桩体复合地基重复加卸载过程中侧向约束桩土压力特性实验研究

焉学永， 周德泉， 杨志华， 苏　伟

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺　416700；　2.长沙理工大学 土木与建筑学院， 湖南 长沙　410114；　3.长沙理工大学 岩土工程施工灾变防控与环境修复技术协同创新中心， 湖南 长沙　410114；　4.湖北省路桥集团有限公司， 湖北 武汉　430000)



桩体复合地基重复加卸载过程中侧向约束桩土压力特性实验研究

焉学永1， 周德泉2，3， 杨志华2，4， 苏伟1

(1.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司， 湖南 永顺416700；2.长沙理工大学 土木与建筑学院， 湖南 长沙410114；3.长沙理工大学 岩土工程施工灾变防控与环境修复技术协同创新中心， 湖南 长沙410114；4.湖北省路桥集团有限公司， 湖北 武汉430000)

[摘要]侧向约束桩土压力问题比较复杂。采用室内模型实验研究桩体复合地基重复加卸载过程中侧向约束桩土压力特性。结果表明： ①荷载作用下，桩侧土压力在桩上部呈直角三角形分布，中部有一个最大值，下部呈直角梯形分布，整体上呈抛物线分布。 ②重复加、卸载过程中，下部的桩侧土压力增(降)幅最小，上部次之，中部最大。 ③首次加载阶段，峰值出现在0.11～0.33 H处，有下移趋势。重复加载阶段，峰值位置有上移趋势；重复卸载阶段，峰值位置有下移趋势，变化范围在0.55～0.33 H处。 ④重复加、卸载到相同荷载时，桩侧土压力随加、卸载次数增加而减小；分布曲线的抛物线线型和峰值位置不变。

[关键词]桩体复合地基； 加卸载； 侧向约束桩； 土压力； 实验

0前言

刚性挡土墙侧向土压力计算有多种方法[1]，计算复杂，影响因素繁多，分布形式各异。近年来，针对具体情况[2-6]开展了相关研究工作。刘斯宏等[2]通过现场试验，发现土工袋柔性挡墙墙后土压力沿墙高呈非线性分布，土压力最大值位置接近墙底的下部。为解决钱塘江古海塘外倾问题，郑烨等[3]对气泡混合轻质土、原状土和页岩陶粒等不同填筑材料下塘背土压力进行了观测，发现塘背土压力分布形式基本相同，均呈中间大，两端小的分布形状，在塘背中部，存在着不同程度的褶曲。傅翔等[4]试验发现全埋式抗滑桩桩身土压力呈现上下小、中间大的近似抛物线分布，桩身最大土压力出现在桩中部。祝廷尉等[5]通过物理模型试验发现，嵌岩桩桩后土压力随深度分布形式从三角形演变成抛物形，桩前土压力随深度呈三角形分布形式，坡表处抗力较小，接近滑动面处抗力值较大。刘伟宏等[6]通过试验发现单个围桩-土耦合抗滑结构抗滑段内各围桩后土压力近似呈抛物线分布。“侧向约束桩-复合地基[7]”是一种组合型复合地基，即在填土外侧或者坡下一侧软基中设置刚度很大的桩(称为侧向约束桩)以重点控制侧向变形、填土正下方软基中设置散体材料桩或者柔(刚)性桩以重点控制竖向变形，取得了良好的工程效果[8，9]，但这种组合型复合地基工作机制研究刚刚起步，桩体复合地基上堆载时侧向约束桩土压力特性尚不清楚，制约了“侧向约束桩-复合地基”的设计与推广应用。本文采用室内模型试验，研究桩体复合地基3次重复加、卸载过程中侧向约束桩土压力分布与变化规律，为探索相应计算方法提供依据。

1模型实验概况

本次模型试验在长度×宽度×高度为2.5 m×1.5 m×1.5 m的钢筋混凝土模型槽内进行，槽内侧向约束桩(端承桩)及复合地基模型桩(摩擦桩)的布置如图1所示，桩的参数见表1。图1中，侧向约束桩长度为120 cm、边长为5 cm的方形水泥砂浆桩，B桩距离A桩2倍桩径为10 cm，C桩距离A桩4倍桩径为20 cm。

图1　模型桩布置示意图Figure 1　Arrangements of model piles

表1 模型桩参数Table1 Parametersofmodelpiles桩号直径或边长D/mm长度L/mm截面形状弹性模量E/GPa材料与桩型A、B、C501200 方形16.55水泥砂浆、端承桩Z1、Z440800圆形6.91Z2、Z540800圆形6.91Z3、Z640400圆形6.91PVC管充填水泥砂浆桩。Z2、Z5桩长一半处锯断 注:①B桩距离A桩10cm(2D),C桩距离A桩20cm(4D);②桩埋入土顶面以下长度用H表示。

试验前，先预制模型桩并在水槽中养护1个月。在A桩有凹槽的一面用双面胶固定土压力盒(丹东市三达测试仪器厂生产，型号为DYB-2，量程为 0.1 MPa，10个压力盒与土顶面距离分别为0，110，220，330，440，550，660，770，880，990 mm。

模型土由过筛后室内存放6 a的干燥红黏土与砂土等比拌和、自重填筑而成。模型土含水率为2.5%，密度为1.26 g/cm3，最大粒径5 mm，不均匀系数Cu=5.36，曲率系数Cc=1.39，级配良好。填土厚度为1 m。填土前，先把各桩在模型槽内的分布位置按图1(a)确定好，侧向约束桩有凹槽的一面作为迎土面。每填筑20 cm校准桩体垂直度和平面位置。填筑完成后，静置近1个月，让模型土自重沉降。

整个试验由千斤顶加载，通过标准砝码堆载提供反力。采用TDS-530及其配套的电脑软件采集各压力盒的应变，再根据压力盒的标定方程计算桩侧土压力值。试验参照规范[10]附录B进行。

2实验结果与分析

2.1重复加载过程中桩侧土压力随深度变化规律

图2为桩体复合地基3次加压过程中，侧向约束桩A在各级荷载(指桩体复合地基承受的荷载，下同)作用下桩侧土压力p与离土顶面距离z变化曲线。分析发现：

① 每级荷载作用下，上部的桩侧土压力p呈直角三角形分布，与土顶面距离z增大时，桩侧土压力p先增大、后减小，有一个最大值，下部的桩侧土压力p呈直角梯形分布，整体上形成抛物线，与弹性理论确定超载(集中荷载、线荷载、条形荷载、面荷载)产生的侧向压力沿挡土墙高度分布曲线类似[1]。这为桩体复合地基受载时侧向约束桩土压力计算指明了方向。

② 荷载增加过程中，下部的桩侧土压力增幅最小，上部次之，中部最大。说明侧向约束桩中部对桩体复合地基受载非常敏感。

③ 不同加载阶段的峰值变化规律不同。首次加载阶段(见图2(a))，峰值出现在0.11～0.33H处，有下移趋势；第2和第3次加载阶段(见图2(b，c))，峰值出现在0.55～0.33H处，有上移趋势，高压力阶段的峰值位置0.33H刚好与弹性理论确定超载(集中荷载、线荷载、条形荷载、面荷载)产生的侧向压力沿挡土墙高度分布曲线峰值位置0.4H接近[1，11]。

图2　3次加载过程中桩侧土压力随深度变化规律Figure 2　Relationship between depth and lateral constraint 　　　pile′s lateral soil pressure under 3 times loading

为了研究不同加载阶段达到相同荷载时的桩侧土压力分布规律，作出3次加载到120 kN时桩侧土压力随离土顶面距离z和加载次序i变化曲线，见图3。分析发现：

① 3次重复加载到相同荷载时，分布曲线的抛物线线型和峰值位置不变。

② 3次重复加载到相同荷载时，桩侧土压力随加载次数增加而减小。

2.2重复卸载过程中桩侧土压力随深度变化规律

图4为桩体复合地基3次卸载过程中，侧向约束桩A在各级荷载(指桩体复合地基承受的荷载，下同)作用下桩侧土压力p与离土顶面距离z变化曲线。分析发现：

① 线型与3次重复加载过程类似，每级荷载作用下，上部的桩侧土压力p呈直角三角形分布，与土顶面距离z增大时，桩侧土压力p先增大、后减小，有一个最大值，下部的桩侧土压力p呈直角梯形分布，整体上形成抛物线。

图3　3次加载到120 kN时桩侧土压力变化Figure 3　Changes of lateral constraint pile′s lateral soil 　　　pressure when3 times loading to 120 kN

② 荷载减少过程中，下部的桩侧土压力减幅最小，上部次之，中部最大；峰值出现在0.55～0.33H处，有下移趋势。说明侧向约束桩中部对桩体复合地基卸载非常敏感。

③ 卸载到零时，0.11H处出现拉力。

为了研究不同卸载阶段达到相同荷载时的桩侧土压力分布规律，作出3次卸载到0时桩侧土压力随离土顶面距离z变化曲线，见图5。分析发现：

① 3次重复卸载到相同荷载时，分布曲线的抛物线线型和峰值位置不变。

② 3次重复卸载到相同荷载时，桩侧土压力随卸载次数增加而减小。

图4　3次卸载过程中桩侧土压力随深度变化规律Figure 4　Relationship between depth and lateral constraint 　　　pile′s lateral soil pressure under 3 times unloading

图5　3次卸载到0 时桩侧土压力变化Figure 5　Changes of lateral constraint pile′s lateral soil 　　　pressure when3 times unloading to zero

3结论

桩体复合地基重复加、卸载过程中，侧向约束桩侧向土压力出现了特殊规律。

① 荷载作用下，桩上部的侧向土压力呈直角三角形分布，与土顶面距离增大时，桩侧土压力先增大、后减小，有一个最大值，下部的桩侧土压力呈直角梯形分布，整体上形成抛物线。这为桩体复合地基受载时侧向约束桩土压力计算指明了方向。

② 重复加、卸载过程中，桩下部的侧向土压力增(降)幅最小，上部次之，中部最大。说明侧向约束桩中部对桩体复合地基加、卸载非常敏感。

③ 首次加载阶段，峰值出现在0.11～0.33H处，有下移趋势。重复加载阶段，峰值位置有上移趋势；重复卸载阶段，峰值位置有下移趋势，变化范围在0.55～0.33H处。

④ 重复加、卸载到相同荷载时，桩侧土压力随加载次数增加而减小；分布曲线的抛物线线型和峰值位置不变。

[参考文献]

[1]Joseph E.Bowles.Foundation Analysis and Design(5th ed.)[M].America：McGraw-Hill Book Company，1996.

[2]刘斯宏，薛向华，樊科伟，等.土工袋柔性挡墙位移模式及土压力研究[J].岩土工程学报，2014，36(12)：2267-2273.

[3]郑烨，陈振华，张开伟，等.不同填料下钱塘江古海塘塘背土压力现场试验研究[J].岩土力学，2014，35(6)：1623-1628.

[4]傅翔，谢强，张永兴，等.全埋式抗滑桩倾覆破坏的室内模型试验研究[J].岩土力学，2014，35(8)：2205-2218.

[5]祝廷尉，胡新丽，徐聪，等.嵌岩桩抗滑特性的物理模型试验研究[J].岩土力学，2014，35(增)：165-172.

[6]刘伟宏，郑明新，王虹，等.单个围桩-土耦合抗滑结构的土压力试验分析[J].河北农业大学学报，2012，35(1)：89-93.

[7]周德泉，颜超，罗卫华.复合桩基重复加卸载过程中侧向约束桩变位规律试验研究[J].岩土力学，2015，36(10)：2780-2786.

[8]姚裕春，魏永幸，袁碧玉.高速铁路斜坡路堤变形控制探讨[J].铁道工程学报，2014(5)：16-21.

[9]刘汉龙，赵明华.地基处理研究进展[A].中国土木工程学会第十二届土力学及岩土工程学术大会论文集[C].上海，2015：48-65.

[10]JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范[S].

[11]王广月.地下结构局部超载侧压力计算[J].岩土工程技术，1997(1)：35-40.

An Experimental Study of Soil Pressure Characteristics of Laterally Constraint Pile When Pile Composite Foundation Loading and Unloading Repeated

YAN Xueyong1， ZHOU Dequan2，3， YANG Zhihua2，4， SU Wei1

(1.Hunan Provincial Yonglong Expressway Construction and Development Co.， Ltd.， Yongshun， Hunan 416700， China；2.School of Civil Engineering and Architecture， Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hunan 410114， China；3.Collaborative Innovation Centre of Disaster Prevention and Environmental Restoration Technology for Geotechnical Engineering Construction， Changsha University of Science & Technology， Changsha， Hunan 410114， China；4.Hubei Provincial Road & Bridge Co.， Ltd.， Wuhan， Hubei 430000， China)

[Abstract]The problem of soil pressure for lateral constraint pile is more complicated.Soil pressure characteristics of laterally constraint pile were studied by experiment when pile composite foundation loading and unloading repeated.The study results are shown as follows： ①Under the load，the soil pressure in the upper part of the lateral constraint pile is a right angle triangle distribution and right angle trapezoidal distribution in the lower part and parabolic distribution on the whole.There is a maximum value in the middle. ②During repeated loading and unloading process，the lower part of the pile's lateral soil pressure increase(drop)the smallest，the second in the upper part，the largest in the middle. ③For the first loading stage，the peak appears in the 0.11～0.33H，and there is a downward trend.Repeated loading stage，the peak position has the upward trend，repeated unloading stage，the peak position has a downward trend，the peak changes in the range of 0.55～0.33H. ④Repeated loading or unloading to the same load，the pile's lateral soil pressure reduces with the increase of the number of loading or unloading.Parabolic curve and peak position of the distribution curve have not changed.

[Key words]pile composite foundation； loading and unloading； lateral constraint pile； pile′s lateral soil pressure； experiment

[中图分类号]U 416.1+4

[文献标识码]A

[文章编号]1674—0610(2016)02—0023—05

[作者简介]焉学永(1972—)，男，湖南邵东人，高级工程师，从事高速公路建设与管理工作。

[基金项目]国家自然科学基金项目资助(No.51378083，No.50978036)；湖南省交通运输厅科技项目资助(No.201304)；国家级大学生创新实验项目资助(No.201410536003)；长沙理工大学土木工程优势特色重点学科创新性项目资助。

[收稿日期]2016—02—17