桩基在膨胀土中的水平承载特性研究

侯凯文

(广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530200)

0 引言

众所周知，膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩的特殊黏性土[1]。由于含水量的增加会导致膨胀土在各方向发生体积膨胀，在原有侧向土压力的基础上增加了侧向膨胀压力，就可能会给地下建(构)筑物(如挡土墙、桩基础和隧道等)带来各种问题[2]。尤其对于埋在膨胀土中的水平受荷桩，应力分布的不均匀对其承载特性也有一定的影响。许多学者[3-5]通过大量的室内试验和现场调研等手段，针对水平膨胀力对桩基等地下建(构)筑物的影响展开了研究，也提出了相应的计算方法，然而这些方法受限于大量试验参数的确定。

夏炎等[6]研究了膨胀土中抗滑桩的变形受力情况，提出一种土工膜结合的抗滑桩，通过实例验证了其可行性，提供了一种对膨胀土滑坡治理的新思路和新方法。对于膨胀土地基中的基坑支护桩应用，一些学者[7-9]也开展了相关研究工作，同时提出了理论分析和优化设计方法。由此可以看出，针对膨胀土地基中的水平受荷桩研究主要是基于抗滑桩和支护桩等被动桩来开展，而主动桩的研究相对匮乏，且水平受荷桩的研究大部分是基于黏土或砂土等土质情况，涉及膨胀土地基中的水平桩基的研究较少。本文通过自主研制具备浸水功能的桩基模型试验装置，分别对膨胀土浸水前后的桩基进行水平加载，揭示膨胀土膨胀作用对单桩水平承载特性的影响规律。

1 试验准备

1.1 试验装置

本文研制出一套可以实现浸水和加载功能的试验装置(图1)，由模型箱、加载装置和浸水装置三部分组成。其中，模型箱由钢板焊接而成，尺寸为1 m×1 m×1 m；加载装置由角钢焊接形成桁架结构；浸水装置则通过设置16根竖向浸水管和水桶组成，通过虹吸原理实现全方位浸水。

图1 试验装置示意图(mm)

1.2 模型桩

模型桩采用直径为25 mm、壁厚为2 mm的铝合金管制作而成，总长为700 mm，弹性模量为69.7 GPa。应变片粘贴在模型桩内壁，间距如图2所示。模型桩底部采用尼龙塞封闭。

图2 应变片粘贴位置示例图(mm)

1.3 膨胀土参数

试验所用膨胀土呈灰白色，自由膨胀率为65.5%，属中等膨胀土，其基本性质如表1所示。模型箱内的膨胀土制备过程为：(1)将原状土进行烘干和粉碎；(2)制作成含水量18%的土样；(3)采用人工夯实的方法进行分层填筑，每层高度为100 mm，填至700 mm。

表1 膨胀土基本物理力学性质表

2 试验方案

设置两根模型桩，进行浸水前后的水平静载试验。通过模型试验，对浸水前后的模型桩进行分级加载试验，建立模型桩的p-y曲线，对比分析膨胀土浸水前后单桩的水平极限承载力。

加载过程中，利用静态应变测试仪采集桩身应变，采用百分表测量桩顶和土表位移，桩顶和铁挂篮之间设置力传感器，用来记录加载级数数据。

3 试验结果分析

对试验数据进行处理，得到膨胀土浸水前后桩身弯矩、土抗力、水平位移等沿深度的分布。处理应变片数据需要用到以下常量：

桩长lm=0.7 m，入土深度ls=0.6 m，外径D=0.025 m，内径d=0.021 m；

桩身铝合金材料弹性模量Ep=69.5 GPa；

桩身抗弯刚度EpIp=69.5×109×9.63×10-9=669.3 N·m2。

由此按以下公式即可计算桩身曲率φ(z)及弯矩M(z)。

根据同一深度桩身两侧应变，由弹性梁理论求得桩身曲率：

(1)

式中：ε+、ε-——计算深度处桩身拉、压应变；

y——应变片距桩身中性轴距离的两倍，即为桩的内径d。

由桩身曲率求得该深度处桩身弯矩：

(2)

3.1 桩身弯矩

根据试验所测得的浸水前后的水平单桩应变值，并结合式(2)可求得模型桩在各级加载作用下不同测点处的弯矩值，如图3所示。

(a)浸水前

(b)浸水后图3 浸水前后桩身弯矩-深度曲线图

从图3可以看出，浸水前后各级荷载作用下的桩身弯矩-深度曲线的规律一致，均表现为：在相同的水平荷载作用下，桩身弯矩随深度增加先增大后减小，即呈“两头小、中间大”的形式；随着水平荷载的增加，弯矩峰值位置、零点位置均发生一定程度的下移。以上变化趋势是符合水平受荷桩荷载传递规律的，验证了本次试验结果的准确性。

不同的是，相同的水平荷载作用下，浸水后的桩身弯矩值较浸水前明显增大，且峰值点和零点位置也均发生相应的下移，桩身弯矩峰值差也比浸水前的大。如当水平荷载为410 N时，浸水前后的桩身弯矩峰值分别为47.7 N·m和54.9 N·m，两者差值仅为7.2 N·m；随着水平荷载增大至878 N，浸水前后的桩身弯矩峰值分别为125.7 N·m和156.9 N·m，此时两者差值则达到了31.2 N·m，桩身弯矩峰值点也由浸水前的距地表面以下0.1 m降至浸水后的0.12 m。此外，还发现浸水前的桩底部分甚至出现了负弯矩。对于以上的变化规律，究其原因主要是膨胀土浸水后出现软化及强度急剧下降的情况，当桩基承受相同水平力时，其桩顶的周边土不能抵抗桩基的变形而产生屈服破坏。同时，荷载传递至桩底的周边土中，导致其塑性区逐渐下移。

3.2 承载性能

根据百分表和力传感器的数据可知浸水前后两根桩的桩顶水平位移和各级加载值，如表2所示。绘制成桩顶荷载-水平位移曲线(H-y曲线)如图4所示。

表2 浸水前后各级荷载作用下桩顶水平位移数值表

图4 浸水前后桩顶荷载-水平位移曲线图

从图4可以看出，浸水后的桩基水平极限承载力小于浸水前的，且相同荷载作用下，其桩顶水平位移亦大于浸水前的工况。可见浸水导致膨胀土软化，土抗力大幅下降，由此桩顶位移增大，降低了桩基水平承载力。此外，从试验结束后取出的模型桩(图5)也可以看出，浸水前后的模型桩所产生的破坏形态截然不同：前者模型桩已经被拉弯变形，为结构本身强度破坏；而后者的模型桩只产生弹性形变，为桩周土达到屈服破坏。

图5 加载完毕后的模型桩形态示例图

4 结语

本文通过自主研发的桩基模型试验装置，对膨胀土地基中单桩水平承载特性展开试验研究，重点分析了浸水前后水平单桩的弯矩和承载力的差异。主要结论如下：

(1)对比膨胀土浸水前后桩身弯矩发现，各级荷载作用下两种工况的桩身弯矩沿深度的分布均呈“两头小、中间大”的规律。不同的是，相同荷载作用下浸水后的桩身弯矩峰值明显增大，且峰值和零点位置均发生下移；而浸水前的桩底部分出现了负弯矩。

(2)浸水后的水平单桩极限承载力小于浸水前的水平单桩；同等级荷载作用下的桩顶水平位移也大于浸水前的桩基。