水平循环荷载下饱和砂土中桩-土相互作用机理的试验研究

唐永胜，张鸿文，黄小明，刘学勇，任彦斌

（1.中国交通建设股份有限公司，北京 100088；2.宁波市市政公用工程安全质量监督站，浙江 宁波 315000）

在设计大型码头、跨江和跨海大桥、海上采油平台等建筑物的桩基础时，必须考虑到诸如波浪或地震等水平循环荷载对它们的影响。由于水平循环荷载下桩与桩周土体相互作用的机理十分复杂，现有理论很难确切地反映桩－土相互工作的实际情况。为此，本文在物理模型试验的基础上研究饱和砂土中不同埋深的桩在不同加载频率和循环次数的水平循环荷载下所表现出的桩-土相互作用关系。

1 模型桩及其桩的就位

为了模拟工程中桩的实际受力特性，尽量使模型桩与工程桩的外径和刚度成比例，本次试验选用了直径为40 mm，壁厚为2.5 mm，6根长度为1.6 m和2根长度为1.25 m的铝合金管。在桩的外壁对称贴上应变片。

为了提高理论上的计算精度，测点的布置分别为：对于长桩，埋深1.2 m，在泥面以下30 cm内每隔6 cm贴片，在30～70 cm内每隔8 cm贴片，在70～100 cm内每隔15 cm贴片，整个桩身共粘贴26个工作片；对于短桩，埋深0.85 cm，在泥面以下30 cm内每隔6 cm贴片，在30～54 cm内每隔8 cm贴片，在54～70 cm内每隔12 cm贴片，整个桩身共粘贴20个工作片。应变片的导线从管桩内穿出，应变片的粘贴工艺、防潮措施等按操作规程进行[1]。

8根模型桩相应的几何尺寸及力学性能指标如表1所示。

表1 模型桩的平均特性参数

本次试验模型槽的尺度（长×宽×深）为2.5m×1.5m×1.5 m的钢筋混凝土结构槽。采用中粗砂，共分5层落槽，每层厚约30 cm。每层砂土入槽后刮平并用轻夯逐点夯实，每层遍击4次，以保证模型土的密实度基本一致。按照模型试验的目的和要求，模型桩在第1层砂土夯实后在试验槽内按指定的地点和深度定位。在试验的前一天对砂土进行灌水，以便模型槽内土中各处的含水量与饱和度能与实际工程保持接近。整个试验完成后，对模型土做物理力学指标的测定，具体指标参数见表2。

表2 模型土土工试验结果

2 加载及测试装置

为了很好地模拟实际工程中波浪荷载对桩基的水平循环作用，本次试验特别采用了液压伺服系统装置来产生正弦波形的力。为此，还专门设计加工了一个符合本次模型试验要求的小型伺服头，采用荷载控制方式以保证模型桩受力的连续性和逼真性。

应变片的率定和数据采集采用的是自动巡测静态电阻应变仪，该仪器能自动对埋入土中的桩身应变片进行率定和应变值的调零，并以每秒13～14个测试测点的速度把采集到的应变值记录到计算机中去，测试速度快，抗干扰能力强，测试精度高。

3 试验内容及成果整理

本次试验的8根模型桩分别考虑了各种不同因素的组合情况对桩-土相互作用关系的影响，具体安排如表3。

表3 模型桩的试验安排

试验终止条件[2]：1）桩身折断；2）恒定荷载下桩的水平位移急剧增加，变位速率急剧加快；3）达到试验要求的最大荷载或位移，本次试验的最大位移规定为15 mm。

荷载分级：取预估极限荷载的1/10～1/12作为一级荷载，第一级加2～3倍分级荷载。

本次试验中桩身各点的水平位移y（x），由于二次积分后出现两个待定系数，而边界条件只有桩顶位移为已知，故无法用材料力学中对弯矩在沿桩的埋入深度方向上的二次积分求得，所以采用m法中的位移公式来推算[3]，即：

式中：Ay，By可查表得到；H0为桩在泥面处的水平荷载；M0为桩在泥面处的弯矩；T为桩土变形系数，T=，其中，根据工程经验取b0=0.504；m为地基比例系数。

在水平循环荷载作用下的桩基内力及位移理论分析中，桩土变形系数T十分重要，它与地基比例系数m密切相关。m值的选取将直接影响桩身弯矩的理论计算结果。且大量的研究结果表明，地基比例系数m值与泥面处桩身水平位移y0呈指数衰减[4]。为了确保理论计算结果的可靠性和准确性，本文采用泥面处桩身水平位移y0和内力反算桩土变形系数T和地基比例系数m值。图1描绘了其中任意2根桩的m-y0关系曲线，与工程经验值较为接近。

图1 模型桩的m-y0关系拟合曲线

4 试验结果分析

4.1 加载频率对桩－土相互作用的影响

图2中，2号桩与6号桩在三种不同荷载等级下的比较可以看出：桩未破坏之前，在相同水平循环荷载等级作用下，随着加载周期从6 s减小到2 s，基桩的桩身弯矩增大，增长幅度约为1.2倍左右，最大桩身弯矩所在位置相应下移，但一般都出现在6～8倍桩径范围以内。桩顶位移增大，增长幅度约为2～2.5倍，位移零点的深度也相应下移，水平循环荷载对桩身位移的影响主要集中在泥面至17倍桩径范围内。而桩周最大被动土抗力和最大主动土抗力均减小，减小幅度达30%～40%，并且桩周最大被动土抗力和最大主动土抗力所处深度也要相应的下降，这表明桩周上面的土体在外力的往复作用下已经有一部分发生了从弹性阶段向塑性变形阶段的转变。

在桩接近或达到破坏时，随着水平循环荷载频率的增大，桩的水平极限承载力增大，增长幅度为6%左右。但最大桩身弯矩及其所处深度基本保持在6～8倍桩径范围内不变，桩周最大被动土抗力和最大主动土抗力及其所处深度也几乎没有变化。

4.2 水平循环次数对桩－土相互作用的影响

图3中，6号桩、4号桩与3号桩在三种不同荷载等级下的比较可看出：在加载等级很小时，基桩所受水平循环荷载次数差别不大，桩周土体基本上都处于弹性阶段，最大桩身弯矩基本一致，最大桩身弯矩所处位置也总在7.5倍桩径深度处，桩顶位移变化幅度不超过0.3 mm。桩周最大被动土抗力在150次循环荷载下达到最大，比50次循环荷载下的值增大6%左右，相反，1000次循环荷载后桩周最大被动土抗力比150次的略有减小，而最大主动土抗力在50次循环荷载后最大，比150次循环荷载下的值提高15%左右。

随着荷载等级的加大，桩受到的荷载循环次数出现很大的差别，桩周土体被挤密的程度也有很大不同。此时，最大桩身弯矩随着循环次数的增加而增加，增幅将近10%。桩顶位移变化也十分显著，随着循环次数的增加而增加，幅度达45%，这表明受循环次数多的桩周土体已经部分发生了塑性变形。桩周最大被动土抗力随着循环次数的增加而减小，减小幅度达13%左右。最大主动土抗力在150次循环荷载下达到最大。基桩接近或达到破坏时，随着循环次数的增加，最大桩身弯矩急剧减小，减幅达30%左右，但最大桩身弯矩所处位置还是在7.5倍桩径深度处。位移零点的位置相应下移，水平循环荷载对桩身位移的影响主要集中在泥面至20倍桩径范围内。桩周最大被动土抗力随着循环次数的增加而减小，减小幅度达57%左右，最大主动土抗力也随着循环次数的增加而减小，减幅达3.6倍，这表明循环次数对桩周土体的性质产生了很大的影响，土体已经发生了很大的塑性变形。

图3 6号桩、4号桩与3号桩桩身弯矩、桩周土抗力、桩身位移的比较

桩的水平极限承载力随着循环次数的增加减小很大，减幅约为30%左右。

4.3 埋深对桩－土相互作用的影响

图4中，5号桩与8号桩在三种不同荷载等级下的比较可以看出：8号桩埋深0.85 m，5号桩埋深1.2 m，是8号桩埋深的1.41倍。从开始加载直至基桩破坏，桩周最大被动土抗力随着埋入深度的减小反而增大，增长幅度约为4%～8%。在刚开始加载时，埋深较大的桩桩周最大被动土抗力所处位置要浅，当到达某一状态后，无论长桩还是短桩其桩周最大被动土抗力所处位置基本保持在6倍桩径处不变。而桩周最大主动土抗力随着埋入深度的减小而减小，减幅达85%，埋深大的基桩其最大主动土抗力所处位置在20倍桩径处，埋深小的在16倍桩径处。

在相同水平循环荷载等级作用下，随着埋深的减小，桩顶位移增大，增长幅度约为15%，且埋深较浅的桩在整个桩身范围内始终不出现位移零点，埋深较大的桩其位移零点一般出现在15～18倍桩径内，这表明水平循环荷载对长桩桩身位移的影响主要集中在泥面至18倍桩径范围内，而对短桩可影响到整个桩身位移。桩的埋入深度对最大桩身弯矩影响不大，且最大桩身弯矩所处深度基本保持在7～8倍桩径处。

图4 5号桩与8号桩桩身弯矩、桩周土抗力、桩身位移的比较

5 结论

1）桩未破坏之前，随着加载周期的减小，桩身弯矩、桩顶位移增大，桩周最大被动土抗力及最大主动土抗力均有所减小。在桩接近破坏时，随着加载频率的增大，桩的水平极限承载力增大，而桩周最大被动土抗力和最大主动土抗力及其所处深度几乎没有变化。

2）当加载等级较小时，桩身弯矩、桩顶位移几乎一致，最大被动土抗力在150次循环荷载下达到最大，而最大主动土抗力在50次循环荷载后最大。随着荷载等级的加大，桩身弯矩、桩顶位移都随着循环次数的增加而增加，而桩周最大被动土抗力随之减小。在桩接近破坏时，随着循环次数的增加，最大桩身弯矩、水平极限承载力、桩周最大被动及主动土抗力均减小很大。

3）从开始加载直至桩破坏，桩顶位移和最大被动土抗力随着埋深的减小而增大，最大主动土抗力随着埋深的减小而减小，桩的埋深对桩身弯矩影响不大，且最大桩身弯矩所处深度基本保持在7～8倍桩径处。

[1]章连洋，陈竹昌.黏性土中侧向受载桩的模型试验研究 [J].岩土工程学报，1990，12（5）：40-45.

[2]吴明战，周洪波.循环加载后饱和软黏土退化性状的试验研究[J].同济大学学报，1998，26（3）：275-277.

[3]Yang Ke-ji.Behavior of Pile Groups under Lateral Load[J].China Ocean Engineering，1991，5（2）：76-79.

[4]Lin San-Shyan，Liao Jen-chen.Permanent Strain of Piles in Sand due to Cyclic Lateral load[J].Geotechnical Geoenviroment Engi neering，1999，125（9）：798-802.