17卷第2期2017年1月 1671 —1815 (2017)002-0267-06
科学技术与工程
Science Technology and Engineering
Vol. 17 No. 2 Jan. 2017© 2017 Sci. Tech. Engrg.
斜坡加固碎石土桩基水平承载力影响研究
刘斌赵其华* 丁梓涵喻豪俊
(地质灾害防治与地质环境保护国家重点试验室,成都理工大学环境与土木工程学院，成都610059)
摘要斜坡桩基中碎石土性质不能满足设计要求时，需要进行加固处理。为了解加固后碎石土对斜坡桩基水平承载力的 影响，进行了添加石膏改变肢结度的物理模拟试验，进一步增加了改变密实度的数值模拟研究。研究发现添加石膏和改变土 体的密实度都可以有效的提高碎石土桩基的水平承载力；改变碎石土石膏含量和密实度分别可以使得斜坡桩基水平承载力 提高
1. 13 ~2. 06倍和1.32 -1. 86倍；得出了不同石膏含量和密实度碎石土地基的m值。
TU472.32;
桩基
石膏
密实度
关键词碎石土
中图法分类号
文献标志码
A
水平承载力
由于西南山区地震频发，电网建设中高陡边坡 的输电线塔基的水平承载力尤为重要。因而在输电 线塔桩基设计中，设计的桩基的水平承载力能否达 到设计要求是关键。本文主要研究斜坡加固碎石土 的变化规律。
在四川地区的高陡边坡出露土层多为碎石土。 而碎石土的工程性质差异性较大，当场地碎石土性状 不能满足设计要求时将直接影响桩基的水平承载能 力，需要对地基进行加固处理，如添加石膏增加胶结 度或是进行冲击夯实改变其密实程度。另一方面现 阶段水平承载力计算选取规范经验取值[1]适用性不 强，各地方概况不一，不具针对性。因而对不同性状 下碎石土桩基承载力的研究具有较强实际工程意义。 多年来有不少学者研究了不同因素对承载力的影响; 叶万灵[2]在软土地基上通过一组桩的对比试验，分析 研究了有无抛砂垫层处理对桩基水平承载力的影响， 认为采用抛砂垫层可以大大提高桩的水平刚度和整 体稳定性。孔位学[3]对三峡库区地基不同碎石含量2016年7月30日收到 国家重点基础研究发展计划(2011CB013501)、长江学者和创新团队发展计划（IRT0812)资助 第一作者简介:刘斌（1991一），男，硕士研究生。研究方向：地质工 程。E-mail :360791700@ qq. com。*通信作者简介:赵其华（1965—），男，教授。研究方向：岩土工程。 E-mail: zhqh310@ qq. com。引用格式:刘斌，赵其华，丁梓涵，等.斜坡加固碎石土桩基水平承
载力影响研究[J]•科学技术与工程，2〇17, 17 (2): 267—272
Liu Bin, Zhao Qihua,Ding Zihan,et al. Study on horizontal bearing capacity of gravel pile foundation reinforced by slope [J ]. Science Technology and Engineering, 2017 , 17 ( 2 )：267—272
的碎石土分别再天然和饱和状态下进行试验，得出了 饱和碎石土地基承载力;李维树[4]研究得出坡洪古堆 积体的碎石土各密实度下的极限承载力。何炅生[5] Xt不同桩径的PHC桩灌芯与不灌芯进行了水平静载 试验的对比研究发现对浅层地基土经过压密处理，能 够显著提高桩基水平承载力;黄新[6]利用工业废石膏 得固化土强度最大。
由此可见在桩基础中，桩侧土的性质对桩基的 水平承载性能有较大影响，桩侧土性质改变将改变 土体能够提供的横向抗力。本文模拟西南地区高陡 边坡电线塔桩基，进行含石膏碎石土单桩水平静载 模型试验，以及改变碎石土密实度的数值模拟;从而 得到加固后碎石土桩基的水平承载力的变化规律。
xt桩基础水平承载性能的影响，得到其水平承载力
Xt地基进行加固，发现石膏含量有最优石膏含量值使
1
物理模拟试验
1.1试验模型设计
试验模型模拟西南地区陡峭边坡输电线桩基所 处碎石土工程地质条件。试验在成都理工大学物理 模拟实验室进行,碎石土体尺寸1. 5 mxl mX 1.3
m(长X宽X高），桩前土体坡度30°，方形混凝土预 制桩(〇. 1 mX〇. 1 mxl m)桩顶出露土体0. 1 m,在
桩身两侧贴上应变片与土压力盒如图1，桩顶临坡 面安装2个百分表，桩顶后侧通过高精度静态伺服 液压机的千斤顶用慢速维持荷载法施加荷载，待桩 顶位移超过30 mm或桩身出现明显破坏时停止加 载，图2为试验现场。
模型桩为预制钢筋混凝土方桩，水泥砂浆的配 比为水泥:砂:水=1:1. 76: 0. 32，桩身混凝土强度为
C30,配筋率为1. 13%。坡体为碎石土，土体级配较 好（图3)，密度1 900 kg/m3,含水率为8.1%。进
268
科学技术与工程
17卷
5)，发现石膏含量从0%〜3%粧顶位移变化幅度明 显，而当石膏含量从3%〜6%后变化幅度不如 0%〜3%时明显&例如在水平荷载为4 kN时，0%、
一
□应变片 [□土压力盒
]□ ]□
3%、6%石嘗含量碎石土的粧顶位移分别为6. 1 mm、1.98 mm、l. 49 mm。由此可见石膏含量的增 加，使得相同荷载下粧侧土体的所能产生的塑性变 形区变小。石膏使得土体的胶结程度增大，从而使 得抵抗变形的能力增强。
取得各模型的临界荷载极限荷载圪与2
〇百分表
kN所对应荷载下的粧侧土压力，作出粧侧土压力图
團1粧身应变片和土压力盒布设
Fig. 1 The pile strain gauge and pressure box layout
行三次模型试验，以加入〇%、3%、6%的特种石膏 粉进行区分_试验地基土加入石膏以改变碎土的胶
结程度提高碎石土胶结程度达到加固效果，因此在 堆积过程中采用控制单位体积的方法夯实以保证每 个模型密实度尽量接近，控制含水率不变化，以减少 其他因素的影响因素。
(图6)。最大土压力与最小土压力位置并没有随着 石膏含量的增加而发生改变，分別位于粧埋深的 0. 35 m与0. 85 m处。而且随着碎石土中石膏含量 的增加土体所能承受的水平临界荷载与极限荷 载坟也随之变大；临界荷载見，分别为:3.74 kN、4. 2 kN、4. 78 kNQ石膏含±d每增加3%，临界荷载 平均增加约1. 13倍。同一级荷载2 kN时粧侧土体 压力也有所提高，临界荷载下的最大值粧侧土压力 分别为38. 8 kN、72. 8 kN、79. 3 kN。以上可以得 出在碎石土中添加石膏对提高了土体的抗剪强度明 显，土体能够提供的抗力也随之提高。
图2
试验现场
Fig. 2 The test site
100
1006040 20 10 5
圈3
土粒直径/mm
2 1 0.5 0.2 0.1 0.005 0.001
碎石土土样颗粒大小分布曲线
Fig. 3 Gravel soil particle size distribution curve
1.2试验结果
由0%、3%、6%含量石膏碎石土模型试验所得 数据，得到粧顶位移图（图4)与位移-梯度图（图
水平荷载/kN
图5
位移-梯度图
Fig. 5 The displacement gradient map
期
刘斌，等I斜坡加固碎石土粧基水平承载力影响研究
粧侧土压力/kPa
269
(3)
7?ha = 0. 75
a El
式中:a为粧的水平变形系数（l/m);/?ah为水平承 载力特征值(kN) ;\\3为粧顶容许位移(mm)e从表1可以发现水平承载力特征值，凡和桩
顶位移都在添加石膏后变化明显，而继续添加3%的 石膏达到6%后变化不显著;取不同石膏含量下的极 限承载力凡拟合得到图7,发现拟合曲中存在最优 含量值使得极限承载力最大。这与文献[6]中得到 的规律相应证，存在最优石膏含量使得地基土强度最 大，承载力最大。从曲线得到最优石膏含量为4. 7%， 最大极限承载力为9.02 kN。所以在石膏含M为 4. 7%以内时，承载力可以最少提高1. 13〜2. 06倍。
-0
-0
1模型试验各物理量
Table 1 The model test of each physical quantity
表
图6
侧土压力图
Fig. 6 The diagram of lateral soil pressure map
94
一
石嘗含量 位移/mm 荷载/kN
肌值
m值的计算根据《建筑粧基技术规范》（JGJ 94)[7]附录E中地基土比例系数的计算公式如
m = ，、2/3
b(EI)m
〇下所示：
/(MN.m-4)
实测值理论值
(Hcl \\5/31^)
承载力特征值/kN
0% 4.9417.23.745.038.983.363.393% 2.45 12.5 4. 1 8.0 146. 03 6.08 7.536%2. 25 8.3 4.74 8.5199. 69 6.92 9. 11
式（1)中：m为地基土水平抗力系数的比例系数(M^nT4)为单粧水平临界荷载（kN)为单粧水平临界荷载对应的位移为粧顶位移系数，按规范查表确定;/>。为粧身计算宽度（m) ^
取得石膏含量〇%、3%、6%时所对应的7^与入公式（1)求得其对应模型的m值分比为:38.98 MN-m \\l46. 03 MN-m \\l99. 69 MN-m %通过取粧顶位移为10 mm处的所对应的荷载的75%为该单粧的水平承载力特征值[8]〜石膏含量为0%、3%、6%下碎石土单粧模型对应的实测水平承载力特征值为:3.36 kN、6.08 kN、6.92 kN;另将不同石膏含量下的w值带入公式（2 )、式（3)计算得出其理论水平承载力特征值Kha分别为:3. 39kN、7.53 kN、9. 11 kN。从水平承载力特征值的实测值和理论值比较发现，理论值比实测值稍大，在不含石膏时近似一样;在含石膏的碎石土模型中实测值偏小。这是因为实测值为斜坡场地的真实承载力，而理论值公式来源于水平场地，在斜坡地区存在一定的折减。因此取实测值为试验所得承载力特征值，水平承载力增大了约1. 13〜2. 06倍。
水平承载力特征值计算公式如下所示i
(2)
45 u_____|_____(1)
K J
//
u
0 1
|______|_____|_____|__|_____|_____|
2
4 石膏含量/%
3 5 6 7
图7
石膏含量-极限承载力曲线
Fig. 7 The curve of gypsum content and ultimate bearing capacity
2
数值模拟分析
为了进一步分析加固后密实度提高对碎石土粧
基水平承载力的影响。采用数值模拟的方法模拟碎 石土稍密、中密和密实碎石土粧基，研究其水平承载 力变化。本文采用Flac 3D进行数值模拟研究，
Flac 3D既能够模拟出多种结构形式，比如岩石和土
体等;还能够模拟出材料实体，比如粧、锚杆、梁、壳 等;在岩土工程中已经有了相当广泛的应用。本文 也采用该方法对斜坡基础的单粧水平静荷载试验进 行改变土体密实度的模拟研究s
270
科学技术与工程
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2.1几何模型建立和参数选取
为了模拟基粧在水平荷载作用下的工作性状和 粧土-相互作用的机理，采用三维空间模型来模拟是 比较合理的。本次数值模拟根据物理模拟情况分 析，建立了边长为10 cm,粧长为100 cm的方粧。为 了减小模型边界对水平受荷粧的影响，将碎石土场 地的模型尺寸建为长1〇〇倍模型粧径，宽为40倍模 型粧径，埋设粧位置高度为30倍模型粧径，场地坡 度为30°，模型建立如图8。
5. 5 kN、6. 8 kN，临界荷载增加了 1. 24〜1. 48倍;密实度的增加使得土体抗剪强度增强，颗粒之间孔隙 更小，颗粒与颗粒之间的咬合力越强，颗粒之间越发
难以错动与跃迁，从而使得越密实的碎石土体越难 以产生塑性变形，能够提供的水平抗力也就越大。
--
密实度
一稍密
-•一中密i密实/
?
藻40
_ 30
/
0
2
H,A Hcr
图9
水平荷载/kN
6 HCV
i
8
10
i
12
i
粧顶位移图
Fig. 9 The displacement of pile top
图8
斜坡碎石:±粧基模型
Fig. 8 The slope gravel soil pile foundation model
由于土体的变形一般是由可恢复的弹性变形和 不可恢复的塑性变形两部分共同组成，所以为了更加
符合土体的变形特性，岩土体本构模型采用Mohr-
Coulomb弹塑性模型。模型模拟夯实后的碎石土，因
2模型参数
Table 2 The model parameters
表
密实度稍密中密密实
碎石土模型参数基粧
此建立了三种密实度:稍密，中密和密实的模型进行 数值分析，基于碎石土的经验参数[9_11 ]取值如表2。
10位移一梯度图
Fig. 10 The displacement gradient map
圏
p/(kg.m-3)2 5001 8002 1002 400
K/MPa4 878252830G/MPa5 048596060C/KPa2651117
cp/(°)50273339
-0.-0.
2.2数据分析
得到3个模型各级荷载下的数据，作出粧顶位 移图（图9)和荷载梯度图（图10) 0随着土体的密 实度的变化，越密实的碎石土体能够发挥的水平抗 力越强。在相同水平荷载下粧顶位移随密实度的增 大而减小;在水平荷载4 kN时对应的粧顶位移分别 为：5. 2 mm、l. 76 mm、0. 89 mm;
从临界荷载見,、极限荷载圪和荷载3 kN对应 荷载等级下的粧侧土压力图（图11)，越密实的碎石 土基础，能够提供的抗力越大。其与坟也随之 提高;稍密、中密、密实模型的分别为:3.7 kN、
Fig
11桩侧土压力图
The diagram of lateral soil pressure map
图
2期刘斌，等:斜坡加固碎石土粧基水平承载力影响研究
271
将稍密、中密、密实模型得出的数据与工^带
入公式（1)得出m值，计算得m值分别为:40. 1
3
结论
MN.m_4、97. 1 MN.m_4、187.4 MN.m-4; m 值相应
与
增加1. 92〜2. 42倍;将密实度用密度P量化替代与
m值进行线拟合可以发现密度p
m值呈线性增 大，如图12。因此在斜坡碎石土中土体越密实，m
本文主要针对改变碎石土石膏含量的物理模拟
试验和不同密实度碎石土的数值模拟试验，分析加 固后碎石土对粧基水平承载力影响。得出以下 结论：
(1) 向碎石土中添加石膏可以有效提高粧基水 值越大，土体从稍密-中密-密实的变化^值相应增
力D 1.92 〜2. 42 倍。
图
12 m值与密度P拟合曲线
Fig. 12 The m value and density curve fitting
同样通过取得通粧顶位移为10 mm处的所对 应的荷载的75%作为为该单粧的水平承载力特征 值，得到稍密、中密、密实碎石土的实测水平承载力 特征值分别为:3. 23 kN、4. 54 kN、6. 03 kN;将m值 带入公式(2)、式(3)同样得到理论水平承载力特征 值分别为:3.45 kN、5. 87 kN、8.71 kN。同样的水平 承载力特征值的实测值比理论值要小，规律与物理 模型试验相似，水平承载力都存在坡度折减。因此 取实测值为其承载力的真实值，密实度的增加使得 承载力增加了 1. 32〜1. 86倍。
从表3的各物理量可以发现:碎石土的密实度的 增加使得颗粒之间的骨架结构更加紧密，使得其内摩 擦角增大，相同的力作用下颗粒错动更加困难，从而 土体能够产生的压缩形变更小，产生相同范围的塑性 区需要的荷载更大;因此夯实后的碎石土随着密实度 的增加可以有效提高粧基的水平承载力与m值，分 别提高了约1. 51〜2. 16倍和1. 92〜2. 42倍。
Table 3 The numerical simulation of the physical quantity
表
3数值模拟各物理量
密实度稍密
中密
密实
位移/mm ”4.84.23.530.626.823.7荷载/kN
HC1.3.75.56.8Hu
7. 88.69.5m 值/(MN.m 一
40. 197. 1187.4承载力特征值/kN
銮测倌3.234.546.03理论值
..........3.455. 878.71
平承载力，添加〇%〜6%石膏水平承载力特征值提 高了约1. 13〜2. 06倍，存在最优石膏为4. 7%使得 承载力达到最大。
(2) 越密实的碎石土体其水平承载力特征值和
wm值越高。夯实后的斜坡碎石土粧基水平承载力与
值分别提高了分别提高了约1. 32〜1. 86倍和
1.92〜2.42倍。
(3) 0%、3%、6%石膏含量的碎石土斜坡粧可取 m 值为：38.98 MN.nT4、147.08 MN.m-4、 202.29 M.
nT4;稍密、中密、密实碎石土斜坡粧基
可取 MNm 值为：40. 1 MN-nT4、97. 1 MN-m-4、187.4 *m-40
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Study on Horizontal Bearing Capacity of Gravel Pile
Foundation Reinforced by Slope
LIU Bin, ZHAO Qi-hua* , DING Zi-han, YU Hao-jun
(State Key Laboratory of Geo-Hazard Prevention and Geo-Environment Protection,
College of Environment and Civil Engineering,Chengdu University of Technology, Chengdu 610059 ,P. R. China)
[Abstract ] The slope pile foundation of gravel soil properties can not meet the design requirements, the need for reinforcement. In order to understand the influence of the reinforced gravel soil on the horizontal bearing capacity of the slope pile foundation, a physical simulation experiment was carried out to change the cementation degree with the addition of gypsum, to further increase the numerical density change simulation. Not only the test found that the addition of gypsum and the change of soil compaction can effectively improve the level of the gravel soil foundation horizontal bearing capacity. The change of gravel soil gypsum content and density respectively can make the slope pile horizontal bearing capacity is increased by 1. 13 〜2. 06 times and 1. 32 〜1. 86 times. The m values of different gypsum content and density of gravel soil foundation were obtained.
[Key words ] gravel soil foundation gypsum soil compaction horizontal bearing capacity
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