謝 芳 曹金葉 馮 炳

(1.紹興文理學(xué)院 土木工程學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.紹興大明電力設(shè)計(jì)院有限公司，浙江 紹興 312000)

目前桿塔基礎(chǔ)常用的形式有大開挖回填基礎(chǔ)[1]、灌注樁基礎(chǔ)[2-3]和鋼管樁基礎(chǔ)[4]等，但是已有的基礎(chǔ)不是在施工中存在一定難度，就是對(duì)環(huán)境有一定的影響.針對(duì)目前城區(qū)輸電線路自立桿常規(guī)基礎(chǔ)存在的不足，朱江峰等人[5]于2018年提出了一種新型城區(qū)輸電線路自立桿基礎(chǔ)形式——“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ).“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)是先將底部帶圓形鋼板的鋼管放入旋挖機(jī)械挖成的孔中，再將預(yù)制的混凝土重塊像加砝碼一樣逐個(gè)加裝在鋼管上，最后在基坑與混凝土重塊縫隙處注漿，保證基礎(chǔ)與土體的黏結(jié)作用，其示意圖如圖1所示.

“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)具有施工工藝簡(jiǎn)潔、

圖1 “砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)示意圖

施工周期短，能更好地滿足預(yù)制化、模塊化、機(jī)械化施工要求等優(yōu)點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)受力合理，在自立桿荷載作用下整體性和穩(wěn)定性較好，變形、內(nèi)力均能滿足規(guī)范要求.但由于此類樁型特殊，在實(shí)際工程運(yùn)用中缺乏理論基礎(chǔ)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，為能早日運(yùn)用到實(shí)際工程中，對(duì)“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的水平承載特性進(jìn)行研究具有實(shí)際意義.

對(duì)于樁基礎(chǔ)的水平承載特性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均已做了大量的研究，主要包括理論研究、試驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究.

理論是開展研究的基礎(chǔ)，對(duì)應(yīng)用于工程的新型樁基礎(chǔ)，需要完善的理論依據(jù)來支持.針對(duì)普通樁基礎(chǔ)的理論分析，國(guó)內(nèi)外學(xué)者均已做了大量研究，Luan等[6]提出了一種基于水平受荷樁土體反力發(fā)展的樁-土-樁相互作用因子，取代了以往的位移疊加作用因子.Su等[7]提出了非線性彈塑性p-y曲線模型，即H模型，并論證了該模型的適用性.Zhu等[8]提出了硬化p-y曲線的單粒子，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證硬化行為可以提高水平受荷樁的性能.Maycon等[9]通過運(yùn)用p-y曲線法預(yù)估樁基礎(chǔ)在橫向荷載作用下的承載力，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果與荷載試驗(yàn)結(jié)果吻合得非常好.王曉偉等[10]通過擬靜力試驗(yàn)研究提出了三線性淺層土p-y曲線，并驗(yàn)證了其合理性.Haigh等[11]通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論分析，對(duì)承受水平力的單樁周圍土體的應(yīng)力狀態(tài)進(jìn)行了研究.

水平靜載試驗(yàn)常用于研究樁基礎(chǔ)的水平承載性能，試驗(yàn)結(jié)果較直觀且更接近實(shí)際工程.Sivapriya等[12]通過水平靜載試驗(yàn)，得到樁的極限承載力隨著樁徑的增大而增大.Lin等[13]通過全儀器試驗(yàn)方法對(duì)剛性短樁在承受水平荷載時(shí)的樁土相互作用及樁周水平應(yīng)力變化的分布規(guī)律進(jìn)行了研究.侯勝男[14]通過對(duì)上海軟土地基的57根單樁進(jìn)行水平靜載試驗(yàn)，得到加大樁徑可有效增加單樁的水平承載能力.Nabil[15]對(duì)靜力荷載作用下的錐形鉆孔樁進(jìn)行了水平靜載的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，得到應(yīng)用擴(kuò)向錐形樁對(duì)樁承受水平荷載有較大的影響.Faro等[16]通過水平靜載試驗(yàn)驗(yàn)證了經(jīng)過水泥處理過的土能有效提高水平受荷的剛性樁的承載性能.

數(shù)值模擬分析方法也是研究樁基礎(chǔ)水平承載性能常用的方法，且常與試驗(yàn)研究相結(jié)合.蔡忠祥等[17]通過數(shù)值模擬分析，得到了豎向荷載、配筋率以及樁頂固接條件均對(duì)樁基礎(chǔ)的水平承載力有較大影響.Conte等人[18]利用有限元分析軟件進(jìn)行了樁在橫向荷載作用下的非線性受力模擬分析，并且將數(shù)值模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比.Bushra等[19]將試驗(yàn)與數(shù)值模擬相結(jié)合，得到了砂土中水平受荷樁的承載性能.

上述成果均是對(duì)已有樁型的水平承載性能的研究，對(duì)于本文提出的新型樁，尚未發(fā)現(xiàn)針對(duì)性的研究成果.本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)普通樁基礎(chǔ)水平承載特性的研究方法及結(jié)論，通過水平靜載試驗(yàn)結(jié)果與ABAQUS有限元分析軟件相結(jié)合的方法對(duì)樁徑、埋深等 “砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)水平承載特性的影響因素展開研究.并運(yùn)用MATLAB軟件結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)結(jié)果獲得砝碼樁極限荷載的計(jì)算修正公式.

1 水平靜載現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地及土質(zhì)概況

“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)水平靜載試驗(yàn)場(chǎng)地位于南京市浦口區(qū)某空地，該區(qū)域?yàn)轲ね恋鼗叵滤惠^深.根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，試驗(yàn)場(chǎng)地均屬于長(zhǎng)江中下游沖積平原工程地質(zhì)區(qū).地基土上層為第一硬土層，巖性為褐黃色亞黏土，結(jié)構(gòu)緊密，厚1 m～3 m.下層為第二軟土層，巖性呈可塑狀，以淤泥質(zhì)亞黏土、炭質(zhì)黏土為主，局部夾粉砂，飽水，呈流塑狀，具高壓縮性，厚度為25 m～35 m.根據(jù)試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)采集土樣進(jìn)行土體直剪試驗(yàn)，得到場(chǎng)地不同位置的兩種地基土的主要物理力學(xué)性能指標(biāo),如表1所示.

表1 場(chǎng)地土的物理力學(xué)參數(shù)

場(chǎng)地編號(hào)含水率ω/%孔隙比不均勻系數(shù)Cu/kPa壓縮系數(shù)α壓縮模量E/MPa黏聚力c/kPa內(nèi)摩擦角Ф/°132.40.9377.00.513.8125.211.2225.80.79210.30.374.8439.912.2

1.2 試件參數(shù)

本次試驗(yàn)研究了三種不同外徑圓截面“砝碼式”鋼管樁在三種不同埋深下的水平靜載試驗(yàn)，試件具體參數(shù)如表2.

表2 試件參數(shù)

編號(hào)混凝土強(qiáng)度等級(jí)內(nèi)徑d/mm外徑d/mm壁厚t/mm砝碼塊高度h/mm埋深H/mYG-1-4C30160240402401.0YG-1-5C30160300703001.0YG-1-6C301603601003601.0YG-2-4C30160240402401.5YG-2-5C30160300703001.5YG-2-6C301603601003601.5YG-3-4C30160240402402.0YG-3-5C30160300703002.0YG-3-6C301603601003602.0

1.3 試驗(yàn)方案

1.3.1 加載裝置

試驗(yàn)采用臥式千斤頂施加水平力，千斤頂量程為10 t，用測(cè)力傳感器測(cè)定施加荷載值，千斤頂與樁之間需安置傳力裝置，使千斤頂對(duì)試驗(yàn)樁的施力點(diǎn)位置在試驗(yàn)過程中保持不變.將根據(jù)極限承載力的兩倍設(shè)計(jì)出的鋼筋混凝土樁作為反力樁，由Φ8鋼筋和C30混凝土澆筑而成，直徑為400 mm，長(zhǎng)度為3000 mm.加載裝置如圖2所示，樁位布置示意圖如圖3所示.

1.3.2 試驗(yàn)方法

依據(jù)《JGJ106-2014 建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》慢速維持荷載法[20]，按下列規(guī)定進(jìn)行加卸載和位移觀測(cè)：

圖2 水平靜載試驗(yàn)裝置

圖3 樁位布置示意圖

(1)荷載分級(jí)

取預(yù)估水平極限承載力的1/10-1/15作為每級(jí)荷載的加載增量,根據(jù)樁徑大小并適當(dāng)考慮土層軟硬，每級(jí)荷載增量取1-2 kN；

(2)加載程序與位移觀測(cè)

每級(jí)荷載施加后，按5 min、15 min、30 min、45 min、60 min測(cè)讀樁頂位移，以后每隔30 min測(cè)讀樁頂水平位移.樁頂穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)：每一小時(shí)內(nèi)的位移不得大于0.1 mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次(從分級(jí)荷載施加后的30 min開始，按1.5 h連續(xù)三次每30 min觀測(cè))，樁頂位移穩(wěn)定后，方可施加下一級(jí)荷載.卸載時(shí)，每級(jí)荷載應(yīng)維持1 h，分別按第15 min、30 min、60 min測(cè)讀樁頂沉降量后，即可卸下一級(jí)荷載；卸載至零后，應(yīng)測(cè)讀樁頂殘余沉降量，維持時(shí)間不得少于3 h，測(cè)讀時(shí)間分別為第15 min、30 min，以后每隔30 min測(cè)讀一次樁頂殘余沉降量.

(3)試驗(yàn)終止條件

①樁身折斷；

②當(dāng)樁身折斷或水平位移超過40 mm；

③水平位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水平位移允許值.

1.4 試驗(yàn)結(jié)果

在加載過程中，隨著荷載的增加，樁身在力的作用點(diǎn)處位移逐漸增大.每次施加荷載位移穩(wěn)定后，當(dāng)觀察到其位移與上級(jí)位移對(duì)比增量為20%以上時(shí)，判斷為臨界條件并終止試驗(yàn).此時(shí)，樁后土體與樁身間有較大縫隙，樁前土體與樁身擠壓，并在樁身周圍產(chǎn)生裂痕.每次試驗(yàn)終止后檢查反力樁百分表，確保反力樁位移在誤差允許范圍內(nèi).樁周土體破壞如圖4所示.

圖4試驗(yàn)終止時(shí)樁身破壞現(xiàn)象

1.4.1 荷載-位移曲線對(duì)比分析

不同外徑圓截面的9根樁在不同埋深下承受水平荷載的荷載-位移對(duì)比曲線如圖5所示.

圖5 不同樁徑在不同埋深下的荷載-位移曲線

根據(jù)以上三種埋深下不同樁徑“砝碼式”鋼管樁荷載-位移曲線可以看出：

(1)三種不同樁徑的砝碼樁破壞時(shí)的最終位移不同，且位移大小與樁徑大小無明顯規(guī)律；當(dāng)埋深相同且承受相同的水平荷載時(shí)，樁徑越大的砝碼樁水平位移相應(yīng)減小.從結(jié)果看：增大樁徑可以一定程度地提高水平承載性能，但效果不明顯.

(2)砝碼樁三種樁徑在不同埋深下的破壞位移也不相同，且與埋深無明顯比例關(guān)系；當(dāng)樁徑和承受的水平荷載都相同時(shí)，埋深較深的砝碼樁水平位移相應(yīng)減小.從結(jié)果看：增加埋深可有效提高水平荷載性能.

1.4.2 水平靜載試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

由荷載-位移曲線第一拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平荷載值作為砝碼樁的臨界荷載值，第二拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的水平荷載值作為砝碼樁基礎(chǔ)的極限荷載值.三種樁徑在不同埋深下的水平載荷試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析如表3所示.

表3 水平載荷試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表

編號(hào)樁頂臨界水平位移/mm水平臨界荷載Hcr/kN水平承載力極限值/kNYG-1-412.508.3011.50YG-1-510.508.6511.97YG-1-68.909.4714.20YG-2-411.4013.1319.15YG-2-59.1214.9720.96YG-2-68.7216.1621.55YG-3-410.3017.0323.41YG-3-58.4621.2931.93YG-3-67.3025.5435.14

根據(jù)以上三種樁徑在不同埋深下的水平載荷試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表可以看出：

(1)樁徑對(duì)砝碼樁的水平承載性能的影響較小.當(dāng)達(dá)到水平臨界荷載Hcr時(shí)，隨著樁徑增大，臨界位移逐漸減小，三種埋深的最大臨界位移均出現(xiàn)在樁徑較細(xì)的砝碼樁，且水平臨界荷載值和水平承載力極限值均隨著樁徑的增大而增大，但增長(zhǎng)的幅度較小，可以得到：增大樁徑對(duì)水平承載性能的影響相對(duì)較小.

(2)埋深對(duì)砝碼樁的水平承載性能影響較大.當(dāng)達(dá)到水平臨界荷載Hcr，隨著埋深的增加，臨界位移逐漸減小，三種樁徑的最大臨界位移均出現(xiàn)在埋深較淺的砝碼樁處，且水平荷載臨界值和水平承載力極限值均隨著埋深的增加而增大，且增長(zhǎng)幅度較大，可以得到：增加埋深對(duì)水平承載性能的影響相對(duì)較大.

2 水平承載特性數(shù)值分析

為了驗(yàn)證現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果的正確性，運(yùn)用ABAQUS大型有限元分析軟件對(duì)“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的水平承載特性進(jìn)行了數(shù)值模擬分析.

2.1 模型建立

本文主要通過在樁土表面建立接觸對(duì)，按主從接觸算法進(jìn)行處理.分析中對(duì)樁身采用彈性模型，對(duì)地基土考慮土體的彈塑性，且假定服從摩爾-庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則，模擬地基中的彈塑性變形以及樁土接觸性狀.樁、土各參數(shù)取值與水平靜載試驗(yàn)相同，其中E土=1×e4kPa,μ土=0.35；E砼=3×e7kPa,μ砼=0.17；E鋼=2×e8kPa,μ鋼=0.3.“砝碼式”鋼管樁和土體有限元部分均采用三維八節(jié)點(diǎn)單元(C3D8單元)，網(wǎng)格劃分如圖6所示.

(a)整體網(wǎng)格劃分

(b)樁的網(wǎng)格劃分

圖6“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)計(jì)算模型網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)值分析結(jié)果

圖7為“砝碼式”鋼管樁水平承載位移云圖.由圖7可以看出，“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)承受水平荷載時(shí)位移最大處發(fā)生在樁頂處.

三種不同樁徑在不同埋深下同承受10kN水平荷載的砝碼樁模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果曲線如圖8所示.

由圖8可知，對(duì)于承受相同水平承載力的相同尺寸的“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)，ABAQUS模擬得到的水平位移較試驗(yàn)得到的水平位移更大，

圖7“砝碼式”鋼管樁水平承載位移云圖

這可能是由于埋入砝碼樁時(shí)對(duì)地基土夯實(shí)導(dǎo)致土體較正常情況更密實(shí).但可以看出，通過ABAQUS模擬得到的曲線走向與試驗(yàn)結(jié)果一致，即當(dāng)埋深相同且承受相同的水平荷載時(shí)，樁徑大的砝碼樁水平位移相應(yīng)減??；當(dāng)樁徑相同且承受相同的水平荷載時(shí)，埋深較深的砝碼樁水平位移相應(yīng)減小.上圖中均承受10 kN水平荷載時(shí)，YG-3-5水平位移大于YG-3-6，是因?yàn)閷?duì)于埋深較深且樁徑較大的砝碼樁前期承受水平力較小，尚未發(fā)揮其埋深及樁徑優(yōu)勢(shì)，此時(shí)影響其承載性能的因素只有樁周土體.

3 水平承載理論計(jì)算

根據(jù)極限地基反力法[21]，可由下式(1)計(jì)算得到短樁極限水平承載力：

式中：Hu為極限水平承載力；Cu為不排水抗剪強(qiáng)度，本文取Cu=33.7kPa；d為樁寬，本文即樁的直徑；L0為樁頂距地面距離，L為埋深.

將計(jì)算所得的極限水平承載力與試驗(yàn)所得的“砝碼式”鋼管樁水平承載力試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4.

表4 “砝碼式”鋼管樁水平承載力試驗(yàn)值與極限水平承載力計(jì)算值對(duì)比

由表4可知，極限地基反力法計(jì)算結(jié)果與水平靜載試驗(yàn)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析可知，運(yùn)用布羅姆斯法計(jì)算“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的水平承載極限荷載偏于安全，且埋深越大實(shí)際極限承載力與計(jì)算值越接近.上表只有YG-3-4的試驗(yàn)值小于計(jì)算值，其原因可能是試驗(yàn)前YG-3-4樁周土受到擾動(dòng)或在試件制作過程中砝碼樁內(nèi)部鋼管受損所致，其結(jié)果不具代表性，本文對(duì)此結(jié)果不做分析.當(dāng)然，為了日后砝碼樁能更好地運(yùn)用于實(shí)際工程中，后續(xù)需做大量試驗(yàn)驗(yàn)證此結(jié)果的偶然性.

埋深為1.0 m的三根砝碼樁的計(jì)算結(jié)果較試驗(yàn)值偏大較多，在實(shí)際工程中不滿足經(jīng)濟(jì)性原則，故在利用極限地基反力法計(jì)算“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的水平極限荷載時(shí)，需對(duì)公式進(jìn)行修正.借助MATLAB數(shù)學(xué)軟件擬合出的修正公式如下：

公式(2)僅適用于埋深為1.0 m的“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)，修正后計(jì)算得到的極限水平承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果如表5.

表5 “砝碼式”鋼管樁水平承載力試驗(yàn)值與擬合后極限水平承載力計(jì)算值對(duì)比

由上表可以看出，修正后的極限承載力計(jì)算公式更接近實(shí)際，埋深為1.0 m的三根砝碼樁的極限承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值的誤差均小于10%，說明通過MATLAB數(shù)學(xué)擬合后的公式用來計(jì)算“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的水平極限承載力可行.

4 結(jié)論

通過水平靜載試驗(yàn)與MATLAB數(shù)學(xué)軟件及ABAQUS模擬軟件相結(jié)合的方法，得到以下結(jié)論：

(1)“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)水平承載力的荷載-位移曲線在荷載較小時(shí)呈線性關(guān)系，隨著荷載的增大，樁周土體逐漸進(jìn)入彈塑性，樁土間的相互作用逐漸增強(qiáng).

(2)“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的水平承載能力隨著樁徑及埋深的增大而增大，且增加埋深對(duì)其影響更顯著，所以在工程中建議通過增加埋深來提高砝碼樁的水平承載力.

(3)通過結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果與短樁極限地基反力計(jì)算法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)埋深為1.5 m和2.0 m時(shí)的水平極限承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值較接近，可用極限地基反力法直接計(jì)算埋深為1.5 m和2.0 m時(shí)的“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的水平承載力極限值.并運(yùn)用MATLAB數(shù)學(xué)軟件對(duì)公式進(jìn)行了擬合，給出了適用于埋深為1.0 m的“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的極限水平承載力計(jì)算公式，并驗(yàn)證了擬合公式的可行性.

本文的研究成果將對(duì)后續(xù)“砝碼式”鋼管樁基礎(chǔ)的研究及工程應(yīng)用提供有力的參考價(jià)值.