蔣玉龍 馮國鵬 徐澤楠

摘要：通過調(diào)節(jié)樁土試樣圍壓，對樁基試樣進行豎向循環(huán)荷載加載試驗，研究了飽和軟土地基中樁基豎向承載力剛度特性。研究結(jié)果表明：樁頂?shù)拇怪毖h(huán)位移荷載會削弱樁-土系統(tǒng)，但同時也增加地基土的固結(jié)包絡(luò)，提高樁-土系統(tǒng)的抗削弱能力。樁基動剛度受到地基土固結(jié)狀態(tài)的影響十分顯著，隨著固結(jié)圍壓的增大，在循環(huán)荷載的作用下，土體的動剛度也會呈現(xiàn)一個增大的趨勢。

關(guān)鍵詞：軟土；樁基礎(chǔ)；圍壓；循環(huán)荷載

0? ?引言

在工程建設(shè)活動中，飽和軟土地基承載力較弱，自然條件下，一般無法承擔上部結(jié)構(gòu)所傳遞下來的荷載。因此，通過打樁穿過軟土層達到有足夠地基承載力的持力層，是一種有效的地基處理方法。在荷載作用下，樁周土體會發(fā)生位移，為此對飽和軟土中樁基豎向承載力特性進行試驗研究非常必要。

在巖土工程領(lǐng)域，已有許多專家學(xué)者對樁基礎(chǔ)進行了研究。黃朝煊[1]推導(dǎo)出水平受荷樁在成層軟土中的彈塑性解析解和塑性區(qū)深度，并給出無量綱計算式，來計算樁頂?shù)乃轿灰坪蜆渡淼淖畲髲澗亍Ｍ跽耓2]認為旁壓試驗極限壓力受到多種因素影響，采用臨塑壓力較為準確，效率較高。宋弋飛[3]等從安全性與經(jīng)濟性兩方面出發(fā)，提出單樁承載力取值的合理評判標準。劉越[4]等結(jié)合現(xiàn)場試樁試驗數(shù)據(jù)，對多層軟土樁基工程水平承載力的計算進行探討，修正了規(guī)范中未涉及的系數(shù)。余建飛[5]等對預(yù)應(yīng)力管樁進行拉拔試驗對大面積深厚軟土地區(qū)樁基工程抗拉性能、負摩阻力和中性點進行了研究。

本文以飽和軟土場地為樁周土體，采用自制可調(diào)節(jié)樁周土試樣圍壓的豎向循環(huán)荷載加載系統(tǒng)，進行循環(huán)加載試驗，結(jié)合數(shù)值模擬分析探究樁基豎向承載力剛度特性。

1? ?試驗方法

1.1? ?試驗材料

試驗用土來自于2022嘉秀洲-018號地塊項目。該項目位于浙江省嘉興市秀洲區(qū)高照街道，土體為淤泥質(zhì)黏土，呈灰色，流塑，絮狀結(jié)構(gòu)，厚層狀結(jié)構(gòu)，偶見腐殖質(zhì)，嗅有腥臭味；干強度中等，韌性中等，無搖振反應(yīng)，稍有光澤。將原狀土取出后，經(jīng)過105℃烘干、破碎后，再根據(jù)試驗要求制成飽和土試樣，并放入試驗設(shè)備中進行預(yù)固結(jié)以待試驗。

1.2? ?試驗設(shè)備

采用自制可調(diào)節(jié)樁土試樣圍壓的豎向循環(huán)荷載加載系統(tǒng)進行試驗。該系統(tǒng)的組成部分如下：一是伺服電機。用于對模型樁施加豎向位移荷載。二是聯(lián)軸器，用于傳遞動力。三是滾柱絲杠，用于將伺服電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換為加載板的直線運動，實現(xiàn)精確的位移控制。四是加載板，用于與模型樁頂端接觸，施加豎向荷載。五是水壓加載裝置，用于對土樣進行圍壓加載。六是土樣，用于模擬地基土，可以是飽和軟土、干燥砂土等不同類型的土壤。七是模型樁，用于模擬樁基礎(chǔ)，可以是單樁、群樁、不同形狀和材料的樁等。

1.3? ?試驗方法

為了研究不同固結(jié)狀態(tài)下樁基的動力性能，本文進行了樁基模型試驗和數(shù)值模擬。試驗中，樁的初始埋深為20cm。土體設(shè)置了3種固結(jié)度，圍壓為200kPa達到60%固結(jié)度，圍壓為400kPa達到60%固結(jié)度，圍壓為400kPa達到 90% 固結(jié)度。

進行循環(huán)加載后的靜載試驗，加載速率為0.5cm/min，直至土體破壞。采用正弦函數(shù)模式循環(huán)加載，加載頻率為1Hz，振幅控制為0.1～0.4mm，共4種振幅，每組循環(huán)荷載加載50次。數(shù)值模擬與試驗條件相同，僅針對200kPa圍壓、60%固結(jié)度的情況。試驗方案見表1。

2? ?試驗結(jié)果分析

2.1? ?循環(huán)荷載條件下樁基剛度分析

本次試驗的目的是研究樁基動力學(xué)特性。為了獲得更準確的實驗數(shù)據(jù)，在試驗設(shè)計中采取了一系列措施。取一個滯回圈內(nèi)兩個角點進行線性擬合，所得到的線性擬合結(jié)果斜率，即為循環(huán)荷載條件下，該滯回周期中樁基的動剛度。它可以有效地反映樁基受力變化情況，應(yīng)用它可以進一步分析樁基動剛度的變化規(guī)律。滯回曲線如圖1所示。

循環(huán)周期樁基的動剛度K為2206，說明樁基在本次循環(huán)周期中所表現(xiàn)的動剛度較高。以設(shè)備總共施加了n次循環(huán)荷載，每組加載振幅為0.1mm。令第n次加載時的動剛度為Kn，將不同滯回圈數(shù)下的樁基動剛度值歸一化，得到如圖2所示的曲線。

地基土圍壓和固結(jié)度分別為200kPa、60%時，地基的動剛度在振幅為0.1mm保持基本穩(wěn)定。但從振幅0.2mm開始，初始動剛度比72%，隨著循環(huán)次數(shù)的增加，地基的動剛度劇烈下降，隨后下降速率逐漸降低直至一極限值從。而振幅從0.2mm上升到0.3直至0.4mm的過程中，初始動剛度下降至50%和37%，相對于振幅0.2mm時，動剛度變化曲線更加平緩。這說明地基的動剛度隨著振幅的增加逐漸減小，這與樁基的動力學(xué)特性密切相關(guān)。需要注意的是，不同振幅下得到的動剛度值應(yīng)該被歸一化，以便更好地比較其差異和趨勢。

地基土圍壓為400kPa、固結(jié)度為60%、振幅為0.2～0.4mm時，初始動剛度比的變化規(guī)律與200kPa、60%時基本一致，分別為76%、57%、44%。而當降低至穩(wěn)定值后，在相應(yīng)振幅下均大于200kPa圍壓時的初始剛度比。

地基土圍壓為400kPa、固結(jié)度為90%時，高固結(jié)度樁周土在受到加載的過程中發(fā)生硬化現(xiàn)象。隨著振幅的增加，初始動剛度比呈先上升、后下降的趨勢。當振幅為0.1mm時，樁周土出現(xiàn)硬化；而當振幅為0.2mm時，樁周土體開始軟化，初始動剛度比也開始降低，直到振幅增加到0.4mm時，初始動剛度比為79%。分析認為，前兩組沒有出現(xiàn)這一類現(xiàn)象，是由于前者硬化閾值較低。而當固結(jié)度提升至90%，硬化閾值也隨即提升。在土圍壓為400kPa、固結(jié)度為90%時，可見幅度為0.2mm時即為硬化閾值。

從圖2中的3組曲線中可以看出，地基樁周土隨著循環(huán)次數(shù)發(fā)生硬化的應(yīng)力閾值，與土體的固結(jié)狀態(tài)緊密相關(guān)，樁土系統(tǒng)的動剛度比隨著循環(huán)荷載的大小而變化。循環(huán)荷載小于應(yīng)力閾值時，動剛度比呈增加趨勢。循環(huán)荷載大于應(yīng)力閾值時，動剛度比呈衰減趨勢。振幅越大，初始動剛度比越低。相同振幅的動剛度比會隨著振動次數(shù)的增加而趨于穩(wěn)定。這反映了地基土的固結(jié)度和圍壓，對樁周土硬化應(yīng)力閾值的作用，以及循環(huán)荷載和振幅對樁土動剛度比的作用，因此提高固結(jié)度或圍壓可以降低動剛度衰減的速度。

2.2? ?數(shù)值模擬結(jié)果及分析

本文對Z1模型試驗進行了數(shù)值模擬，以探究樁端阻力和樁側(cè)摩擦的變化對樁承載力循環(huán)弱化的影響。樁側(cè)摩阻力和樁端阻力是構(gòu)成樁基承載力的兩部分，因此本研究將飽和軟土循環(huán)弱化模型作為地基土模型，來研究樁側(cè)摩阻力和樁端阻力在土中的特性。此外，該模型考慮了非線性運動硬化的效應(yīng)。

建立軸對稱有限元模型，用樁土界面的公共節(jié)點表示樁土邊界，并在水平側(cè)和底側(cè)施加約束邊界條件。施加約束條件前，該模型采用網(wǎng)格劃分模式，并將約束施加在相應(yīng)的節(jié)點上。這些措施旨在通過數(shù)值模擬，更好地了解樁側(cè)摩擦和樁端阻力的變化，以及樁承載力的循環(huán)弱化。樁基承載力由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力組成，樁土有限元模型如圖3所示。

樁側(cè)摩阻力在循環(huán)加載開始和結(jié)束時，沿樁身深度的變化情況如圖4所示。樁側(cè)摩阻力隨著加載的進行而逐漸減弱，尤其在振幅為0.2mm時，幾乎完全消失。當振幅增加到0.3mm和0.4mm時，樁側(cè)摩阻力分布幾乎沒有區(qū)別。從樁身上看，樁側(cè)摩阻力隨著樁體深度的增加而減小，且在樁頂降低得最顯著。由此可見，樁側(cè)摩阻力的減弱是造成樁承載力下降的根本原因。當樁端阻力減弱到剩余值時，整個樁-土系統(tǒng)的作用即不再繼續(xù)弱化。

3? ?結(jié)束語

本文采用循環(huán)荷載，對不同固結(jié)狀態(tài)下樁基的動力性能進行模型試驗和數(shù)值模擬。試驗結(jié)果表明，樁基承載力在循環(huán)加載后被削弱，且與土體的固結(jié)度、振幅和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。數(shù)值模擬結(jié)果顯示，樁側(cè)摩阻力和樁端阻力在循環(huán)加載過程中均有減弱，但樁側(cè)摩阻力減弱更為顯著。得到的主要結(jié)論如下：

豎向加載的循環(huán)荷載導(dǎo)致樁基動剛度顯著弱化，而對土體施加圍壓后增大了地基樁周土的固結(jié)度，導(dǎo)致整體動剛度增大。在循環(huán)加載過程中，樁相對土體向上移動，產(chǎn)生的摩阻力導(dǎo)致整個樁基承載力下降。

樁周土體動剛度與土體固結(jié)度緊密相關(guān)。高固結(jié)度樁周土在小振幅循環(huán)荷載作用下，相較于初始狀態(tài)，動剛度反而有所提升。但當振幅超過硬化閾值后，其動剛度終將低于初始狀態(tài)。而低固結(jié)度樁周土自受到循環(huán)荷載后，其動剛度就開始弱化。

樁側(cè)摩阻力隨樁身深度的增加而逐漸減小。樁基承載力的下降是由樁側(cè)摩阻力和樁端阻力共同作用所導(dǎo)致的，但樁基承載力主要靠樁側(cè)摩阻力來提供，因此樁端阻力決定了整個樁土體系弱化過程是否結(jié)束。

在工程實際中一般無法避免飽和軟土樁基承載力的下降，因此需要采取相應(yīng)措施進行地基處理。首先應(yīng)提前采取堆載預(yù)壓排水，使得場地固結(jié)度提高，進一步提升地基承載力中的殘余應(yīng)力，使樁基承載力發(fā)生弱化現(xiàn)象后有足夠承載力承擔上部荷載。此外，還可以采取高壓注漿固化場地土體，增大地基承載力。當采取固化方法處理地基場地時，由于土體硬化，樁端阻力與樁側(cè)摩阻力與初始狀態(tài)產(chǎn)生的差異較大，不可忽視。

參考文獻

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