高志堯1，趙 鵬2，齊明柱3，李錦輝4，蘇 棟1
（1. 深圳大學 土木工程學院，廣東 深圳 518060；2. 中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；3. 招商局蛇口工業(yè)區(qū)有限公司，廣東 深圳 518067；4. 哈爾濱工業(yè)大學 深圳研究生院，廣東 深圳 518055）
摘 要：進行砂土的單樁和2×2群樁的壓、拔試驗，測定樁身軸力、樁頂荷載、位移以及樁端阻力。試驗研究結(jié)果表明，群樁的抗壓群樁效應系數(shù) >1，最優(yōu)樁間距為4D(D為直徑)，對應的 約為1.2；樁端阻力群樁效應系數(shù) 大于樁側(cè)摩阻力群樁效應系數(shù) ，其最優(yōu)樁間距為5D，對應的 值約為1.3；樁側(cè)摩阻力群樁效應系數(shù)在3D時約為1.2，但隨樁間距的增大而減小。與前人理論分析的結(jié)果不同，由于砂土的擠密效應，試驗測得抗拔群樁效應系數(shù)也大于1，最優(yōu)樁間距在4D～5D之間，系數(shù)約為1.2。樁間距為7D時壓、拔群樁效應系數(shù)均趨近于1，可基本忽略群樁效應。
關 鍵 詞：模型試驗；軸向荷載；砂土；群樁效應
1 引 言
樁基礎的試驗研究主要有原位試驗、室內(nèi)模型試驗和離心機模型試驗三類
[1－4]。在目前對承受軸向荷載樁基的試驗研究中，譚國煥等
[5]通過試驗得到3根有機玻璃樁在松砂中的抗拔荷載-位移曲線，發(fā)現(xiàn)樁側(cè)表面越粗糙，單樁的抗拔承載力越大。徐和等
[6]進行了6種不同相對密實度砂土中的單樁抗拔試驗，發(fā)現(xiàn)砂土相對密實度從18%增加到99.1%時相應的單樁軸向極限抗拔承載力由0.192 kN急劇提高到2.9 kN。陳小強等
[7]進行了長徑比大于40的單樁抗拔和抗壓試驗，得到單樁在受拉時的位移和位移增長速率都大于受壓時抗壓樁屬于緩進型破壞，抗拔樁屬于突進型破壞，抗拔樁總摩阻力
小于抗壓樁總摩阻力
，且
= 0.56，抗拔樁的樁底部側(cè)摩阻力表現(xiàn)出弱化效應，抗壓樁則表現(xiàn)出強化效應。殷宗澤等
[8]使用有機玻璃模型樁探究了單樁和群樁在壓力荷載下樁身的軸力分布規(guī)律和樁頂荷載-位移曲線，表明砂土中抗壓群樁效應系數(shù)大于1且最優(yōu)樁間距略大于4D(D為樁直徑)。Ismael
[9]的原位試驗測得了2D～3D樁間距群樁的群樁效應系數(shù)。在數(shù)值模擬方面，田美存等
[10]用疊加力的方法，把荷載傳遞法應用于群樁，提出了一個簡單途徑，可以考慮成層地基和土的非線性。王浩等
[11]使用MIDAS/GTS建立群樁模型，探究了軸向荷載作用下樁長、樁數(shù)及樁間距對群樁效應的影響，研究表明抗拔群樁效應系數(shù)隨樁間距增大逐漸增大，樁間距大于6D時群樁效應系數(shù)趨近于1。
雖然已有大量的試驗研究，但群樁的抗拔試驗，特別是對同一群樁同時進行壓、拔試驗相對較少。本研究主要通過模型試驗，探討樁間距對群樁的抗壓和抗拔群樁效應的影響，分析樁端阻力和樁側(cè)摩阻力對抗壓群樁效應的貢獻。
2 試驗模型
試驗模型箱(見圖1)為圓柱型，內(nèi)部直徑為1.2 m，高1 m，能放約2 t重的標準砂，加載反力架通過夾具固定于模型箱上。
為實現(xiàn)模型樁的豎向上拉和下壓加載研制了豎向加載裝置，可按預先設定好的速率勻速垂直上拔或下壓樁體，還可以通過對步進電機控制器編程控制實現(xiàn)樁頂?shù)呢Q向往復運動。
圖1 試驗裝置 參考文獻[12]，模型樁采用外徑為32 mm、壁厚2.5 mm、長667 mm的有機玻璃管。將管沿中軸線切成對稱的兩半，在樁體內(nèi)側(cè)粘貼應變片，應變片的位置見圖2。兩半玻璃管重新粘合后，在樁表面粘貼一層砂。試驗中共制作了兩種粗糙度的樁，樁外表面分別粘結(jié)粒徑0.1～0.075 mm和1～0.5 mm的砂（稱為細砂樁和粗砂樁）。共制作了4根細砂樁和4根粗砂樁，每組試驗中2根貼有應變片的樁對角布置稱為1#樁和2#樁。
圖2 模型樁 共進行了兩種粗糙度5種樁間距（3D、4D、5D、5D×7D（雙向不等間距）和7D）下的群樁試驗。所有群樁的入土深度為17D（54.4 cm），入土深度保證了第一組應變片的位置在砂樣表面以上，可以測量群樁頂部荷載在各個單樁的分配情況。為了分析樁間距對群樁效應的影響，還進行了兩種粗糙度的單樁試驗。
試驗選用福建平潭砂，其物理參數(shù) d10=0.35 mm，d50=0.64 mm，d30=0.5 mm，d60=0.72 mm，計算得到不均勻系數(shù)Cu=2.06，曲率系數(shù)Cc=0.99。砂土的均質(zhì)性和可重復性對試驗結(jié)果的影響很大，為了能保證砂樣的均勻性和可重復性，采用干落法制作砂樣。試驗中盡量均勻的將砂子撒到模型箱里面，保證砂樣表面齊平不出現(xiàn)鼓包。通過隨機在砂樣中埋設小盒，驗證了砂樣的均質(zhì)性，砂樣的相對密實度約為40%，重度約為15.0 kN/m3。
3 群樁試驗
3.1 群樁的抗壓試驗
試驗中群樁的總荷載通過安裝在承臺上方的荷載傳感器測量，各樁的樁頂荷載通過樁身上貼的應變片測量。圖3為3D細砂群樁的荷載-位移曲線。從圖中可以看出，1#、2#樁荷載位移曲線基本重合，加載的每個時刻群樁荷載大約都是單樁荷載的4倍，說明群樁荷載被均勻的分配到各根單樁。為了比較樁間距對抗壓群樁效應的影響，將5組細砂群樁和細砂單樁的抗壓荷載-位移曲線繪于圖4。從圖中可以看出，各種樁間距群樁的抗壓荷載-位移曲線的發(fā)展趨勢與單樁的抗壓荷載-位移曲線相似，群樁的抗壓荷載-位移曲線不重合，說明樁間距對群樁的抗壓承載能力有明顯影響。
圖3 3D細砂群樁抗壓荷載與位移曲線
圖4 群樁抗壓荷載-位移曲線
定義位移值為D/10對應的荷載為群樁和單樁的抗壓極限承載力，利用式（1）計算各組群樁的抗壓群樁效應系數(shù)
：
式中：
為群樁極限承載力；
為單樁極限承載力。
根據(jù)極限荷載下群樁中2根單樁的樁端阻力，取其平均值作為群樁中單樁的樁端阻力代表值
，根據(jù)式（2）計算群樁中單樁的側(cè)摩阻力代表值
：
計算樁端阻力群樁效應系數(shù)
和側(cè)摩阻力群樁效應系數(shù)
，即
式中：
為極限荷載下單樁端阻力；
為極限荷載下單樁側(cè)摩阻力。
為了直觀地比較樁間距對群樁效應系數(shù)的影響，將不同樁間距下的
、
與
數(shù)據(jù)點繪于圖5。由于數(shù)據(jù)點的分布具有一定的離散性，分別對
、
與
的數(shù)據(jù)點進行曲線擬合。從擬合曲線可以看出，在不同樁間距下均有
>
>
>1；抗壓群樁效應系數(shù)
隨著樁間距的增大先增加后減小，在4D樁間距時，群樁效應系數(shù)達到極大值，約為1.2，與文獻[8]的研究成果相符合；樁端阻力群樁效應系數(shù)
與
的發(fā)展規(guī)律相似，但其最優(yōu)距離樁間距在4D～5D之間，極值約為1.3；摩阻力群樁效應系數(shù)
隨樁間距的增大而減小，3D時的系數(shù)約為1.2；樁間距達到7D時，
、
、
均近似等于1，說明樁間距大于7D時群樁效應基本可以忽略。
圖5 群樁的抗壓群樁效應系數(shù)
3.2 群樁的抗拔試驗
圖6為3D細砂群樁抗拔荷載-位移曲線。與抗壓群樁相似，群樁荷載基本平均分配到了4根單樁。將細砂單樁和不同樁間距下群樁的荷載-位移曲線繪制于圖7，發(fā)現(xiàn)群樁的抗拔荷載-位移曲線與單樁形狀相似，但群樁抗拔荷載達到最大值時對應的位移比單樁小。取2 mm位移對應的荷載為極限抗拔荷載，利用式（1）計算抗拔群樁效應系數(shù)。
繪制抗拔群樁效應系數(shù)與樁間距的關系如圖8所示。從圖中可以看出，抗拔群樁效應系數(shù)具有一定的離散性，絕大多數(shù)群樁的抗拔群樁效應系數(shù)大于1，此結(jié)論與破裂面模型[13]和有限元模型[11]給出的抗拔群樁效應系數(shù)小于1的結(jié)論相矛盾。破裂面模型和有限元模型無法模擬靜壓樁成樁時樁-土之間的擠密效應，而擠密效應對靜壓樁的受力性能起決定性作用，是靜壓樁與挖孔樁的根本區(qū)別。靜壓群樁對砂土的擠密效應比單樁強是導致靜壓群樁的抗拔群樁效應系數(shù)大于1的根源。對10組數(shù)據(jù)進行擬合，如圖8所示，擬合曲線表明抗拔群樁的最優(yōu)樁間距在4D～5D之間，對應極值約為1.2。
圖6 3D細砂群樁抗拔荷載-位移曲線
圖7 群樁抗拔荷載-位移曲線
圖8 群樁的抗拔群樁效應系數(shù)
4 結(jié) 論
?。?）群樁的的抗壓、抗拔荷載-位移曲線與單樁抗壓、抗拔荷載-位移曲線形狀類似，群樁的極限位移比單樁稍小。
（2）群樁的抗壓群樁效應系數(shù) 大于1，最優(yōu)樁間距為4D，對應的群樁效應系數(shù)約為1.2。群樁受壓時，樁端阻力群樁效應系數(shù)大于側(cè)摩阻力群樁效應系數(shù)。樁端阻力群樁效應系數(shù)的最優(yōu)樁間距為5D，系數(shù)約為1.3；樁側(cè)摩阻力群樁效應系數(shù)在3D時約為1.2。
?。?）群樁的抗拔群樁效應系數(shù)大于1，與前人數(shù)值模擬的預測不同，這是因為本試驗采用靜壓法成樁，群樁對樁側(cè)砂土的擠密效應比單樁強烈很多?？拱稳簶兜淖顑?yōu)樁間距在4D～5D之間，系數(shù)約為1.2。
?。?）樁間距為7D時群樁效應系數(shù)均趨于1，群樁效應基本可以忽略。
參 考 文 獻
[1] 曾友金, 章為民, 王年香, 等. 樁基模型試驗研究現(xiàn)狀[J]. 巖土力學, 2003, 24(增刊2): 674－680.
ZENG You-jin, ZHANG Wei-min, WANG Nian-xiang, et al. Reviews of state-of-art of modeling simulation on pile foundations[J]. Rock and Soil Mechanics, 2003, 24(Supp.2): 674－681.
[2] LEVACHER D R, SIEFFERT J G. Tests on model tension piles[J]. Journal of Geotechnical Engineering, 1984, 110(12): 1735－1748.
[3] 孫洋波, 朱光裕. 軟土地區(qū)恒載作用下單樁和群樁的抗拔試驗分析[J]. 地下空間與工程學報, 2010, 6(1): 75－79.
SUN Yang-bo, ZHU Guang-yu. Field tests on uplift behavior of bored cast-in-place single or group piles under constant load in soft ground[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering, 2010, 6(1): 75－79.
[4] 徐和, 陳竹昌, 任陳寶. 在軸向循環(huán)荷載作用下砂土中模型樁的試驗研究[J]. 巖土工程學報, 1989, 11(4): 64－71.
XU He, CHEN Zhu-chang, REN Chen-bao. Experimental study of model pile test in sand under axial cyclic loading[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1989, 11(4): 64－71.
[5] 譚國煥, 張佑啟, 楊敏. 松砂土中樁側(cè)表面粗糙程度對樁承載力的影響[J]. 巖土工程學報, 1992, 14(2): 50－54.
TAN Guo-huan, ZHANG You-qi, YANG Min. The effect of pile surface rough degree on bearing capacity in loose sand soil[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering, 1992, 14(2): 50－54.
[6] 徐和, 陳竹昌. 不同砂土密度對豎直樁軸向抗拔承載力的影響[J]. 特種結(jié)構(gòu), 1996, 13(2): 53－57.
XU He, CHEN Zhu-chang. Influence of sand density on axial uplift capacity for vertical piles[J]. Special Structures, 1996, 13(2): 53－57.
[7] 陳小強, 趙春風, 甘愛明. 砂土中抗拔樁與抗壓樁模型試驗研究[J]. 巖土力學, 2011, 32(3):738－744.
CHEN Xiao-qiang, ZHAO Chun-feng, GAN Ai-ming. Study of model test of uplift and compression piles in sand[J]. Rock and Soil Mechanics, 2011, 32(3): 738－744.
[8] onUSELOG P, YIN Zong-ze. Pile behaviour in sand through experiment[J]. Chinese Journal of Geotechnical Engineering. 1998, 20(3): 85－89.
殷宗澤, 石磊. 砂土中群樁特性的試驗研究[J]. 巖土工程學報, 1998, 20(3): 85－89.
[9] ISMAEL N F. Axial load tests on bored piles and pile groups in emented sands[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2001, 127(9): 766－773.
[10] 田美存, 徐永福. 荷載傳遞法在群樁分析中的應用[J]. 河海大學學報, 1997, 25(1): 64－68.
TIAN Mei-cun, XU Yong-fu. Application of load transfer method to analysis of group piles[J]. Journal of Hohai University, 1997, 25(1) : 62－67.
[11] 王浩, 陳道政, 汪賓. 抗拔樁的群樁效應有限元分 析[J]. 安徽建筑, 2013, 40(3): 113－114.
WANG Hao, CHEN Dao-zheng, WANG Bin. Finite element analysis of the pile group effect of anti-floating pile[J]. Anhui Architecture, 2013, 40(3): 113－114.
[12] ALAWNEH A S, MALKAWI A, Al-Deeky H. Tension Tests on smooth and rough model piles in dry sand[J]. Candian Geotechnical Journal, 1999, 36(4): 746－753.
[13] SHELKE A, PATRA N R. Effect of arching on uplift capacity of pile groups in sand[J]. International Journal of Geomechanics, 2008, 8(6): 347－354.
成功提示
錯誤提示
警告提示
評論 （0）