循环荷载下桩网复合地基中桩的承载特性分析

陈贤可，刘海涛，吴 健，刘开富

(1.浙江理工大学建筑工程学院，浙江 杭州 310018；2.浙江交工集团股份有限公司，浙江 杭州 310051)

随着我国经济发展，修建在软土地基上的高速公路越来越多，因软土具有压缩性高、强度低、含水量高等特点[1]，桩网复合地基作为一种在软土地基上有效减少变形且具有良好经济性的地基处理方法[2-4]，可满足高速公路对沉降和稳定性的严格要求，越来越多地应用在实际工程中[5-6]。

近年来，许多研究通过数值模拟、室内模型试验、现场试验对复合地基中桩身轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力进行了研究。如程恩[7]使用ABAQUS有限元软件分析了循环荷载作用下复合地基的桩身轴力、桩侧摩阻力的变化规律，吴亚茹等[8]采用ABAQUS有限元软件对比分析了X形桩与圆形桩桩侧摩阻力分布特点。Lv等[9]对比分析了XCC桩与相同截面的圆形桩在静载作用下桩侧摩阻力及桩侧桩端阻力分担比的差异。孙广超等[10]分析了桩侧摩阻力随循环荷载次数的变化规律，发现归一化桩侧摩阻力随归一化荷载循环次数的变化规律可用对数函数描述，Zou等[11]对比分析了带帽无孔管桩与有孔管桩桩身轴力及桩侧摩阻力的差异，李连祥等[12]通过不同置换率的复合地基模型试验，研究了复合地基桩身轴力、桩侧摩阻力等的分布及变化规律，郭院成等[13]对比分析了单桩复合地基与4桩复合地基桩身轴力、桩侧摩阻力等的试验结果，黄礼胜[14]对比分析了变截面桩与等截面桩在复合地基中桩侧摩阻力与桩端阻力的差异。

荷载幅值及加筋层数对循环荷载作用下桩网复合地基中桩承载特性的影响尚不清楚。因此，本文通过循环荷载作用下桩网复合地基的模型试验分析了桩身轴力、桩侧摩阻力、桩端阻力，分析荷载幅值、循环次数、土工格栅层数对桩承载特性的影响。

1 试验设备、材料及方案概述

1.1 试验设备

本次模型试验在3.0m×2.0m×2.0m(长×宽×高)的模型箱中进行，模型箱四周由3块钢板和1块钢化玻璃组成，玻璃板一侧可用于观察填土情况及地基沉降情况。试验的加载通过一个由计算机控制的电液伺服作动器施加，该设备最大荷载值为1000kN，同时可支持最大加载频率为5Hz的正弦循环荷载。

1.2 试验材料

为模拟软土地基实况，试验地基用土为实际基坑开挖所得的粉质黏土和淤泥质黏土，试验土的物理性质参数见表1。路堤中铺设规格为TGSG 30-30的双向拉伸塑料土工格栅，网格尺寸为40mm×40mm，纵/横向拉伸强度大于等于30kN/m。

表1 试验土物理性质参数

试验刚性桩采用长1020mm、管径50mm(壁厚2mm)的铝管模拟，桩顶通过螺纹连接150mm×150mm×30mm的铝块作为桩帽。柔性桩采用长600mm、直径50mm(壁厚2mm)的PVC管模拟，桩顶桩底采用PVC管帽封堵以防止土颗粒及水进入桩内。刚性桩、柔性桩弹性模量分别为72、2GPa，通过在桩体内部粘贴应变片来测量加载时的桩身应变。

1.3 试验方案

模型按照几何相似比CL=1∶10进行制作，试验模型的几何尺寸及刚性桩应变测点布置如图1所示。为减小边界效应的影响，填土前在模型箱底及四周铺设塑料膜。地基土填筑时采用分层预压法，每层填筑50mm后进行人工预压。在路堤填筑50mm后铺设土工格栅，土工格栅铺设时需保证平整性，每层土工格栅的间距为50mm。

图1 桩网复合地基模型示意图

试验采用正弦波加载形式来模拟汽车对地基的影响[15]，其荷载形式为：

F(t)=P0+Psin(ωt)

(1)

式中，P0—轮静载部分，kN；P—载振幅，kN；ω—载频率，Hz；t—载时间，s。

蔡袁强等[16]认为交通荷载在地基中产生的振动频率一般分布在0.1～10.0Hz，本试验结合相似比和试验条件采用1Hz的正弦波来模拟交通荷载频率。共开展4组模型试验，其试验方案见表2。

表2 模型试验分组

2 试验结果分析

2.1 循环荷载幅值的影响

循环次数10万次时不同加载幅值下复合地基刚性桩的桩身轴力随桩深变化曲线如图2所示。由图2可知，循环荷载次数相同时桩身轴力随着循环荷载幅值的增加而增大，这与许家培[17]得出的规律一致；如循环加载10万次时，加载幅值为3kN时桩深30mm处的桩身轴力最大值为1183.61N，加载幅值为4kN时桩深30mm处的桩身轴力最大值为1469.41N，相比幅值为3kN时轴力增大了24.15%(相应的荷载峰值仅增大了18.18%)；加载幅值为5kN时桩深30mm处的桩身轴力最大值为1702.92N，相比幅值为3kN时轴力增大了43.88%(相应的荷载峰值仅增大36.36%)。这是因为增大荷载幅值后，桩土差异沉降进一步增大，使得更多的荷载转移到桩上。

图2 循环次数10万次时不同加载幅值下复合地基刚性桩桩身轴力随桩深变化曲线

不同幅值循环荷载下刚性桩的桩顶荷载与桩侧总摩阻力随循环次数变化曲线如图3所示。由图3可知，随着循环荷载次数的增加，桩顶荷载不断增大，而桩侧总摩阻力逐渐减小；如幅值3kN时，循环次数为10万次时的桩侧总摩阻力(454.80N)比循环次数为0时的桩侧总摩阻力(529.25N)减小了14.07%。这是因为在循环荷载作用下桩周土体剪切区收缩引起了桩侧径向应力衰减，从而使得桩侧总摩阻力减小[18]。

图3 不同幅值循环荷载下刚性桩的桩顶荷载与桩侧总摩阻力随循环次数变化曲线

不同幅值循环荷载下刚性桩的桩顶荷载与桩端阻力随环荷载次数变化曲线如图4所示。由图4可知，刚性桩的桩端阻力随着循环荷载次数和幅值的增加而增大；如10万次循环荷载后，幅值为3kN时桩端阻力增大了169.98N，幅值为4kN时桩端阻力增大了232.32N，幅值为5kN时桩端阻力增大了304.5N。这是因为循环荷载幅值的增大导致刚性桩所承受的总荷载随之增大，而同期的桩侧总摩阻力减小，从而更多的荷载传递至桩端。

图4 不同幅值循环荷载下刚性桩的桩顶荷载与桩端阻力随循环荷载次数曲线

2.2 土工格栅层数的影响

幅值3kN循环荷载下不同土工格栅层数时刚性桩的桩身轴力随桩深变化曲线如图5所示。由图5可知，刚性桩的桩身轴力随着深度的增加先增大再减小，桩身轴力随着循环荷载次数的增加而增大，这与杨以国等[19]得出的规律一致；如循环加载10万次时，在桩深30、230、980mm处，1层土工格栅复合地基中的桩身轴力分别增大了87.46、125.33、120.18N。这是因为循环荷载作用下桩土差异沉降逐渐增大，由于土工格栅的存在，桩与土协同工作，桩承担的荷载逐渐增大[10]。由图5还可以看出，相同循环次数下，2层土工格栅复合地基中桩不同深度处的轴力均大于1层土工格栅复合地基，如循环加载10万次时，2层土工格栅复合地基在桩深30、230、980mm处比1层土工格栅复合地基轴力增大了110.69、107.94、91.21N。这是因为土工格栅层数的增加导致加筋垫层的刚度增大，进而使得更多的荷载传递至刚性桩桩顶[20]。

图5 幅值3kN循环荷载下不同土工格栅层数时刚性桩的桩身轴力随桩深变化曲线

幅值3kN循环荷载下不同格栅层数时刚性桩的桩顶荷载与桩侧总摩阻力随循环次数变化曲线如图6所示，幅值3kN循环荷载下不同格栅层数时刚性桩的桩顶荷载与桩端阻力随循环荷载次数曲线如图7所示。由图6—7可知，相同循环次数下，1层土工格栅复合地基的桩顶荷载、桩侧总摩阻力及桩端阻力小于2层土工格栅复合地基；如循环次数为10万次时，1层土工格栅地基的桩顶荷载为1072.91N，2层土工格栅地基的桩顶荷载为1183.6N；循环次数为10万次时，1层土工格栅地基的桩侧总摩阻力为430.81N，2层土工格栅地基的桩侧总摩阻力为454.80N；循环次数为10万次时，1层土工格栅复合地基的桩端阻力为642.10N，2层土工格栅复合地基的桩端阻力为728.80N；这是因为土工格栅层数的增加导致加筋垫层的刚度增大，进而更多的荷载传递至刚性桩，而同期的桩侧总摩阻力减小，更多的荷载传递至桩端。

图6 幅值3kN循环荷载下不同格栅层数时刚性桩的桩顶荷载与桩侧总摩阻力随循环次数变化曲线

图7 幅值3kN循环荷载下不同格栅层数时刚性桩的桩顶荷载与桩端阻力随循环荷载次数曲线

3 结论

通过循环荷载下桩网复合地基的模型试验，分析了循环荷载次数、循环荷载幅值、土工格栅层数对桩网复合地基桩身轴力、桩侧总摩阻力、桩端阻力的影响，可得到主要结论如下：

(1)循环荷载作用下刚性桩桩身轴力随着深度的增加先增大后减小；随着循环荷载次数的增大，桩身轴力及桩端阻力随之增大，而桩侧总摩阻力随之减小。

(2)随着循环荷载幅值的增大，刚性桩承受的荷载及桩端阻力随之增大。随着土工格栅层数的增加，刚性桩承受的荷载、桩侧总摩阻力与桩端阻力增大。