土体极限抗力与侧向受荷桩性状实验成果

Williams等(1988)报道了两个钢管桩(桩A和B)陆上小尺寸试验。桩长6.27 m,桩外径356 mm,壁厚4.8 mm,截面抗弯刚度EI为24 MN·m2。由于钢管桩的抗拉强度很大,可不考虑桩截面抗弯刚度的结构非线性。

试验在开挖回填坑中进行。坑中回填砂土为饱和、未胶结Kingfish B砂。在侧向载荷试验过程中,测定了桩身弯矩、桩头变形、桩头转角、孔隙水压力和地面土体位移等。桩A初始施加推力(在每一个荷载水平下只进行一次加卸载循环)到106 kN,荷载施加在地面上约0.37 m,然后,再反向施加拉力到桩发生破坏。本文只对推力过程中桩的性状(实例1)进行讨论。桩B(实例2)受到双向循环荷载作用,第一个荷载循环周期为250 s,然而以60 s的周期加载到第100个循环,最后一个循环周期为250 s。由于荷载循环周期较大,可不考虑荷载的加速度效应和孔隙水的累积。

(1)实例1：试桩A(静载)

根据报道的土体室内试验参数(Hudson等,1988),Kingfish B砂的最大和最小干容重分别为15.4 kN/m3和10.9 kN/m3,对应的最小和最大孔隙比分别为1.07和1.48。由于试坑内砂土的回填密度孔隙比为1.21,则插值得干容重为12.4 kN/m3。取砂土的比重为2.72,计算得砂土的饱和容重为17.85 kN/m3,浮重度为8.04 kN/m3。在试验过程中,自由水面保持在地面下约50 mm,故分析时采用浮重度。

根据试坑回填砂的静力触探试验,贯入阻力为1.5～3 MPa,砂土可能属于很松到松砂,内摩擦角小于35°(Kulhawy& Mayne,1990)。因此,在分析时采用Kingfish B松砂的峰后内摩擦角31°,而不是峰值内摩擦角38°(Hudson等,1988)。由于桩的性状由表层土体控制,孔隙水压力消散很快,砂土的杨氏模量采用固结排水三轴试验中50%极限偏应力对应的割线模量E50=5.6 MPa(围压σ3=50 kPa)(Hudson等,1988)。因此,剪切模量Gs约为2.2 MPa。将Gs和Ep=3.044×104MPa(=24/(π×0.3564/64))代入式(2-19),计算得桩的有效长度Lcr为14.39d(=5.12 m＜小于桩的嵌入长度5.9 m)。

对于未胶结砂土,根据第5章的分析,α0=0,n=1.7。取Ng=0.9,由程序GASLFP计算得Pt-y0(地面处变形)关系和不同荷载水平下弯矩沿深度的分布,如图8-4。除了Pt=106 kN时,最大弯矩比实测值大5.9%外,桩的变形和弯矩与实测结果相当吻合。尽管p-y曲线不同(与图8-1相似),理想弹塑性p-y模型和硬化p-y模型(Wesselink等,1988)都能给出准确的桩基性状预测(图8-4)。需要说明的是,在靠近桩端时,预测的桩身弯矩比实测值大,是因为选用的Gs值比该深度内的实际值低。

在最大试验荷载Pt=106 kN,计算得塑性滑移深度xp为1.689 m(4.74d),桩在该深度处的侧向变形为22.68 mm,则yu/d=6.37%。在xp深度处,土体的有效上覆压力为13.6 kPa(=1.689×8.04),则围压为13.6 kPa。从图8-4可以看出,在xp深度处,达到极限偏应力时的轴向应变约为2.5%,只有yu/d值的40%。因此,在xp深度内的土体可能已经发生了屈服。因此,采用理想弹塑性p-y曲线比采用无极限荷载的硬化p-y曲线(Wesselink等,1988)更合理。(www.xing528.com)

图8-4　陆上Kingfish B砂中试桩A的实测与预测性状比较

(2)实例2：试桩B(循环加载)

采用与试桩A相同的土体参数,即νs=0.3,Gs=2.2 MPa,n=1.7,α0=0,φ=31°,通过拟合地面上110 mm处桩的实测变形(图8-5),对于第一个循环和最终循环(分别为图中“cycle 1”和“terminal cycle”),反分析得Ng值分别为2.5和1.4。循环1和最终循环的Ng值分别比试桩A的Ng值大1.78和0.56倍。在循环荷载作用下,较高的Ng值可能部分归因于局部砂土的振动加密效应(Wesselink等,1988)。相应的土体极限抗力分布如图8-6(b)所示。在最大荷载对应的塑性滑移深度(循环1为2.92d,最终循环为4.04d)内,循环1的Ng值约为最终循环的0.56倍。因此,随着循环的增长,极限抗力是衰减的,这可能是由于桩土界面处出现裂隙的结果。值得说明的是,这里的裂隙并不一定是真实的物理裂隙,而是土体强度软化区的总称(Randolph等,1988)。根据Randolph等(1988)的假定,即出现裂隙的土体应变与土体屈服应变一致,裂隙发展深度与土体塑性区发生深度一致,则在Pt=110 kN时,开裂区从循环1的2.73d增长到最终循环的4.04d。

图8-5　陆上Kingfish B砂中试桩B的实测与计算性状以及相应的LFP