桩－桶基础的水平承载性能＊

刘文白 朱晨霞

（上海海事大学海洋环境与工程学院 上海 201036）

海洋工程基础要承受长期侧向静载压力、土的挤压和风、海流、波浪往复动载以及地震荷载等水平作用影响.周健等对侧向受荷桩的试验和数值模拟［1］，张建红和胡忠磺等对水平载荷作用下土体与桶形基础的相互作用及承载力的研究［2－3］，Poul对砂土的应变局部化研究［4］，Chiang对环境影响土体位移的桩的响应研究［5］和Kong的群桩受扭的耦合效应研究［6］；李元海采用无标点量测技术（digital photogrammetry for deformation measurement，DPDM）对模型试验变形场分析［7］；桶形基础施工方便、可重复利用、抗拔性能好［8］.这些成果对桩－桶基础的水平承载性能研究具借鉴价值.

桩－桶基础集桩、桶基础各自的优点，桩基础的竖向承载力高、抗液化能力好、抗变形能力强，桩与桶基结合可将环境荷载的水平作用向下传递到更深的持力层，增强稳定性，能够承受较大的水平力作用.通过模型试验，对室内单桩单向水平循环荷载下桩－桶周围土体进行拍摄，应用DPDM技术，对土体变形场破坏特征和水平承载性能进行研究.

1 模型试验

室内模型试验设备有四面玻璃的模型箱（长×宽×高为60cm×60cm×80cm）、桩－桶模型基础（45号钢材）、加载架、图像采集和位移量测设备.试验示意见图1，土样细砂，参数见表1.1 020万像素数码相机拍摄桩－桶侧土体变形照片.采用单向多循环加载.根据图2的荷载－时间－位移曲线，水平临界荷载Hcr＝300N，对应水平位移4.02m，极限荷载Hu为600N，对应水平位移20.8mm.

2 基础周围土体变形场和破坏模式

2.1 土体变形场分析

图1 桩－桶基础半模试验布置和尺寸示意

表1 砂土的物理力学性质指标

图2 水平承载的桩－桶基础受荷点荷载－位移 （H－T－Y）曲线

在模型试验中，对水平荷载作用下桩－桶基础半模试验的土体变形进行数码拍摄，采用DPDM技术分析拍摄照片，获得基础周围土体的变形场及变化.图3～6分别为加载初期、临界荷载、极限荷载的土体位移矢量、变形网格、X方向位移和最大剪应变.图3为不同荷载位移矢量场.荷载增大到临界荷载Hcr＝300N，在桶基础的内部和基础两侧土体位移较大，并随荷载增加沿横向及深部开展，在被动区（图示桩中轴右侧土体）的位移开展速度和开展范围大于主动区（图示桩中轴左侧土体）；在极限荷载Hu＝600N，主动区土体的位移场形状与桶基础形状相似，为一以桶边缘为界的长方形；被动区土体的位移场为半锥台形状，边界为1／4圆弧，位移场边界较明显，主动区土体表面下陷和被动区土体表面隆起.图4所示的土体变形网格和图5所示的土体水平位移场均有与图3相同的分析结果.土体最大剪应变场见图6，图6外轮廓线为依据剪切变形场分析的土体破坏模式.

2.2 土体的破坏模式与机理

图3 土体位移矢量图

图4 H＝600N土变形网格

图5 H＝600NX方向位移等值线

根据试验土体变形观测可以分析土体破坏过程为：荷载较小时，土体处于弹性阶段.荷载到Hcr＝300N时主动区土体应力松弛，在土表的桶外缘处出现裂缝；被动区土体受挤压，颗粒间的骨料“咬合”作用显著，出现剪胀.Hu＝600N，主动区剪切带完全形成；被动区出多条环状和放射性裂缝，裂缝迅速开展.当H＝750N，土表隆起形成剪切带.土体破坏模式分别见图6.

图6 H＝600N土体最大剪应图变分布及地基土破坏模式

土体破坏面的拟合曲线与实测曲线对比见图7，土体破坏面的数学拟合被动区为桩中轴右侧ABCD部分，主动区为桩中轴右侧AIHG部分.

3 极限水平承载力分析

桩－桶基础的极限水平承载力由桶顶以上土体、桶内土体与桶下土结合部位、桶侧土体的抗剪强度在水平方向投影的集合，和桶下桩周土水平抗力组成.据此可推导建立桩－桶基础水平极限承载力计算式（1）如下（推导过程略）.

图7 土体破坏面的数学拟合与实测破坏面

根据式（1），计算1＃、2＃全模桩－桶基础理论水平极限承载力并与试验值对比.计算条件，1＃（2＃）全模桩－桶基础试验，D＝0.104m；H＝0.054m；d＝0.016m；φ＝38.3；γ＝13.9（14.0）；h＝0.05（0.055）m；x＝0.052（0.056）m.计算对比分析，1＃试验值Hu＝0.85kN，理论计算值＝0.904kN，＝1.13；2＃Hu＝0.825 kN，＝0.938kN，＝1.175.

4 结 论

通过水平承载桩－桶基础试验，分析了不同荷载段土体的位移矢量、变形网格、X方向位移和最大剪应变.分析土体位移场的变形模式与剪应变形场，剪切带由变形场边界的土体应变软化产生.

水平荷载作用下桩－桶基础变形，桩身存在一个反弯点，且随加荷向下移动，破坏荷载时反弯点离桩底的高度约为入土深度的1／4处.

土体变形场分析，土的变形为渐进性变形过程；在基础两侧土体变形区分为主动区和被动区.随荷载增加，受影响区域边界渐明显；对比图像与试验观测，剪切变形场分析的土体破裂面与实测形状一致，建立了图7的地基土破坏面计算模式.

桩－桶基础的水平承载机理，极限水平承载力由桶顶以上土体、桶内土体与桶下土结合部位、桶侧土体的抗剪强度在水平方向投影的集合，和桶下桩周土水平抗力组成.

［1］周 健，张 刚，曾庆有.主动侧向受荷桩模型试验与颗粒流数值模拟研究［J］.岩土工程学报，2007，29（5）：650－656.

［2］张建红，林小静，鲁晓兵.水平荷载作用下张力腿平台吸力式基础的物理模拟［J］.岩土工程学报，2007，29（1）：77－81.

［3］胡忠磺，张日向，陆文清.桶形浅基础水平荷载承载力分析研究［J］.水运工程，2007，6（6）：21－24.

［4］Lade P V，Nam J，Hong W P.Shear banding and cross－anisotropic behavior observed in laboratory sand tests with stress rotation ［J］. Canadian Geotech.J.，2008，45（1）：74－84.

［5］Chiang K H，Lee C J.Responses of single piles to tunneling－induced soil movements in sandy ground［J］.Canadian Geotech.J.，2007，44（10）：1 224－1 241.

［6］Kong L G，Zhang L M.Experimental study of interaction and coupling effects in pile groups subjected to torsion［J］.Can.Geotech.J.，2008，45（7）：1 006－1 017.

［7］李元海，靖洪文，朱合华.数字照相量测在砂土地基离心试验中的应用［J］.岩土工程学报，2006，28（3）：306－311.

［8］施晓春，徐日庆，龚晓南.桶形基础发展概况［J］.土木工程学报，2000，33（4）：68－73.