DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2016.11.023

桩体复合地基受压过程中侧向约束桩工程特性试验研究

周德泉^{1, 2}，颜超^{1, 3}，刘宏利¹

(1. 长沙理工大学 土木与建筑学院，湖南 长沙，410114；

2. 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；

3. 湖北省路桥集团有限公司，湖北 武汉，430000)

摘要：采用模型试验研究桩体复合地基受压过程中侧向约束桩工程特性。研究结果表明：桩侧土压力沿深度先增大、后减小，峰值在离土顶面0.22H~0.33H(H为地面以下桩长)处，因加载而快速增大；轴力P-深度z曲线呈倾斜的“S”形，桩身上部受拉、下部受压，峰值拉力出现在离土顶0.15H处，峰值压力出现在离土顶0.81H~0.92H处；摩阻力τ-深度z曲线整体上呈倾斜的“C”形，上段出现正摩阻力，下段出现负摩阻力，离土顶面0.18H处是中性点，峰值负摩阻力出现在离土顶面0.7H附近；弯矩M沿深度z先增大、后减小，有1~2个峰值，上部峰值出现在离土顶0.37H附近，下部峰值出现在离土顶0.59H~0.70H附近；间距小的边桩正轴力(包括峰值)和轴力零点埋深变化范围及负摩阻力峰值最大，间距大的边桩次之，中桩的最小；荷载达到复合地基压力Q-沉降s曲线拐点荷载之前，中桩弯矩最大，间距大的边桩弯矩次之，间距小的边桩弯矩最小；超过该拐点荷载之后，间距大的边桩弯矩最大，中桩弯矩次之，间距小的边桩弯矩最小；间距大的边桩的弯矩M与土顶面距离z曲线有1个峰值，而中桩和间距小的边桩有2个峰值。

关键词：桩体复合地基；加载；侧向约束桩

中图分类号：U416.1⁺4         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2016)11-3784-08

Experimental study of mechanical characteristics of laterally constraint pile of pile composite foundation during loading

ZHOU Dequan^{1, 2}, YAN Chao^{1, 3}, LIU Hongli¹

(1. School of Civil Engineering and Architecture, Changsha University of Science & Technology,

Changsha 410114, China;

2. Collaborative Innovation Centre of Disaster Prevention and Environmental Restoration Technology for Geotechnical Engineering Construction, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China;

3. Hubei Provincial Road & Bridge Co. Ltd., Wuhan 430000, China)

Abstract: Mechanical characteristics of laterally constraint pile of pile composite foundation during loading on pile composite foundation were studied by experiment. The results show as follows: during loading on pile composite foundation, soil pressure of pile side increases first and decreases later and shows peak along the depth. The peak value increases rapidly with the increase of loading, the position of the peak value is at 0.22H-0.33 H (H indicates pile length from the ground). Axial force P- depth z curves look like a tilted “S” shape, the upper part of the pile is subjected to tension and the lower part is under pressure, position of the tension peak value is at 0.15H, position of the pressure peak value is at 0.81H-0.92H. Frictional resistance τ- depth z curves look like a tilted “C” shape as a whole, the upper part of the pile appears positive friction and the lower part appears negative friction, the neutral point is at 0.18H, position of the negative friction peak value is at 0.7H. Bending moment M increases first and decreases later and shows one or two peaks along the depth z, position of the upper peak value is at 0.37H, position of the lower peak value is at 0.59 H-0.70H. For the positive axial force (including peak value) and the variation range of the axial force zero burying depth and the negative friction peak value, side pile with small spacing is the biggest, side pile with large spacing is the second and middle pile is the least. Before the load reaches the inflection point of the composite foundation Q-s curve, middle pile has the largest bending moment, side pile with large spacing has the second and side pile with small spacing has the least. Beyond the inflection point load, side pile with large spacing has the largest bending moment, the middle pile has the second and side pile with small spacing has the least. The M-z curve of side pile with large spacing has one peak value, middle pile or side pile with small spacing has two peak values.

Key words: pile composite foundation; loading; lateral constraint pile

针对高荷载、地表(层)倾斜的特点，为满足承载力、变形和稳定性要求，地基处理可采用“侧向约束桩-复合地基^[1]”，形成一种新的组合型复合地基，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，在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^[2]。竖向荷载作用下复合地基工作性状已有较多的研究成果^[3-4]，但人们对这种组合型复合地基工作机制研究较少。桩体复合地基受压产生下沉盆，侧向约束桩会受到负摩阻力作用，也会受到挤压，产生弯矩，其受力特性较复杂。谢耀峰等^[5]采用长度为1.2 m、断面尺寸为3.1 cm×3.1 cm、壁厚为1 cm的空心有机玻璃方桩，在桩内壁等间距对称布置电阻应变片，测试桩的轴力，认为端承桩的负摩擦力在泥面以下0.16L~0.40L处达到最大(其中L为桩长)，0.6L处开始减小。王恺敏等^[6]采用有限元方法分别研究大面积堆载作用下负摩擦桩顶受力与变形性状，得到了土体沉降、桩身轴力和弯矩的变化规律。屠毓敏等^[7]利用三维非线性弹性有限元方法研究了承受邻近堆载作用排桩的负摩擦力特性，分析了排桩间距以及堆载与排桩之间距离的变化对桩身负摩擦力特性的影响，认为当堆载增大到一定值时，桩顶部产生局部拉应力(负轴力)，且随着堆载与桩之间距离的增大而增大；桩身最大轴力点位于 0.65~0.75 倍的桩长处，边桩的轴力比中桩的大；随着桩距增大，桩身轴力也随之增大；当堆载距排桩一定距离时，桩身轴力达到最大。屠毓敏等^[8]利用三维非线性弹性有限元方法，研究了承受邻近地面超载作用时被动排桩的弯曲性状，也研究了排桩间距变化、地基软弱下卧层以及超载与排桩之间的距离对桩身弯曲性状的影响，发现在邻近超载作用下桩身最大正弯矩出现在 0.55 倍桩长处，桩顶部产生较大的负弯矩；随着超载的增大，负弯矩由增大变为减小，桩身正弯矩增大，当超载超过一定值时，桩身正弯矩加速增大。杨敏等^[9]利用改进 Carter 模型，编制平面应变有限元程序，探讨了长期重复加卸载作用下有桩和无桩时土体沉降和侧移的变化规律。邵军义^[10]应用堆载作用下计算天然地基侧向位移的“拟合曲线法”及基于文克尔假定和桩土变形协调条件导出了均质地基中轴力与侧向土压力作用下桩身侧向位移计算公式，分析了桩身内力与边界条件的关系。栾茂田等^[11]分析了地面堆载作用下处于被动状态下的桩及桩侧土的反应，基于桩和土的变形协调条件， 确定了桩侧土压力表达式，建立了桩身挠曲的控制微分方程，联合采用非线性P-y关系曲线与有限差分法求解。杨敏等^[12]在 p-y曲线法^[13]和 Poulos弹性理论法^[14]的基础上，提出一种能够考虑两者优点的耦合算法。梁发云等^[15]采用室内模型试验研究轴向受荷桩在土体侧移作用下的承载和变形特性，分析了土体侧移、桩顶轴向荷载以及群桩效应等对桩基性状的影响。以上研究主要针对均质地基上堆载对侧向桩体的影响开展有限元分析^[5-9]和解析求解^[10-14]，室内外试验^[15]较少开展，特别是桩体复合地基上堆载时侧向约束桩受力特性尚不清楚，关于这方面研究少见报道，制约了“侧向约束桩-复合地基”的设计与推广应用。为此，本文作者采用模型试验，研究桩体复合地基受压过程中侧向约束桩工程特性，以指导“侧向约束桩-复合地基”设计与监控。

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。图1所示为槽内侧向约束桩(端承桩)及复合地基模型桩(摩擦桩)布置，表1所示为模型桩参数。侧向约束桩采用长度为120 cm、边长为5 cm的方形水泥砂浆桩，B桩距离A桩10 cm，C桩距离A桩20 cm，该尺寸主要由实验的可行性和相似性确定。

图1  模型桩布置示意图

Fig. 1  Arrangements of model piles

试验前，先预制模型桩并在水槽中养护1月，采用凹槽法^[16]在桩两侧对称粘贴应变片(型号为B× 120-80AA，电阻为(120.8±0.5) Ω，栅长×栅宽为80 mm×3 mm，灵敏系数为2.06)。A，B和C这3个桩的应变片与土顶面距离均为40，150，260，370，480，590，700，810和920 mm，用欧姆表或万用表逐个检查，采用简支梁法测试模型桩的弹性模量。在A桩的迎土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和990 mm。

表1  模型桩参数

Table 1  Parameters of model piles

模型土由过筛后室内存放6 a的干燥红黏土与砂土等质量比拌和、自重填筑而成。模型土含水率为2.5%，密度为1.26 g/cm³，最大粒径为5 mm，不均匀系数C_u=5.36，曲率系数C_c=1.39，级配良好。图2所示为模型土级配曲线，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，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(配有130个通道)及其配套的电脑软件采集各应变片和压力盒的应变。试验参照文献[17]中规范的附录B进行，从0 kN开始，每级压力增量为10 kN，最大压力为120 kN，完成1次加载过程。

图2  模型土级配曲线

Fig.2  Grain-size distribution curve of model soil

2  实验结果与分析

2.1  桩体复合地基压力Q-沉降s曲线特征

图3所示为桩体复合地基压力Q-沉降s曲线。从图3可见：受压100 kN(相对变形达到0.09)之前，桩体复合地基沉降随压力线性增长，按文献[17]中规范^[17]建议的相对变形值0.015确定的承载力特征值约为30 kN。实验前，在垂直于承压板4边方向撒粉笔灰，观测到距离板边缘10 cm处有裂纹，说明该桩体复合地基受压后整体向下刺入、产生下沉盆。其原因是模型土为自重密实填土，呈松散状，桩体复合地基在受压过程中，模型土不断压密，压力主要由模型土承担，桩体复合地基表现出填土地基特性。受压100 kN后，沉降缓慢增加，Q-s曲线呈下凹型，具有明显的拐点。其原因是桩间土受压而足够密实，4根长度为800 mm 的角桩桩体作用陡增，桩底模型土(初始厚度200 mm)不断压缩，下沉得到约束。回弹曲线与侧向约束桩桩顶侧移回弹曲线类似^[1]，高荷载阶段的变形主要为塑性变形，只有卸载到最后 1~2 级时才出现弹性变形。

图3  桩体复合地基Q-s曲线

Fig. 3  Q-s curves of pile composite foundation

2.2  桩侧土压力p随深度变化规律

根据TDS-530接收的应变和压力盒的标定方程计算桩侧土压力。图4所示为桩体复合地基加压过程中，侧向约束桩A在偶数级荷载(指图3中桩体复合地基承受的偶数级荷载，下同)作用下桩侧土压力p与离土顶面距离z的变化曲线。由图4可见：

图4  加载过程中桩侧土压力p与深度z的关系

Fig. 4  Relationship between depth and lateral constraint pile's lateral soil stress p under loading

1) 在荷载增加过程中，桩侧土压力p在地表处恒定为0，0.10H(H为土面以下桩长)处土压力增长率很小，桩底0.99H处土压力增长率较小，桩身中部土压力增长率很大，说明侧向约束桩中部对桩体复合地基加载产生的侧向土压力非常敏感。

2) 在荷载作用下，侧向约束桩的桩侧土压力p均沿与土顶面距离z先增大、后减小，有1个最大值，峰值出现在0.22H~0.33H处。侧移沿桩身变化曲线也有峰值，位置在0.40H处^[1]，不同点是侧移y在地面处随荷载增大而增大，桩底处恒定为0 kPa。说明侧向约束桩中上部0.22H~0.40H处是质量控制的重点部位。

2.3  桩身轴力P随深度、间距和位置变化规律

电阻应变片与其粘贴模型桩单元产生的应变相同。根据TDS-530接收的应变和经标定得到的桩身弹性模量计算桩身轴力(压应力为正)。图5所示为在复合地基上进行加载时，侧向桩体A，B和C在偶数级荷载下桩身轴力P随与土顶面距离z变化曲线。从图5可见：

1) 在加载过程中，侧向约束桩体的P-z曲线呈现倾斜的“S”形态，桩身上部受拉、下部受压，存在拉力(负轴力)峰值与压力(正轴力)峰值，与邻近堆载作用下排桩^[7]的P-z曲线类似；峰值拉力出现在离地面0.15H处且位置保持恒定；峰值压力出现在离土顶0.81H~ 0.92H处且位置保持恒定，压力和峰值压力均随荷载增大而增大。当荷载达到图3中Q-s曲线拐点荷载100 kN时，压力和峰值压力增长缓慢，说明加载到桩体作用足够发挥时，桩体抑制了侧向约束桩轴力的增大。

2) 桩身平面位置和间距对轴力产生显著影响。在荷载作用下，B桩压力(包括峰值压力)最大，C桩的次之，A桩的最小；B桩的轴力零点埋置深度变化范围(0.26H~0.46H)最大，C桩的次之(0.18H~0.34H)，A桩的最小(0.15H~0.30H)，说明间距小的边桩的压力(包括峰值压力)和轴力零点埋置深度变化范围最大，间距大的边桩变化范围次之，中桩的最小。中桩A的受压段(下部)出现台阶和第2峰值，而边桩只有1个峰值。间距大的边桩C的拉力和峰值拉力随荷载增大而增大，而中桩A及间距小的边桩B的拉力和峰值拉力最大值有1个临界荷载，超过该临界荷载，其拉力和峰值拉力反而减小，这是桩间相互作用所致。

图5  加载过程中桩身轴力P与深度z的关系

Fig. 5  Relationship between depth z and lateral constraint pile’s axial load P under loading

2.4  桩侧摩阻力τ随深度、间距和位置变化规律

桩侧平均摩阻力根据下式计算：

                  (1)

式中：τ为计算位置的平均摩阻力(kPa)；为桩段顶截面轴力减去底截面轴力之差(kN)；为桩身量测截面之间桩侧表面积(m²)。图6所示为侧向约束桩A，B和C在偶数级荷载下桩侧摩阻力τ随与土顶面距离z变化曲线。由图6可见：

1) 在荷载作用下，各桩的τ-z曲线整体上呈倾斜的“C”形，上段出现正摩阻力、下段出现负摩阻力，离土顶面0.15H处是中性点，中性点与复合地基桩体长度范围内均出现负摩阻力，峰值负摩阻力出现在离土顶面0.70H附近；随着荷载加大，正负摩阻力均趋向于增大。

2) 桩身平面位置和间距对摩阻力产生显著影响。各级荷载作用下，与桩身轴力类似，B桩的负摩阻力峰值最大，C桩的次之，A桩的最小。这说明间距小的边桩的负摩阻力峰值最大，间距大的边桩次之，中桩的最小。

2.5  桩身弯矩M随深度、间距和位置变化规律

TDS-530接收到各测点处的拉应变和压应变，弯矩按下式计算：

               (2)

式中：为拉应变与压应变之差，即：；b₀为拉压测点的间距(m)，取0.05 m；E为桩的弹性模量(Pa)，按表1确定；I为截面对中性轴的惯性矩(m⁴)，计算得5.2×10^{-7 m4}。

图7所示为在复合地基上加载时，侧向约束桩A，B和C在偶数级荷载下桩身弯矩M随与土顶面距离z的变化曲线。由图7可见：

1) 在荷载作用下，桩身弯矩均沿深度先增大、后减小，有1~2个峰值，上部峰值出现在离土顶0.37H附近，下部峰值出现在离土顶0.59H~0.7H附近，与均质土体侧移作用下既有轴向受荷桩的桩身弯矩曲线有1个峰值^[15]不完全相同，这为侧向约束桩的设计提供了依据。

2) 随着荷载增大，桩身弯矩均增大；荷载达到图3中Q-s曲线拐点荷载100 kN时，弯矩增长缓慢，说明加载到桩体作用足够发挥时，桩体抑制了侧向约束桩弯矩的增长。

图6  加载过程中桩身摩阻力τ与深度z的关系

Fig. 6  Relationship between depth z and lateral constraint pile's friction τ under loading

3) 桩身平面位置和间距对弯矩产生显著影响载达到图3中Q-s曲线拐点荷载100 kN之前，A桩的弯矩最大，C桩的次之，B桩的最小，说明中桩弯矩最大，间距大的边桩次之，间距小的边桩最小；荷载超过拐点荷载100 kN之后，C桩的弯矩最大，A桩的次之，B桩的最小，说明间距大的边桩弯矩最大，中桩的次之，间距小的边桩最小。另外，间距大的边桩的M-z曲线有1个峰值，中桩和间距小的边桩的M-z曲线有2个峰值。

图7  加载过程中桩身弯矩M与深度z的关系

Fig. 7  Relationship between depth z and lateral constraint pile's bending moment M under loading

3  结论

1) 侧向约束桩中部土压力非常敏感。在加载过程中，桩侧土压力在地表处恒定为0，0.11H处增长率很小，桩底处增长率较小，桩身中部增长率很大；在每级荷载作用下，桩侧土压力均沿深度先增大、后减小，峰值在离土顶面0.22H~0.33H处。

2) 在加载过程中，侧向约束桩体的轴力-深度曲线呈现倾斜的“S”形态，桩身上部受拉、下部受压，存在峰值拉力与峰值压力，峰值拉力出现在离地面0.15H处且位置保持恒定，峰值压力出现在离土顶0.81H~0.92H处且位置保持恒定；压力和峰值压力均随荷载增大而增大，荷载达到复合地基Q-s曲线拐点荷载时，压力和峰值压力增大缓慢。

3) 在荷载作用下，各桩的摩阻力-深度曲线整体上呈倾斜的“C”形，上段出现正摩阻力、下段出现负摩阻力，离土顶面0.15H处是中性点，中性点与复合地基桩体长度范围内均出现负摩阻力，峰值负摩阻力出现在离土顶面0.7H附近；随着荷载加大，正负摩阻力均趋向于增大。

4) 在荷载作用下，桩身弯矩均沿深度先增大、后减小，有1~2个峰值：上部峰值出现在离土顶0.38H附近，下部峰值出现在离土顶0.59H~0.70H附近。随着荷载增大，桩身弯矩均增大；荷载达到复合地基Q-s曲线拐点荷载时，弯矩增大缓慢。

5) 桩身平面位置和间距对轴力、摩阻力和弯矩产生显著影响。在荷载作用下，间距小的边桩的正轴力(包括峰值)和轴力零点埋置深度变化范围及负摩阻力峰值最大，间距大的边桩次之，中桩的最小。中桩的受压段(下部)出现台阶和第2峰值，而边桩只有1个峰值。间距大的边桩的拉力和峰值拉力随荷载增大而增大，而中桩及间距小的边桩拉力和峰值拉力最大值有1个临界荷载，超过该临界荷载，其拉力和峰值拉力反而减小。荷载达到复合地基Q-s曲线拐点荷载之前，在各级荷载作用下，中桩弯矩最大，间距大的边桩次之，间距小的边桩最小。荷载超过该拐点荷载之后，间距大的边桩弯矩最大，中桩的次之，间距小的边桩弯矩最小。另外，间距大的边桩的M-z曲线有1个峰值，中桩和间距小的边桩的M-z曲线有2个峰值。

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(编辑  陈灿华)

收稿日期：2016-03-12；修回日期：2016-05-18

基金项目(Foundation item)：国家自然科学基金资助项目(51378083，50978036)；湖南省交通运输厅资助项目(201304)；国家级大学生创新实验资助项目(201610536004)；长沙理工大学土木工程优势特色重点学科创新性资助项目(2016-1) (Projects(51378083, 50978036) supported by the National Natural Science Foundation of China; Project(201304) supported by the Department of Transportation of Hunan Province; Project(201610536004) supported by the National College Students Innovation Experiment; Project(2016-1) supported by the Key Innovative Advantage Subject of Civil Engineering in Changsha University of Science and Technology)

通信作者：刘宏利，硕士，副教授，从事地基基础、路基工程研究；E-mail: 742926438@qq.com