周德泉1, 2，颜 超1, 3，罗卫华4
（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；4.湖南省永龙高速公路建设开发有限公司，湖南 永顺 416700）
摘 要：桩体复合地基上堆载可能引起侧向约束桩侧移，导致侧向约束桩和桩体复合地基失稳破坏。采用室内模型试验研究桩体复合地基重复加、卸载过程中侧向约束桩水平变位规律。结果表明：（1）桩体复合地基上加载时，侧向约束桩的桩身侧移沿深度先增大、后减小、存在峰值，峰值随加载增大而增大，出现在距离地面0.4倍地面以下桩长处，峰值位移与桩顶（或地面）处位移的比例系数和发生侧移的桩身长度随荷载增大而增大；（2）桩体复合地基上重复加、卸载时，侧向约束桩的桩顶侧移随桩间距增大而增大，弹性变形则变小。中桩侧移比边桩大。桩顶侧移增长率随重复加载次数增加而减小。若荷载超过首次加载的最大荷载，侧向复合地基上加载-桩水平位移曲线将回到首次加载曲线的延长线，具有记忆效应。第 次卸载曲线与第i次卸载曲线线型相似且相互平行。每次卸载的初、中期，荷载的减小不影响桩顶侧移，只有卸载到最后1～2级时，侧移才开始减小，直到永久塑性变形。侧向约束桩的顶部水平位移回弹曲线特征与岩石或土在垂直加、卸载作用下的回弹曲线相似。
关 键 词：桩体复合地基；加卸载；侧向约束桩；水平变位规律
1 引 言
侧向堆载作用下桩体的受力非常复杂。堆载时，受压土体会产生下沉盆，促使侧向桩体受到负摩阻力作用，也会挤压侧向桩体，促使桩身水平侧移并产生挠曲变形。侧向堆载对既有桩体的作用机制和工程效应问题已经引起学术界和工程界的高度关 注[1-3]。Poulos[4]利用半无限弹性体的Mindlin方程计算桩与土体之间的关系，通过对土体之间的应力接触面进行计算，得到桩体的作用内力和挠曲变形。Matsui等[5]为验证Ito等[6]提出的作用于抗滑桩上土压力计算公式，通过一系列模型试验表明作用于桩上的侧向土压力随土体位移增加而增加，在达到峰值后，黏土的侧向压力基本不随位移再增大，而砂土则稍微有所减少。由于试验模型箱尺寸太小，不能忽略箱壁对土体的约束作用。张建勋等[7]采用平面有限元分析时由于忽略了桩土之间的绕流效应，将桩体等效为板桩，使得分析结果与实测结果不太吻合。吴江斌等[8]对主体结构和桩身的受力变形进行了整体平面应变分析，提出了结构、地基处理、基坑围护隔离等方面的技术措施，取得了较好的效果。王恺敏等[9]采用三维数值模拟，研究了在大面积堆载条件下桩体所受负摩擦力及桩体变形，并通过案例验证了结论。李忠诚等[10-11]利用三维数值模型分析了地面堆载条件下土体的受力变形及沉降规律，并提出了地面堆载情况下邻近桩基受力变形的实用计算方法。梁发云等[12]对土体侧向位移作用下轴向受荷桩的承载和变形特性进行了室内模型试验。吴琼等[13]应用三维有限元方法分析了侧向堆载作用下桩体的受力变形及桩身弯矩变化规律。肖世国等[14]分析了现行抗滑桩间距分析模型缺陷，总结出合理桩间距的计算方法。以上研究主要集中在均质地基上堆载对侧向桩体的影响。侧向约束桩是控制斜坡路堤变形的一种有效措施[15]，但桩体复合地基上堆载对侧向约束桩侧移的影响规律尚不清楚，开展的研究也极少，制约了该组合型复合地基的设计与推广应用。本文采用室内模型试验，研究桩体复合地基重复加卸载过程中侧向约束桩变位规律，以指导侧向约束桩-复合地基的设计与监控。
2 模型试验概况
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，槽内侧向单排桩及复合地基模型桩的布置如图1所示，桩的参数见表1。图中，6根复合地基桩体采用PVC管充填水泥砂浆圆形桩，桩体直径为4 cm，桩长有2种，Z1、Z2、Z4和Z5桩体的桩长为80 cm，其中Z2和Z5桩为中点断裂的缺陷桩，Z3和Z6桩 体的桩长为40 cm，承压板长边方向3根桩之间的桩间距为23 cm，短边方向的桩间距为36 cm（见 图1(a)）；侧向单排桩长度为120 cm、边长为5 cm的方形水泥砂浆桩，B桩距离A桩为10 cm（2倍桩径），C桩距离A桩为20 cm（4倍桩径）。
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。模型土最大粒径 5 mm，不均匀系数 
5.36，曲率系数
1.39，级配良好，级配曲线见图2。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，然后用不同高度的铁条来固定全部模型桩，确保在填土时桩体垂直、平面位置准确；填土时，A桩外侧在不同深度（距离桩顶分别为100、400、600、800、1 100 mm）水平设置直径为
10 mm的PVC管，在与桩表面接触处与桩侧预先固定的柔性套管连通，确保模型土不进入PVC管内形成堵塞，并穿过外侧挡板、端部与挡板平齐，便于安装百分表（用加长探针接长）。填筑完成后，静置近1个月，让模型土自重沉降。
试验前，将加长探针穿过水平PVC管，稳固安装A桩深部的4个数显式百分表，A桩、B桩、C桩的顶部距桩顶100 mm 处分别安装1个数显式百分表。整个试验由千斤顶和压力传感器（采用万能压力机进行标定，由DN-1型多用数显仪采集电信号）加载，通过砝码堆载提供反力。试验参照规范附录B[16]进行，要点为：测试前加载5 kN，以校核实验系统的整体工作性能；首次加载20 kN，随后每级荷载增量为10 kN，根据平台反力与变形特征决定终载；每级荷载前后测读承压板沉降量和侧向约束桩的侧移，以后每0.5 h测读1次，当1 h内承压板沉降小于0.1 mm时加下一级荷载；操作油泵旋纽、尽量分级卸载，每级维持 0.5 h，测读承压板沉降量和侧向约束桩水平位移。在600 mm 500 mm的复合地基上共进行了4次加载和卸载循环，获得了桩体复合地基循环加、卸载过程中侧向约束桩的水平变位规律（获得的其他规律另文讨论）。
(a) 平面布置图(单位: cm)
(b) Z6-Z3-A剖面示意图(单位: cm)
(c) 模型桩实体
(d) 安装好的试验模型
图1 模型桩布置示意图
图2 模型土级配曲线
表1 模型桩参数
|
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
|
|
A、B、C
|
50
|
1 200
|
方形
|
16.55
|
水泥砂浆
|
|
Z1、Z4
|
40
|
800
|
圆形
|
6.91
|
PVC管充填
水泥砂浆
|
|
Z2、Z5
|
40
|
800
|
圆形
|
6.91
|
|
Z3、Z6
|
40
|
400
|
圆形
|
6.91
|
注：①B桩距离A桩10 cm（2D），C桩距离A桩20 cm（4D）；②Z2、Z5桩长一半处锯断；③模型桩弹性模量采用简支梁法标定。
3 试验结果与分析
3.1 加载过程中桩身侧移随深度变化规律
图3为加载过程中，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）下桩身侧移（水平位移，下同）随与土顶面距离变化曲线。分析发现：
（1）加载过程中，桩体复合地基承受某荷载时，侧向约束桩的桩身侧移均沿深度先增大、后减小，将最大侧移值称为峰值位移。水平位移y与土顶面距离z曲线类似于一端固定、一端铰接、作用三角形线状荷载的直梁挠度曲线。与刘吉福等[17]分析刚性桩复合地基工程实测资料归纳总结的坡脚刚性桩及桩间土的侧移曲线形态相似，这为侧向约束桩的设计提供了试验依据。
（2）加载过程中，侧向约束桩的桩身侧移沿深度先增大、后减小的变化率均随荷载增大而增大，或者说，峰值位移与桩顶位移或地面处位移的比例系数 1且随荷载增大而增大。现场监测时，桩顶或地面处位移比较容易获得，可以据此预测侧向约束桩的变形和破坏趋势。当荷载较小时（如图3中小于50 kN），侧移仅发生在桩身上部，如图3中 600 mm处，相当于地面以下桩长的0.6倍。荷载增大时，发生侧移的桩身长度不断增大。说明加大桩长有利于抵抗较大荷载。随着荷载的加大，峰值位移也依次增大。峰值位移出现在距离地面0.4倍地面以下桩长处，位置基本不随荷载变化。荷载增加，桩身侧移也增加。
图3 加载过程中侧向约束桩的桩身侧移随深度变化规律
3.2 不同间距的桩顶侧移随重复加载变化规律
图4为重复加载过程中不同间距侧向约束桩的桩顶（距离实际桩顶为100 mm，下同）水平位移-加载曲线。分析发现：
（1）加载过程中，桩顶侧移随荷载增大而增大。
实际工程中，可以通过减少荷载来减小桩身侧移。
首次加载曲线具有明显的拐点，是由于外侧挡板约束的缘故。
（2）每级荷载作用下，C桩的侧移最大、A桩次之、B桩最小，说明荷载作用下，桩间距越大，桩顶侧移则越大；中桩侧移比边桩大。据此推理，在确保桩身不破坏的前提下，可以通过减少桩间距来减小桩顶和桩身侧移。
3.3 不同间距的桩顶侧移随重复卸载变化规律
图5为重复卸载过程中不同间距侧向约束桩的桩顶侧移-卸载曲线。分析发现：
（1）卸载过程中，曲线由竖直线经弧线向原点偏转，具有明显的拐点（图中对应荷载为20～30 kN）。说明在卸载初期，桩的水平变形为不可恢复的塑性变形，在最后1～2级荷载时才开始出现弹性变形。荷载全部卸除为0时，弹性变形达到最大。此规律与地基岩土的垂直位移回弹曲线相似[18-19]。
（2）B桩的水平弹性变形最大、A桩次之、C桩最小，说明卸载作用下，桩间距越大，水平弹性变形则越小。
3.4 不同加载阶段桩顶侧移变化规律
图6为不同加载阶段侧向约束桩的桩顶侧移变化规律。分析发现：
(a) 第1次加载
(b) 第2次加载
(c) 第3次加载
(d) 第4次加载
图4 不同间距的侧向约束桩桩顶侧移随加载变化规律
(a) 第1次卸载
(b) 第2次卸载
(c) 第3次卸载
(d) 第4次卸载
图5 不同间距的侧向约束桩桩顶侧移随卸载变化规律
(a) A桩
(b) B桩
(c) C桩
图6 不同加载阶段侧向约束桩的桩顶侧移变化规律
（1）首次加载和重复加载过程中，桩顶侧移随荷载的增加而增加，增长率随重复加载次数增加而减小。原因是，经受前一次加载，桩土发生了不可恢复的塑性变形。
（2）重复加载过程中，若荷载超过首次加载的最大荷载，如第4次加载，侧向复合地基上加载-桩侧移曲线将回到首次加载曲线的延长线，具有记忆效应。这与岩土体的再压缩曲线特征类似[18-19]。
3.5 不同卸载阶段桩顶侧移变化规律
图7为不同卸载阶段侧向约束桩的桩顶侧移变化规律。分析发现：
（1）各桩、各卸载阶段的曲线从竖直线向原点
(a) A桩
(b) B桩
(c) C桩
图7 不同卸载阶段侧向约束桩的桩顶侧移变化规律
（2）第
次卸载曲线在第
次卸载曲线右侧，说明加载次数增加，塑性变形随之增加。
4 结 论
（1）桩体复合地基上首次加载时，侧向约束桩发生侧移并沿深度先增大、后减小、存在峰值，峰值随荷载的加大而增大，出现在距离地面0.4倍地面以下桩长处，位置基本不随荷载变化。峰值位移与桩顶（或地面）处位移的比例系数和发生侧移的桩身长度随荷载增大而增大。桩体复合地基重复加载时，桩间距越大，桩顶侧移则越大，中桩侧移比边桩大。桩顶侧移增长率随重复加载次数增加而减小，若荷载超过首次加载的最大荷载，侧向复合地基上加载-桩水平位移曲线将回到首次加载曲线的延长线，具有记忆效应。设计时，可以通过减少完整桩的桩间距来减小桩身侧移。工程监测时，可以据此预测桩的变形和破坏趋势。
（2）桩体复合地基卸载的初、中期，随着荷载的减小，侧向约束桩的桩顶侧移基本不变，只有卸载到最后1～2级时，桩顶侧移才开始减小、最终停留在永久塑性变形阶段。第
次（
）卸载时的桩顶侧移曲线在第
次卸载曲线右侧、线型相似且相互平行。桩间距越大，桩顶水平弹性变形则越小。桩体复合地基垂直加、卸载作用下侧向约束桩顶部水平位移的回弹曲线具有岩石或土在垂直加卸载作用下的回弹曲线相似的特征。
参 考 文 献
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（本文摘自第十二届全国桩基工程学术会议论文集）
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