第 36 卷第 5 期 Vol. 36 No. 5 水利水电科技进展 Advances in Science and Technology of Water Resources 2016 年 9 月 Sep. 2016 DOI:10. 3880 / j. issn. 1006 7647. 2016. 05. 011 湛江组结构性黏土中桩基竖向承载性状模型试验 汤摇斌 1, 郭凡夫 1, 谢摇亮 2 3, 沈建华 (1. 武汉科技大学城市建设学院, 湖北武汉摇 430065; 2. 建设综合勘察研究设计院有限公司, 北京摇 100007; 3. 中国科学院武汉岩土力学研究所, 湖北武汉摇 430071) 摘要 : 利用原位模型试验研究湛江组结构性黏土中桩基在竖向荷载作用下的承载性状 选取材质 和桩径相同 入土深度不同的 6 组模型桩, 采用慢速维持荷载法, 在湛江组结构性黏土中进行单桩 原位竖向承载模型试验, 得到了单桩荷载沉降曲线 单桩轴力沿桩身分布曲线 单桩侧摩阻力沿入 土深度分布曲线 结果表明 : 在竖向荷载作用下, 湛江组结构性黏土中模型单桩荷载沉降曲线均 存在显著陡降, 极限状态拐点明显, 竖向极限承载力随着长径比的增加而增大 ; 在相同荷载作用下, 随着长径比的增加, 桩顶沉降逐渐减小且减小趋势逐渐变缓, 在较大荷载作用下超长桩荷载沉降 曲线中桩顶沉降的减小速率几乎为零, 存在有效桩长 ; 在同级桩顶荷载作用下, 单桩桩端阻力占总 桩顶荷载的比例随着长径比的增加而逐渐变小, 由最大 29 郾 8% 减小为 0 郾 8% ; 不同入土深度的单桩 在极限荷载作用下的桩侧极限摩阻力变化不大, 均稳定在 40 kpa 左右 关键词 : 湛江组结构性黏土 ; 桩基 ; 竖向承载性状 ; 模型试验 中图分类号 :TU473 郾 1 摇摇摇文献标志码 :A 摇摇摇文章编号 :1006 7647(2016)05 0060 05 Model test study on vertical bearing capacity of pile foundation in Zhanjiang group structural clay / / TANG Bin 1, GUO Fanfu 1, XIE Liang 2, SHEN Jianhua 3 (1. College of Urban Construction, Wuhan University of Science and Technology, Wuhan 430065, China; 2. CIGIS ( China) Limited, Beijing 100007, China; 3. Institute of Rock and Soil Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China) Abstract: The bearing capacity of a pile foundation in Zhanjiang group structural clay under vertical loads was studied based on in situ model tests. In single pile in situ model tests, six groups of pile models with the same material and diameter but different depths in soil were selected, and the slow maintained load method was used. The load 鄄 settlement curve, axial force distribution along the pile shaft, and side friction varying with the depth in soil of single piles were obtained. Under vertical loads, the load 鄄 settlement curves of all six groups of single pile models in the Zhanjiang group structural clay show sharply declining trends, with yielding points occurring at the ultimate limit state, and the vertical ultimate bearing capacity increases with the length 鄄 diameter ratio of the single piles; under constant loads, with the increase of the length 鄄 diameter ratio, the settlement at the pile top gradually decreases at a slowly decreasing rate; under large loads, the decreasing rate of resettlement at the top of super 鄄 long piles, according to the load 鄄 settlement curve, is almost zero, and there exists an effective pile length; and under a constant level of loads at the pile top, the proportion of the pile end resistance to the total load at the pile top gradually decreases with the increase of the length 鄄 to 鄄 diameter ratio, with the maximum value decreasing from 29 郾 8% to 0 郾 8%, while the side frictions of single piles with different depths in soil under ultimate loads change little, with a stable value of about 40 kpa. Key words: Zhanjiang group structural clay; pile foundation; vertical bearing capacity; model test 摇摇分布在我国湛江地区的湛江组结构性黏土, 以其特有的强结构性引起了学术界和工程界的广泛关注 湛江组结构性黏土的强结构性使之被赋予了独特的工程特性, 伴随而来的是工程实际中大量的土 [1 鄄木工程问题 3] 因湛江地区上部黏土及上覆土层的土质偏软, 而且上部建筑荷载越来越大, 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 [4] 桩基础作为一种重要的基础形式被广泛应用于 土木工程中 国内外学者对桩基竖向承载特性做了 [5] 大量的研究, 成果丰富 Briaud 等采用多种承载 力预测方法及沉降计算方法对 98 根单桩竖向静载 试验数据进行了对比分析, 并对计算方法提出了合 [6] 理建议 ; 周宏磊等以北京地区典型第四纪冲洪积 基金项目 : 国家自然科学基金 (41372299,41302238) 作者简介 : 汤斌 (1970 ), 男, 教授, 博士, 主要从事地基与基础工程研究 E 鄄 mail: tangbinruocheng@ 163. com 60 水利水电科技进展,2016,36(5) 摇 Tel:025 83786335 摇 E 鄄 mail:jz@ hhu. edu. cn 摇 http: / / www. hehaiqikan. cn
交互地层条件下的钻孔灌注桩为研究对象, 基于单 桩竖向抗压静载试验结果, 对长桩荷载传递特征 荷 [7] 载变形性状进行了分析 ; 张瑞坤等基于无锡地铁 高架桥试桩工程中 4 根大直径超长钻孔灌注桩的现 场静荷载试验和桩身应力测试试验, 结合同一地区 12 根同类型桩的试验成果, 研究了无锡地区大直径 超长钻孔灌注桩竖向荷载下的侧 端阻力发挥特点 [8] 和荷载传递规律 ; 郑刚等在对试桩实测资料进行 分析的基础上, 采用数值分析方法, 研究了深厚软土 地区单桩在竖向荷载作用下由短桩至超长桩随桩长 [9] 增加时的荷载传递性状 ; 冯世进等在西安地区进 行了单桩静载荷试验, 采用滑动测微计测试每米范 围内桩身轴力的变化, 研究了黄土地基中超长钻孔 灌注桩的承载性能 桩身轴力传递规律 桩侧阻力和 [10] 桩端阻力的发挥性状 ; 宋兵等认为影响桩侧摩阻 力的主要因素包括桩周土体的强度 应力状态以及 桩土界面强度, 侧摩阻力受界面强度控制, 影响其变 [11] 化的根本原因是土体的应力状态 ; 彭劼等考虑了 沉桩挤土效应引起的桩周土体的应力和孔隙比的变 化及其对土体非线性性质的影响, 修正了现有的荷 载传递函数, 并编制了计算程序 这些研究成果使 得人们对桩基竖向承载性状有了较为深入的认识, 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, 但由于湛江组结构性黏土具有强结 构性, 以上成果应用于湛江组结构性黏土时在计算 精度方面或多或少存在一定误差 本文采用现场单 桩模型试验, 对湛江组结构性黏土中桩基竖向承载 性状进行研究 通过配套软件将数据导入电脑 ; 桩顶位移采用量程为 50 mm 的百分表测量, 百分表设置在桩顶荷载板上, 通过磁性表座与钢管连接并固定, 钢管由沙袋固定并悬空, 以免受到桩基加载的影响 ; 桩顶通过 100 kn 液压千斤顶加载, 千斤顶反力由上面的荷载钢板提供, 钢板通过 4 根锚桩固定, 锚桩上有螺栓用于承载荷载钢板自重, 若反力不够可在钢板上堆放沙袋或石块 ; 为提高试验精度, 桩顶荷载的测力系统设计为 : 将荷载传感器放置于千斤顶上, 并连接 BZ2216 数字式测力仪来读取桩顶荷载 试验采用慢速维持荷载法加载, 通过液压千斤顶进行竖向加载, 荷载分级按预计最大试验承载力等分为 10 ~ 12 级逐级等量加载 图 1 摇模型试验装置立面示意图 1 摇现场单桩模型试验 1. 1 摇试验场地及模型桩概况 试验场地位于广东省湛江市东海岛某钢铁基 地, 选择湛江组结构性黏土中的灰色黏土层作为试 验土层, 土层参数如下 : 含水率为 44 郾 29%, 密度为 1 郾 66 g / cm 3, 孔隙比为 1 郾 37, 压缩模量为 7 郾 00 MPa 模型桩由钢管制成, 外径 D = 30 mm, 内径 d = 24 mm; 现场布置 6 组模型桩, 入土深度分别为 600 mm 900 mm 1 200 mm 1 500 mm 1 800 mm 和 2 100 mm 模型桩桩身的应力应变数据由贴在桩身内侧的电阻 应变片采集, 同一高度需对称布置 2 片电阻应变片, 并在距离桩端 50 mm 处开始对称布置, 之后以 100 mm 的间隔逐层贴至桩顶 1. 2 摇试验设备布置及加载方法 图 1 图 2 分别为模型试验装置立面示意图及 模型试验各仪器连接示意图 ( 俯视 ) 试验采集应变 计读数的装置为 BZ2205C 程控静态电阻应变仪, 并 图 2 摇模型试验各仪器连接示意图 ( 俯视 ) 2 摇试验结果及分析 2. 1 摇试验数据处理 2. 1. 1 摇桩顶沉降计算 第 j 级荷载加载稳定时桩顶的总沉降 s j 为 s j = a 0 - a j (1) 式中 :a 0 为百分表的初始读数 ;a j 为第 j 级荷载加载 稳定时百分表的读数 2. 1. 2 摇桩的受力计算 a. 桩身第 i 截面轴力 N i 为 其中 A m = N i = E m A m 着 i (2) 仔 4 (D2 - d 2 ) 着 i = 1 2 ( 着 i1 + 着 i2) 式中 :E m 为模型单桩的桩身弹性模量 ;A m 为模型单 水利水电科技进展,2016,36(5) 摇 Tel:025 83786335 摇 E 鄄 mail:jz@ hhu. edu. cn 摇 http: / / www. hehaiqikan. cn 61
桩的桩身截面积; 着 i 为模型单桩的桩身 截 面 应 变 值;着 i1 着 i2 为各截面上 2 个应变计测得的应变值 b. 桩身第 i 段平均桩侧摩阻力 q si 为 q si = N i -1 - N i 仔D驻L i (3) 式中:N i-1 N i 分别为桩身第 i-1 截面和第 i 截面的 轴力;驻L i 为第 i 截面与第 i-1 截面间的距离 c. 第 j 级荷载下的桩端阻力 q pj 为 q pj = Q j - 移 q si 仔D驻L i 式中:Q i 为第 j 级荷载下的桩顶荷载; 为第 j 级荷载下的桩侧总摩阻力 (4) 移 q si 仔D驻L i 降现象,极限状态拐点明显 在相同荷载作用下,随 着长径比的增加,桩顶沉降逐渐减小且减小趋势逐 渐变缓,在较大荷载作用下超长桩 Q鄄s 曲线中桩顶 沉降的 减 小 速 率 几 乎 为 零, 存 在 有 效 桩 长 根 据 表 1 分析得出,模型单桩的竖向极限承载力随着长 径比的增加而增大 2. 3摇 单桩桩身轴力及桩端阻力发挥性状 图 4 是不同竖向荷载作用下各单桩桩身轴力, 可以看出,随着荷载的增大,轴力沿桩端方向减小的 速率越来越大;随着长径比的增加,桩身轴力减小的 程度也愈发明显,桩端部轴力与桩顶部轴力相差很 大 这是因为桩顶荷载大部分用以克服桩周土体向 2. 2摇 单桩荷载 沉降曲线及极限承载力 本试验中的主要变量为单桩的长径比 L / D,以 L / D逸50 为超长桩 [12],将试验单桩分为两组:第一 组普通桩,入土深度为 600 mm 900 mm 和 1 200 mm; 第二组超长桩,入土深度为 1 500 mm 1 800 mm 和 2 100 mm 两组试验各单桩的荷载 沉降曲线( Q鄄s 曲 线) 如图 3 所示,单桩竖向极限承载力 Q u 及长径比 L / D 见表 1 上的摩阻力,即桩顶荷载在向下传递过程中转移给 了桩周土体,故而桩身轴力逐渐减小,试验单桩表现 出摩擦桩的力学特性 表 2 为各单桩桩端阻力占总桩顶荷载比例 由 于加载分级不同,入土深度 1 200 ~ 2 100 mm 的单桩 桩端阻力占总桩顶荷载比例最大为 29郾 8%,最小为 0郾 8% ;在相同桩顶荷载下,随着长径比的增加,单桩 桩端阻力占总桩顶荷载的比例逐渐变小,表明随着 长径比的增加,单桩端部乃至单桩下部受到桩顶荷 载影响的程度会越来越小 表 2摇 单桩桩端阻力占总桩顶荷载比例 荷载 / kn 1郾 38 2郾 07 2郾 76 3郾 45 4郾 14 4郾 83 5郾 52 6郾 21 6郾 90 7郾 59 8郾 28 不同入土深度单桩桩端阻力占总桩顶荷载比例 / % 1 200 mm 8郾 40 12郾 60 14郾 90 16郾 30 17郾 30 23郾 30 29郾 80 1 500 mm 0郾 90 4郾 20 8郾 90 9郾 10 12郾 80 16郾 70 17郾 90 28郾 80 1 800 mm 1郾 10 2郾 80 7郾 80 8郾 40 9郾 90 13郾 80 15郾 80 19郾 30 23郾 90 27郾 70 2. 4摇 单桩桩侧摩阻力分析 2 100 mm 0郾 80 2郾 60 3郾 30 5郾 00 5郾 10 7郾 60 7郾 30 8郾 70 8郾 80 14郾 30 19郾 60 图 5 为不同竖向荷载作用下各单桩平均桩侧摩 阻力 图 5 表明不同入土深度的单桩在极限荷载作 用下的桩侧极限摩阻力变化不大,均稳定在 40 kpa 左右 原因是试验所选场地土质相对均匀,桩周土的 图 3摇 各单桩 Q鄄s 曲线 表 1摇 各单桩竖向极限承载力及长径比 入土深度 / mm 600 900 1 200 1 500 1 800 2 100 竖向极限承载力 Q u / kn 3. 60 4. 40 5. 52 6. 21 7. 59 8. 28 长径比 L / D 20 30 40 50 60 70 从图 3 可以看出各单桩 Q鄄s 曲线均存在显著陡 62 侧压力变化较小 对桩侧极限摩阻力产生影响的两 个力学因素( 内摩擦角和桩侧表面与土之间的附着 力)均无明显变化,故桩侧极限摩阻力的变化有限 图 5( f) 中,在入土深度 1 200 ~ 1 400 mm 处摩阻 力有一个突变,原因可能是应变片异常或土层在该 处出现夹层 如果是应变片异常,很可能会导致该 组数据与相邻数据不在一个数量级,但该组异常数 据突变不大,经分析可能是出现了一定厚度的夹层
图 4摇 不同竖向荷载作用下各单桩桩身轴力 图 5摇 不同竖向荷载作用下各单桩平均桩侧摩阻力 63
由于未现场挖开该土层,故真正原因还有待分析,但 对整体的侧摩阻力沿深度的分布趋势影响不大 3摇 结摇 论 a. 在竖向荷载作用下,湛江组结构性黏土中模 型单桩 Q鄄s 曲线均存在显著陡降,极限状态拐点明 显,竖向极限承载力随着长径比的增加而增大 b. 在相同荷载作用下,随着长径比的增加,桩 顶沉降逐渐减小且减小趋势逐渐变缓,在较大荷载 作用下超长桩 Q鄄s 曲线中桩顶沉降的减小速率几乎 为零,存在有效桩长 c. 单桩 桩 端 阻 力 占 总 桩 顶 荷 载 比 例 最 大 为 29郾 8%,最小为 0郾 8% ;在同级桩顶荷载下,随着长 径比的增加,单桩桩端阻力占总桩顶荷载的比例逐 渐变小,试验单桩表现出摩擦桩的力学特性 d. 不同入土深度的单桩在极限荷载作用下的 桩侧极限摩阻力变化不大,即模型单桩在该土层的 桩侧极限摩阻力稳定在 40 kpa 左右 Investigation & Surveying, 2009, 37 ( 12 ) : 26鄄30. ( in Chinese) ) [ 7 ] 张瑞坤,石名磊,倪富健,等. 无锡大直径超长钻孔灌注 桩承载性状试 验 研 究 [ J]. 东 南 大 学 学 报 ( 自 然 科 学 版), 2012, 42 ( 6 ) : 1194鄄1200. ( ZHANG Ruikun, SHI Minglei,NI Fujian,et al. Experimental study of the bearing properties of large鄄diameter and super鄄long bored pile in Wuxi[ J]. Journal of Southeast University( Natural Science Edition),2012,42(6) :1194鄄1200. ( in Chinese) ) [ 8 ] 郑刚,张立明,王琦. 超长桩荷载传递机理有限元分析 [ J]. 天津大 学 学 报,2012,45 ( 11 ) :945鄄952. ( ZHENG Gang,ZHANG Liming,WANG Qi. Finite element analysis on load transfer mechanism of overlength piles[ J]. Journal of Tianjin University, 2012, 45 ( 11 ) : 945鄄952. ( in Chinese) ) [ 9 ] 冯世进,柯瀚,陈云敏,等. 黄土地基中超长钻孔灌注桩 承载性状试验研究[ J]. 岩土工程学报,2004,26 (1) : 110鄄114. ( FENG Shijin, KE Han, CHEN Yunmin, et al. Experimental study on super鄄long bored pile in loess[ J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 2004, 26 (1) :110鄄114. ( in Chinese) ) 参考文献: [ 1 ] 沈建华,汪稔,朱长歧. 湛江组灰色黏土空间展布规律 研究 [ J ]. 岩 土 力 学, 2013, 34 ( 增 刊 1 ) : 331鄄336. ( SHEN Jianhua,WANG Ren,ZHU Changqi. Research on spatial distribution law of gray clays of Zhanjiang formation [ J]. Rock and Soil Mechanics, 2013, 34 ( Sup1 ) : 331鄄 336. ( in Chinese) ) [ 2 ] 郑郧,汪稔,吕海波,等. 浅谈湛江组结构性黏土的区域 [10] 宋兵,蔡健. 预应力管桩侧摩阻力影响因素的研究[ J]. 岩石力学与工程学报,2009,28 ( 增刊 2 ) :3863鄄3869. ( SONG Bing, CAI Jian. Research on influence factors of side soil resistance of phc pipe pile[ J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering,2009,28( Sup2) :3863鄄 3869. ( in Chinese) ) [11] 彭劼,施建勇,黄刚. 考虑挤土效应的桩基承载力分析 [ J]. 河海大学学报( 自然科学版),2002,30 (2) :105鄄 特性研究[ C] / / 2011 年全国工程地质学术年会论文 108. ( PENG Jie, SHI Gangyong, HUANG Gang. Analysis [ 3 ] 孔令伟,吕海波,汪稔,等. 湛江海域结构性海洋土的工 compaction effect[ J]. Journal of Hohai University( Natural 集. 西宁:青海省国土厅,2011:304鄄307. of bearing capacity of pile foundation in consideration of Sciences),2002,30(2) :105鄄108. ( in Chinese) ) 程特性及其微观机制[ J]. 水利学报,2002,33 (9) :82鄄 88. ( KONG Lingwei, LU咬 Haibo, WANG Ren, et al. [12] 俞亚南,冯世挺,宋连峰. 软土地区超长钻孔灌注桩承 marine soil in Zhanjiang sea area[ J]. Journal of Hydraulic ( YU Yanan,FENG Shiting,SONG Lianfeng. Test study on Engineering properties and micro鄄mechanism of structural Engineering,2002,33(9) :82鄄88. ( in Chinese) ) [ 4 ] 张丽. 浅谈第四系湛江组黏土层工程特点[ J]. 采矿技 术,2010, 10 ( 1 ) : 24鄄25. ( ZHANG Li. Introduction to quaternary system in Zhanjiang clay layer engineering 载性状试验研究[ J]. 工业建筑,2002,32 (11) :33鄄35. the super鄄long bored pile in soft ground [ J ]. Industrial Construction,2002,32(11) :33鄄35. ( in Chinese) ) ( 收稿日期:2015 09 30摇 编辑:熊水斌) characteristics[ J]. Mining Technology,2010,10 ( 1 ) :24鄄 25. ( in Chinese) ) [ 5 ] BRIAUD J L,TUCKER L M. Measured and predicted axial response of 98 piles [ J ]. Journal of Geotechnical Engineering,1988,114(9) :1984鄄1001. [ 6 ] 周宏磊,陶连金,王法. 非均质地基土条件下的钻孔灌 注长桩竖向承载性状分析研究[ J]. 工程勘察,2009,37 (12) :26鄄30. ( ZHOU Honglei,TAO Lianjin,WANG Fa. Study on bearing behaviors of long bored piles in the heterogeneous strata [ J ]. Journal 64 of Geotechnical