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橫豎向荷載共同作用下的基樁模型試驗(yàn)研究論文
摘要：橋臺(tái)樁是在豎向和橫向荷載共同作用下工作的。實(shí)踐表明，樁基的極限承載力受橫向荷載的影響很大。本文利用模型樁進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，討論基樁在豎向和橫向荷載共同作用下的受力特性和變形性能，來(lái)研究基樁的極限承載力。實(shí)驗(yàn)表明，豎向荷載的增大對(duì)樁身彎矩和樁頂位移的影響不大，而橫向荷載的增大對(duì)樁身彎矩和樁頂位移的影響很大，直接導(dǎo)致基樁承載力的降低。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中，基樁的自由長(zhǎng)度和橫向荷載對(duì)其承載力的影響不容忽視。
關(guān)鍵詞：模型樁；橫豎向荷載；樁身彎矩；基樁承載力；樁頂位移
1 前言
橋臺(tái)樁是在豎向和橫向荷載共同作用下工作的，一般樁基的豎向承載力比較大，橫向承載力比較小。當(dāng)無(wú)伸縮縫的無(wú)縫橋梁，由于混凝土的熱脹冷縮、徐變等因素產(chǎn)生很大的橫向力，橫向荷載對(duì)樁基的承載能力影響很大。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)基樁的研究，大多局限于豎向或橫向荷載單獨(dú)作用的情況，我國(guó)規(guī)范也僅對(duì)豎直樁在豎向或橫向荷載單獨(dú)作用下的靜載試驗(yàn)給出了規(guī)定，而對(duì)橫豎向荷載共同作用下基樁的靜載試驗(yàn)尚未制定相應(yīng)的試驗(yàn)規(guī)程。本文主要討論，在樁基所受的豎向荷載不變時(shí)，施加不同的橫向荷載，根據(jù)量測(cè)的樁身彎矩、荷載大小、豎向及水平位移等分析樁在橫豎向荷載共同作用下的受力和變形特性。
2 試驗(yàn)裝置與方法
本試驗(yàn)采用的模型樁為合金鋁管，外徑為16mm，壁厚2mm，長(zhǎng)度為1000mm，其長(zhǎng)徑比為68.75，為長(zhǎng)樁。模型樁的抗彎剛度日值根據(jù)測(cè)定簡(jiǎn)支梁在集中荷載下四分點(diǎn)的撓度反算求得，為0.187(kN·m2)，其中彈性模量為8.29×107(k/m2)。模型樁的無(wú)量剛度dh大于2.5，為柔性樁。地基介質(zhì)土為單層均勻砂土。顆粒級(jí)配為：d60=O.46mm，d10=0.22mm，為均勻中砂。型砂密度p=1.70g/cm2，內(nèi)摩擦角φ=36度。模型砂箱構(gòu)造尺寸為1200×600×100mm，箱周壁及底板均采用木板。
試驗(yàn)采用砝碼加載，加載采用慢速維持荷載法，操作步驟嚴(yán)格按文獻(xiàn)的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行。每級(jí)加載后，間隔5、10、15min各測(cè)讀一次百分表讀數(shù)，以后每隔15min測(cè)讀一次，累計(jì)1小時(shí)后每隔30min測(cè)讀一次。
試驗(yàn)的關(guān)鍵是量測(cè)樁身截面的應(yīng)變、樁地面處的水平位移及樁的承載力。如果每小時(shí)的沉降量不超過(guò)0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次，即認(rèn)為樁已趨于穩(wěn)定，記錄此時(shí)的位移和應(yīng)變，然后加下一級(jí)荷載。在豎向和橫向荷載作用下，當(dāng)樁的地面處水平位移達(dá)到30mm時(shí)，即認(rèn)為基樁已破壞，終止試驗(yàn)。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
基樁在垂直或水平荷載下的極限承載力可根據(jù)樁的荷載一位移曲線確定。對(duì)于軸、橫向荷載下基樁的極限承載力，Meyerhof等人認(rèn)為應(yīng)考慮兩個(gè)方面的因素：一是樁在軸、橫向荷載作用下滿足豎向地基土體的承載能力和位移控制；二是滿足樁側(cè)土體彈性抗力和樁身材料強(qiáng)度要求。
本文主要以荷載一水平位移曲線來(lái)研究基樁的極限承載力。本文的模型樁試驗(yàn)，首先模擬橋梁恒載給定一個(gè)豎向荷載，然后模擬混凝土熱脹冷縮、汽車制動(dòng)力等施加橫向荷載，直至達(dá)到極限荷載。模型樁在不同荷載下的實(shí)測(cè)彎矩列。 模型樁的橫向荷載下砂面水平位移曲線。
4 軸橫向荷載共同作用下基樁的受力特性分析
軸、橫向荷載下基樁的荷載傳遞及變形機(jī)理十分復(fù)雜，涉及樁與土間的相互作用。而樁的承載能力取決于地基土的支承能力和樁身的材料強(qiáng)度，一般取兩者中的小值為控制指標(biāo)，而前者往往起決定作用。通過(guò)基樁模型的試驗(yàn)，測(cè)得了樁在軸、橫向荷載共同作用下地面處的位移、樁身各點(diǎn)的彎矩。根據(jù)樁頂荷載一位移曲線可以確定出樁的極限承載力。根據(jù)樁身截面應(yīng)變、樁的抗彎剛度可計(jì)算出樁身各截面的彎矩值。
現(xiàn)以基樁模型的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分析樁在軸橫向荷載共同作用下(水平力不變而軸向力變化和軸向力不變而水平力變化時(shí))，對(duì)樁身彎矩和地面位移的影響。
5 結(jié)論
5．1 當(dāng)樁身自由長(zhǎng)度、橫向荷載及抗彎剛度等條件不變時(shí)，隨著軸向荷載地增加，樁身彎矩和位移都增加，但增加的幅度不大，即軸向荷載變化對(duì)樁的極限承載能力影響不大。
5．2 當(dāng)樁的自由長(zhǎng)度、軸向荷載及抗彎剛度等條件不變時(shí)，隨著橫向荷載的增加，樁身彎矩和位移都將大幅度的增加，樁的極限承載能力也將迅速地減少，對(duì)于無(wú)縫橋梁的橋臺(tái)樁，由于取消了伸縮縫，混凝土熱脹冷縮等引起的橫向力將大大增加，這在設(shè)計(jì)中必須充分的加以考慮。
5．3 當(dāng)基樁的軸、橫向荷載及抗彎剛度等條件不變時(shí)，隨著基樁自由長(zhǎng)度地增加，樁身彎矩和位移增加很快。也就是說(shuō)P－△效應(yīng)和基樁自由長(zhǎng)度密切相關(guān)，隨著基樁自由長(zhǎng)度地增加，P－△效應(yīng)也將越明顯，這在設(shè)計(jì)中不容忽視。在砂土中，當(dāng)樁在地面處的位移較小時(shí)，軸向荷載對(duì)樁的豎向承載能力沒有重大影響。
5．4 當(dāng)基樁的自由長(zhǎng)度、軸、橫向荷載等條件不變時(shí)，隨著基樁抗彎剛度地增加，樁身彎矩也將增加，特別是樁身中段部分的彎矩增加較大；而樁身位移卻大幅度地減少。當(dāng)上部結(jié)構(gòu)對(duì)位移有特別要求時(shí)，可增加樁身的抗彎剛度。
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