碎石土密实度对地基水平承载力影响研究

1 研究背景

我国西南山区河流众多，水电资源丰富，而电力的消耗主要集中在东南沿海地区，所以如何安全地将电力进行输送则显得至关重要。其中输电塔桩基的水平承载力是否能达到设计要求是关键。在四川西部山区，边坡出露的土多以碎石土为主，而根据《建筑桩基技术规范》[1](JGJ94-2008)，当中密碎石土地基采用预制桩时，对m值则没有给出明确的取值范围，而对灌注桩给出的经验取值又较为宽泛(100～300 MN/m4)，所以针对不同密实度条件下的碎石土地基需要更加科学详细的m值取值。

实验是物理知识发现和推导的主要手段，也是加强学生理论联系实践的重要方法，对于提升学生的探究能力具有重要的意义.因此，高中物理教师要注重学生物理实验活动的开展，并引导学生在实验中探索发现物理知识，从而达到提高学生实验探究能力的教学目的.高中物理教师要充分的挖掘教材中的实验内容，从实验设计、步骤、现象、假设、推断等各个方面进行问题的设计，引导学生在思考的同时，进行实验方案的选择，实验步骤的设计并亲自进行实验验证，帮助学生掌握知识、方法的同时，也能培养学生的实验探究素养.

对于不同条件下地基土的水平承载特性，多年来不少学者已经做了大量研究。丁梓涵等通过改变地基土中石膏含量控制地基土强度[2]，研究发现桩基m值与地基土黏聚力C成线性关系，地基土强度越高，m值越大。范秋雁等通过分析m值的影响因素后认为增加桩的埋深、控制地基土的含水率以及提高混凝土的浇灌质量等可提高m值[3]。庄培芝等通过数值模拟研究认为，桩径和桩周土体刚度是影响单桩水平承载力的主要因素[4]。刘东燕等通过开展室内碎石土直剪试验研究后认为[5]，在同一细粒土含量中，碎石土抗剪强度随着其密实度的增加而增强。帅正阳等通过分析单桩水平现场静载试验后认为[6]，斜坡场地中，桩前坡度和土体密度是影响桩基m值的主要因素。其他学者也针对土性、结构等方面对单桩水平承载力以及m值做了一系列的研究[7-11]。

④运动指导：运动方式必须是在保证孕妇及胎儿安全的前提下进行，运动的形式以有氧运动及能长期坚持为原则，如散步、上肢运动、孕妇体操等。运动的强度以中强度为宜，自测心率＜120次/min。运动持续时间从10 min开始，逐步增加至 30～40 min，餐后1 h进行。

随着夜越来越深，被窝里的一点温暖，也渐渐散尽。脚上起的燎泡已经破了，很疼，她不敢用热水袋了。现在的两只脚，已冷到失去了知觉，她把脚翘起来，左手捏着右脚，右手捏着左脚，想给它们一点温暖，可脚太冰了，冰凉得真像一块冰，手上的一点儿温度很快被吸干净了，可还是冷。

承受水平荷载的桩基础，其水平抗力的影响因素很复杂，不仅受到桩的埋深、桩身本身的几何尺寸、桩前土体坡度的大小等因素影响，还与地基土本身的性质密切相关[12-14]，例如密实度、级配、含水率等，而对于密实度这一影响因素的研究仍缺乏。基于此，本文以西南山区某输电线塔桩基为原型，通过改变碎石土地基密实度进行室内单桩水平受荷物理模拟试验，研究密实度对桩基础水平承载特性以及m值的影响，为桩基设计提供参考依据。

2 物理模拟试验

2.1 试验模型设计及试验加载方案

本次试验依托于成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室三维地质物理模拟实验室进行。试验槽尺寸为4 m×3 m×1.5 m。为减少边界效应对试验结果的影响，碎石土地基尺寸1.3 m×1.3 m×1.1 m(长×宽×高)；混凝土预制桩桩身截面0.1 m×0.1 m，桩长1 m，桩身配筋率1.13%，桩顶距泥面0.1 m，桩底距地基地面0.2 m，混凝土强度采用C30，模型布置示意图如图1。

图1 模型示意(单位：cm)
Fig.1 Model schematic diagram

在桩身指定位置分别布设BF350-6AA(11)-x电阻应变片和 XY-TY02A电阻式土压力盒，以测试桩身曲率及桩周土压力变化。桩身监测元件布置示意图如图2所示。

图2 桩身监测原件布置(单位：cm)
Fig.2 The layout of the monitor

加载设备采用高精度静态伺服液压机的千斤顶，加载方式使用慢速维持荷载法进行加载。根据《建筑桩基检测技术规范》(JGJ106-2014)[15]，加载过程不得中途停顿，直至桩身折断或在恒载下水平位移急剧增加，或者水平位移超过30 mm时，方可终止试验。

2.2 地基密实度的量化

本文主要研究不同密实度碎石土地基对m值的影响，为了量化碎石土密实度，本次试验参照了砂土的相对密实度的分类标准对碎石土样进行密实度的划分。用公式(1)作为其密实度的计算定量值。

贫困地区一般集中连片，资源共享度较高，存在很大的合作空间。最好将几个贫困村县联系起来总体规划，在统筹发展的理念的制定下明确主导产业，并从中长期的角度分析主导产业发展的优劣势、外部机遇及挑战，系统地思考整片贫困地区主导产业的发展策略，将扶贫产业纳进地区整体产业的发展框架，促进协调各地区产业间的发展。

(1)

式中,Dr为密实度;ρdmax为最密实状态下的最大干密度；ρdmin为松散堆积状态下的最小干密度；ρd为实测干密度，通过灌砂法获得。

本次试验的碎石土样松散堆积状态下的最小干密度为1.48 kg/m3，为了获得试验碎石土样最大干密度，采用多功能电动击实仪进行击实试验。取配制好的碎石土样10 kg进行击实，以干密度为纵坐标，含水率为横坐标，作ρd-w关系曲线，如图3所示。由击实试验可得，试验土样的最优含水率为8.5%，最大干密度为2.38 g/cm3。

图3 ρd-ω关系曲线
Fig.3 The relationship curve ofρd-ω

参照砂土的相对密实度的分类标准，试验碎石土地基密实度量化划分为20%,40%,60%，其对应的密实程度分别为松散、中密、密实。

2.3 不同密实度碎石土地基模型制作

本次试验地基模型根据密实度的不同，一共划分为3个模型。地基模型的制作，采用分层夯实法进行夯实。20%密实度的地基模型，每次堆积松散土体20 cm，夯实到厚度为18.4 cm时停止夯实。夯实完成后，采用灌砂法进行密度测定，实测模型地基密度为1.79×103kg/m3，将挖出的碎石土式样进行烘干后测得干密度为1.66×103kg/m3，通过公式(1)计算得到松散密实程度的地基土密实度为Dr=20.7%，满足设计要求。40%密实度的地基模型以及60%密实度的地基模型同样按照上述方法进行制作，实测模型密实度分别为40.2%和60.0%，均满足设计要求(图4)。

本研究主要以教育技术系2015级本科生信息技术与课程整合课程中“电子档案袋”这一章节内容的教学为例，探究基于智能手机的课堂互动系统（师星学堂）在具体教学实践中的应用流程，并通过课堂的具体情况和学生学习记录的综合分析，为今后该课程开展智慧课堂教学提供参考依据。具体的课程实施过程如下。

图4 试验地基模型
Fig.4 Test model

2.4 地基土体相关参数

试验土样均取自于现场试验的原状碎石土，通过粗颗粒土大三轴试验得到碎石土的抗剪强度参数如表1所示。

表1 碎石土抗剪强度参数
Tab.1 Shear strength parameters of gravel soil

模型编号ρ/(kg·m-3)Dr/%C/kPaφ/(°)11.7920.752721.9740.283632.1960.01046

3 试验结果及m值变化规律

3.1 临界荷载的判释

一般情况下，由规范对极限荷载Hu的判断较为容易，但对临界荷载Hcr的判断通常情况下由于桩顶位移-荷载曲线突变点较多而难以界定[16]，所以本文采用桩顶位移梯度-荷载曲线第一直线段的终点作为临界荷载点。

3.2 试验结果

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)附录中地基水平抗力系数的比例系数计算公式为

(1)

式中，m为地基土水平抗力系数的比例系数,MN/m4；Hcr为单桩水平临界荷载,kN；Xcr为单桩水平临界荷载对应的位移,m；vx为桩顶位移系数，b0为桩身计算宽度,m;EI为桩身的抗弯刚度,MPa·m4。

因此，为了得到不同密实度条件下碎石土地基的m值，需参照文献[16]中临界荷载以及临界位移的判定方法，先求出Hcr以及Xcr。为此，根据本次试验数据,绘制出各桩水平荷载-位移(H-x)曲线与水平荷载-位移梯度(H-Δx/ΔH)曲线，如图5、6所示。

图5 不同密实度条件下荷载-位移曲线
Fig.5 Load-displacement curve under different compactness conditions

3.3 试验数据分析

从图5～6可以看出，荷载施加初期，桩顶位移基本呈线性增长，位移梯度也较小，土体处于线弹性变形阶段。随着荷载的增大，位移增长由线性转变为非线性，位移梯度也逐渐增大，此时地基土进入弹塑性阶段。在加载的最后阶段、桩顶位移已不能稳定，很小的荷载增量都会引起很大的位移增量，地基土发生破坏。

随着地基土密实度的增加，桩基础的水平承载力有了显著的提高，密实度为松散时桩基础在水平力的作用下极易失稳破坏。而适当提高密实度可以有效提高承载力，因此对松散碎石土进行夯实处理可以有效提高水平受荷桩的承载力，而当密实度达到密实状态Dr=60.0%时基桩水平承载性能最好，地基土体能够提供的水平抗力达到最大。

3.4 水平承载力

分析图6(a)，当地基土密实度为20.7%时，荷载-位移梯度曲线呈较为明显的“三段式”。当水平荷载小于0.80 kN时，曲线呈较平缓的直线，此时地基土处于线弹性阶段；当荷载为0.80～3.42 kN时，曲线斜率明显增大，地基土从线弹性阶段过渡到弹塑性阶段。依据规范定义，取0.80 kN为该模型的临界荷载(Hcr)，其对应的位移为临界位移(Xcr)。当荷载超过3.42kN以后，曲线斜率陡增，很小的荷载增量都会引起很大的位移增量，地基土不再具有承载能力，所以取3.42 kN为该模型的极限荷载。40.2%密实度地基模型的水平荷载与位移梯度曲线的变化规律与图6(a)类似，只是临界荷载比20.7%密实度地基模型有了显著增加，说明密实度的增加对地基土的临界荷载有着显著的影响。

（1）分别于治疗前及治疗后采用帕金森病综合评估量表（unified Parkinson disease rating scale，UPDRS）II评估患者的日常生活能力，UPDRS III评估患者的运动能力；（2）汉密顿抑郁量表（hamilton depression scale，HAMD），共计54分，分数越高提示抑郁程度越严重；（3）不良反应发生率：观察患者体位性低血压、恶心、呕吐、嗜睡及头晕的发生率。

图6 不同密实度条件下荷载-位移梯度曲线
Fig.6 Load displacement gradient curves under different compactness conditions

图6(c)的荷载-位移梯度曲线与上述两条曲线有着一定差别。首先在第一曲线段，曲线基本为一条平缓的直线，说明在该密实度下，地基土的水平承载力显著提高，地基能够发挥的水平抗力大幅增加。其次，在倒数第二级荷载(10.15 kN)施加以后，曲线明显地突变，呈直立形上升，分析其原因，主要是因为在该级荷载施加以后，桩身出现了断裂，如图7所示。而断桩之后继续施加水平荷载所产生的位移主要以断桩处以上的桩身绕断桩点所产生的相对旋转为主，地基土基本不发生水平压缩。

根据(JGJ106-2014)《建筑桩基检测技术规范》[15]，当桩身不允许开裂或配筋率小于0.65%时，可取临界荷载的0.75倍作为单桩水平承载力特征值；对钢筋混凝土预制桩、钢桩和桩身配筋率不小于0.65%时，可取设计桩顶标高处水平位移为10 mm(水平位移敏感建筑物取6 mm)所对应荷载的0.75倍作为单桩水平承载力特征值[16]。由于此次试验的模型桩配筋率为1.13%，故本文选择以桩顶位移10 mm所对应荷载的0.75倍作为单桩水平承载力特征值。

要求系统的静态速度误差系数Kv≥50 s-1，γ≥40°，wc≥10 rad/s。试应用MATLAB Simulink进行滞后—超前校正。

图7 模型桩桩身断裂
Fig.7 Fracture of pile

将不同密实度的各级桩顶位移下的m值绘制成曲线如图8。从图中可以看出，不同密实度下的m值随桩顶位移的变化规律基本一致，m值随桩顶位移的增大呈现出非线性减小的趋势：在荷载施加初段，很小的位移增量都会引起m值很大的变化，随着荷载的增大，m值减小的趋势逐渐趋于平缓，并最终趋于恒定。

记录三组产妇麻醉前、麻醉平面达T8、胎儿娩出后的平均动脉压（MAP）、血氧饱和度（SPO2）数值。并分别记录寒战发生率、内脏牵拉痛发生率、利多卡因用量、麻醉平面到达T8所用的时间。记录麻醉后6 h内不良反应（恶心、呕吐、瘙痒）等发生率及新生儿窒息发生情况（用新生儿娩出1 min Apgar评分表示）。

图8 各密实度桩顶位移-m值曲线
Fig.8 The m value curve of the pile top displacement of each compactness

将3个模型试验数据的临界荷载以及临界位移带入公式(2)可得到不同密实度碎石土地基系数的比例系数m值以及单桩水平承载力特征值，见表2。

从表2中可以看出，密实度对m值有着显著影响，线性相关度也较好，密实度每提高20%，m值增加1.39倍，承载力特征值增加1.38～3.01倍，m值与密实度基本呈正比线性关系(图9)。

由曲线拟合成果可得，其他条件不变时，碎石土地基桩土水平作用参数m值与地基密实度d呈线性关系：

表2 不同密实度下的单桩水平承载力特征值及m值

Tab.2 The characteristic value of single pile horizontal bearing capacity and m value under different compactness

密实度/%临界荷载/kN临界位移/mmm值/(MN·m-4)承载力特征值/kN20.70.800.8262.01.4840.24.613.8484.34.4660.06.344.27120.16.17

图9 m值-密实度关系曲线
Fig.9 Relationship between m value and compactness

m=29.188+1.4792d

(3)

桩土作用参数m值及单桩水平承载力特征值与土体类别、强度、桩身尺寸、刚度等诸多因素相关。表2以及式(3)是以碎石土模型为基础所得，限定其他影响因素为恒定，该结论规律仅供参考，实际工程取值请结合当地经验综合选取。

4 结 论

本文将密实度量化之后通过室内单桩水平静载试验，对单桩水平承载力特征值和m值的取值问题进行探讨，得出以下结论。

(1) 西南山区碎石土地基系数的比例系数m值取值范围为62～120.1 MN/m4，密实度越大，m值取值越大。

(2) 随着碎石土地基密实度的增大，桩土作用体系水平受荷能力越大，m值随密实度的增大呈线性增加，密实度每提高20%，m值增加1.39倍。

(3) 越密实的碎石土地基其单桩水平承载力特征值越高，密实度每提高20%，承载力特征值增加1.38～3.01倍。

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