相似度,正确选择相似材料以及确定合理的相关参数,对于模型试验成功至关重要(Assallay et al., 1997)。黄土中的矿物可分为无黏性粗粒矿物和胶结性黏土矿物两大类(刘祖典,1996)。根据对黄土矿物成分分析,选用石英粉和砂作为无黏性材料,石英粉作为重度敏感材料用于调整相似材料的重度变化,砂可以增大渗透系数、变形模量和内摩擦角。富含蒙脱石的膨润土、工业盐作为胶结材料,膨润土可大幅度降低变形模量和内摩擦角,石膏作为辅助性胶结性材料使用,相似材料的基本性质如表 1所示。根据大量配比试验,确定相似材料的配比为:砂石英粉膨润土石膏工业盐=0.25 ︰ 0.3 ︰ 0.3 ︰ 0.1 ︰ 0.05(质量比)。搅拌均匀,通过控制含水率和密度,进行黄土模型试验相似材料制备,其物理力学参数见表 2,各项指标参数符合黄河中游地区黄土指标参数的分布区间,其试验结果具有较好的可控性和重复性。

    表 1 材料基本性质 Table 1 Basic properties of similar materials

    表 2 黄土相似材料物理力学参数 Table 2 Physical and mechanical parameters of similar material of loess

    1.2 模型桩制作

    模型桩采用有机玻璃棒制作,试验实测弹性模量为2.18 Gpa,模型桩弹性模量与桩周土压缩模量之比为1305。关文章(1992)对甘肃地区原状黄土压缩模量的实测值显示,当IL < 0时,甘肃地区黄土的压缩模量平均值为14.9 MPa,实际采用C20混凝土桩基时,桩与土弹性模量比为1342,模型试验中桩与土弹性模量比值与实际桩基工程基本一致。桩径为3 cm,桩长为180 cm,长径比为60,桩身表面每隔15 cm粘贴应变片进行桩身轴力测试,并采用环氧树脂黏细砂做粗糙处理(图 1)。桩端采用石膏粘贴微型荷载传感器,用于准确量测桩端荷载(图 2)。承台采用有机玻璃板加工制作,分别制作单桩模型和群桩模型,群桩为2×2低承台群桩,桩间距为3 d(即9 cm),承台尺寸为18 cm×18 cm。

    图 1 模型桩 Fig. 1 Model pile

    图 2 桩端微型荷载传感器 Fig. 2 Micro-load sensor at the pile tip

    1.3 模型填筑及控制

    试验模型箱尺寸为100 cm(长)×100 cm(宽)×210 cm(高),由角钢焊接成3个可拼接的小型模型箱上下连接成3层,内嵌有机玻璃板,并用防水胶封住交界处。每层设有一扇可拆卸门,便于前期土体填筑和后期削土面进行桩端土体细观变化观测。模型箱底部铺设50 cm压实重塑黄土作为持力层,用来模拟非湿陷性的老黄土,桩端进入压实土层10倍桩径(即30 cm),密度为1.75g · cm-3,含水率为17%。桩周分层填筑黄土模型试验相似材料,用来模拟大厚度湿陷性黄土,人工制备的黄土相似材料具有与天然原状黄土相似结构性,填土密度为1.50g · cm-3,含水率为9%。填土过程中每隔15 cm铺设一层彩色砂,具体布置如图 3所示,模型试验全貌如图 4所示。

    图 3 模型填筑及测试元件布置图(单位:cm) Fig. 3 Model filling and testing elements layout chart(unit: cm)

    图 4 模型试验全貌 Fig. 4 Overall perspective of model test

    1.4 试验方案与过程控制

    分别进行超长单桩和2×2群桩竖向静载试验,试验加载系统采用岩土试验中心自行设计的反力梁系统,如图 4所示。通过在桩顶和承台布置的百分表进行竖向位移观测,采用慢速维持荷载法分级加载(中华人民共和国行业标准编写组,2014),每级荷载维持不变直到桩顶沉降每小时不超过0.1 mm,并连续出现2次,然后继续加下一级荷载。

    2 试验结果分析
    2.1 单桩竖向极限承载力分析
    2.1.1 Q-s分析

    图 5为单桩Q-s关系曲线,其指数修正公式为S=e0.322Q2-0.93Q-0.463,相关系数为0.989 94。分析可得,最大加荷量5 kN,最终沉降量大于31.57 mm。当加载至4 kN时,沉降为3.23 mm,出现突变,超长单桩竖向极限承载力取Q-s曲线明显陡降的起始点4 kN。

    图 5 单桩Q-s关系曲线 Fig. 5 Q-s relation curve of single pile

    2.1.2 桩身轴力传递特征

    图 6图 7为桩身轴力传递特征和桩身侧阻力分布曲线,分析可得,在竖向荷载作用下,桩身轴力沿桩身逐渐减小,在距桩顶1/3范围内轴力降低程度较大,桩侧阻力率先发挥,在深度为45 cm处达到最大值。随竖向荷载的增大,桩身侧阻力也逐渐增大,竖向荷载为2 kN时,沿桩侧范围内桩侧阻力平均值为9.25 kPa;4 kN时,桩侧阻力平均值为18.14 kPa,竖向荷载增加1倍,侧阻力也近似增大1倍;5 kN时,桩侧阻力平均值为20.31 kPa,说明当超长桩竖向荷载达到极限承载力时,桩侧阻力发挥至极限,不再增加。桩侧阻力并不是同时发挥,呈现从上到下传递的过程。

    图 6 桩身轴力传递曲线 Fig. 6 The transfer curve of pile shaft force

    图 7 桩身侧阻力分布曲线 Fig. 7 The lateral resistance distribution curve

    图 8为桩身侧阻力、端阻力与桩顶荷载关系曲线,当桩顶荷载为2 kN时,荷载由桩身侧阻力承担,桩端荷载0.131 kN,占竖向荷载6.5%。当桩顶荷载为极限荷载4 kN时,荷载主要由桩侧阻力承担,桩端开始受力,所对应桩端荷载为0.4 kN,占总竖向荷载10%,侧阻力与端阻力的荷载分配比为9 ︰ 1,可以判定在大厚度黄土桩基中超长桩属于纯摩擦桩。当荷载增大至5 kN时,桩顶位移急剧增大,桩侧阻力发挥至极限,端阻力增大,桩端荷载为1.31 kN,侧阻力与端阻力分配比例关系为2.8 ︰ 1,单桩呈现出刺入破坏特征。

    图 8 桩身侧阻力、端阻力和桩顶荷载关系曲线 Fig. 8 The relation curve of the lateral resistance, end resistance and pile top load of pile

    2.2 群桩竖向极限承载力分析
    2.2.1 Q-s曲线分析

    图 9 a所示,对基桩的Q-s曲线做指数修正,修正公式为s=-0.088×(1-e0.294Q),其相关系数为0.9743。分析图 9b可得,群桩基础在竖向荷载作用下,Q-s曲线为典型的缓变型曲线,随着竖向荷载的增大,沉降逐渐增大,当竖向荷载为16 kN时,沉降为7.44 mm,竖向荷载为17 kN时,沉降为11.80 mm,在此级荷载作用下,沉降量达到前一级荷载沉降量的2倍,可初步判定群桩基础的极限承载力为16 kN。分析群桩基础中基桩桩端荷载与竖向荷载关系曲线可得,当群桩基础竖向荷载小于16 kN时,基桩桩端荷载随竖向荷载的增大缓慢增大,在16 kN时,基桩桩端荷载为0.90 kN,群桩的桩端荷载为3.6 kN(0.90 kN×4=3.6 kN),占总竖向荷载的22.5%,与单桩相比,群桩基础的桩端承载力有较大幅度的提高。当竖向荷载大于16 kN后,桩端荷载显著增大,可确定群桩基础的极限承载力为16 kN。群桩效应系数为1.0,由于模型试验几何相似比较大,模型试验结果未能显示出群桩效应。

    图 9 群桩Q-s关系曲线 Fig. 9 Q-s relation curve of group pile a.桩顶荷载Q和沉降s间的关系;b.桩顶荷载Q、沉降s和桩端荷载间的关系

    2.2.2 桩身轴力分析

    分析图 10可得,在竖向荷载作用下,基桩桩身轴力沿桩身逐渐减小,与单桩桩身轴力分布趋势一致,但在距桩顶1/6范围内轴力降低程度较大,与单桩相比较,由于承台的影响,桩身轴力衰减的范围有所减小。在距桩顶30 cm至145 cm范围内,轴力减小程度较低,在靠近桩端部分,由于桩端阻力发挥,轴力急剧减小。

    图 10 基桩桩身轴力分布曲线 Fig. 10 The distribution curve of the pile shaft force

    2.2.3 桩侧阻力分析

    分析图 11可得,基桩桩身侧阻力沿桩身逐渐增大,在靠近桩端,侧阻力发挥至最大,极限荷载为16 kN时,距桩顶145 cm处最大侧阻力为46.43 kPa,单桩桩侧阻力在距桩顶45 cm处最大侧阻力为47.31 kPa,分布与单桩侧阻力分布有所不同。由于群桩基础中,承台的存在使桩顶附近存在应力集中,与单桩相比,桩顶处侧阻力率先发挥,在22 cm处达到38.33 kPa,而单桩在52 cm处达到最大为47.31 kPa。当达到极限荷载时,群桩的桩端荷载占总竖向荷载的22.5%,单桩桩端荷载占总竖向荷载10%,群桩基础端阻力发挥较单桩大,基桩侧阻力在桩端位置有较大发挥。

    图 11 基桩桩身侧阻力分布曲线 Fig. 11 The distribution curve of the lateral resistance

    3 桩端土体塑性区分析

    为了研究桩端土体剪切带的性状,在桩端附近每隔3 cm铺设一层彩砂,单桩、群桩桩端土体变形分别如图 12图 13所示。

    图 12 单桩桩端桩-土相对变形图 Fig. 12 Relative deformation figure of single pile-pile tip soil

    图 13 群桩桩端桩-土相对变形 Fig. 13 Relative deformation figure of group pile-pile tip soil

    图 12图 13中可以看出,在荷载作用下桩端下沉刺入桩端土,形成了一个球形塑性区。桩端土体的变形影响范围较小,r1/r=2.22,超长单桩当发生刺入破坏时,桩端土层的影响范围较小,约为1.1 d。对于3 d桩间距的群桩基础,桩端土层的影响范围约为1.25 d,与超长单桩的影响范围较为接近。在竖向荷载作用下,超长群桩桩端下沉刺入桩端土,形成了一个球形塑性区,各桩端阻的破坏与单桩相似,在桩土界面处产生较大的相对位移,产生滑移破坏。由于邻桩的桩侧剪应力在桩端平面重叠,桩间土竖向位移受相邻桩影响而增大,桩土相对位移随之减小,同时,桩端土的侧向变形受邻桩制约而减小,因此,群桩球形塑性区的外侧半径$\left({2.6r/2.4r} \right) $明显大于内侧$ (2.1r/1.7r){\rm{ }}$

    4 结论

    (1) 竖向荷载作用时,大厚度黄土场地上超长单桩承载力主要由侧阻力承担,侧阻力由上向下逐步发挥。当达到极限承载力时,桩侧阻力发挥至极限,不再增加,属纯摩擦桩。当桩顶荷载超过极限承载力以后,桩端阻力急剧增大,导致桩顶位移也增大,单桩呈现出刺入破坏特征。

    (2) 超长群桩基础荷载-沉降曲线为典型的缓变型曲线,随着竖向荷载的增大,桩端沉降逐渐增大。达到极限承载力时,与单桩相比,群桩基础的桩端承载力有较大幅度的提高,占总竖向荷载的22.5%。由于承台的影响,桩身轴力衰减的深度范围有所减小,在靠近桩端部分,由于桩端阻力发挥,轴力急剧减小。基桩桩身侧阻力沿桩身逐渐增大,在靠近桩端,侧阻力发挥至最大,与单桩侧阻力分布有所不同。

    (3) 超长单桩当发生刺入破坏时,桩端土体的变形影响范围较小,约为2.2 d。对于3 d桩间距的群桩基础,桩端土层的影响范围约为2.5 d,与超长单桩的影响范围较为接近。

    (4) 模型试验结果只能是一种规律性的探讨,无法反推到实际原型,还应进行大量的数值分析和现场试验,通过三者结合对比验证和统计分析,才能准确分析超长群桩的承载特性,从而指导大厚度黄土地区超长群桩的设计与计算。

    参考文献
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