吴文凤 文训科 舒 丹

1. 四川省交通运输厅交通勘察设计研究院 四川 成都 610000

2.重庆交通大学国家内河航道整治工程技术研究中心 重庆 400074

1 概述

桩基础是一种应用广泛而历史悠久的基础形式，在码头结构中得到广泛用[1]。但对于临近长江的高桩码头结构来说，砂基条件下桩身变形较大[2]，破坏形式明显，对桩身的承载性能要求较高。研究单桩在竖向力及水平力作用下的工作性状，国内外学者已做了大量研究并取得成果，关于桩基在水平荷载作用下的受力机理及特性，国内外有关学者已经开展了诸多研究[3]。其中，地基反力法和p-y曲线法常被用于单桩的水平承载力研究中，除此之外，线弹性法和数值分析、理论分析的方法也逐渐被广大学者采用[4]。

本文针对外界荷载对砂基桩的承载性能开展室内模型试验，着力研究单桩在以河沙为地基材料时，桩分别在竖向力和水平力作用下，钢管桩的桩身微应变变化规律，获得桩身位移-荷载关系曲线，进而得到桩侧土体应力与桩身弯矩的关系，为理论研究和工程实际提供数据支撑。

2 模型设计

本实验采用模型试验与理论分析相结合的方法，采用室内混凝土模型槽提供刚性地基条件，模型桩按原形桩比尺缩放得到，尺寸如图1所示。

图1 模型布置图

为了保证试验的真实性，试验地基采用模型沙模拟，实验中未设置地基坡度，桩身长度为1.0m，桩基入土0.7m，模型桩横竖间距0.6m，最大限度减少群桩效应的干扰。原型桩直径为2m，根据模型比尺缩放桩身直径后的模型桩直径为0.1m，桩身材料与原型桩一致，均采用C30混凝土浇筑，其抗压的弹性模量为30Gpa，桩身钢筋笼采用32φ28mm的二级钢筋作为受力筋，箍筋采用φ20@2000mm，桩身截面及断面如图2所示。

图2 模型桩配筋图

模型桩悬臂段长0.3m，由该悬臂段承受来自桩顶的竖向荷载，并在悬臂端布置传感器、采集器等，模型整体如图3所示。

图3 模型试验图

3 砂基桩承载性状

桩身截面截面参数均由试验测得的截面应变推算。其中，截面应力采用下式计算：

桩身轴力采用下式计算：

桩身侧摩阻力采用下式计算：

图4 砂基桩QS曲线图

从图4可以看出，桩基的沉降过程大致分为三个阶段，分别为，缓慢增长、非线性增长和急速增长。在竖向荷载小于1.2KN时，桩基沉降呈现出线性的缓慢增长，该过程小于桩基的临界荷载，桩基保持相对稳定；当外界荷载大于该临界荷载后，桩基沉降开始出现非线性变化，此过程短暂而急促，随后转向急速增长，桩基发生失稳破坏。

图5 砂基桩桩身轴力曲线图

由图5可以看出，沿桩身往下，由于桩侧摩阻力的作用，桩身轴力逐级减小，桩身轴力由上往下逐渐通过剪应力的形式传递给桩周土体，导致桩身上部轴力值远大于桩身下部轴力值；从图中还可以看出，随着荷载的逐级增大，桩基轴力同比增大，且竖向荷载越大，桩身轴力沿竖向衰减的趋势越为明显。

由图6分析可得，桩侧摩阻力曲线沿桩身往下呈现出“R”型曲线规律，随着桩基埋深的增加，侧摩阻力先增大，后减小，出现第一峰值，随后再次增大到某一峰值，最终沿埋深逐渐减小。经分析得知，桩侧摩阻力的本质是剪应力，而剪应力是通过桩身变形来实现的，桩顶的竖向力越大，桩身变形越明显，与周围土体的作用越强，桩身侧摩阻力就越大，而当桩顶荷载过大时，桩侧土体可能会产生剪切破坏，桩身侧摩阻力开始退化。从图中还可以看出，在桩基同一位置处，桩身的侧摩阻力是随着荷载的增加而逐级发挥的，其大小是竖向力与埋深的共同函数。

图6 桩侧摩阻力曲线图

4 小结

本文通过室内模型试验与理论分析相结合的方法，采用桩身轴力-荷载曲线与桩侧摩阻力-埋深曲线分析桩基的破坏模式。经分析得，在临界荷载内，桩身轴力沿深度逐级减小，桩身下部轴力远小于上部轴力，其原因在于，由上部传递至下部的竖向荷载很大部分以桩侧摩阻力的形式传递给了桩周土体，桩侧摩阻力沿桩身往下呈现“S”型曲线分布，其大小是竖向力与埋深的共同函数。