李洪江　 杨昊坤　 刘松玉　 童立元　 顾琴芬

(1东南大学岩土工程研究所, 南京 210096)(2东南大学江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室,南京 210096)(3南京大学地理与海洋科学学院,南京 210093)(4江苏省建设工程设计施工图审核中心,南京 210036)



可液化地基处理前后单桩水平承载动力响应特征

李洪江1,2杨昊坤3刘松玉1,2童立元1,2顾琴芬4

(1东南大学岩土工程研究所, 南京 210096)(2东南大学江苏省城市地下工程与环境安全重点实验室,南京 210096)(3南京大学地理与海洋科学学院,南京 210093)(4江苏省建设工程设计施工图审核中心,南京 210036)

为了研究可液化地基处理前后单桩水平承载动力响应问题,以宿迁金鹰工程可液化场地为依托,采用基于CPTU测试的p-y(土抗力-桩挠度)曲线法,构建了单桩水平动力承载数值计算模型．分析了不同加载振幅和振动次数下的单桩水平循环加载特征,比较了可液化地基处理前后的单桩水平承载动力响应规律．结果表明:可液化地基处理后单桩水平动力承载能力增强,桩周土抗液化能力提升,桩身截面最大弯矩上移,桩顶荷载传递深度降低;在桩顶水平循环加载作用下,桩身变形和弯矩随加载振幅和振动次数的增加而增大;十字翼共振法处理可液化场地对提升桩基水平承载力具有显著效果．

液化;桩基;p-y曲线;孔压静力触探(CPTU);水平承载力

桩基的水平承载动力分析是岩土工程界和地震工程领域关注的热点问题之一．在传统桩基设计方法中,多采用规范中涉及的拟静力法对液化土桩基水平承载特性进行评价[1]．然而,该方法并未考虑液化土-桩的相互作用问题,对桩基的水平承载动力设计也较为粗糙．目前,p-y曲线折减法是液化场地桩基设计的主流方法,国内外学者已围绕液化地层中桩基动力p-y曲线折减问题进行了大量研究[2-9]．

目前，对可液化地基处理前后的桩基水平承载动力响应问题研究较少．本文基于CPTU测试p-y曲线法对采用共振处理的宿迁金鹰试验场地开展研究,比较了液化处理前后单桩水平动力承载特征的异同,并为同类液化场地桩基水平承载动力设计提供借鉴．

1　工程概述与场地处理

宿迁金鹰天地住宅项目位于洪泽湖路与青年路交叉路口西南,由1栋17层、10栋18层住宅楼及4栋1层商业用房组成,高层住宅间设1层地下车库．主楼基础采用直径为600 mm钻孔灌注桩,桩身混凝土标号C35,桩长30 m．由于地基土层松软,自然地面以下20 m内普遍分布着埋深及厚度不等的可液化粉土(夹粉砂),液化程度为严重液化．20 m以上的各土层分布及具体土性指标见表1．

表1　土体物理力学性质指标

注:φ为内摩擦角；c为黏聚力.

试验场地位于黄泛平原高烈度区,建筑抗震设防烈度为8度,设计基本地震加速度为0.30g,地震分组为第1组．为满足建设要求,采用东南大学自主研发的十字翼共振法[10]对场地进行了液化地基加固处理.后期经标贯试验和孔压静力触探(CPTU)联合测试表明,场地处理效果良好,地基土液化等级由严重液化降为不液化[11]．

2　CPTU测试桩基水平承载模型

可液化场地开展桩基工程建设时,如何明确动力荷载(地震荷载、风荷载等)下液化土层单桩的p-y曲线参数,是客观评价水平受荷桩动力承载特性的关键．CPTU原位测试提供的是最原始、近似非扰动的土性参数,可为动力荷载下单桩初始p-y曲线参数提供技术支撑．针对以上问题,文献[12]提出了一种基于CPTU测试的桩基p-y曲线分析法,获得了良好的应用效果．

文献[12]中建议的基于CPTU测试的Matlockp-y曲线(适于黏性土)表达式为

(1)

基于CPTU测试的双曲线型p-y曲线(适于无黏性土)表达式为

(2)

式中,p(z)为桩侧土抗力,MPa;y(z)为深度z处的桩身挠度,m;Rp为锥尖贯入塑性影响区半径,m;D为桩直径,m;qc为实测锥尖阻力,MPa;qe为有效锥尖阻力,MPa;E为土的弹性模量,kPa;ν为土体泊松比;Ne为有效锥尖系数;Nc为桩侧土极限承载力系数,取值方法见文献[12].

在场地液化处理前后分别开展CPTU原位测试．CPTU测试孔位严格邻近试桩位置,测试深度zc=16m(26倍桩径),与十字翼共振法加固深度一致．根据CPTU测试结果,将测试深度范围内土层分为素填土、粉土、粉土夹粉砂和黏土层,并将勘察报告中的②-1粉土(夹粉砂)层细分为粉土和粉土夹粉砂2层．CPTU测试参数曲线见图1.图中,有效锥尖阻力qe=qt-u2,其中, qt为孔压修正锥尖阻力, u2为锥肩位置处量测的孔压力，qt与qc的换算关系为

qt=qc+u2(1-a)

(3)

式中,a为探头有效面积比,且本文取a=0.8．

图1　桩基水平承载所需CPTU测试参数曲线

由图1可知,液化地基处理后CPTU测试所得的锥尖阻力和侧壁摩阻力都明显增加,土层密实度提高,孔隙水压力降低,说明十字翼共振法获得了良好的处理效果．

图2　单桩水平承载模型及土层分布

3　水平承载动力特征分析

文献[11]开展了液化场地的单桩水平静力学分析,通过与试桩结果进行比对,验证了CPTU测试p-y曲线法的可行性．本文在文献[11]的基础上,着重考察了该液化场地处理前后单桩水平承载动力响应特征．本文对以下2个工况进行了模拟:① 加载振幅H=136kN,振动次数N=5,20,100,1 000;② 振动次数N=100,加载振幅H=25,50,75,100,125,150,175kN．

在如图2所示的水平承载模型中,采用正弦波作为桩顶循环荷载输入项,荷载周期T=2s,考察2个模拟工况下的单桩水平承载动力特性,并对比分析了液化地基处理前后的单桩水平承载差异．液化地基处理前后水平静力载荷试验得到的单桩临界水平承载力分别为102和136kN[11]．数值计算过程中,采用文献[7]建议的动力p-y 曲线衰减因子,对土抗力p进行折减,折减系数取0～0.9．对循环加载过程中的初始CPTU测试p-y曲线进行调整,以模拟桩周土的循环弱化效应．

工况1下计算获得的桩顶位移Y随振动次数的变化曲线见图3．取每一级振动次数结束后的累积位移作为该级的最终加载位移．由图可知,液化地基处理前后桩顶位移随振动次数的增加均呈现出逐渐增大的趋势．液化处理前, N=1 000时桩顶位移达38.0mm,已超出《建筑基桩检测技术规范》[13]中规定的30mm加载终止条件,桩身发生塑性破坏．而液化地基处理后, N=1 000时桩顶位移为7.6mm,仅为处理前的1/5，表明经十字翼共振法处理后的可液化地基会使桩周土的水平土抗力增加,土体的抗液化能力增强．同时注意到,由于H=136kN高于液化处理前的单桩临界水平承载力,因此,当加载的振动次数较少(N=5)时,桩顶起始位移较大(Y=16mm),而液化处理后单桩水平位移则变为Y=4.2mm．这与文献[11]中静力加载条件下的结果一致,由此验证了本文计算模型的合理性．

图3　工况1下桩顶位移随振动次数的变化曲线

由图3的分析结果可知,N=100时桩顶位移存在较大变化,因此选择N=100作为固定振次，考察不同加载振幅下的桩顶位移变化规律．工况2下计算获得的桩顶位移随加载振幅的变化曲线见图4．由图可知,随着加载振幅的增加,桩顶位移发生显著的非线性变化．液化处理前,单桩在H=90kN时位移显著增加;液化处理后,桩顶位移的快速增加出现在H=120kN以后,说明液化处理使桩基临界水平承载力得到提高,较处理前提高约33%．而且从整个动力加载过程来看,每一级加载振幅下,液化处理后单桩的桩顶加载位移均低于液化处理前．

图4　工况2下桩顶位移随加载振幅的变化曲线

为进一步考察液化地基处理前后的桩基动力响应特征,研究了单桩在循环动力加载条件下的深部桩体受力变形规律．如图5所示,H=136kN时,振动次数越多,则桩身弯矩M越大．究其原因在于,随着振动次数的增加,土层循环弱化严重,桩周土抗力衰减程度加大,桩侧土抗力降低后桩体自身需承担的弯矩就会增加．此外,土层弱化后,桩身整体变形增加,液化处理后的桩身变形小于液化处理前桩身变形．

H=136kN高于液化处理前单桩的临界水平承载力,在桩顶施加高循环荷载作用,未处理地层的土抗力衰减严重且迅速．因此,当N=5,1 000时,液化处理前桩身弯矩、变形均大于液化处理后桩身弯矩、变形．同时注意到,液化处理后,上部粉土层和粉土夹粉砂层对桩体的控制作用加强,桩身截面最大弯矩位置上移(见图5(a)),桩顶水平荷载的传递深度降低．

N=100时的桩身受力变形曲线见图6．由图可知,随着加载振幅的增加,桩身弯矩和位移也增加．与图5中单纯受振动次数影响不同,当振动次数固定时,加载振幅改变所引起的桩身弯矩增加,是由荷载加大引起的弯矩增加与土体循环弱化致使的弯矩增加2部分叠加而成的．在同一级别的振幅条件下,液化处理后的土层水平土抗力更大,分担的桩体荷载应力更大,因此,液化处理后的桩身弯矩和变形均小于液化处理前．此外,液化处理后的桩身截面最大弯矩位置上移,桩顶水平荷载的影响深度下降．

(a) 桩身弯矩

(b) 桩身变形

(a) 桩身弯矩

(b) 桩身变形

4　结论

1) 可液化地基处理前后土体的动力特性发生改变,循环荷载作用下的单桩水平承载能力也发生改变．

2) 采用十字翼共振法处理可液化地基达到了良好的效果．在2种工况下,液化处理后的桩顶位移明显小于液化处理前的桩顶位移．当H=136kN, N=1 000时,前者桩顶位移仅为后者的1/5．当N=100时,液化处理后单桩临界水平承载力较处理前提高约33%．

3) 深部桩体受力变形研究结果表明,固定振幅时,振动次数越多,则桩身弯矩和变形越大;固定振动次数时,振幅越大,则桩身弯矩和变形越大．整体而言,液化处理后的桩身弯矩和变形小于液化处理前．

4) 经过可液化地基处理后,在水平循环荷载作用下,单桩桩身截面最大弯矩位置上移,桩顶水平荷载的影响深度下降．

References)

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 94—2008建筑桩基技术规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2008.

[2]Liu L, Dobry R. Effect of liquefaction on lateral response of piles by centrifuge model tests[C]//TheWorkshoponNewApproachestoLiquefactionAnalysis. Washington DC, USA, 1995:7-11.

[3]Wilson D W, Boulanger R W, Kutter B L. Observed seismic lateral resistance of liquefying sand[J].JGeotechGeoenvironEng, 2000, 126(10):898-906. DOI:10.1061/(asce)1090-0241(2000)126:10(898).

[4]Kubo K. Vibration test of a structure supported by pile foundation[C]//Proceedingsofthe4thWorldConferenceonEarthquakeEngineering. Tokyo,Japan,1969: 1-12.

[5]Rollins K M, Hales L J, Ashford S A, et al.p-ycurves for large diameter shafts in liquefied sand from blast liquefaction tests[C]//SeismicPerformanceandSimulationofPileFoundationsinLiquefiedandLaterallySpreadingGround. Richmond, Virginia,USA, 2006: 11-23.DOI:10.1061/40822(184)2.

[6]李雨润, 袁晓铭, 梁艳, 等. 桩-液化土相互作用p-y关系分析[J]. 地震工程与工程振动, 2008, 28(3):165-171.

Li Yurun, Yuan Xiaoming, Liang Yan, et al. Analysis forp-ycurves of liquefied soil-pile interaction[J].JournalofEarthquakeEngineeringandEngineeringVibration, 2008, 28(3):165-171.(in Chinese)

[7]王建华, 冯士伦. 液化土层中桩基水平承载特性分析[J]. 岩土力学, 2005, 26(10):1597-1601. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2005.10.014.

Wang Jianhua, Feng Shilun. Research on lateral resistance of pile foundation in liquefaction strata[J].RockandSoilMechanics, 2005, 26(10):1597-1601. DOI:10.3969/j.issn.1000-7598.2005.10.014.(in Chinese)

[8]袁晓铭, 李雨润, 孙锐. 地面横向往返运动下可液化土层中桩基响应机理[J]. 土木工程学报, 2008, 41(9):103-110. DOI:10.3321/j.issn:1000-131X.2008.09.016.

Yuan Xiaoming, Li Yurun, Sun Rui. Mechanism of pile foundation response in liquefiable soils under seismic cyclic ground motion[J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2008, 41(9):103-110. DOI:10.3321/j.issn:1000-131X.2008.09.016.(in Chinese)

[9]唐亮, 凌贤长, 苏雷, 等. 液化场地桩-土地震相互作用p-y曲线分析方法研究[J]. 世界地震工程, 2010, 26(S1):109-113.

Tang Liang, Lin Xianchang, Su Lei, et al. Study ofp-ycurve method for seismic pile-soil interaction in liquefying ground [J].WorldEarthquakeEngineering, 2010, 26 (S1):109-113. (in Chinese)

[10]刘松玉, 程远. 共振法加固公路可液化地基试验[J]. 中国公路学报, 2012, 25(6):24-29.

Liu Songyu, Cheng Yuan. Resonance compaction method for highway ground improvement at liquefaction site[J].ChinaJournalofHighwayandTransport, 2012, 25(6):24-29.(in Chinese)

[11]李洪江, 刘松玉, 童立元, 等. 深处理液化地基单桩水平承载力提升测试研究[J]. 土木工程学报, 2016(已录用).

Li Hongjiang, Liu Songyu, Tong Liyuan, et al. Testing research on horizontal bearing improvement of single pile in liquefied foundation of deep treatment [J].ChinaCivilEngineeringJournal, 2016(to appear). (in Chinese)

[12]李洪江, 刘松玉, 童立元. 基于CPTU测试p-y曲线法及其在桩基水平承载中的应用[J]. 岩石力学与工程学报,2016(已录用).

Li Hongjiang, Liu Songyu, Tong Liyuan. Research onp-ycurve from CPTU test and its application to horizontal bearing capacity of single pile [J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering, 2016(to appear).(in Chinese)

[13]中华人民共和国住房和城乡建设部. JGJ 106—2014 建筑基桩检测技术规范[S]. 北京:中国建筑工业出版社,2014.

Lateral dynamic bearing response properties of single pile before and after liquefaction ground treatment

Li Hongjiang1,2Yang Haokun3Liu Songyu1,2Tong Liyuan1,2Gu Qinfen4

(1Institute of Geotechnical Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2Jiangsu Key Laboratory of Urban Underground Engineering and Environmental Safety, Southeast University, Nanjing 210096, China) (3School of Geographic and Oceanographic Sciences, Nanjing University, Nanjing 210093, China) (4Jiangsu Provincial Construction Drawing Examination and Verification Center, Nanjing 210036, China)

To investigate the lateral dynamic bearing response properties of single pile before and after liquefaction ground treatment, the numerical calculation model for single pile under lateral dynamic loadings was proposed by using thep-y(soil resistance-pile deflection)curve method from piezocone penetration test (CPTU)data based on the liquefaction ground of the Golden Eagle project in Suqian. The horizontal bearing capacities of single pile under cyclic loading conditions with different vibration amplitudes and times were studied, and the corresponding dynamic response rules of single pile before and after liquefaction ground treatment were compared. The results show that after liquefaction ground treatment, both the horizontal bearing capacity of single pile and the soil liquefaction resistance increase, and the location of the pile maximum bending moment is up but the transfer depth of the pile top loading decreases. Both the pile deflection and the bending moment increase with the increase of the vibration amplitude and the vibration time under lateral cyclic load applied in pile top. Using the resonant compaction method with a criss cross section vibratory probe in liquefied foundation exhibits obvious effect for increasing the lateral bearing capacity of the pile.

liquefaction;pile foundation;p-ycurve;piezocone penetration test(CPTU);lateral bearing capacity

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.034

2016-03-20.作者简介: 李洪江(1989—)，男，博士生；刘松玉(联系人)，男，博士，教授，博士生导师，liusy@seu.edu.cn.

国家自然科学基金资助项目(41572273，51279032)、“十二五”国家科技支撑计划资助项目(2012BAJ01B02)、江苏省建设系统科技计划资助项目(2014ZD66).

TU473

A

1001-0505(2016)05-1098-05

引用本文: 李洪江,杨昊坤,刘松玉,等.可液化地基处理前后单桩水平承载动力响应特征[J].东南大学学报(自然科学版),2016,46(5):1098-1102. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.034.