砂土地层墩基础承载性能室内模型试验研究
李凯仁 韩尚宇 李月明 余强. 砂土地层墩基础承载性能室内模型试验研究[J]. 建筑结构，2021，48（08）：127-131.
LI Kairen HAN Shangyu LI Yueming YU Qiang. Study on bearing capacity of pier foundation in sand stratum based on laboratory model test[J]. Building Structure，2021,48（08）：127-131.
0 引言
墩基础通常指直径d≥0.8m、埋深为3～6m且长径比L/d<6的刚性基础 [1]。已有工程实际表明，墩基础在岩石地层中已得到了广泛的应用 [2]。相关学者对墩基础的设计方法、承载力计算等进行了研究，如李筱华等 [3]认为可采用扩大头、空心及变截面等措施来提高墩基础的承载力；韩勇等 [4]提出应按极限荷载破坏模式来界定墩基础；刘忠昌等 [5,6]得出了竖向、水平荷载作用下的单墩承载力经验公式，提出了扩底墩基础检测的实施方法和技术要求；刘炎炎等 [7]提出了一种新的极限破坏滑移面模型，研究了墩基础竖向承载力计算方法；李冕贵 [8]分析了墩基础的设计与施工要点；柏孝辉等 [9]分析了墩基础的适用条件及优点，研究了墩基础的承载力计算、构造设计等方面的内容；母恩喜等 [10]认为墩基础的破坏模式类似于大直径桩基础，其承载力可依据现行建筑桩基规范 [11]计算；夏一平等 [12]探讨了墩基础的承载力计算方法及墩基础与上部结构的连接措施等内容；邹荣炳[13\]探讨了墩基础的设计要点及其工程应用。
现有研究成果对本文的研究具有重要参考价值，但研究的侧重点主要集中于黏性土地层和岩石地层墩基础的受力特征、工作机理等内容，且国家现行建筑桩基规范 [11]、地基基础规范 [14]对墩基础未作出明确的规定，针对砂土地层墩基础的荷载-位移变化规律、承载力的影响因素、墩底土压力分布特点等方面的研究成果较少，难以满足砂土地层墩基础的工程实践需要。
考虑到砂土地层具有承载力好、后注浆施工便捷等特点，为拓宽墩基础的应用范围，本文借鉴了相关室内模型试验的研究经验 [15,16,17,18,19,20],分别开展了单墩在竖向荷载、水平荷载等不同方向静载作用下的模型试验，研究砂土地层墩基础的承载性能。
1 室内模型试验
1.1 试验概况
试验装置主要由模型箱、反力装置、加载装置及测试系统组成，其中模型箱采用角钢和钢板焊接成100cm×100cm×150cm(长×宽×高)的长方体；反力装置主要由门式刚架、滑轮固定块及定滑轮组成；加载装置由油压千斤顶、牵引绳及重物箱组成；测试系统主要由微型土压力盒、混凝土应变片、指针式百分表和静态应变测试分析仪组成。
试验地基土采用中砂，砂土的不均匀系数Cu=3.26,曲率系数Cc=1.06,细度模数Mx=2.51,密度为1.56g/cm3,含水率为4.4%,内摩擦角为28°。试验中采用分层填筑的方式将砂土填入模型箱内，每层砂土厚度为20～30cm; 通过环刀法测出夯击后的砂土密度(密度要达到1.56g/cm3),并以此作为分层夯击控制指标，保证砂土填筑的均匀性。在模型墩埋设过程中，采用水平尺多点测量墩身的垂直度，并进行调整，以保持墩身竖直。
模型墩为缩尺比1/5的等直径墩，采用C20混凝土浇筑而成，进行不同方向静载作用下墩基础承载性能的室内模型试验，定性分析其荷载-沉降规律和受力特点。模型墩详细尺寸参数见表1。
图1 墩身应变片布置示意
图2 测试系统示意
图3 竖向荷载作用下的模型试验加载照片
模型墩尺寸参数 表1
模型墩编号 |
墩径/mm | 墩长/mm | 长径比 | 缩尺比 |
1# |
200 | 400 | 2/1 | 1/5 |
2# |
200 | 600 | 3/1 | 1/5 |
3# |
200 | 800 | 4/1 | 1/5 |
4# |
300 | 600 | 2/1 | 1/5 |
注：每个模型墩在设计墩长的基础上增加10cm墩头以便于加载。
1.2 测试系统设计
(1)墩体变位测试
在模型墩墩顶布设指针式百分表，以测量模型墩在竖向荷载和水平荷载作用下的墩顶位移变化情况。
(2)墩身变形测试
在模型墩墩侧沿轴线对称粘贴两组应变片，采用静态应变测试分析仪采集墩身应变数据。墩身应变片布置示意图见图1(以2#模型墩为例)。
(3)墩底土压力测试
沿水平方向，在距墩底约5cm一侧的土体中均匀间隔(每隔5cm)布设3个微型土压力盒，最左侧土压力盒在竖向位于模型墩竖向中心线处；同时，沿模型墩中心轴线方向，在距墩底每隔20～30cm的土体深度位置处布设1个微型土压力盒，其布设数量根据墩长的不同而进行适当的调整，采用静态应变测试分析仪采集微型土压力盒数据。测试系统示意如图2所示。
1.3 加载方式
对模型墩分别开展竖向荷载和水平荷载作用下的模型试验。竖向荷载作用下的模型试验利用油压千斤顶对模型墩施加荷载，并采用慢速维持荷载法；当达到设计要求的最大加载量或墩顶竖向位移超过40mm时，可终止加载试验。竖向荷载作用下的模型试验加载照片如图3所示。
水平荷载作用下的模型试验采用重物加载法，对模型墩逐级等量施加荷载，每级荷载增量为0.2kN;当墩顶水平位移超过30～40mm或墩周土体发生较大变形时，可终止加载试验。水平荷载作用下的模型试验加载照片如图4所示。
图4 水平荷载作用下的模型试验加载照片
图5 各模型墩竖向荷载-墩顶位移曲线
2 试验结果与分析
2.1 荷载作用方向与墩顶位移
2.1.1 竖向荷载与墩顶位移
4个模型墩竖向荷载与墩顶位移的关系曲线如图5所示。从图中可以看出，在初期荷载作用下，4个模型墩的墩顶位移增长缓慢，墩体几乎保持稳定；随着荷载的持续增加，墩顶位移逐渐增加。
对比1#,2#,3#模型墩可以发现，竖向荷载-墩顶位移变化规律基本一致，曲线大致可以分成3个阶段：第1阶段，模型墩在初期荷载的作用下位移变化量很小，为弹性阶段；随着荷载的继续增加，3个模型墩几乎同时进入第2阶段，即弹塑性变化阶段，其墩顶位移呈非线性变化特征，其中3#模型墩的墩顶位移曲线段最长，1#模型墩的墩顶位移曲线段最短；第3阶段为塑性变化阶段，墩顶位移在竖向荷载作用下大致呈线性变化。当墩顶位移量为25mm时，1#,2#,3#模型墩的竖向承载力分别为4.35,5.16,5.42kN。由此可以看出，单墩竖向承载力随着墩长的增加而增加。
对比2#,4#模型墩可以看出，4#模型墩的墩顶总位移相对较小，且未超过40mm。在墩长相同、墩径不同的情况下，4#和2#模型墩的竖向荷载-墩顶位移曲线存在差异：相比于2#模型墩，4#模型墩的竖向荷载-墩顶位移曲线中的第1阶段和第2阶段更长，且曲线未出现明显的稳定变化阶段。当墩顶产生25mm的位移时，4#模型墩的竖向承载力为10.61kN,相对于2#模型墩的竖向承载力增加了105.6%。结果表明，墩径的增加能提高单墩竖向承载力，且墩径增大较墩长增长对单墩竖向承载力的影响更为显著，砂土地层墩基础表现出较强的端承性，因此在对砂土地层墩基础进行设计时，应着重考虑提高砂土对墩基础的端承能力。
2.1.2 水平荷载与墩顶位移
图6为4个模型墩在水平荷载作用下荷载-墩顶位移的关系曲线。4个模型墩水平荷载-墩顶位移曲线也可以分成3个阶段：第1阶段，在水平荷载作用初期，4个模型墩的墩顶位移变化量很小，墩周砂土处于弹性阶段；随着荷载的持续增加，模型墩进入第2阶段，即弹塑性变化阶段，墩体将发生转动或挠曲变形，墩周砂土出现细小裂缝，塑性不断发展，墩顶位移的变化速率逐渐加快；加载至第3阶段，墩顶位移呈线性变化，受压侧墩周砂土达到极限状态。
在墩径相同的情况下，对比1#,2#,3#模型墩的水平荷载-墩顶位移曲线可以发现，1#模型墩在水平荷载作用下最先进入第2阶段，3#模型墩的第1阶段和第2阶段更长；在相同的水平荷载作用下，墩长越长的模型墩墩顶位移更小，且随着荷载的增加，墩顶位移增加的速率更小。在墩长相同的情况下，相比于2#模型墩，4#模型墩的水平荷载-墩顶位移曲线中的第1阶段和第2阶段明显增长；在产生相同的墩顶位移时，4#模型墩具有更强的抵抗水平荷载的能力，主要是由于墩径的扩大使墩身与墩侧土体的接触面积增加，墩侧土体提供了更多的阻力。
图6 各模型墩水平荷载-墩顶位移曲线
从图6还可以判断，1#,2#,3#,4#模型墩的水平承载力分别为1.2,1.4,1.6,2.8kN,其中3#模型墩相较于1#模型墩，其水平承载力提高了33.3%,而4#模型墩比2#模型墩的水平承载力提高了100%。
2.2 荷载作用方向与墩身变形
2.2.1 竖向荷载与墩身变形
以3#模型墩为例，通过墩身各点的应变可计算得到各级竖向荷载下的墩身轴力分布情况，见图7。由图7可知，在不考虑墩身自重的影响下，墩身轴力随着墩身入土深度的增加而逐渐减小。墩侧摩阻力随着墩土相对位移的增加而逐步发挥至完全，最大侧摩阻力约为1.62kN,占总荷载的25%。在加载初期，竖向荷载主要由墩侧摩阻力承担，随着荷载的进一步增加，墩端阻力开始发挥，并逐步承担大部分竖向荷载。
图7 各级竖向荷载下墩身轴力曲线
图8 不同水平荷载下墩身弯矩曲线
图9 各级竖向荷载下各模型墩墩底土压力分布曲线
2.2.2 水平荷载与墩身变形
根据3#模型墩的墩身压应变数据，绘制了不同水平荷载作用下墩身弯矩曲线，见图8。由图8可知，随着水平荷载的增加，墩身弯矩相应地增加；墩身弯矩呈两端小、中部大的分布规律，最大弯矩出现在墩身入土深度为20cm(1/4墩长)的位置；在墩身入土深度为70cm的位置处，弯矩并没有减为0,表明墩底部分同样发生了变形，整个墩身对于抵抗水平荷载均产生贡献。
2.3 墩底土压力分布特点
图9是4个模型墩在不同竖向荷载作用下的墩底土压力分布曲线。从图中可以看出，各模型墩墩底土压力分布曲线变化规律相基本一致。在竖向荷载作用初期，墩底土压力的分布形状为边缘大、中间小，接近于弹性理论解 [21];但当竖向荷载增大至一定程度时，墩底土压力的分布形状趋向于马鞍形，鞍部土压力最大，墩底中部区域和边缘区的土压力次之。
同时，墩底土压力曲线存在突变区域，即墩底土压力分布形状发生变化的区域，在此区域土压力在数值上产生较大变化，结合竖向荷载-墩顶位移数据分析发现，荷载作用下该区域所对应的墩顶位移开始呈线性变化，墩顶位移进入稳定变化阶段。
以4#模型墩为例，绘制了各级竖向荷载下土压力沿土体深度变化变化曲线，如图10所示。由图可见，在竖向加载初期，土压力基本呈线性变化，且不同土体深度处的土压力差异较小；但随着竖向荷载的持续增加，不同土体深度处的土压力差异逐步增大。从图中还可以发现，土压力差异最大的部分在距墩底(1/3～1/2)墩长的土体深度区域处，超过该土体深度区域的土压力差异相对较小。
图10 各级竖向荷载下土压力沿土体深度变化曲线
3 结论
(1)墩长和墩径的增加均能提高单墩竖向和水平承载力，其中墩径的增大较墩长的增长对单墩竖向承载力的影响更为显著。
(2)在水平荷载作用下，墩身弯矩呈两端小、中部大的分布特征，最大墩身弯矩出现在模型墩上部。
(3)在竖向荷载加载初期，墩底土压力的分布形状为边缘大、中间小，但当竖向荷载增大至一定程度时，墩底土压力的分布形状趋向于马鞍形；土压力差异最大的部分在距墩底(1/3～1/2)墩长的土体深度位置处。
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