豎向加卸載下鄰近雙端約束傾斜樁側移規律試驗研究

周德泉，陳圣保,2，馮晨曦，黎冬志，周 毅,3

(1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114;2.中建八局第二建設有限公司,山東 濟南 250022;3.保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510620)

0 引言

傾斜樁用于碼頭、電塔及邊坡等工程中，產生了良好的效果，其受力變形規律已引起學術界和工程界的廣泛關注，但是，傾斜樁工程性狀研究主要集中在主動承載。例如，王麗等[1]通過現場試驗及有限元分析發現垂直度在5 %以內的局部傾斜樁的樁頂沉降小于豎直樁的樁頂沉降。鄭剛等[2]通過試驗和數值模擬發現，在傾斜度不大于4%時，樁頂沉降比豎直樁小且承載力未降低，當傾斜度達到8%時，樁頂沉降大于豎直樁且發生了彎曲破壞。鄭剛等[3-4]分別研究了水平荷載作用下傾斜樁的工程性狀及豎向荷載作用下傾斜樁的承載力和荷載傳遞性狀。呂凡任等[5]采用數值方法，利用Gauss積分技術，發現樁在承受豎向荷載時可以有小于10°的傾角，通過模型試驗[6-7]研究在水平荷載及豎向荷載下不同傾角樁基承載能力變化規律，認為對稱雙斜樁基礎的豎向傾角在5°～10°是最優的。胡文紅等[8]研究了加固淺層土體對傾斜樁豎向承載能力的影響，發現加固體深度、尺寸、面積等均會對加固效果產生影響。王云崗等[9]通過建立分析模型對斜樁的受力特性進行了分析，得出軸向剛度一定程度上會受樁體傾斜角度的影響，單樁側向承載時，正斜樁位移要大于負斜樁，正斜樁單樁側向剛度要小于負斜樁。袁廉華等[10]通過大尺寸模型試驗研究了軸向荷載對斜樁水平承載特性的影響。顧明等[11]采用離心模型試驗研究了砂土中斜樁群樁和直樁群樁在水平偏心荷載下的受力特征，研究結果顯示斜樁群樁在水平偏心荷載作用下的抵抗能力要明顯好于直樁群樁。Meyerhof、Yalcin 等[12-13]等通過模型試驗，研究了不同傾斜角度荷載作用下斜樁的工作特性，得到了傾斜樁傾斜角度和荷載傾斜角度跟斜樁的樁頂側移的關系。周德泉等[14]設計模型箱和加載裝置，研究豎向重復加卸載下傾斜樁復合地基變形規律，認為傾斜樁復合地基受壓時，傾斜樁存在“沉降臨界傾斜角”(6°)和“側移臨界傾斜角”(9°)。近年來，傾斜樁被動承載工程性狀也有一些研究，例如，胡明[15]等基于有限元強度折減法，利用軟件ANSYS對不同傾角微型樁加固邊坡進行了數值模擬，認為斜樁加固的穩定系數較大。楊劍[16]通過三維有限元軟件ABAQUS分析了斜樁受側向土體位移的特性。變動樁和土體參數進行敏感性分析,得出樁的柔度、側向土體位移的大小、樁頂約束條件、土體位移形狀和土體移動層厚度等對斜樁的影響。相比柔性樁，剛性樁的撓度小,彎矩和剪力大。斜樁的p-y曲線表現為雙曲線特征。周德泉等[17]通過模型試驗研究路堤重復加卸載下坡腳處頂部約束雙排傾斜摩擦樁變位規律，認為頂部約束摩擦傾斜樁破壞模式為“平移+繞樁底轉動”。負斜樁頂側移小于豎直樁。傾斜樁被動承載工程性狀研究遠遠少于主動承載。基于傾斜樁工程特性，作者在高路堤荷載作用下軟土地基的穩定性控制方面，提出在坡腳設置負斜樁[18]的方法，該負斜樁屬于被動樁，其工作特性尚不清楚。本研究在前期工作[17]基礎上，通過室內模型試驗，研究路基3次循環加卸載作用下坡腳處兩端約束傾斜樁作為被動樁的水平位移變化規律，為坡腳負斜樁設計提供依據。

1 試驗方案

本次試驗在1 420 mm×720 mm×1 100 mm(長×寬×高)的模型槽中進行，模型槽框架用鋼條焊接而成，加鋼化玻璃和木板組裝成模型槽。

槽內模型樁布置如圖1所示，樁和連梁采用木板制成方形模具并填充水泥砂漿養護而成，連梁與樁采用AB膠連接，底端嵌固采用AB膠與磚塊連接。4根樁的傾斜角度分別為0°，3°，6°，9°(除0°樁為直樁外，3°，6°，9°均為負斜樁)。

圖1 模型試驗布置(單位：mm)Fig.1 Arrangement of model test(unit：mm)

模型樁與連梁用水泥砂漿制作養護而成，每根長80 cm，截面邊長3 cm，為正方形截面。方形樁和連梁的具體參數見表1。

表1 模型樁參數

模型試驗土采用砂子經紗網過篩后晾干而成。模型土最大粒徑3 mm，不均勻系數Cu=5.5，曲率系數Cc=2.7，級配良好。土體在自重作用下沒有明顯分層現象，級配曲線見圖2，填土厚度為1 m。

圖2 模型土級配曲線 Fig.2 Gradation curve of model soil

填土前，先把各樁在模型槽內的分布位置按圖1(a)確定好，然后用木板和透明膠在模型樁中部、頂部分別固定，確保填土時樁的傾斜角不發生變動。填土采用“砂雨法”，每層10 cm。填土過程中，6°樁和9°樁外側在不同深度(距離樁頂分別為50，190，330，470，610，750 mm處)水平設置直徑為10 mm的PVC管，用透明膠將PVC管與樁表面進行連接，確保模型土不進入PVC管內形成堵塞而影響百分表讀數的精度。當填土到0.5 m左右時，拆除木板和膠帶，用AB膠固定連梁。填筑完成后，靜置近1個月，讓模型土自重沉降。

百分表用探針加長，試驗前，將加長后的百分表進行安裝，探針接觸樁身表面而不觸碰PVC管壁，保證百分表讀數的準確性。6°,9°樁側邊各安裝6個百分表(兩根樁的百分表距樁頂距離均為50，90，30，470，610，750 mm)，0°，3°樁的頂部距樁頂10 mm 處分別安裝1個百分表，試驗采用千斤頂和壓力傳感器進行加載，通過反力梁提供反力。本次試驗共進行3 次循環加、卸載。試驗參照《建筑地基處理技術規范》(JGJ79—2012)進行，加載過程中，每一級加載時間間隔為30 min，加載前讀一次數，加載后讀一次數，30 min后再進行一次讀數，進行下一級加載前必須確保讀數已經穩定，若讀數仍在變化，則再等15 min，如此反復。通過在540 mm×540 mm×10 mm(長×寬×厚)的承壓板(因測試0°，3°樁樁頂水平位移需要，連梁布置在距樁頂30 mm處，承壓板底面與連梁頂面持平)上進行3次加載和卸載循環模擬路堤加卸載，測試側面雙端約束傾斜雙排樁的水平位移變化，獲得坡腳斜樁的水平變位規律。

2 試驗結果與分析

2.1 地基土3次重復加卸載過程與沉降曲線特征

圖3為承載板壓力P-沉降s曲線，第1，2，3次加載最大壓力分別為44.524，117.3，54.448 kN。由圖3可知，第1次和第3次加載曲線形態相似，均呈“上凸型”，符合填土地基的變形特征[19]；第2次加載前期曲線形態也呈“上凸型”，壓力超過一定值后，沉降曲線回到首次加載曲線的延長線，具有記憶效應。隨后沉降增長緩慢，原因是模型土在高壓下非常密實，第3次加載曲線比前2次加載曲線平緩也是這個原因。3次卸載曲線規律相似，即卸載前期均體現不可恢復的塑性變形，僅僅卸載到0才有明顯的彈性變形[19]。

圖3 地基P-s曲線Fig.3 P-s curves of foundation

2.2 樁頂側移隨加載變化規律

圖4為加載過程中0°樁，3°樁，6°樁，9°樁的樁頂水平位移隨荷載變化規律，圖4表明，4根樁的樁頂水平位移變化規律類似。

圖4 樁頂側移隨加載變化規律Fig.4 Rule of lateral displacement of pile top varying with loading

結合圖3分析發現：(1)3次加載過程中，首次加載最大壓力范圍內，樁頂水平位移均隨地基側向加載P增加而線性增長，增長率隨加載次數增加而降低。(2)第2次加載超過首次加載最大壓力時，加載曲線沿第1次加載曲線的延長線發展，水平位移隨著荷載的增大繼續增加。加載到圖3所示第2次加載曲線的拐點荷載時，各樁頂水平位移減速增長、曲線同樣出現拐點,說明工程中的路堤荷載直接引起坡腳水平位移。

2.3 樁頂側移隨卸載變化規律

圖5為卸載過程中0°樁，3°樁，6°樁，9°樁的樁頂水平位移隨荷載變化規律，圖5表明，4根樁的樁頂水平位移變化規律類似。結合圖3分析發現：每次卸載階段的曲線都是從豎直線向原點發展，卸載初期，荷載的減小不影響樁頂側移，當卸載到最后1～2級時樁頂側移開始減小，尤其是當荷載減為0時側移回彈最大。每個階段的曲線線型相似且互相平行。

圖5 樁頂側移隨卸載變化規律Fig.5 Rule of lateral displacement of pile top varying with unloading

2.4 加卸載過程中樁頂側移隨各級荷載變化規律

圖6為3次加載、3次卸載過程中0°樁，3°樁，6°樁，9°樁的樁頂水平位移隨荷載變化規律。結合圖3分析發現：

圖6 加卸載過程中樁頂側移隨荷載變化規律Fig.6 Rule of lateral displacement of pile top varying with loading during loading and unloading

(1)3次加載過程中，0°樁，3°樁，6°樁，9°樁的樁頂水平位移均隨地基側向加載P增大而增加；地基側向加載P一定時，樁頂水平位移均隨傾斜角增加而減小。負斜樁頂側移小于豎直樁，與負斜樁在樁頂水平荷載作用下樁頂水平位移大于直樁[20]相反。顯然，前樁對后樁具有遮攔效應、前樁的存在使得后樁的變形明顯變小的現象[21]被傾斜角效應掩蓋。第2次加載曲線特征與圖3所示第2次加載曲線相似，在超過第1次加載最大荷載后，樁頂水平位移增長率加大，隨后緩慢增加。原因是加載到84.22 kN 后，土體壓實度增高，模型槽的約束使樁背產生被動土壓力，限制了樁頂水平位移增長。

(2)3次卸載過程中，0°樁，3°樁，6°樁，9°樁的樁頂水平位移變化規律相同，即：在卸載到 0 kN 前，樁頂水平位移減少不明顯，卸載到0 kN后，位移才有少量回彈，樁頂水平位移主要為塑性變形；地基側向加載P一定時，樁頂水平位移均隨傾斜角增加而減小。

實際工程中，可將坡腳樁設置一定傾斜角度來減少樁頂側移，提高抵抗滑移效果。

2.5 后排樁樁身側移隨加載變化規律

圖7為加載過程中后排樁樁身水平位移隨深度變化規律。分析發現：

(1)3次加載過程中，樁身各點位移均隨荷載增加而逐漸增大；位移整體上從樁頂到樁底依次減小，樁身上部位移明顯大于下部，6°樁和9°樁樁身位移在中部均出現稍大現象。分析認為，根據附加應力等值線原理，加載初期，樁身水平附加應力最大值在上中部而不在頂端。樁底仍有一定水平位移，可能是樁底AB膠與磚塊不夠牢固。

(2)地基側向加載P增加過程中，樁身水平位移的增長率隨著加載次數增加而降低，6°樁水平位移大于9°樁。

圖7 加載過程中后排樁樁身側移隨深度變化規律Fig.7 Rule of lateral displacement of back row piles varying with depth during loading

2.6 后排樁樁身側移隨卸載變化規律

圖8為卸載過程中后排坡腳樁樁身位移隨深度變化規律。分析發現：

(1)3次卸載的初、中期，6°樁和9°樁樁身的回彈變形均不敏感，卸載到0時才產生明顯的回彈變形、但不復位，說明3次加載所產生的變形均主要為塑性變形。

(2)3次卸載過程中，6°樁和9°樁的樁頂與樁底回彈量均小于中部樁身，說明樁頂連梁、樁底嵌固在卸載過程中約束了水平位移。實際工程中，坡腳樁采用嵌巖樁、樁頂設置連梁，更有利于抵抗滑移。

圖8 卸載過程中后排樁樁身側移隨深度變化規律Fig.8 Rule of lateral displacement of back row piles varying with depth during unloading

3 結論

路基3次加卸載過程中，坡腳處頂端設置連梁、底端約束的傾斜樁被動受載，水平位移具有如下規律：

(1)加載過程中，樁頂和樁身水平位移均隨地基側向荷載增加而增長，增長率隨加載次數增加而降低。第2次加載超過首次加載最大壓力時，加載曲線沿第1次加載曲線的延長線發展，水平位移隨著荷載的增大繼續增加。

(2)卸載的初、中期，樁身的回彈變形均不敏感，卸載到0時才產生明顯的回彈變形、但不復位，說明3次加載所產生的變形均主要為塑性變形。樁頂與樁底回彈量均小于中部樁身，說明樁頂連梁、樁底約束嵌固約束了水平位移。

(3)加、卸載過程中，地基側向荷載一定時，樁頂和樁身水平位移均隨傾斜角增加而減小。相同荷載作用下，負斜樁頂側移小于豎直樁，與負斜樁主動承受樁頂水平荷載作用下樁頂水平位移大于直樁相反。

實際工程中，坡腳樁采用底部嵌巖、頂部設置連梁的傾斜樁，更有利于抵抗滑移。