砂土场地中组合荷载下单桩竖向承载特性研究

赵春风， 刘丰铭， 王卫中， 赵程

(1. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室， 上海 200092； 2. 同济大学 土木工程学院， 上海 200092；3. 河南省交通规划勘察设计院有限责任公司， 河南 郑州 450052)



砂土场地中组合荷载下单桩竖向承载特性研究

赵春风1,2， 刘丰铭1,2， 王卫中3， 赵程1,2

(1. 同济大学 岩土及地下工程教育部重点实验室， 上海 200092； 2. 同济大学 土木工程学院， 上海 200092；3. 河南省交通规划勘察设计院有限责任公司， 河南 郑州 450052)

考虑砂土场地中单桩承受水平和弯矩荷载的共同影响，完成了五组共十根单桩的室内模型试验，分析了在组合荷载作用下砂土中单桩的竖向承载特性.研究表明：在不考虑竖向荷载作用的情况下，随着水平荷载作用点高度的增加，由于出现了弯矩荷载，单桩的水平极限承载力降低，但降低幅度逐渐减小；水平或弯矩荷载的增大，均会导致单桩沉降的增大和竖向承载力的降低，但只有当水平荷载达到相应位置水平极限承载力的0.5倍以上时，这种变化幅度才较明显；预先施加的水平和弯矩荷载在产生水平位移后，再施加竖向荷载，将会出现P-Δ效应，造成单桩水平位移的增大和水平承载力的降低；水平和弯矩荷载共同作用时对单桩的沉降和桩端阻力的影响程度，与水平和弯矩荷载产生的桩顶水平位移的大小正相关.

砂土场地； 水平荷载； 弯矩荷载； 模型试验； 竖向承载特性

随着桩基础在建设工程中的广泛应用，基桩的实际受力状况越来越复杂，经常受到水平、竖向和弯矩荷载(即组合荷载)的共同作用，但在目前的桩基设计中[1]，一般不考虑组合荷载的相互影响，这对于一般房屋建筑工程中的基桩设计而言是合理的[2].然而，对于处于复杂地质条件下的建筑物和构筑物(如修建在山坡顶面上的支档结构、高耸塔型构筑物、高架桥梁等)，以及需要承受较大风力和波浪力的近海工程和跨海大桥等建筑物，其基桩不仅要承受垂直的竖向荷载，还同时受到较大的水平和弯矩荷载的作用，在考虑这些建筑物或构筑物的竖向承载特性时，则不能忽略水平和弯矩荷载的影响.

目前，国内外很多学者对水平、竖向和弯矩三种或其中任意两种荷载组合情况下的单桩承载特性做了大量的研究工作，尚未得出完全一致的结论，对两种以上荷载作用情况下单桩承载特性的认识仍不够深入.Meyerhof和Sastry[3-5]通过一系列室内模型试验研究了砂土、黏土和成层土中偏心倾斜荷载作用下的桩侧土压力分布，并结合试验结果提出了不同土层的土压力分布假设，最后给出了基于这些假设的单桩极限承载力公式.Guo等[6]通过模型试验发现，桩顶竖向荷载的存在有利于减小上层土体横向运动引起的桩周土体反力、桩身最大弯矩和最大变形.S Karthigeyan等[7]利用三维有限元数值分析，发现竖向荷载的存在能提高砂土中单桩的水平承载力，至于具体提高的幅度则与荷载的施加顺序等有关.赵明华等[8-9]采用矩阵计算方法和改进的有限杆单元法，考虑P-Δ效应的影响，分别对单层土和成层土中倾斜偏心荷载作用下单桩的受力进行了分析，得出地面以上桩身自由段较长时，荷载偏心对倾斜荷载作用下单桩的承载特性影响较大，当埋深超过一定范围时，埋深对桩身内力及位移分布影响可忽略等结论.周健等[10]通过室内试验对砂土中桩顶自由的水平受荷短桩的承载特性进行了研究，结果表明刚性短桩地面以下约为桩身入土深度80%处存在一个近似固定的转动点，在该转动点偏上位置的桩侧土压力为零，但未考虑水平荷载作用点位置不同情况的影响.Liang等[11]通过积分方程法，分析了竖向荷载对单桩水平承载特性的影响，结果表明竖向荷载的存在对单桩水平承载力有降低作用.郑刚等[12]利用有限元方法对倾斜荷载作用下的单桩承载特性进行了分析，结果表明当荷载倾斜度不大时，荷载竖向分量的存在对单桩的水平承载力有提高作用.笔者[2, 13]也通过室内模型试验对砂土中竖向和弯矩荷载下单桩的水平承载特性，以及水平荷载和竖向荷载分别对单桩竖向和水平承载特性的影响进行了一系列的研究，得出预先施加竖向荷载对单桩的水平承载力有提高作用，预先施加水平荷载对单桩的竖向承载力有削弱作用等系列结论，这和Guo等的研究成果基本一致.

在上述相关研究的基础之上，结合课题组已有的研究成果和经验[2, 13-14]，本文利用自行研发的组合荷载下的加载装置，以砂土场地中单桩的竖向承载特性为研究对象，通过对工程实际中基桩的受力工况进行模拟，开展了相关室内模型试验研究.研究成果可以加深对组合荷载下砂土中单桩竖向承载特性的认识，供相关科研人员使用时参考.

1 室内试验介绍

1.1 试验土样

依据相似理论的相关要求[15]，对于用砂土进行的室内模型试验，为保证其合理性，应主要控制配土的颗粒级配曲线与原型土体相似.本次试验针对的原型土为某高架工程静载荷试桩地区的第⑤2层砂土，厚度分布范围约6.0～17.3m，颜色呈灰黄～褐黄，密实度为中密～密实，该砂土为全区分布的粉砂，砂质较纯，颗粒级配稍好，主要成分为长石、石英，次为云母碎片，见贝壳碎屑，局部含有钙质结核.为达到配土要求，本次试验的砂土原料主要取自上海某工程的现场土料，辅以不同目数的铸造砂作为掺配材料.如图1所示，根据对土体粒径筛分试验结果的分析，原型砂土和现有砂土大于0.25 mm和小于0.005 mm的粒径成份的含量都较少，因此，本次试验重点考虑了0.05～0.1 mm(质量百分比约为40%)和0.1～0.25 mm(质量百分比约为60%)两组粒径的配土.

图1 颗粒级配曲线对比

为使试验模型土体分布均匀，将配备好的土体填入模型槽时应分层填入，每层厚度约15 cm，然后从模型槽四周向中心用橡皮锤夯实.填筑完成后静置10 d待土体达到稳定后，对配备的土体进行土工试验，得到模型砂土相关参数如表1所示.

表1 模型试验砂土参数

1.2 试验设备

试验是在同济大学岩土与地下工程教育部重点实验室内的大型模型槽里进行的，模型槽的长和高均为3 m，宽为2.1 m.与模型槽配套的试验加载装置为课题组自行研发，如图2所示，其具体构造和加载原理可参考文献[2]相关介绍.该加载装置的主要特点为：水平加载点位置可调节，以施加位于不同水平荷载作用点高度e0的水平力，从而实现弯矩荷载的施加；可以通过调节竖向荷载的加载方向，使得在存在水平位移的情况下，保持竖向荷载作用方向在试验过程中不产生倾斜而始终保持竖直；可以实现对位于模型槽内任意一点桩体竖向和水平荷载的独立施加.

图2 试验加载装置示意图

1.3 模型桩的布置

根据工程桩的长径比、室内试验的条件，并结合相似原理，综合确定试验模型桩的几何相似比约为1/30，模型桩参数见表2.模型桩为C20细骨料混凝土预制，桩芯为边长20 mm的正方形铝管，模型桩具体制作方法以及应变片的设置详见文献[2]，试验的模型桩长径比约为32，为摩擦桩.桩身共分布7组应变片(每组2片，测试结果取平均值)，前6组应变片主要用于测试桩侧阻力，第7组位于桩端以上略大于1倍桩径处的应变片用于近似测试桩端阻力[16].

表2 模型桩参数

对于在模型槽内进行单桩试验，需要考虑槽壁对桩周土体约束的边界效应以及桩中心距sa过小时相邻桩的挤土效应.文献[17]认为当模型桩与模型槽壁间距在3d以上时，边界效应较小，本次模型试验中设置的模型桩与槽壁的最小间距为600 mm(约13d)，其尺寸可以使模型桩在试验中忽略边界效应的影响.文献[18]认为对于超长桩，当桩中心距sa达到10d左右时可忽略群桩效应的影响，《建筑桩基技术规范》(JGJ 94-2008)[1]将疏桩(sa>6d的桩)等同于单桩考虑，本次模型试验中设置的最小桩中心距sa为541 mm(约12d)，可满足要求.模型桩的平面布置如图3所示.

图3 模型桩的平面布置

2 试验加载方案

试验加载时采用慢速维持荷载法，详见《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)[16]相关规定.具体加载方案见表3，所用模型桩数量共10根，分为5组：第1组测试无竖向荷载作用，仅考虑水平和弯矩荷载(通过改变水平荷载作用点高度实现)作用时的水平极限承载力Hu11(e0=0)，Hu12(e0=10 cm)和Hu13(e0=20 cm)；第2组测试纯竖向荷载作用时的单桩竖向极限承载力Qu21；第3组测试水平荷载作用点高度均为e0=0，预先施加的水平荷载大小分别为Hu11/3和Hu11/2时的竖向极限承载力Qu31和Qu32；第4组测试水平荷载作用点高度均为e0=10 cm，预先施加的水平荷载大小分别为Hu12/3和Hu12/2时的竖向极限承载力Qu41和Qu42；第5组测试水平荷载作用点高度均为e0=20 cm，预先施加的水平荷载大小分别为Hu13/3和Hu13/2时的竖向极限承载力Qu51和Qu52.

对于竖向荷载，根据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ 106-2014)[16]相关规定综合确定，取Q-s曲线发生明显陡降的起始点对应的荷载为单桩的竖向极限承载力.对于水平荷载，参考文献[19]，认为当地面处的桩体水平位移达到一定值时，桩周局部土体产生塑性破坏，即可终止加载，本次模型试验取0.15d=6.9 mm为容许最大水平位移值，其对应的水平荷载即为单桩的水平极限承载力.

表3 试验加载方案

3 模型试验成果及分析

3.1 水平荷载作用点位置对单桩承载特性的影响分析

试验的弯矩荷载主要通过改变水平荷载作用点高度e0的位置实现，根据表3的试验加载方案，e0的取值分别为0，10和20 cm，为研究预先施加的水平荷载对单桩竖向承载特性的影响，水平荷载的取值标准为相同条件下无竖向荷载时的极限水平承载力的1/3和1/2.因此，有必要先测试出在无竖向荷载作用时，e0分别为0，10和20 cm情况下单桩的极限水平承载力(即表3中第1组试验成果).

图4为不考虑竖向荷载情况下，在不同水平荷载作用位置时的单桩水平荷载-位移曲线.图中水平点划线对应的水平位移为0.15d=6.9 mm；竖向点划线对应的水平荷载即为按照前文定义的模型桩P11，P12和P13的水平极限承载力Hu11,Hu12和Hu13.为了分析作用点高度e0对水平承载力的影响，将作用点位置进行量纲为一处理(即用水平荷载作用点高度e0除以桩的入土深度l0的百分数来量纲为一)，得出水平极限承载力与水平荷载作用点位置量化长度的关系如图5所示.

图4 模型桩水平荷载-位移曲线

图5 水平极限承载力随作用点位置量化长度变化曲线

从图4与图5中可以看出： 在不考虑竖向荷载作用的情况下，随着水平荷载作用点高度e0的增加，水平极限承载力减小.这主要是因为随着e0的增加，作用在桩顶的弯矩也在增大，P11，P12和P13的水平极限承载力Hu11，Hu12和Hu13分别为1 044，798和731N，所对应的弯矩分别为0，79.8和146.2 N·m，随着弯矩对桩顶水平位移贡献的增加，在相同的容许最大水平位移值的限制下，水平极限承载力自然会减小. 从图4中可知，在相同的水平荷载作用下，随着e0的增加，水平位移不断增大，说明在工程中桩基设计时，水平荷载作用点的确定对水平位移的影响较大，为减小水平位移，应该采取有效措施使水平荷载合力的作用点尽量降低.从图5中可知，随着作用点位置量化长度的增加，水平极限承载力不断降低，曲线最后趋于平缓.说明随着e0的增加，水平极限承载力并不会持续降低，而可能会趋于一个稳定值.同样，从图4中可以看出，在相同的水平荷载作用下，水平位移的增大幅度也在不断变小，说明e0的变化对水平极限承载力的影响主要集中在一定的范围内，至于具体的影响范围大小，则有待进一步的试验研究.

3.2 水平和弯矩荷载作用下的单桩沉降分析

图6为不同水平和弯矩荷载作用下单桩的竖向荷载-沉降曲线，表4给出了各模型桩预先施加的水平和弯矩荷载组合情况，以及特定竖向荷载作用下的沉降值.

图6a是模型桩P21，P31和P32的竖向荷载-沉降曲线图，此三根模型桩的e0=0，从图中可以看出：桩顶无弯矩荷载作用时，单桩的沉降随着水平荷载的增大而增大，说明水平荷载的存在会增大单桩的沉降.模型桩P21没有承受水平荷载，模型桩P31和P32承受的水平荷载分别为348 N和522N，从沉降曲线上看，P21和P31几乎重合，P32的沉降却有较大增幅，三根模型桩的竖向极限承载力均为3 300N，所对应的沉降分别为1.15 mm,1.21 mm和1.83 mm，P31和P32相对于P21的沉降增量分别为1.05倍和1.59倍，说明较小的水平荷载对单桩的沉降影响不大，只有当水平荷载增大到一定程度，其对单桩的沉降影响才会发挥.本次试验结果表明，在不考虑桩顶弯矩的情况下，预先施加的水平荷载达到水平极限承载力的0.5倍时，水平荷载对单桩的竖向沉降有较大影响.

a

b

c

图6b是模型桩P41和P51的竖向荷载-沉降曲线图，从表4数据可知，此两根桩预先施加的水平荷载均较小，分别为266N和244N，均为所在位置水平极限承载力的1/3，P51所承受的弯矩荷载是P41的1.8倍，在竖向荷载为3 300N时，对应的沉降P51较P41增加了约1.2倍，说明弯矩荷载的存在也会增大单桩的沉降，但在水平荷载较小时，弯矩荷载对沉降的影响有限.

注：H为水平荷载；M为桩顶弯矩；S1为竖向荷载为3 000N时对应的沉降；S2为竖向荷载为3 300N时对应的沉降.

图6c是模型桩P31，P42和P52的竖向荷载-沉降曲线图，从表4数据可知，此三根桩预先施加的水平荷载均较大，分别为348,399和366N，其中模型桩P42和P52所预先施加的水平荷载均为相应位置水平极限承载力的0.5倍，三根模型桩所受的弯矩荷载分别为0,39.9和73.2N·m.从图中可以看出，三者的沉降曲线差别较大，且P31和P42的竖向极限承载力均为3 300N，但P52降低至3 000N，降低幅度达9.1%.说明当水平荷载较大时，弯矩荷载对单桩沉降的影响显著.

综合分析图6中所有单桩的竖向荷载-沉降曲线以及表4中给出的相关数据，可知在相同竖向荷载作用下，模型桩P21,P31,P41,P51,P32,P42和P52的沉降依次增大，但以上模型桩预先施加的水平荷载或弯矩荷载的大小均不与沉降量大小成对应比例关系，而是存在一个组合关系，即弯矩荷载对单桩竖向承载特性的影响程度受到水平荷载大小的影响，只有当水平荷载较大时(试验结果表明水平荷载应达到相应位置水平极限承载力的0.5倍)，弯矩荷载的影响才能较为明显的发挥.若考虑前文分析结果，随着e0的增加，产生的桩顶弯矩荷载增大，但水平极限承载力会减小，则说明在预先施加水平和弯矩荷载共同作用下，对单桩的沉降影响较为复杂，水平和弯矩荷载对单桩竖向承载特性的影响存在组合效应，本次试验结果表明在模型桩P52的组合荷载下，对单桩的竖向承载力削弱最为明显.

3.3 预先施加水平和弯矩荷载作用时竖向荷载对水平位移影响的试验成果及分析

图7为在预先施加不同的水平和弯矩荷载情况下，单桩的竖向荷载-水平位移变化曲线，图8为按照在相同竖向荷载下沉降量递增关系给出的各模型桩的初始状态和极限状态时的水平位移对比图，表5则具体给出了图8中的水平位移数值以及增幅.为了数据具有对比性，模型桩P52的极限状态水平位移取竖向荷载为3 300N时的水平位移.

图8 不同模型桩水平位移对比图

表5 水平和弯矩荷载恒定下模型桩水平位移表

注：h0为未施加竖向荷载时的初始水平位移；hu为竖向荷载达到极限状态(3 300N)时的水平位移.

从图表中可以看出：对于已经产生水平位移的单桩来讲，竖向荷载的施加导致桩体产生附加水平位移，即P-Δ效应[13].本次试验中，在预先施加一定的水平和弯矩荷载作用时，基桩产生了一定的水平位移，之后随着竖向荷载的逐渐施加，P-Δ效应开始发挥，促使水平位移进一步发展.与此同时，水平位移的增大，使得单桩在较小的水平荷载作用下就能达到水平位移容许值，反过来又降低了单桩的水平极限承载力.表明基桩在承受组合荷载的情况下，当基桩产生的水平位移达到一定值时，作用在基桩上的竖向荷载将促使这种水平位移持续增大，对基桩的竖向和水平承载力都会产生很大的削弱.这对于四周承受不均匀土压力的基桩，如边坡附近的基桩、近海工程的基桩以及在基桩附近进行土方开挖等工程活动时尤其需要注意.从基桩水平位移的变化规律上看，对于桩顶有无弯矩荷载作用的比较，模型桩P52预先施加的水平荷载是P31的1.05倍，但初始和极限水平位移前者均约为后者的4.04倍，说明弯矩荷载的存在会极大地增加单桩水平位移；对于作用不同弯矩荷载大小的比较，模型桩P51预先施加的水平荷载是P41的0.92倍，二者较为接近，而弯矩前者是后者的1.83倍，对应的初始和极限水平位移前者分别是后者的1.72倍和1.48倍，水平位移的增幅减小，对比模型桩P52和P42的相关数据，也可得出类似规律.说明在较大的弯矩荷载作用下，单桩的初始水平位移已经较大，所产生的桩侧土体抗力也较大，此时竖向荷载对基桩水平位移的增大作用将降低.P52模型桩的竖向极限承载力较其它模型桩小，但水平位移却较大，说明较大的水平和弯矩荷载在产生较大的水平位移后，也促使竖向荷载产生较显著的P-Δ效应，在削弱竖向承载力的同时，也使得单桩的水平承载力降低. 注意到图8所显示的初始和极限状态水平位移，其变化规律按模型桩P31，P41，P51，P32，P42和P52的顺序依次增大，而由前文分析知，在相同的竖向荷载作用下，上述模型桩的沉降也依次增大，说明水平和弯矩荷载共同作用时对单桩沉降的影响程度是和其产生的水平位移正相关的.

3.4 水平和弯矩荷载对桩身轴力、桩侧阻力和桩端阻力的影响试验成果及分析

图9为竖向荷载在3 000N时各模型桩的桩身轴力分布图，图10为根据桩身轴力计算的桩侧摩阻力分布图.

从图9可以看出：模型桩的桩身轴力分布曲线类似，说明水平和弯矩荷载对桩身轴力的传递影响不大.在同一桩身埋深下，桩身轴力基本按照模型桩P21，P31，P41，P51，P32，P42和P52的顺序依次增大，这和桩顶水平位移和沉降变化规律相一致.主要原因是桩身轴力是根据桩身应变算出的，而桩身应变和沉降是正相关的，所以桩身轴力的变化规律与沉降相一致.

图9 竖向荷载为3 000N时的桩身轴力分布图

图10 竖向荷载为3 000N时的桩侧摩阻力沿桩身分布

从图10可以看出：预先施加水平和弯矩荷载，对桩身上部的桩侧阻力有较大的影响.图中显示在桩身埋深小于0.50 m时，桩侧阻力差别较大；而当桩身埋深大于0.50 m时，7根模型桩的桩侧摩阻力几乎不再有明显变化，说明水平和弯矩荷载对单桩桩侧摩阻力的影响具有一定的深度范围，主要集中在地面以下10倍桩径范围以内.注意到在桩身埋深小于0.50 m时，桩侧阻力基本按照模型桩P21，P31，P41，P51，P32，P42和P52的顺序依次减小，这主要是因为上述模型桩的桩顶位移依次增大，减小了桩土间的接触面积，从而减小了桩侧阻力.注意到模型桩P52在埋深小于0.50 m时的桩侧阻力最小，而在埋深大于0.50 m时反而变得最大，这主要是因为当竖向荷载为3 000N时，模型桩P52已经达到极限竖向承载力，桩身下部的侧阻力已经充分发挥.单就水平荷载对桩侧阻力的影响分析，比较模型桩P21，P31和P32的数据，三者预先施加的水平荷载分别为0，348N和522N，P32的水平荷载为P31的1.5倍，在地面以下0.20～0.35 m范围内，桩侧摩阻力P31较P21减少3.46%，P32较P31减少9.16%，说明随着水平荷载的增大，桩侧摩阻力减小幅度增大.就弯矩荷载对桩侧阻力的影响分析，比较模型桩P41和P51，P42和P52的数据，这两组模型桩的水平荷载接近而弯矩荷载相差较大，在地面以下0.20～0.35 m范围内，P51较P41减小了7.76%，P52较P42减小了12.38%.说明弯矩的增大也会导致桩侧阻力的减小.若考虑水平和弯矩荷载共同作用对桩侧阻力的影响，则可以桩顶位移为量化指标.

图11为在不同水平和弯矩荷载作用下，桩端阻力随竖向荷载变化曲线；图12是从图11中提取的竖向荷载为3 000N时，各模型桩的桩端阻力对比.

图11 模型桩端阻力-竖向荷载变化曲线

图12 竖向荷载为3 000N时各模型桩桩端阻力

由图11和图12可知：当竖向荷载在0～1 500N范围内变化时，7根模型桩的桩端阻力曲线近乎重合，说明在较小的竖向荷载作用下，水平和弯矩荷载尚未对桩端阻力产生有效的影响.当竖向荷载大于1 500N时，各模型桩桩端阻力曲线开始分离，且随着竖向荷载的增大，这种分离趋势越明显，说明水平和弯矩荷载对桩端阻力影响的发挥是和竖向荷载大小相关的.在整个竖向荷载施加的过程中，桩端阻力近乎成双曲线发展，表明在竖向荷载加载后期，桩端阻力也并未达到极限值.赵春风等[20]研究了竖向荷载下大直径深长钻孔灌注桩在分层土中的荷载传递规律，指出桩侧、桩端阻力非同步发挥且相互影响，同时上下层侧阻力亦先后发挥至极限.就本次试验而言，对于纯竖向受荷模型桩P21，其竖向极限承载力为3 300N，此时的桩端阻力为750N，桩端阻力承担的竖向荷载约占25%，为典型的摩擦型桩.水平和弯矩荷载的存在虽然导致桩身上部侧摩阻力减小，使竖向荷载向下传递，最终导致桩端阻力的增加，但桩端阻力仍未充分发挥.比较分析图12中的数据，可知在相同竖向荷载条件下，预先施加了水平和弯矩荷载的模型桩，其桩端阻力较纯竖向受荷桩P21大；在水平荷载作用点位置相同的条件下，水平荷载越大，桩端阻力越大，如图12所示，P32端阻力较P31增加11.4%，P42较P41增加11.7%，P52较P51增加12.0%.可见水平和弯矩荷载的施加使得桩端分担了更多的竖向荷载.注意到图12中桩端阻力的增大顺序与图8中水平位移的增大顺序一致，说明水平和弯矩荷载组合情况下对桩端阻力的影响幅度也与桩顶水平位移正相关.

4 结论与展望

通过室内模型试验，分析了砂土中组合荷载下的单桩承载特性.主要研究结论和展望如下：

(1) 在不考虑竖向荷载作用的情况下，随着水平荷载作用点高度的增加，由于出现了弯矩荷载，单桩的水平极限承载力将会降低，但降低幅度逐渐减小.通过将作用点位置进行量纲为一处理后发现，随着作用点位置量化长度的增加，单桩水平极限承载力逐渐降低且有趋于稳定的趋势，今后应加强关于水平荷载作用点位置对承载力影响的相关研究.

(2) 水平或弯矩荷载的增大，均会导致单桩沉降的增大，进而导致单桩的竖向极限承载力降低.水平和弯矩荷载对单桩竖向承载特性的影响程度与相应水平荷载大小相关，当水平荷载达到相应位置水平极限承载力的0.5倍时，这种影响才会显著发挥.

(3) 预先施加的水平和弯矩荷载在产生水平位移后，再施加竖向荷载，会出现P-Δ效应，造成单桩水平位移的增大和水平承载力的降低.水平和弯矩荷载共同作用时对单桩沉降的影响程度和其产生的水平位移正相关.

(4) 水平和弯矩荷载的存在对地面以下10倍桩径范围内的桩侧阻力分布有显著影响，该范围内的桩侧阻力随着桩顶位移的增大而减小.水平和弯矩荷载对桩端阻力的影响幅度，与其产生的桩顶水平位移大小正相关.

水平和弯矩荷载共同作用下，对单桩的竖向承载特性的影响存在组合效应，这种组合效应的影响程度可以通过桩顶水平位移的大小来判断，且二者正相关.但对于组合荷载下，水平和弯矩荷载对水平位移的贡献程度以及如何用定量化的指标来衡量，则需要进一步的理论和试验研究.

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Model Tests on Vertical Bearing Behavior of Single Pile Under Combined Loads in Sandy Ground

ZHAO Chunfeng1, 2, LIU Fengming1, 2, WANG Weizhong3, ZHAO Cheng1, 2

(1. Key Laboratory of Geotechnical and Underground Engineering of the Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China; 2. College of Civel Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China; 3. Henan Provincial Communications Planning Survey & Design Institute Co., Ltd., Zhengzhou 450052, China)

Based on five groups of ten-pile indoor model test, considering the influence of lateral load size and its loading position, the vertical bearing capacity of the single pile under combined loads in sandy ground are studied. The results of model test show that without regard to vertical load, horizontal ultimate bearing capacity decreases of the single pile with the height of the point of application by lateral load apart from the ground increases, while its magnitude is reduced gradually. The settlement of pile top increases and vertical bearing capacity decreases with the increases of the pre-applied lateral or moment loads of the single pile, and its effect on the magnitude is dependent on the lateral load. The vertical load produced aP-Δ effect when it was applied after the lateral and moment loads, which causes the horizontal displacement increases and the ultimate horizontal bear capacity of the single pile decreases. The experiment data indicate that the horizontal displacement at the top of pile is positively associated with settling volume of single pile, tip resistance of pile.

sandy ground; lateral load; moment load; model test; vertical bearing behavior

2015-11-09

国家自然科学基金(41672265，41272295，41572262)；广东省交通运输厅科研项目([2012]1379号)

赵春风(1964—)，男，教授，博士生导师，工学博士，主要研究方向为岩土工程的理论与应用.E-mail：tjzhchf@tongji.edu.cn.

刘丰铭(1987—)，男，博士生，主要研究方向为桩基工程.E-mail：168liufm@tongji.edu.cn.

TU473.1

A