軟土場地傾斜群樁室內模型試驗研究

夏 雄，封金財，王小平

(常州大學 巖土工程研究所，江蘇 常州 213164)

由于斜樁的研究相對復雜，通過模型試驗對其作用機理和性狀進行研究就具有較強的針對性和目的性。Meyerhof＆YalCin(1993)[1]及 Meyerhof(1995)[2]采用模型試驗的方法研究了斜樁在傾斜荷載下的受力—變形特性，給出斜樁在不同傾角以及不同荷載下的樁頂水平位移和軸向位移隨荷載變化曲線。Zhang等[3](1999)用離心機在砂土中做水平荷載斜樁模型試驗，給出了不同相對密度、不同內摩擦角砂土中，不同傾角斜樁水平荷載—水平位移曲線。Zhang等[4](2002)用離心機做斜樁群樁水平承載力模型試驗，研究斜樁群樁抵抗水平荷載的能力和特點，發現樁頂豎向荷載作用對水平承載力的影響很小。譚國煥等[5]把樁周表面不同粗糙度的三根模型樁置于砂箱中，來研究松砂土中樁側表面粗糙程度對樁承載力的影響。趙明華等[6]以鋁管在砂箱內進行了不同傾角的傾斜荷載作用下的室內模型樁試驗，建立了傾斜荷載下確定極限承載力的經驗公式。這些研究都具有較好的參考價值。

本文結合韓江特大橋初步設計方案及其工程場地地質勘察報告，選擇該區段具有代表性的群樁基礎作為研究對象，按傾斜度分別為0°，5°，8°，12°的 4 組情況，進行群樁在深厚軟土中模型試驗，研究斜樁工作性狀。

1 試驗方法

在主要滿足實際樁長徑比和剛度要求的條件下，取幾何相似比CL=1∶60。以此為基礎開展室內模型試驗研究。實際工程中樁長71 m，由幾何相似比CL=可得模型樁長度1 180 mm。試驗采用外徑為36 mm，內徑為33 mm，彈性模量為70 GPa鋁合金管來制作模型樁。選用420 mm×280 mm×10 mm鋼板模擬樁基承臺。模型槽的設計主要考慮到邊界效應、土量大小、測試方式、對填土的保水能力等因素。模型槽大小應以盡量消除邊界效應為原則，考慮模型槽寬度大于等于承臺板寬度5倍，高度大于等于樁長1.5倍，因而模型槽實際尺寸選為1.2 m×1.2 m×1.6 m。模型槽三面為磚結構，壁厚260 mm，一面為鋼模板，在模型槽內側及下側均鋪薄膜塑料以減小周邊的尺寸效應和避免土體中水的流失。

在模型土實際配制時，土樣的重度、含水量(Cγ=1，Cω=1)可以較為準確地制備;黏聚力c與內摩擦角φ精確配制較困難，因此取其近似值。

原位地質地層主要分為四層，從上到下分別為淤泥、黏土、圓礫石、黏土，其中第二層與第四層黏土土性參數相同，原狀土和模型土物理參數見表1。

表1 原狀土與模型土物理力學參數

試驗加載系統由杠桿和砝碼組成，力臂比為3∶1，在杠桿上設置一個可以在杠桿上移動的支點，便于按不同杠桿比施加荷載于樁上或承臺板上，在杠桿的一端設置一平動轉動裝置，使加荷支點能放到模型槽的任何位置，便于加載。模型加荷裝置如圖1所示。

圖1 加荷裝置

試驗中用到的量測設備包括百分表(數顯千分表)、應變儀、應變片、土壓力盒、兆歐表及萬用表等。測量應變片及土壓力盒應變讀數采用4臺靜態應變儀。應變片選擇型號為BE120-5AA(中航電測儀器股份有限公司)應變片，基底尺寸為3 mm×5 mm，電阻值為(120.3±0.1)Ω、具有一定防水性的聚氨脂精密級應變片。測試靈敏系數為2.08±1%，最大應變2%，用502膠水粘貼，703硅橡膠防水，由0.4 mm2的細導線引出，接到靜態電阻應變儀。

2 模型試驗

試驗時，先清掃模型槽，然后在模型槽中按每10 cm一層，分層夯實至一定密度，再裝上一層土。裝入40 cm土后，開始固定樁基模型，調節承臺板位置使之處于模型槽中心。在保證承臺板水平的情況下，裝下一層土，直至填到設計高度處。

群樁模型平面布置見圖2，其中除中心樁豎直外，其余各樁均背離中心傾斜，且傾角相等。試驗中，群樁分為 0°，5°，8°，12°四組。

圖2 模型樁尺寸(單位:mm)

模型樁樁身應變測量采用電阻應變片，沿樁長按150 mm為一個截面粘貼一組應變片，如圖3所示。在樁端和樁周設置土壓力盒，測設土壓力。在樁頂安設四個數顯千分表分別測對角沉降和水平位移。

圖3 模型試驗照片及樁身應變片布置

3 試驗結果分析

將試驗得到的樁頂荷載Q和相應的沉降S繪制成Q—S曲線圖，如圖4所示。

圖4 群樁沉降曲線

不同傾角斜樁極限承載力的比較見表2。

從樁頂的 Q—S曲線圖4可以看出，該曲線符合雙曲線形狀，符合大多數試驗結果，說明本試驗方法是可行的。在荷載不大時，群樁沉降與樁頂荷載關系是線性的;荷載增大時，群樁沉降隨樁頂荷載迅速增加，其中設置有12°傾斜樁的樁基的這種關系表現得尤為明顯。沒有設置傾斜樁的樁基的荷載—沉降(Q—S)曲線為“緩變型”，沒有明顯的陡降段，因此按控制沉降量確定其容許承載力。

表2 極限承載力對比

設置有傾斜樁的樁基的荷載—沉降(Q—S)曲線為“陡降型”，陡降點為破壞特征點，且破壞特征點所對應的豎向荷載為極限荷載。設置5°，8°，12°傾斜樁的樁基的極限荷載分別為:7.0 kN，8.0 kN，6.5 kN，相對于沒有設置傾斜樁的樁基的極限承載力分別提高了12.9% ，29.0% ，4.8% 。

4 結論與建議

通過斜樁室內模型試驗研究，得出了在豎向荷載作用下的群樁工作性狀，得到了樁頂的Q—S曲線和極限承載力提高程度。從本次試驗可以看出:

1)群樁試驗結果符合一般試驗結果，采用本試驗裝置進行室內模型試驗研究是切實可行的;

2)對于韓江特大橋工程場地，設置有傾斜樁的樁基的極限承載力大于沒有設置傾斜樁的樁基。斜樁傾角在8°左右的范圍內承載力提高幅度較大。

3)本次群樁試驗中，在設置有傾斜樁的樁基中，隨著深度的增加，樁間距增大，這時樁土間應力的疊加作用相應減小，因此設置有傾斜樁的樁基的豎向承載力較豎直群樁有一定程度的增加。

[1] MEYERHOF G G，YALCIN A S.Behaviour of flexible batter piles under inclined loads in layered soil［J］.Canadidian Geotechnical Journal，1993，30(2):247-256.

[2] MEYERHOF G G.Behaviour of pile foundations under special loading conditions:1994 R.M.Hardy keynote address［J］.Canadidian Geotechnical Journal，1995，32(2):204-222.

[3] ZHANG L M，MICHAEL C，LAI P W.Centrifuge modeling of laterally loaded single battered piles in sands［J］.Canadidian Geotechnical Journal，1999，36(6):1074-1084.

[4] ZHANG L M，MCVAY M C，GARDNER R，et al.Effects of dead loads on the lateral response of battered pile groups［J］.Canadidian Geotechnical Journal，2002，39(3):561-575.

[5] 譚國煥，張佑啟，楊敏.松砂土中樁側表面粗糙程度對承載力的影響［J］.巖土工程學報，1992，14(2):50-54.

[6] 趙明華，侯運秋，曹善仁.傾斜荷載下基樁的受力研究［J］.湖南大學學報，1997，24(2):98-103.