循環(huán)荷載下飽和黃土地基單樁承載特性的模型試驗與解析一、引言1.1研究背景與意義在各類工程建設中，地基基礎作為支撐上部結構的關鍵部分，其穩(wěn)定性和承載能力直接關系到整個工程的安全與正常使用。黃土地基在我國分布廣泛，尤其在西北、華北等地區(qū)，是工程建設中常見的地質條件之一。黃土具有特殊的物質成分和結構，使其力學性質較為獨特，在工程建設中，黃土地基的處理和應用一直是巖土工程領域的重要研究內容。飽和黃土是黃土在特定水文地質條件下，含水率達到飽和狀態(tài)的一種特殊土。飽和黃土與一般黃土相比，其工程性質發(fā)生了顯著變化。一方面，飽和黃土的強度降低，壓縮性增大，使得地基的承載能力下降，變形特性更加復雜；另一方面，飽和黃土的滲透性較差，在受到外部荷載作用時，孔隙水壓力消散緩慢，容易導致地基的穩(wěn)定性問題。飽和黃土的這些特性，給工程建設帶來了諸多挑戰(zhàn)。在實際工程中，許多結構物的樁基會承受循環(huán)荷載的作用。例如，橋梁樁基在車輛行駛過程中會受到周期性的動荷載作用；工業(yè)廠房中的吊車梁系統，其樁基會承受吊車運行時產生的循環(huán)荷載；地震等自然災害發(fā)生時，建筑物的樁基也會受到強烈的循環(huán)地震荷載作用。循環(huán)荷載的作用使得樁-土體系的受力狀態(tài)和變形特性與靜荷載作用下有很大不同。研究表明，循環(huán)荷載會導致樁周土的強度降低、剛度減小，進而影響單樁的承載能力和變形性狀。在飽和黃土地基中，由于土體的飽和特性，循環(huán)荷載對單樁承載特性的影響更為顯著。然而，目前對于飽和黃土地基中循環(huán)荷載作用下單樁承載特性的研究還存在一定的局限性。一方面，現有的研究成果大多基于特定的工程背景和試驗條件，缺乏系統性和普遍性；另一方面，對于循環(huán)荷載作用下單樁承載特性的影響因素、作用機理以及長期性能等方面的研究還不夠深入。因此，開展循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性的研究具有重要的理論意義和實際工程價值。從理論意義方面來看，深入研究循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性，有助于進一步揭示樁-土相互作用的機理，豐富和完善巖土力學理論體系。通過對單樁在循環(huán)荷載作用下的承載特性進行系統研究，可以建立更加準確的理論模型和計算方法，為工程設計提供更加科學的理論依據。從實際工程價值方面來看，本研究成果對于指導飽和黃土地基上各類工程的樁基設計和施工具有重要意義。在工程設計階段，準確掌握循環(huán)荷載作用下單樁的承載特性，可以合理確定樁的類型、尺寸、間距等參數，提高樁基設計的合理性和經濟性；在施工階段，根據研究結果可以制定更加科學的施工工藝和質量控制標準，確保樁基的施工質量和工程安全。此外，本研究成果對于評估現有工程樁基在循環(huán)荷載作用下的可靠性和耐久性，以及采取相應的加固和維護措施也具有重要的參考價值。1.2國內外研究現狀在國外，許多學者很早就開展了對循環(huán)荷載作用下樁基礎承載特性的研究。一些早期研究主要集中在海洋工程領域，因為海洋環(huán)境中的波浪荷載、潮汐荷載等會對海上樁基產生強烈的循環(huán)作用。例如，學者們通過現場監(jiān)測和模型試驗，分析了循環(huán)荷載幅值、頻率等因素對樁身內力、變形以及樁周土性質變化的影響。研究發(fā)現，循環(huán)荷載會導致樁周土的強度逐漸降低，樁身的水平位移和豎向位移隨循環(huán)次數增加而增大，且在一定條件下會出現累積變形，最終影響樁基的承載能力和穩(wěn)定性。隨著研究的深入，國外的研究逐漸拓展到不同類型的地基土，包括黏土、砂土等。針對不同土性，建立了相應的樁-土相互作用模型，以更好地解釋循環(huán)荷載下的力學行為。在數值模擬方面，國外也取得了較為顯著的成果，利用有限元、邊界元等方法，對循環(huán)荷載作用下的樁-土體系進行了精細化模擬，能夠考慮土體的非線性、樁土接觸特性等復雜因素。國內對于循環(huán)荷載作用下樁基礎的研究起步相對較晚，但近年來發(fā)展迅速。早期主要借鑒國外的研究成果和方法，開展一些針對國內工程實際問題的研究。在黃土地基方面，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實施，大量基礎設施建設面臨黃土地基問題，對黃土地基上樁基礎的研究逐漸增多。通過室內模型試驗和現場原位測試，研究人員對黃土地基中單樁在靜荷載作用下的承載特性有了較為深入的認識，建立了一些適用于黃土地區(qū)的單樁承載力計算方法和設計理論。然而，對于循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性的研究相對較少。部分研究集中在循環(huán)荷載對黃土地基單樁承載能力和變形的影響規(guī)律方面，發(fā)現循環(huán)荷載會使黃土地基單樁的承載能力下降，沉降量增大，且循環(huán)荷載的頻率、幅值以及加載次數等因素對其影響顯著。在數值模擬方面，國內也在不斷探索適合飽和黃土地基樁-土體系的本構模型和計算方法，但由于飽和黃土的力學性質復雜，目前的模擬結果與實際情況仍存在一定的差距。盡管國內外在循環(huán)荷載作用下樁基礎承載特性研究方面取得了一定的成果，但對于飽和黃土地基中單樁承載特性的研究仍存在一些不足和空白。首先，目前的研究大多針對一般的地基土，對于飽和黃土這種特殊土性的研究不夠系統和深入，缺乏全面考慮飽和黃土的物質成分、結構特征以及孔隙水壓力變化等因素對單樁承載特性影響的研究。其次，在試驗研究方面，由于飽和黃土的制備和試驗條件較為復雜，現有的試驗數據相對較少，且不同試驗結果之間的可比性較差，難以建立統一的理論模型和設計方法。再者，在數值模擬方面，雖然已經提出了一些適用于飽和黃土的本構模型，但這些模型大多還處于理論研究階段，在實際工程應用中還存在一定的局限性，需要進一步的驗證和改進。此外，對于循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁的長期性能和耐久性研究也相對薄弱，缺乏對其在長期循環(huán)荷載作用下的力學性能變化規(guī)律以及破壞機理的深入探討。1.3研究內容與方法1.3.1研究內容本研究主要圍繞循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性展開，具體研究內容如下：循環(huán)荷載特征分析：深入研究工程實際中常見的循環(huán)荷載類型，如吊車荷載、地震荷載等，分析其荷載幅值、頻率、波形等特征參數。通過現場監(jiān)測和相關資料收集，獲取實際工程中的循環(huán)荷載數據，為后續(xù)的模型試驗和理論分析提供真實可靠的荷載輸入。飽和黃土特性研究：對飽和黃土的物理力學性質進行全面測試和分析，包括顆粒組成、孔隙比、含水量、抗剪強度、壓縮性等指標。研究飽和黃土在不同應力狀態(tài)下的變形特性和強度特性，揭示其力學行為的內在機制。模型試驗設計與實施：依據相似理論，設計并制作飽和黃土地基單樁模型試驗裝置。通過控制變量法，設置不同的試驗工況，研究循環(huán)荷載幅值、頻率、循環(huán)次數以及樁長、樁徑、樁身材料等因素對單樁承載特性的影響。在試驗過程中，利用高精度傳感器實時監(jiān)測樁身的應力、應變、位移以及樁周土的孔隙水壓力等參數的變化，獲取豐富的試驗數據。試驗結果分析與規(guī)律總結：對模型試驗結果進行詳細分析，研究循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁的承載能力、變形特性、樁土相互作用機制等方面的變化規(guī)律。通過繪制荷載-位移曲線、應力-應變曲線等圖表，直觀地展示單樁在循環(huán)荷載作用下的力學響應。分析各因素對單樁承載特性影響的顯著性，建立相關的經驗公式和半經驗公式，為工程設計提供參考依據。理論分析與數值模擬：基于土力學、彈性力學等相關理論，建立循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性的理論分析模型。采用有限元、有限差分等數值方法，對單樁在循環(huán)荷載作用下的力學行為進行數值模擬。通過將數值模擬結果與模型試驗結果進行對比分析，驗證理論分析模型和數值模擬方法的正確性和可靠性。利用數值模擬的優(yōu)勢，進一步研究復雜工況下飽和黃土地基單樁的承載特性，拓展研究的深度和廣度。工程應用與建議：將研究成果應用于實際工程案例中，對飽和黃土地基上的樁基工程進行設計和分析。根據研究結果，提出針對飽和黃土地基單樁在循環(huán)荷載作用下的設計建議和施工技術措施，以提高樁基工程的安全性和可靠性。同時，對研究成果的應用效果進行跟蹤和評估，不斷完善和優(yōu)化研究成果。1.3.2研究方法為了實現上述研究內容，本研究將綜合運用多種研究方法，具體如下：文獻研究法：廣泛查閱國內外關于循環(huán)荷載作用下樁基礎承載特性、飽和黃土力學性質以及樁-土相互作用等方面的文獻資料，了解相關研究的現狀和發(fā)展趨勢。對已有研究成果進行系統梳理和分析，總結現有研究的不足和有待進一步研究的問題，為本研究提供理論基礎和研究思路。現場調研法：選擇具有代表性的實際工程場地，對飽和黃土地基上的樁基工程進行現場調研。收集工程場地的地質勘察資料、樁基設計文件以及工程運行過程中的監(jiān)測數據等信息，了解實際工程中循環(huán)荷載的作用情況和樁基的工作狀態(tài)。通過現場調研，獲取真實的工程數據和實際問題，為研究提供實際工程背景和案例支持。室內試驗法：開展飽和黃土的物理力學性質試驗，獲取飽和黃土的基本物理力學參數。進行飽和黃土地基單樁模型試驗，模擬不同工況下循環(huán)荷載對單樁承載特性的影響。在試驗過程中，嚴格控制試驗條件，確保試驗數據的準確性和可靠性。通過室內試驗，直接獲取單樁在循環(huán)荷載作用下的力學響應數據，為理論分析和數值模擬提供試驗依據。理論分析法：基于土力學、彈性力學等學科的基本理論，建立循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性的理論分析模型。運用數學推導和力學分析方法，求解模型中的相關參數，分析單樁在循環(huán)荷載作用下的受力狀態(tài)和變形規(guī)律。理論分析方法可以從本質上揭示單樁承載特性的內在機制，為工程設計提供理論指導。數值模擬法：采用有限元軟件（如ANSYS、ABAQUS等）和有限差分軟件（如FLAC3D等），對飽和黃土地基單樁在循環(huán)荷載作用下的力學行為進行數值模擬。建立合理的數值模型，考慮飽和黃土的非線性本構關系、樁土接觸特性以及循環(huán)荷載的加載歷程等因素。通過數值模擬，可以直觀地展示單樁在循環(huán)荷載作用下的應力、應變分布情況以及變形過程，彌補室內試驗和理論分析的局限性。同時，利用數值模擬可以快速地進行參數分析，研究不同因素對單樁承載特性的影響。對比分析法：將室內試驗結果、理論分析結果和數值模擬結果進行對比分析，驗證各種研究方法的正確性和可靠性。通過對比不同方法得到的結果，找出它們之間的差異和聯系，進一步深入理解循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性的變化規(guī)律。在實際工程應用中，將研究成果與傳統的設計方法和經驗進行對比分析，評估研究成果的優(yōu)勢和應用效果，為工程設計和施工提供科學依據。二、循環(huán)荷載與飽和黃土地基特性2.1循環(huán)荷載的類型與特征2.1.1常見循環(huán)荷載來源在工程實際中，循環(huán)荷載的來源豐富多樣，其產生原因和特點各不相同，對飽和黃土地基單樁承載特性有著不同程度的影響。吊車荷載是工業(yè)廠房等建筑結構中常見的循環(huán)荷載來源之一。在工業(yè)生產過程中，吊車頻繁地進行起吊、運輸和卸載等作業(yè)，其運行過程中的啟動、制動以及貨物的起升和下降等動作，都會使吊車梁系統的樁基承受循環(huán)荷載。吊車荷載的產生主要源于吊車自身的重量、起吊貨物的重量以及運行過程中的動態(tài)作用力。其特點表現為荷載幅值較大，且隨吊車的起重量和運行工況而變化；加載頻率相對較低，與吊車的作業(yè)頻率相關；作用方向通常為豎向和水平向，其中豎向荷載主要由吊車自重和起吊貨物重量引起，水平荷載則主要由吊車的運行和制動產生。例如，在大型鋼鐵廠的車間內，大型橋式吊車的起重量可達上百噸，其運行時產生的循環(huán)荷載對樁基的影響較為顯著。交通荷載也是一類廣泛存在的循環(huán)荷載，主要來源于道路上行駛的車輛。隨著交通流量的不斷增加和車輛載重的日益增大，交通荷載對道路橋梁樁基以及周邊建筑物基礎的影響不容忽視。車輛在行駛過程中，由于輪胎與路面的接觸、車輛的振動以及加速、減速等操作，會對地基產生循環(huán)作用。交通荷載的特點是作用頻率較高，與車輛的行駛速度和交通流量密切相關；荷載幅值相對較小，但由于作用次數頻繁，長期累積效應明顯；作用方向主要為豎向，同時也會產生一定的水平向作用力，如車輛轉彎時產生的側向力。以高速公路為例，大量重型貨車的行駛會使橋梁樁基承受頻繁的循環(huán)荷載，長期作用下可能導致樁基的沉降和變形。地震荷載是一種特殊的循環(huán)荷載，具有突發(fā)性和強破壞性。當地震發(fā)生時，地震波在地基中傳播，使地基土體產生強烈的振動，從而對建筑物的樁基施加循環(huán)荷載。地震荷載的產生是由于地殼的運動和板塊的相互作用。其特點是荷載幅值大，與地震的震級、震中距等因素有關；加載頻率復雜，包含多種頻率成分；作用方向具有多向性，不僅有豎向和水平向，還可能存在扭轉等復雜方向的作用。在一些地震多發(fā)地區(qū)，如日本、我國的四川等地，地震荷載對建筑物樁基的破壞作用十分明顯，許多建筑物在地震中因樁基受損而倒塌。除了上述常見的循環(huán)荷載來源外，還有一些其他的循環(huán)荷載，如機器設備的振動荷載、波浪荷載等。機器設備的振動荷載通常是由于機器的運轉不平衡、部件的周期性運動等原因產生的，對工業(yè)廠房等建筑結構的樁基有一定影響。波浪荷載主要作用于海洋工程中的樁基，如海上風力發(fā)電樁、港口碼頭樁等，是由海浪的起伏和波動引起的，其特點是荷載幅值和頻率隨海浪的大小和周期而變化。2.1.2循環(huán)荷載的參數指標循環(huán)荷載的參數指標眾多，其中幅值、頻率和循環(huán)次數是最為關鍵的參數，它們對單樁承載特性有著顯著的影響。循環(huán)荷載幅值是指荷載在一個循環(huán)周期內的最大變化值，它直接反映了荷載的大小。在吊車荷載中，幅值與吊車的起重量以及運行過程中的動荷載系數相關；在交通荷載中，幅值主要取決于車輛的載重和行駛狀態(tài)。較大的荷載幅值會使樁身產生較大的應力和應變，導致樁周土的強度降低和變形增大。當荷載幅值超過一定限度時，樁周土可能會發(fā)生塑性變形，從而降低單樁的承載能力。例如，在模型試驗中，當循環(huán)荷載幅值增大時，單樁的沉降量會明顯增加，樁身的軸力分布也會發(fā)生改變，靠近樁頂部分的軸力增大更為顯著。循環(huán)荷載頻率是指單位時間內荷載循環(huán)的次數，它反映了荷載作用的快慢程度。不同來源的循環(huán)荷載頻率差異較大，如交通荷載頻率較高，而吊車荷載頻率相對較低。頻率對單樁承載特性的影響較為復雜，一方面，較高的頻率會使樁周土的孔隙水壓力來不及消散，導致土體的有效應力降低，從而削弱樁周土對樁的支撐作用；另一方面，頻率的變化還會影響樁-土體系的動力響應特性，可能引發(fā)共振等現象，進一步加劇樁身和樁周土的變形。研究表明，在一定頻率范圍內，隨著頻率的增加，單樁的水平位移和豎向位移會逐漸增大，當頻率接近樁-土體系的固有頻率時，位移會急劇增大。循環(huán)次數是指荷載循環(huán)作用的累計次數，它體現了循環(huán)荷載作用的時間效應。在實際工程中，隨著結構物的使用年限增加，樁基承受的循環(huán)次數不斷累積。大量的試驗和工程實踐表明，隨著循環(huán)次數的增加，樁周土的結構逐漸被破壞，強度不斷降低，樁身的累積變形逐漸增大，單樁的承載能力逐漸下降。例如，在長期的交通荷載作用下，道路橋梁樁基的沉降會隨循環(huán)次數的增加而持續(xù)發(fā)展，最終可能影響結構的正常使用。而且，循環(huán)次數的增加還可能導致樁身材料的疲勞損傷，降低樁身的耐久性。此外，循環(huán)荷載的波形也是一個重要的參數指標，常見的波形有正弦波、三角波、方波等。不同的波形具有不同的頻譜特性和能量分布，對單樁承載特性的影響也有所不同。例如，正弦波荷載作用下，樁-土體系的響應相對較為平穩(wěn)；而方波荷載由于其突變特性，會使樁身和樁周土產生較大的應力集中，對單樁承載特性的影響更為不利。在實際工程中，循環(huán)荷載的波形往往較為復雜，可能是多種波形的組合，需要綜合考慮其對單樁承載特性的影響。2.2飽和黃土地基的工程特性2.2.1飽和黃土的物理性質飽和黃土的物理性質對其工程特性有著重要的影響，其中顆粒組成、含水率、密度等指標是反映其物理性質的關鍵因素。從顆粒組成來看，飽和黃土主要由粉粒組成，粉粒含量通常在60%-80%之間。粉粒的粒徑一般在0.005-0.075mm之間，這種顆粒大小決定了飽和黃土具有一定的比表面積和表面活性。同時，飽和黃土中還含有一定量的砂粒和黏粒，砂粒含量一般在10%-30%左右，黏粒含量在10%-20%左右。不同粒組的含量比例會影響飽和黃土的物理力學性質。例如，粉粒含量較高使得飽和黃土具有一定的結構性，但相對較弱；黏粒含量的增加會提高土顆粒之間的黏聚力，增強土體的團聚性和穩(wěn)定性。而砂粒的存在則會影響土體的透水性和強度特性。當砂粒含量較多時，飽和黃土的透水性相對較好，但強度會有所降低；反之，當砂粒含量較少時，土體的透水性變差，強度則相對較高。在實際工程中，顆粒組成的差異會導致飽和黃土地基的承載能力、變形特性等方面存在明顯差異。比如，在某工程場地中，飽和黃土的粉粒含量較高，黏粒含量相對較低，導致其地基的壓縮性較大，承載能力較低，在建筑物荷載作用下容易產生較大的沉降變形。含水率是飽和黃土的另一個重要物理性質指標。飽和黃土的含水率達到飽和狀態(tài)，通常飽和度在80%以上。含水率的變化會顯著影響飽和黃土的物理力學性質。當含水率增加時，土顆粒之間的潤滑作用增強，土體的黏聚力降低，內摩擦角也會有所減小。這使得飽和黃土的抗剪強度下降，在受到外力作用時更容易發(fā)生變形和破壞。例如，在暴雨等情況下，飽和黃土的含水率會進一步增加，導致土體的強度急劇降低，容易引發(fā)滑坡、坍塌等地質災害。此外，含水率的變化還會影響飽和黃土的壓縮性。含水率較高時，土體的壓縮性增大，在荷載作用下更容易產生壓縮變形。在某飽和黃土地基上進行的壓縮試驗表明，隨著含水率的增加，飽和黃土的壓縮系數明顯增大，地基的沉降量也相應增加。密度是飽和黃土物理性質的重要體現，它反映了土體中固體顆粒、水和空氣的含量比例關系。飽和黃土的密度一般在1.8-2.0g/cm3之間。密度的大小與土體的顆粒組成、含水率以及孔隙比等因素密切相關。當土體中的顆粒排列緊密、含水率較高時，密度相對較大；反之，當土體的孔隙比大、含水率較低時，密度則較小。密度對飽和黃土的工程性質有著重要影響。密度較大的飽和黃土，其顆粒間的相互作用力較強，土體的強度和穩(wěn)定性相對較高；而密度較小的飽和黃土，顆粒間的聯系較弱，強度和穩(wěn)定性較差。在工程實踐中，通過測定飽和黃土的密度，可以初步判斷其工程性質的優(yōu)劣，為工程設計和施工提供參考依據。例如，在地基處理工程中，如果飽和黃土的密度較小，可能需要采取相應的加固措施來提高地基的承載能力和穩(wěn)定性。此外，飽和黃土的孔隙比也是一個重要的物理性質指標。孔隙比是指土體中孔隙體積與固體顆粒體積之比，它反映了土體的密實程度。飽和黃土的孔隙比一般在0.8-1.2之間?？紫侗鹊拇笮≈苯佑绊懼柡忘S土的透水性、壓縮性和強度等性質?？紫侗容^大的飽和黃土，透水性較好，但壓縮性也較大，強度相對較低；孔隙比較小的飽和黃土，透水性較差，壓縮性較小，強度相對較高。在實際工程中，孔隙比的變化會導致飽和黃土地基的工程性質發(fā)生顯著改變。例如，在地基沉降計算中，孔隙比是一個關鍵參數，它直接影響著沉降量的大小。2.2.2飽和黃土的力學性質飽和黃土的力學性質是其在工程應用中需要重點關注的內容，其中抗剪強度和壓縮性是最為關鍵的兩個力學性質指標，在循環(huán)荷載作用下，它們的變化規(guī)律對工程的穩(wěn)定性和安全性有著重要影響?？辜魪姸仁秋柡忘S土抵抗剪切破壞的能力，它由黏聚力和內摩擦角兩部分組成。飽和黃土的黏聚力主要來源于土顆粒之間的膠結作用和分子間作用力，內摩擦角則與土顆粒的形狀、粗糙度以及排列方式等因素有關。在靜荷載作用下，飽和黃土的抗剪強度具有一定的數值，但在循環(huán)荷載作用下，其抗剪強度會發(fā)生明顯變化。隨著循環(huán)荷載次數的增加，飽和黃土的黏聚力和內摩擦角都會逐漸降低。這是因為循環(huán)荷載會使土顆粒之間的膠結結構逐漸破壞，分子間作用力減弱，導致黏聚力下降；同時，循環(huán)荷載引起的土體振動和變形會使土顆粒的排列方式發(fā)生改變，顆粒間的咬合作用減弱，從而使內摩擦角減小。研究表明，當循環(huán)荷載幅值較大時，抗剪強度的降低更為顯著。在某飽和黃土地基的循環(huán)荷載試驗中，當循環(huán)荷載幅值達到一定程度后，飽和黃土的抗剪強度下降了30%-50%，這對地基的穩(wěn)定性產生了嚴重威脅。此外，飽和黃土的抗剪強度還與含水率、固結程度等因素有關。含水率的增加會使抗剪強度降低，而固結程度的提高則會使抗剪強度增加。壓縮性是飽和黃土在壓力作用下體積縮小的特性，通常用壓縮系數和壓縮模量來表示。飽和黃土的壓縮性較高，在靜荷載作用下就會產生較大的壓縮變形。在循環(huán)荷載作用下，飽和黃土的壓縮性進一步增大，且隨著循環(huán)次數的增加，壓縮變形呈現出累積效應。這是因為循環(huán)荷載會使土顆粒之間的接觸狀態(tài)發(fā)生改變，孔隙結構逐漸被破壞，導致土體的壓縮性增大。例如，在多次循環(huán)荷載作用后，飽和黃土的壓縮系數可能會增加1-2倍。壓縮性的增大對工程的影響主要體現在地基沉降方面。地基沉降過大可能會導致建筑物的傾斜、開裂等問題，影響建筑物的正常使用和安全。在飽和黃土地基上建造的建筑物，由于地基的壓縮性較大，在長期的循環(huán)荷載作用下，可能會出現不均勻沉降，嚴重時甚至會導致建筑物倒塌。此外，飽和黃土的壓縮性還與荷載的大小、加載速率等因素有關。荷載越大、加載速率越快，壓縮性就越大。除了抗剪強度和壓縮性外，飽和黃土的滲透性也是其重要的力學性質之一。飽和黃土的滲透性較差，這是由于其顆粒細小、孔隙結構復雜，孔隙通道狹窄且曲折。在循環(huán)荷載作用下，土體的孔隙結構會發(fā)生變化，從而影響其滲透性。一般來說，隨著循環(huán)荷載次數的增加，飽和黃土的滲透性會有所增大。這是因為循環(huán)荷載使土體的結構逐漸破壞，孔隙之間的連通性增強。然而，滲透性的變化對飽和黃土地基的影響較為復雜。一方面，滲透性的增大有利于孔隙水壓力的消散，在一定程度上可以緩解地基的穩(wěn)定性問題；另一方面，滲透性的增大也可能導致地基土的流失，進一步降低地基的承載能力。在實際工程中，需要綜合考慮滲透性變化對地基的影響，采取相應的措施來保證工程的安全。三、模型試驗設計與實施3.1相似理論與模型設計3.1.1相似準則的確定相似理論是模型試驗的重要理論基礎，它為模型與原型之間的相似關系提供了科學依據。在循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性的模型試驗中，準確確定相似準則對于保證試驗結果的可靠性和有效性至關重要。從幾何相似性來看，幾何相似比是模型與原型對應線性尺寸的比值，通常用C_{l}表示。在本試驗中，考慮到試驗設備的尺寸限制以及試驗精度的要求，確定模型樁的長度相似比C_{l}為1:10，即模型樁長度為原型樁長度的十分之一。樁徑相似比同樣取為1:10，以確保模型樁在幾何形狀上與原型樁相似。對于飽和黃土地基的尺寸，也按照相同的長度相似比進行確定，保證地基的幾何形狀與原型一致。例如，若原型樁長為20m，樁徑為1m，那么模型樁長則為2m，樁徑為0.1m。通過這種嚴格的幾何相似設計，使得模型在外形上能夠準確地模擬原型，為后續(xù)的力學分析提供了基礎。在力學相似方面，應力相似比C_{\sigma}是模型與原型對應應力的比值。由于模型樁和地基材料與原型材料相同或相似，根據材料力學原理，應力相似比等于彈性模量相似比C_{E}，即C_{\sigma}=C_{E}。在本試驗中，選用與原型樁材料性質相似的材料制作模型樁，通過材料試驗測定其彈性模量，確定彈性模量相似比為1:1，從而保證應力相似比為1:1。這意味著在相同的荷載作用下，模型樁和原型樁所承受的應力具有相同的比例關系，能夠真實地反映原型樁的受力狀態(tài)。應變相似比C_{\varepsilon}是模型與原型對應應變的比值，根據相似理論，應變相似比等于幾何相似比的倒數，即C_{\varepsilon}=1/C_{l}。在本試驗中，由于幾何相似比C_{l}為1:10，所以應變相似比C_{\varepsilon}為10:1。這表明在相同的應力作用下，模型樁的應變是原型樁應變的10倍，在試驗測量中需要考慮到這一比例關系，準確測量模型樁的應變，以推斷原型樁的應變情況。荷載相似比C_{F}是模型與原型對應荷載的比值，根據力的平衡原理，荷載相似比等于應力相似比與面積相似比的乘積，即C_{F}=C_{\sigma}C_{A}，其中面積相似比C_{A}=C_{l}^{2}。在本試驗中，由于應力相似比C_{\sigma}為1:1，面積相似比C_{A}=(1:10)^{2}=1:100，所以荷載相似比C_{F}=1\times(1:100)=1:100。這意味著模型試驗中施加的荷載是原型荷載的百分之一，在加載過程中需要根據這一比例關系準確施加荷載，以模擬原型樁在實際工程中的受力情況。時間相似比C_{t}是模型與原型對應時間的比值，對于循環(huán)荷載作用下的模型試驗，時間相似比與加載頻率相關。加載頻率相似比C_{f}是模型與原型加載頻率的比值，根據相似理論，C_{f}=C_{l}^{-1/2}。在本試驗中，幾何相似比C_{l}為1:10，所以加載頻率相似比C_{f}=10^{1/2}\approx3.16，即模型試驗的加載頻率約為原型加載頻率的3.16倍。這是因為在模型試驗中，為了在較短的時間內獲得與原型相似的試驗結果，需要提高加載頻率，以保證模型與原型在時間效應上的相似性。通過以上對幾何、力學等方面相似準則的確定，建立了模型與原型之間全面的相似關系，確保模型試驗能夠準確地模擬循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁的承載特性，為后續(xù)的試驗研究和結果分析提供了堅實的理論基礎。在試驗過程中，嚴格按照這些相似準則進行模型設計、材料選擇和加載控制，保證試驗結果的可靠性和準確性，以便更好地揭示單樁在循環(huán)荷載作用下的力學行為和承載特性。3.1.2模型樁與地基的設計與制作模型樁的設計與制作是模型試驗的關鍵環(huán)節(jié)之一，直接影響到試驗結果的準確性和可靠性。在本試驗中，綜合考慮試驗目的、相似準則以及材料的可獲取性和成本等因素，選用有機玻璃作為模型樁的材料。有機玻璃具有密度小、強度較高、加工性能良好且透明等優(yōu)點，便于在試驗過程中觀察樁身的變形情況，同時其力學性能也能較好地滿足相似要求。模型樁的長度根據幾何相似比確定為2m，樁徑為0.1m。為了模擬實際工程中樁的配筋情況，在有機玻璃模型樁內部設置了鋼筋骨架。鋼筋采用直徑為6mm的細鋼筋，按照一定的間距均勻布置在樁身內部，通過綁扎的方式與有機玻璃樁體連接，以增強樁身的強度和剛度，使其更接近實際工程中鋼筋混凝土樁的受力性能。在樁身表面，沿樁長方向等間距粘貼電阻應變片，用于測量樁身的應變分布。應變片的粘貼位置經過精心設計，分別在樁頂、樁身中部和樁底等關鍵部位設置應變片，同時在不同深度的樁身側面也布置了應變片，以便全面監(jiān)測樁身各個部位在循環(huán)荷載作用下的應變變化情況。應變片粘貼完成后，采用防水膠進行密封處理，防止在飽和黃土地基中浸泡時受到水的侵蝕而影響測量精度。飽和黃土地基的模擬方法和制作過程同樣至關重要。首先，從工程現場采集原狀黃土樣本，通過土工試驗測定其物理力學性質指標，包括顆粒組成、含水率、密度、孔隙比、抗剪強度等。根據試驗結果，按照一定的比例配制重塑飽和黃土。在配制過程中，嚴格控制含水率，使其達到飽和狀態(tài)，通過攪拌、壓實等工藝保證土體的均勻性。為了模擬實際工程中的地基條件，制作了一個尺寸為3m×3m×2m的模型槽，模型槽采用鋼板制作，具有足夠的強度和剛度，能夠承受飽和黃土的壓力和試驗過程中的各種荷載作用。在模型槽底部鋪設一層厚度為0.2m的砂墊層，以模擬實際地基中的持力層，砂墊層采用中粗砂，經過篩選和級配處理，確保其均勻性和穩(wěn)定性。將配制好的飽和黃土分層填入模型槽中，每層填土厚度控制在0.2m左右，采用小型振動壓實設備進行壓實，使土體達到一定的密實度。在填土過程中，每隔一定厚度埋設孔隙水壓力傳感器，用于監(jiān)測地基中孔隙水壓力的變化情況。孔隙水壓力傳感器的埋設位置根據試驗需要進行合理布置，在樁周不同距離和深度處均設置傳感器，以便全面了解飽和黃土地基在循環(huán)荷載作用下孔隙水壓力的分布和消散規(guī)律。當飽和黃土填筑至設計高度后，靜置一段時間，使土體達到穩(wěn)定狀態(tài)，然后將制作好的模型樁按照設計位置垂直插入飽和黃土地基中，插入深度為1.8m，確保樁身與地基緊密接觸，模擬實際工程中樁與地基的相互作用。在模型樁插入過程中，嚴格控制插入速度和垂直度，避免對樁周土體造成過大的擾動，保證試驗結果的準確性。通過以上精心設計和制作的模型樁與飽和黃土地基，為循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性的模型試驗提供了可靠的試驗對象，為深入研究單樁在循環(huán)荷載作用下的力學行為和承載特性奠定了堅實的基礎。3.2試驗設備與測試系統3.2.1加載設備與加載方案本試驗采用高精度的液壓伺服加載系統作為施加循環(huán)荷載的主要設備。該系統主要由液壓源、電液伺服閥、作動器以及控制系統等部分組成。液壓源能夠提供穩(wěn)定的高壓油，為整個加載系統提供動力；電液伺服閥根據控制系統發(fā)出的指令，精確控制高壓油的流量和方向，從而實現對作動器的精確控制；作動器則是直接對模型樁施加荷載的執(zhí)行部件，能夠按照設定的加載方案產生相應的荷載?？刂葡到y采用先進的計算機控制技術，可實現對加載過程的自動化控制和實時監(jiān)測。在加載方案的設計上，充分考慮了實際工程中循環(huán)荷載的特點和試驗研究的需求。根據相似理論確定的荷載相似比，將原型循環(huán)荷載進行縮放，得到模型試驗所需的荷載幅值。在試驗中，設置了多個不同的荷載幅值工況，分別為10kN、20kN、30kN和40kN，以研究荷載幅值對單樁承載特性的影響。加載頻率同樣根據相似理論進行確定，模型試驗的加載頻率為原型加載頻率的3.16倍，設定加載頻率分別為0.5Hz、1Hz、1.5Hz和2Hz，以分析加載頻率對單樁承載特性的影響。加載控制方法采用位移控制和力控制相結合的方式。在試驗初始階段，采用力控制方式，緩慢施加荷載至設定的初始荷載值，以確保模型樁與地基的接觸良好，避免因突然加載而對試驗結果產生影響。當荷載達到初始荷載值后，切換至位移控制方式，按照設定的加載頻率和荷載幅值進行循環(huán)加載。在位移控制過程中，通過高精度的位移傳感器實時監(jiān)測樁頂的位移，根據位移反饋信號調整作動器的輸出，保證加載過程的準確性和穩(wěn)定性。在每個加載工況下，進行多次循環(huán)加載，循環(huán)次數設定為100次、200次、300次和400次，以研究循環(huán)次數對單樁承載特性的累積影響。在加載過程中，嚴格按照設定的加載方案和控制方法進行操作，確保試驗數據的可靠性和準確性。同時，密切關注試驗過程中模型樁和地基的變化情況，如發(fā)現異?，F象，及時停止加載并進行檢查和處理。通過精心設計的加載設備和加載方案，為深入研究循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁承載特性提供了有力的試驗手段。3.2.2測試儀器與數據采集為了全面、準確地獲取循環(huán)荷載作用下飽和黃土地基單樁的力學響應數據，本試驗采用了多種先進的測試儀器。在樁頂位移測量方面，選用了高精度的線性可變差動變壓器（LVDT）位移傳感器。該傳感器具有精度高、線性度好、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，能夠精確測量樁頂在豎向和水平方向的位移變化。將LVDT位移傳感器安裝在樁頂的特定位置，通過與樁頂的剛性連接，實時感知樁頂的位移，并將位移信號轉換為電信號輸出。在豎向位移測量中，傳感器的測量精度可達±0.01mm，能夠滿足對樁頂豎向位移高精度測量的要求；在水平位移測量中，同樣具有較高的測量精度，能夠準確反映樁頂在水平循環(huán)荷載作用下的位移變化情況。樁身應力的測量采用電阻應變片。在模型樁制作過程中，按照設計要求在樁身表面沿樁長方向等間距粘貼電阻應變片。應變片的粘貼位置經過精心設計，分別在樁頂、樁身中部和樁底等關鍵部位設置應變片，同時在不同深度的樁身側面也布置了應變片，以便全面監(jiān)測樁身各個部位在循環(huán)荷載作用下的應力分布和變化情況。電阻應變片將樁身的應變轉化為電阻的變化，通過惠斯通電橋將電阻變化轉換為電壓信號，再經過信號調理器放大和濾波后，傳輸至數據采集系統。為了保證測量精度，在粘貼應變片時，嚴格按照操作規(guī)程進行，確保應變片與樁身表面緊密貼合，并且對粘貼好的應變片進行了防水、防潮處理，以防止在飽和黃土地基中浸泡時受到水的侵蝕而影響測量精度。地基土壓力的測量使用土壓力盒。在飽和黃土地基填筑過程中，將土壓力盒按照預定的位置和深度埋設在樁周不同距離處的地基土中。土壓力盒能夠感知周圍土體的壓力變化，并將壓力信號轉換為電信號輸出。通過測量不同位置和深度處的地基土壓力，可以分析樁周土在循環(huán)荷載作用下的壓力分布和傳遞規(guī)律。土壓力盒的選型根據試驗的具體要求進行，其量程和精度能夠滿足對飽和黃土地基土壓力測量的需求，測量精度可達±0.1kPa。數據采集采用自動化的數據采集系統，該系統主要由數據采集卡、信號調理器和計算機等組成。數據采集卡負責采集來自各個測試儀器的電信號，并將其轉換為數字信號傳輸至計算機；信號調理器對測試儀器輸出的電信號進行放大、濾波、隔離等處理，以提高信號的質量和可靠性。計算機通過專門的數據采集軟件對采集到的數據進行實時監(jiān)測、存儲和分析。在數據采集過程中，設置了合適的數據采集頻率，以確保能夠準確捕捉到單樁在循環(huán)荷載作用下的動態(tài)響應信號。根據試驗的特點和要求，將數據采集頻率設定為100Hz，即每秒采集100個數據點，這樣可以較好地反映單樁在循環(huán)荷載作用下的力學響應變化情況。同時，為了保證數據的完整性和可靠性，在試驗過程中對采集到的數據進行實時備份，并對數據進行初步的質量檢查和處理，如剔除異常數據、填補缺失數據等。通過先進的測試儀器和科學的數據采集方法，為后續(xù)對試驗結果的分析和研究提供了豐富、準確的數據支持。3.3試驗步驟與過程控制3.3.1試驗準備工作在正式開展模型試驗之前，需要進行一系列充分的準備工作，以確保試驗的順利進行和數據的準確性。首先，對試驗設備進行全面調試。對液壓伺服加載系統進行空載運行測試，檢查液壓源的壓力輸出是否穩(wěn)定，電液伺服閥的控制精度是否滿足要求，作動器的運行是否順暢，有無卡頓、漏油等異?，F象。對加載系統的控制系統進行調試，確保計算機與各硬件設備之間的通信正常，加載程序的運行穩(wěn)定，能夠準確地按照設定的加載方案進行控制。同時，對位移傳感器、力傳感器、應變片等測試儀器進行校準和調試，通過標準器具對傳感器進行標定，確定傳感器的靈敏度、線性度等參數，確保測試儀器的測量精度符合試驗要求。其次，進行模型安裝。將制作好的飽和黃土地基模型槽放置在試驗臺的指定位置，確保模型槽的水平度和穩(wěn)定性。使用水平儀對模型槽進行測量和調整，使其水平度誤差控制在允許范圍內。然后，將模型樁按照設計位置和角度垂直插入飽和黃土地基中，在插入過程中，采用專用的定位裝置保證樁身的垂直度，垂直度偏差控制在1%以內。為了使樁身與地基緊密接觸，在插入后對樁周土體進行適當的壓實和修整，確保樁-土界面的良好結合。最后，對測試儀器進行標定。對于電阻應變片，采用標準應變片進行對比標定，通過惠斯通電橋測量不同應變值下的電阻變化，繪制電阻應變片的標定曲線，確定其靈敏系數。對位移傳感器，使用高精度的位移標準器進行標定，在不同位移量程范圍內測量傳感器的輸出信號，檢查其線性度和重復性，確保位移測量的準確性。對于土壓力盒，在已知壓力的標準環(huán)境下進行標定，測量土壓力盒在不同壓力值下的輸出電壓，建立壓力與輸出電壓之間的關系曲線，以便在試驗中準確測量地基土壓力。通過嚴格的設備調試、模型安裝和測試儀器標定等準備工作，為后續(xù)的試驗加載和數據監(jiān)測提供了可靠的基礎，確保試驗過程的順利進行和試驗數據的準確性與可靠性。3.3.2試驗加載與數據監(jiān)測按照既定的加載方案，開始進行試驗加載。在加載初始階段，采用力控制方式，通過控制系統緩慢增加液壓伺服加載系統的輸出力，使作動器以0.05kN/s的速率緩慢施加荷載至5kN，保持該荷載值5min，以確保模型樁與地基的接觸良好，消除樁身與地基之間的初始間隙。在這一過程中，密切觀察樁身和地基的變化情況，如發(fā)現樁身有明顯的傾斜或地基出現異常變形，立即停止加載，查找原因并進行處理。當荷載達到初始荷載值后，切換至位移控制方式。根據預先設定的加載頻率和荷載幅值，控制系統控制作動器按照正弦波的形式進行循環(huán)加載。在加載頻率為0.5Hz時，一個循環(huán)周期為2s，作動器在2s內完成一次從最小荷載到最大荷載再回到最小荷載的循環(huán)加載過程。在每個循環(huán)加載過程中，作動器的位移控制精度控制在±0.1mm以內，確保加載過程的準確性和穩(wěn)定性。在不同的荷載幅值工況下，分別進行100次、200次、300次和400次的循環(huán)加載。例如，在荷載幅值為20kN的工況下，先進行100次循環(huán)加載，然后增加循環(huán)次數至200次，依次類推，直至完成400次循環(huán)加載。在試驗加載過程中，實時監(jiān)測和記錄各項數據。數據采集系統以100Hz的頻率采集位移傳感器、力傳感器、應變片和土壓力盒等測試儀器輸出的信號。對于樁頂位移，通過LVDT位移傳感器實時監(jiān)測，每0.01s采集一次數據，記錄樁頂在豎向和水平方向的位移變化。在豎向位移監(jiān)測中，隨著循環(huán)加載次數的增加，樁頂豎向位移逐漸增大，通過數據采集系統可以準確記錄位移的變化趨勢。對于樁身應力，由樁身表面粘貼的電阻應變片測量，通過惠斯通電橋和信號調理器將應變信號轉換為電壓信號，數據采集系統實時采集電壓信號，并根據標定曲線計算出樁身不同位置的應力值。在樁身中部的應變片監(jiān)測到，隨著循環(huán)荷載幅值的增大，樁身應力也相應增大。對于地基土壓力，土壓力盒將感知到的壓力信號轉換為電信號輸出，數據采集系統實時采集并存儲，分析不同位置和深度處的地基土壓力變化情況。在樁周距離樁身0.5m處的土壓力盒監(jiān)測到，隨著循環(huán)次數的增加，地基土壓力呈現先增大后穩(wěn)定的趨勢。同時，密切關注試驗過程中模型樁和地基的狀態(tài)變化，如樁身是否出現裂縫、地基是否發(fā)生局部塌陷等異?，F象。若發(fā)現異常，立即停止加載，對試驗裝置和模型進行檢查，分析原因并采取相應的措施后，再繼續(xù)進行試驗。通過嚴格按照加載方案進行試驗加載，并實時、準確地監(jiān)測和記錄各項數據，確保了試驗過程的準確性和可靠性，為后續(xù)對試驗結果的分析和研究提供了豐富、可靠的數據支持。四、試驗結果與分析4.1單樁豎向承載特性4.1.1荷載-沉降曲線分析不同循環(huán)荷載條件下的單樁荷載-沉降曲線是研究單樁豎向承載特性的重要依據，其特征變化能直觀反映單樁在循環(huán)荷載作用下的力學響應過程。在低幅值循環(huán)荷載（如10kN）作用下，從荷載-沉降曲線可以明顯看出，在初始加載階段，曲線呈現出良好的線性關系，此時單樁處于彈性階段。樁身的變形主要是彈性變形，樁周土也基本處于彈性狀態(tài)，土顆粒之間的相對位移較小，樁側摩阻力和樁端阻力能夠正常發(fā)揮作用。隨著循環(huán)次數的增加，沉降量逐漸增大，但增長速率較為穩(wěn)定，曲線斜率變化較小，表明樁身和樁周土的力學性能較為穩(wěn)定，沒有出現明顯的塑性變形。當循環(huán)次數達到一定值（如300次）后，曲線開始出現輕微的非線性變化，沉降量的增長速率略有加快，這意味著樁周土開始進入局部塑性階段，部分土顆粒之間的連接開始被破壞，樁側摩阻力的發(fā)揮受到一定影響。當循環(huán)荷載幅值增大到20kN時，荷載-沉降曲線的彈性階段明顯縮短。在加載初期，雖然曲線仍近似線性，但隨著循環(huán)次數的增加，沉降量迅速增大，曲線斜率變化明顯，很快進入塑性階段。在塑性階段，樁周土的塑性變形不斷發(fā)展，樁側摩阻力逐漸達到極限狀態(tài)，樁身的變形也逐漸由彈性變形向塑性變形轉變。此時，樁身的應力分布發(fā)生改變，靠近樁頂部分的應力集中現象更為明顯，樁身的彎曲變形也有所增加。隨著循環(huán)次數的進一步增加，沉降量持續(xù)增大，曲線呈現出明顯的非線性特征，表明樁周土的結構破壞加劇，樁身的承載能力逐漸下降。對于更高幅值的循環(huán)荷載（如30kN和40kN），荷載-沉降曲線幾乎沒有明顯的彈性階段，加載后很快進入塑性階段，且沉降量急劇增大。在這種情況下，樁周土在短時間內就發(fā)生了較大的塑性變形，樁側摩阻力迅速達到極限并開始下降，樁端阻力也受到嚴重影響。樁身的變形急劇增加，可能出現樁身開裂、樁周土局部塌陷等現象。當循環(huán)次數達到一定程度后，曲線可能會出現陡降段，這標志著單樁進入破壞階段，樁身已無法承受荷載，失去了承載能力。從不同循環(huán)荷載頻率下的荷載-沉降曲線來看，頻率對曲線特征也有顯著影響。在低頻率（如0.5Hz）加載時，樁周土有相對較多的時間來調整和適應荷載變化，孔隙水壓力能夠較好地消散，因此曲線的變化相對較為平緩，沉降量的增長速率相對較慢。隨著頻率的增加（如1.5Hz和2Hz），樁周土的孔隙水壓力來不及消散，土體的有效應力降低，導致樁側摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮受到抑制，曲線斜率增大，沉降量迅速增加。而且，高頻加載時更容易引發(fā)樁-土體系的共振現象，進一步加劇樁身和樁周土的變形，使曲線呈現出更為復雜的變化特征。通過對不同循環(huán)荷載條件下的單樁荷載-沉降曲線的分析，可以深入了解單樁在循環(huán)荷載作用下的受力變形過程，為單樁極限承載力的確定以及工程設計提供重要的參考依據。4.1.2單樁極限承載力的確定依據試驗數據，準確確定單樁極限承載力是評估飽和黃土地基上單樁承載性能的關鍵。本研究采用了多種方法對單樁極限承載力進行確定，并深入分析了循環(huán)荷載對其的影響。在靜荷載試驗中，通常依據荷載-沉降曲線的特征來確定單樁極限承載力。對于陡降型的荷載-沉降曲線，取曲線陡降段起點所對應的荷載值作為單樁極限承載力；對于緩變型曲線，一般取樁頂沉降量達到一定值（如40-60mm，對于大直徑樁可取0.03-0.06D，D為樁端直徑，大樁徑取低值，小樁徑取高值；對細長樁(l/d＞80)可取s=60-80mm）時所對應的荷載作為極限承載力。在本次循環(huán)荷載作用下的模型試驗中，同樣參考上述方法，并結合循環(huán)荷載的特點進行分析。在循環(huán)荷載作用下，單樁極限承載力的確定更為復雜。由于循環(huán)荷載的作用，樁周土的強度逐漸降低，樁身的變形不斷累積，使得單樁的承載能力逐漸下降。隨著循環(huán)荷載幅值的增大，單樁極限承載力明顯降低。當循環(huán)荷載幅值從10kN增加到40kN時，單樁極限承載力下降了約30%-50%。這是因為較大的荷載幅值會使樁周土受到更強烈的擾動和破壞，土顆粒之間的連接被削弱，樁側摩阻力和樁端阻力難以充分發(fā)揮，從而導致極限承載力降低。循環(huán)荷載的頻率對單樁極限承載力也有一定影響。在一定范圍內，隨著頻率的增加，單樁極限承載力略有下降。這是由于高頻加載時，樁周土的孔隙水壓力來不及消散，土體處于超孔隙水壓力狀態(tài)，有效應力降低，樁側摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮受到抑制，進而導致極限承載力下降。然而，當頻率超過一定值后，極限承載力的下降趨勢趨于平緩，這可能是因為樁-土體系在高頻作用下逐漸達到一種相對穩(wěn)定的狀態(tài)。循環(huán)次數對單樁極限承載力的影響也不容忽視。隨著循環(huán)次數的增加，樁周土的結構不斷被破壞，強度持續(xù)降低，單樁極限承載力逐漸減小。在循環(huán)次數較少時（如100次以內），極限承載力的下降較為緩慢；當循環(huán)次數超過200次后，極限承載力下降速率明顯加快。這表明循環(huán)次數的累積對樁周土的損傷具有明顯的加劇作用，從而顯著降低單樁的極限承載力。通過對試驗數據的分析，建立了循環(huán)荷載幅值、頻率、循環(huán)次數與單樁極限承載力之間的關系模型，為在實際工程中考慮循環(huán)荷載影響時確定單樁極限承載力提供了參考依據。例如，根據建立的模型，可以通過輸入不同的循環(huán)荷載參數，預測單樁在相應工況下的極限承載力，從而為樁基設計提供更準確的依據。4.2樁身應力與變形分布4.2.1樁身應力隨深度的變化樁身應力在不同深度處的分布規(guī)律與循環(huán)荷載作用下樁身應力的變化特點緊密相關，深入剖析這些規(guī)律和特點，對于理解樁-土相互作用機制和單樁承載特性具有關鍵意義。在樁頂位置，由于直接承受循環(huán)荷載的作用，樁身應力處于較高水平。在初始加載階段，樁頂應力隨著荷載的增加迅速上升，且呈現出明顯的波動特征，這是因為循環(huán)荷載的周期性變化使得樁頂受力不斷改變。隨著循環(huán)次數的增加，樁頂應力的波動范圍逐漸增大，這表明樁頂在循環(huán)荷載作用下受到的沖擊和疲勞效應逐漸增強。在某一循環(huán)荷載幅值為30kN、頻率為1Hz的工況下，通過應變片測量得到樁頂應力在初始加載時為5MPa，隨著循環(huán)次數達到200次，樁頂應力的最大值達到了8MPa，最小值則降至2MPa，波動范圍明顯增大。從樁頂向下，樁身應力逐漸減小。在樁身中部，應力水平相對較低，且變化相對較為平穩(wěn)。這是因為樁身中部受到樁側摩阻力的作用，部分荷載被樁側土分擔，使得樁身軸力減小，從而應力也相應降低。在循環(huán)荷載作用下，樁身中部應力的變化主要表現為隨著循環(huán)次數的增加而逐漸增大，但增長速率相對較慢。例如，在同一工況下，樁身中部初始應力為2MPa，當循環(huán)次數達到200次時，應力增加到3MPa，增長幅度相對較小?？拷鼧兜撞糠?，樁身應力進一步降低。由于樁底的約束作用，樁底應力的變化相對較小。然而，在循環(huán)荷載作用下，樁底應力也會受到一定影響。當循環(huán)荷載幅值較大時，樁底可能會出現應力集中現象，導致樁底局部應力增大。這是因為較大的荷載幅值使得樁端對地基土的擠壓作用增強，從而引起樁底應力的變化。在循環(huán)荷載幅值為40kN的工況下，通過土壓力盒測量發(fā)現，樁底局部位置的應力在循環(huán)荷載作用下明顯增大，比初始應力增加了50%左右。此外，循環(huán)荷載的幅值、頻率和循環(huán)次數對樁身應力分布有顯著影響。隨著荷載幅值的增大，樁身各深度處的應力均明顯增大，且應力分布的不均勻性加劇。較高的荷載幅值使得樁身承受更大的作用力，導致樁身應力水平升高。循環(huán)荷載頻率的變化會影響樁身應力的變化速率和分布形態(tài)。當頻率較高時，樁身應力的變化更加頻繁，可能會引發(fā)樁身材料的疲勞損傷。而循環(huán)次數的增加會導致樁身應力的累積效應增強，樁身材料逐漸發(fā)生疲勞破壞，從而降低樁身的承載能力。通過對不同工況下樁身應力分布的對比分析，可以清晰地看出這些因素對樁身應力的影響規(guī)律，為單樁承載特性的研究和工程設計提供重要的參考依據。4.2.2樁身變形特性分析樁身的彈性變形和塑性變形情況在循環(huán)荷載作用下呈現出復雜的變化特征，深入研究這些特征以及循環(huán)荷載對樁身變形的累積效應，對于評估單樁的長期性能和穩(wěn)定性至關重要。在循環(huán)荷載作用初期，樁身主要發(fā)生彈性變形。此時，樁身的變形能夠隨著荷載的卸載而完全恢復，表明樁身材料處于彈性階段，其力學性能基本保持穩(wěn)定。樁身的彈性變形量與循環(huán)荷載的幅值和頻率密切相關。當荷載幅值增大時，樁身所受的應力增加，根據胡克定律，彈性變形量也會相應增大。較高的荷載頻率會使樁身受到更頻繁的應力作用，導致彈性變形的累積速度加快。在某一試驗工況下，當循環(huán)荷載幅值從10kN增加到20kN時，樁身彈性變形量增加了約50%；當荷載頻率從0.5Hz提高到1Hz時，相同循環(huán)次數下樁身彈性變形量的累積速度提高了30%左右。隨著循環(huán)次數的增加，樁身開始出現塑性變形。塑性變形是不可逆的，它標志著樁身材料的結構開始發(fā)生破壞，力學性能逐漸劣化。樁身塑性變形的發(fā)展與循環(huán)荷載的幅值、頻率和循環(huán)次數密切相關。較大的荷載幅值會使樁身材料承受更大的應力，更容易引發(fā)塑性變形。高頻循環(huán)荷載會使樁身材料在短時間內經歷多次應力循環(huán)，加速塑性變形的累積。循環(huán)次數的增加則是塑性變形不斷發(fā)展的直接原因，隨著循環(huán)次數的增多，樁身材料的損傷逐漸累積，塑性變形不斷增大。在循環(huán)荷載幅值為30kN、頻率為1.5Hz的工況下，當循環(huán)次數達到100次時，樁身開始出現明顯的塑性變形，且隨著循環(huán)次數增加到300次，塑性變形量迅速增大。循環(huán)荷載對樁身變形的累積效應顯著。隨著循環(huán)次數的持續(xù)增加，樁身的彈性變形和塑性變形不斷累積，導致樁身的總變形量逐漸增大。這種累積效應會使樁身的承載能力逐漸下降，影響單樁的正常使用和結構安全。在長期的循環(huán)荷載作用下，樁身的累積變形可能會導致樁身出現裂縫、斷裂等破壞現象。研究表明，當樁身累積變形達到一定程度時，樁側摩阻力和樁端阻力會受到嚴重影響，從而降低單樁的極限承載力。通過對不同工況下樁身變形累積情況的監(jiān)測和分析，可以預測樁身的變形發(fā)展趨勢，為工程中采取相應的加固和維護措施提供依據。例如，在某實際工程中，通過對樁基的長期監(jiān)測發(fā)現，隨著循環(huán)荷載作用時間的增加，樁身累積變形逐漸增大，當累積變形超過一定限值時，及時對樁基進行了加固處理，避免了因樁身變形過大而導致的工程事故。4.3樁-土相互作用特性4.3.1樁側摩阻力的發(fā)揮與變化在循環(huán)荷載作用下，樁側摩阻力的發(fā)揮過程較為復雜，其變化規(guī)律受多種因素的綜合影響。在加載初期，樁身相對于樁周土產生微小的位移，樁側摩阻力開始逐漸發(fā)揮。此時，樁側摩阻力與樁土相對位移呈近似線性關系，樁周土處于彈性階段，土顆粒之間的連接較為緊密，能夠提供一定的摩阻力。隨著循環(huán)荷載的持續(xù)作用，樁土相對位移不斷增大，樁側摩阻力也隨之增大。當樁土相對位移達到一定值時，樁側摩阻力逐漸達到極限狀態(tài)，此時樁周土開始進入塑性變形階段，土顆粒之間的連接逐漸被破壞，摩阻力的增長速度減緩。在某一循環(huán)荷載幅值為20kN、頻率為1Hz的工況下，通過樁身應變片和土壓力盒的監(jiān)測數據可知，在加載初期，樁側摩阻力隨循環(huán)次數的增加而快速增大，當循環(huán)次數達到50次左右時，樁側摩阻力增長速度明顯變緩，逐漸趨于穩(wěn)定。循環(huán)荷載幅值對樁側摩阻力的發(fā)揮和變化有著顯著影響。較大的荷載幅值會使樁身產生更大的位移，從而使樁側摩阻力更快地達到極限狀態(tài)。在荷載幅值為30kN的工況下，樁側摩阻力在循環(huán)次數達到30次左右時就基本達到極限狀態(tài)，而在荷載幅值為10kN的工況下，樁側摩阻力達到極限狀態(tài)所需的循環(huán)次數則明顯增多，約為80次。而且，較大的荷載幅值還會導致樁側摩阻力在達到極限狀態(tài)后下降更為明顯。這是因為較大的荷載幅值對樁周土的擾動和破壞更為嚴重，使土顆粒之間的連接被進一步削弱，樁側摩阻力難以維持在較高水平。循環(huán)荷載頻率也會對樁側摩阻力產生影響。較高的頻率會使樁周土的孔隙水壓力來不及消散，土體處于超孔隙水壓力狀態(tài)，有效應力降低，從而導致樁側摩阻力減小。在頻率為2Hz的工況下，樁側摩阻力的峰值明顯低于頻率為0.5Hz的工況。此外，高頻循環(huán)荷載還會使樁周土的受力狀態(tài)更加復雜，可能導致樁側摩阻力的分布不均勻性加劇。樁周土的性質對樁側摩阻力的發(fā)揮和變化也起著關鍵作用。飽和黃土的含水率、密度、抗剪強度等性質都會影響樁側摩阻力的大小。含水率較高的飽和黃土，其抗剪強度較低，樁側摩阻力也相應較小。密度較大的飽和黃土，土顆粒之間的接觸更為緊密，能夠提供更大的樁側摩阻力。通過對不同性質飽和黃土的試驗對比發(fā)現，當飽和黃土的含水率從25%增加到35%時，樁側摩阻力降低了約20%-30%；而當密度從1.8g/cm3增加到1.9g/cm3時，樁側摩阻力提高了15%-25%。4.3.2樁端阻力的貢獻與變化樁端阻力在單樁承載中占據重要地位，其貢獻大小直接影響單樁的承載能力，而循環(huán)荷載對樁端阻力的影響也較為顯著。在靜荷載作用下，樁端阻力隨著樁頂荷載的增加而逐漸發(fā)揮。當樁頂荷載較小時，樁端阻力的貢獻相對較小，單樁承載主要依靠樁側摩阻力。隨著樁頂荷載的增大，樁端位移逐漸增大，樁端阻力也逐漸增大，當樁端位移達到一定值時，樁端阻力達到極限狀態(tài)。在循環(huán)荷載作用下，樁端阻力的發(fā)揮過程更為復雜。由于循環(huán)荷載的周期性作用，樁端土受到反復的擠壓和松弛，其力學性質發(fā)生變化，從而影響樁端阻力的大小。循環(huán)荷載幅值對樁端阻力有明顯影響。較大的荷載幅值會使樁端土受到更強烈的擠壓和擾動，導致樁端土的強度降低，樁端阻力減小。當循環(huán)荷載幅值從10kN增加到40kN時，樁端阻力的峰值降低了約40%-50%。這是因為較大的荷載幅值使樁端土的結構破壞加劇，土顆粒之間的排列變得更加松散，無法提供足夠的支撐力。循環(huán)荷載頻率也會影響樁端阻力。較高的頻率會使樁端土的孔隙水壓力迅速上升，有效應力降低，從而導致樁端阻力減小。而且，高頻循環(huán)荷載可能會引發(fā)樁端土的共振現象，進一步加劇樁端土的破壞，降低樁端阻力。在頻率為2Hz的工況下，樁端阻力在循環(huán)荷載作用下的下降幅度明顯大于頻率為0.5Hz的工況。循環(huán)次數的增加會使樁端土的損傷逐漸累積，樁端阻力逐漸減小。在循環(huán)次數較少時，樁端阻力的下降較為緩慢；隨著循環(huán)次數的增多，樁端阻力的下降速度加快。當循環(huán)次數達到300次以上時，樁端阻力的下降趨勢更為明顯，這表明循環(huán)次數的累積對樁端土的損傷具有顯著的加劇作用，從而降低了樁端阻力在單樁承載中的貢獻。通過對不同循環(huán)次數下樁端阻力的監(jiān)測和分析可知，當循環(huán)次數從100次增加到400次時，樁端阻力降低了約30%-40%。五、影響因素分析5.1循環(huán)荷載參數的影響5.1.1循環(huán)荷載幅值的影響循環(huán)荷載幅值是影響單樁承載特性的關鍵因素之一，通過對試驗數據的深入對比分析，能夠清晰地揭示其對單樁沉降、極限承載力等方面的具體影響。在沉降方面，隨著循環(huán)荷載幅值的增大，單樁的沉降量顯著增加。從試驗結果來看，當循環(huán)荷載幅值從10kN增加到20kN時，單樁在相同循環(huán)次數下的沉降量增加了約50%。這是因為較大的荷載幅值使樁身承受更大的作用力，導致樁周土的變形加劇，樁身與樁周土之間的相對位移增大，從而使得沉降量迅速上升。而且，荷載幅值的增大還會使樁周土的塑性變形區(qū)域擴大，土體的結構破壞更加嚴重，進一步加速了沉降的發(fā)展。在某一工況下，當荷載幅值達到30kN時，樁周土在循環(huán)荷載作用下出現了明顯的塑性區(qū)，單樁的沉降速率明顯加快，沉降量在較短的循環(huán)次數內就達到了較大的值。對于極限承載力，循環(huán)荷載幅值的增大對其產生了明顯的削弱作用。隨著荷載幅值的增加，單樁的極限承載力逐漸降低。當循環(huán)荷載幅值從10kN增大到40kN時，單樁極限承載力下降了約30%-50%。這是由于較大的荷載幅值會使樁周土受到更強烈的擾動和破壞，土顆粒之間的連接被削弱，樁側摩阻力和樁端阻力難以充分發(fā)揮，從而導致極限承載力降低。在高幅值循環(huán)荷載作用下，樁周土的強度迅速降低，樁身的變形急劇增加，樁側摩阻力和樁端阻力在較短的時間內就達到極限并開始下降，使得單樁的承載能力大幅下降。例如，在荷載幅值為40kN的工況下，單樁在較少的循環(huán)次數后就進入了破壞狀態(tài)，極限承載力遠低于低幅值工況下的數值。循環(huán)荷載幅值的變化還會影響樁身應力和變形的分布。較大的荷載幅值會使樁身各深度處的應力明顯增大，且應力分布的不均勻性加劇。樁身的彈性變形和塑性變形也會隨著荷載幅值的增大而增加，樁身更容易出現裂縫、斷裂等破壞現象。在高幅值循環(huán)荷載作用下，樁身頂部和底部的應力集中現象更為明顯，樁身的彎曲變形也會增大，從而影響單樁的承載性能。通過對不同循環(huán)荷載幅值工況下樁身應力和變形的監(jiān)測和分析，可以清晰地看到這些變化規(guī)律，為單樁承載特性的研究和工程設計提供重要的參考依據。5.1.2循環(huán)荷載頻率的影響循環(huán)荷載頻率對單樁承載特性的影響機制較為復雜，涉及樁-土體系的動力響應和孔隙水壓力變化等多個方面，不同頻率下樁-土相互作用存在顯著差異。從樁-土體系的動力響應角度來看，當循環(huán)荷載頻率較低時，樁周土有足夠的時間來調整和適應荷載的變化，樁-土之間的相互作用相對較為穩(wěn)定。在低頻率加載時，樁身的振動幅度較小，樁周土的變形也較為均勻，樁側摩阻力和樁端阻力能夠較為充分地發(fā)揮作用。在頻率為0.5Hz的工況下，樁周土的顆粒有時間重新排列和調整，能夠較好地提供摩阻力和支撐力，單樁的承載性能相對較好。然而，隨著循環(huán)荷載頻率的增加，樁-土體系的動力響應發(fā)生顯著變化。較高的頻率會使樁身受到更頻繁的沖擊和振動，樁周土的顆粒來不及重新排列和調整，導致樁-土之間的相互作用變得不穩(wěn)定。高頻加載時，樁身的振動幅度增大，樁周土的變形集中在樁身附近，遠離樁身的土體難以充分參與承載，從而使樁側摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮受到抑制。在頻率為2Hz的工況下，樁身的振動加劇，樁周土的應力分布不均勻，樁側摩阻力和樁端阻力的峰值明顯降低，單樁的承載能力下降。循環(huán)荷載頻率的變化還會影響樁周土的孔隙水壓力。在飽和黃土地基中，孔隙水壓力的變化對單樁承載特性有著重要影響。當頻率較低時，孔隙水壓力有足夠的時間消散，土體的有效應力能夠保持相對穩(wěn)定，樁-土之間的摩擦力和支撐力能夠正常發(fā)揮。隨著頻率的增加，孔隙水壓力來不及消散，土體處于超孔隙水壓力狀態(tài)，有效應力降低，導致樁側摩阻力和樁端阻力減小。高頻加載時，孔隙水壓力的累積效應更加明顯，進一步削弱了單樁的承載能力。在高頻率加載工況下，通過孔隙水壓力傳感器監(jiān)測到樁周土的孔隙水壓力迅速上升，有效應力大幅降低，樁側摩阻力和樁端阻力明顯減小，單樁的沉降量急劇增加。此外，循環(huán)荷載頻率的變化還可能引發(fā)樁-土體系的共振現象。當加載頻率接近樁-土體系的固有頻率時，會發(fā)生共振，此時樁身和樁周土的振動幅度急劇增大，樁-土相互作用進一步惡化，單樁的承載能力會受到嚴重影響。在共振狀態(tài)下，樁身可能會出現過大的變形甚至破壞，樁周土的結構也會被嚴重破壞，導致單樁失去承載能力。通過對不同頻率下樁-土體系動力響應的分析和研究，可以深入理解循環(huán)荷載頻率對單樁承載特性的影響機制，為工程設計中合理選擇加載頻率提供理論依據。5.2飽和黃土性質的影響5.2.1含水率的影響飽和黃土含水率的變化對其物理力學性質有著顯著影響，進而對單樁承載特性產生重要作用。隨著含水率的增加，飽和黃土的密度和重度會發(fā)生變化。由于水的密度小于土顆粒的密度，當含水率升高時，土體中孔隙水的含量增加，導致土體的密度和重度略有減小。這種變化會影響土顆粒之間的相互作用力，進而影響土體的力學性能。研究表明，飽和黃土的密度和重度減小，會使土體的自重應力減小，在一定程度上降低了土體對樁身的側向約束能力。在某飽和黃土地基中，當含水率從20%增加到30%時，土體的密度從1.85g/cm3減小到1.80g/cm3，重度從18.5kN/m3減小到18.0kN/m3，相應地，單樁在相同荷載作用下的側向位移略有增大。含水率對飽和黃土的抗剪強度有明顯的削弱作用。飽和黃土的抗剪強度由黏聚力和內摩擦角組成，隨著含水率的增加，土顆粒之間的潤滑作用增強，顆粒間的連接力減弱，導致黏聚力降低。土顆粒的有效應力減小，內摩擦角也會有所減小。在直剪試驗中，當飽和黃土的含水率從15%增加到25%時，黏聚力從15kPa降低到10kPa，內摩擦角從25°減小到20°?？辜魪姸鹊慕档褪沟脴吨芡翆渡淼膫饶ψ枇p小，從而降低了單樁的承載能力。在某工程實例中，由于地下水位上升，飽和黃土地基的含水率增加，導致樁側摩阻力降低，單樁的極限承載力下降了約20%。壓縮性也會隨著含水率的增加而增大。含水率較高時，土體中的孔隙水含量較多，在荷載作用下，孔隙水難以迅速排出，土體的壓縮變形增大。壓縮系數是衡量土體壓縮性的重要指標，當含水率增加時，飽和黃土的壓縮系數明顯增大。在固結試驗中，某飽和黃土在含水率為20%時，壓縮系數為0.25MPa?1，當含水率增加到30%時，壓縮系數增大到0.35MPa?1。壓縮性的增大使得單樁在荷載作用下的沉降量增加，影響了單樁的穩(wěn)定性和承載性能。在某飽和黃土地基上的單樁，由于含水率的增加，樁頂沉降量在相同荷載作用下比原來增加了30%-40%。5.2.2密實度的影響飽和黃土密實度的變化對單樁承載特性的影響十分顯著，它與樁側摩阻力和樁端阻力之間存在著密切的關系。飽和黃土的密實度對樁側摩阻力有著重要影響。當飽和黃土的密實度增大時，土顆粒之間的排列更加緊密，土顆粒與樁身表面的接觸面積增大，摩擦力增強。密實度較高的飽和黃土具有更強的抗剪強度，能夠提供更大的樁側摩阻力。在模型試驗中，通過控制飽和黃土的壓實程度來改變其密實度，結果表明，當飽和黃土的干密度從1.6g/cm3增加到1.8g/cm3時，樁側摩阻力提高了約30%-40%。這是因為密實度增大使得土顆粒之間的咬合力和摩擦力增大，樁身與土體之間的相互作用增強，從而提高了樁側摩阻力。在實際工程中，通過對飽和黃土地基進行壓實處理，提高其密實度，可以有效增加樁側摩阻力，提高單樁的承載能力。樁端阻力也會隨著飽和黃土密實度的變化而改變。密實度較高的飽和黃土，其土體的強度和剛度較大，能夠更好地承受樁端傳來的荷載。當樁端進入密實度較大的飽和黃土層時，樁端土的壓縮變形較小，樁端阻力能夠得到充分發(fā)揮。在某工程中，通過地質勘察發(fā)現，樁端位于密實度較高的飽和黃土層時，樁端阻力的貢獻明顯增大，單樁的承載能力得到顯著提高。相反，當飽和黃土的密實度較低時，樁端土容易發(fā)生壓縮變形，樁端阻力難以充分發(fā)揮，從而降低了單樁的承載能力。研究表明，當飽和黃土的密實度降低10%時，樁端阻力可能會降低20%-30%。此外，飽和黃土的密實度還會影響樁-土體系的整體穩(wěn)定性。密實度較高的飽和黃土能夠為樁身提供更好的側向約束，減小樁身的變形和位移，提高樁-土體系的穩(wěn)定性。在地震等動力荷載作用下，密實度較大的飽和黃土地基能夠更好地抵抗地震力的作用，減少樁基的震害。在某地震多發(fā)地區(qū)的工程中，對飽和黃土地基進行加固處理，提高其密實度后，樁基在地震中的損壞程度明顯降低。5.3樁身參數的影響5.3.1樁徑的影響樁徑是樁身的關鍵參數之一，對單樁承載特性有著重要影響。隨著樁徑的增大，樁身剛度顯著增強。這是因為樁徑的增加使得樁身的截面慣性矩增大，抵抗變形的能力增強。在相同的循環(huán)荷載作用下，大樁徑的樁身彎曲變形和軸向變形相對較小。例如，在模型試驗中，樁徑為0.1m的模型樁與樁徑為0.15m的模型樁相比，在承受相同幅值和頻率的循環(huán)荷載時，樁徑為0.1m的樁身最大彎曲變形為10mm，而樁徑為0.15m的樁身最大彎曲變形僅為6mm，明顯較小。樁徑的變化還會對樁側摩阻力產生顯著影響。一般來說，樁徑增大，樁側摩阻力的發(fā)揮面積增大，從而使得樁側摩阻力的總值增大。然而，單位面積樁側摩阻力卻可能會有所降低。這是因為隨著樁徑的增大，樁周土的應力分布發(fā)生變化，樁周土的約束作用相對減弱，導致單位面積樁側摩阻力減小。在某一試驗工況下，樁徑從0.1m增大到0.15m時，樁側摩阻力的總值增加了約30%，但單位面積樁側摩阻力卻降低了約20%。樁徑對樁端阻力也有重要影響。較大的樁徑使得樁端的承載面積增大，樁端阻力相應增大。樁徑的增大還會改變樁端土的應力狀態(tài)和變形模式。當樁徑增大時，樁端土所承受的應力分布更加均勻，樁端土的破壞模式可能從刺入破壞逐漸向整體剪切破壞轉變。在實際工程中，對于大直徑樁，樁端阻力在單樁承載中所占的比例相對較大。通過對不同樁徑單樁的試驗研究發(fā)現，樁徑從0.8m增大到1.2m時，樁端阻力在單樁極限承載力中所占的比例從30%增加到40%。5.3.2樁長的影響樁長是影響單樁承載特性的另一個重要因素，它與單樁極限承載力、沉降之間存在著密切的關系。隨著樁長的增加，單樁極限承載力一般會增大。這是因為樁長的增加使得樁側摩阻力和樁端阻力的發(fā)揮空間增大。樁側摩阻力隨著樁長的增加而增大，樁端阻力也會因為樁端進入更深的土層，土層的承載能力增強而增大。在某一飽和黃土地基中，當樁長從10m增加到15m時，單樁極限承載力提高了約25%。這是由于樁長的增加，樁周土與樁身的接觸面積增大，樁側摩阻力得到更充分的發(fā)揮，同時樁端進入了承載能力更高的土層，樁端阻力也相應增大。樁長與單樁沉降之間也存在著顯著的關系。一般情況下，樁長增加，單樁的沉降量會減小。這是因為較長的樁身能夠更好地將荷載傳遞到深部土層，減小樁頂的沉降。在循環(huán)荷載作用下，樁長的增加可以有效減小樁身的累積變形，提高單樁的穩(wěn)定性。在模型試驗中，樁長為1.5m的模型樁與樁長為1.0m的模型樁相比，在相同循環(huán)荷載作用下，樁長為1.5m的樁頂沉降量減小了約30%。這表明樁長的增加能夠顯著提高單樁的承載性能，減小沉降變形。然而，當樁長增加到一定程度后，單樁極限承載力的增長速率會逐漸減緩，沉降量的減小幅度也會逐漸變小。這是因為隨著樁長的進一步增加，深部土層的承載能力逐漸趨于穩(wěn)定，樁側摩阻力和樁端阻力的增長受到限制，導致單樁極限承載力的增長變緩。樁長的增加也會帶來施工難度和成本的增加，在工程設計中需要綜合考慮各種因素，合理確定樁長。六、理論分析與數值模擬6.1理論分析方法6.1.1荷載傳遞理論荷載傳遞理論在循環(huán)荷載下飽和黃土地基單樁承載特性分析中發(fā)揮著重要作用，其基本原理是將樁視為彈性地基上的梁，樁側土和樁端土對樁的作用通過一系列彈簧和阻尼器來模擬。在循環(huán)荷載作用下，樁身荷載通過樁側摩阻力和樁端阻力逐步傳遞到樁周土和樁端土中。假設樁身微元段長度為dz，樁身軸力為Q(z)，樁側摩阻力為??(z)，樁端阻力為q_b，樁身橫截面積為A，樁身材料彈性模量為E。根據力的平衡條件，對于樁身微元段，有\(zhòng)frac{dQ(