循環荷載下斜樁基礎受力特性研究

顧維揚

揚州市邗江區住房和城鄉建設局，江蘇 揚州 225009

樁基礎是最常用的一種基礎，常受水平循環荷載的作用，在水平循環荷載作用下，樁周土的強度、樁-土相對模量均發生變化，水平循環荷載使得樁身產生累計變形，甚至導致樁基發生傾斜事故，影響上部海洋構筑物的正常使用功能，而斜樁基礎具有一定水平承載性能，因此被廣泛應用于海洋基礎。

國內外學者針對樁基礎水平循環特性開展了較多研究，模型試驗法能夠更直觀地認知其水平受荷特性，被廣泛應用于研究樁基礎的水平循環特性［1-4］。Qin和Guo（2016）［5］對單樁進行了水平循環加載模型試驗，分析了加載頻率對其荷載位移曲線的影響；Chandrasekaran等（2010）［6］采用雙向水平循環加載模型試驗，對群樁基礎的樁數、樁間距進行了探討，分析了循環荷載幅值和循環次數對群樁水平承載力的影響；Yoo等（2013）［7］則通過離心機水平循環加載試驗，研究了不同樁徑時的荷載位移滯回曲線，并考慮了循環頻率和循環次數對樁土動力相互作用的影響規律；張志昊［8］進行了斜樁基礎循環加載試驗，發現斜樁樁身水平位移小于豎直樁。

1 試驗概況

1.1 模型制作及設置

試驗在自制模型槽中進行，循環電機實現水平循環加載。通過改變電機下的砝碼位置改變循環幅值大小，鋼絞線上的軸力計可對水平力大小進行實時監測。自制帶鋼珠加載平臺實現模型試驗中豎向荷載與水平荷載的耦合，試驗裝置如圖1所示。

模型縮尺比例為1:50，模型樁直徑為30 mm，壁厚3 mm，樁長800 mm，樁表面經過打磨粗糙處理。樁頂嵌入承臺深度為40 mm。地基土樣采用細砂，相對密度2.68，內摩擦角34°，最大干密度1.56 g/cm3。試驗中，為分析邊界效應的影響，在模型箱邊界處粉土內布置壓力盒P1、P2，試驗過程中壓力盒數值均在0.1 N以內，因此可忽略邊界效應。

圖1 模型試驗裝置圖

1.2 試驗過程

群樁為4樁基礎，入土深度為700 mm。水平荷載方向與斜樁傾角方向一致的斜樁可稱為正斜樁，反之為負斜樁。通過單樁斜樁對比試驗發現正斜樁水平承載力高于負斜樁，因此本文聚焦正斜樁的相關水平循環試驗，其中豎直樁為前排樁，斜樁為后排樁。

作為對照組分析，開展了斜樁群樁水平靜載試驗，將地基土面水平位移達到0.15倍樁徑時的水平荷載作為靜力水平極限荷載。試驗采用低頻循環荷載，確定荷載循環次數為60次，試驗過程中控制作動桿的加載頻率在2Hz和4Hz，荷載位移幅值1mm，2mm和3mm。

試驗時先施加頻率為2Hz時，位移幅值為1mm的水平循環荷載，觀察斜樁群樁基礎的荷載響應，其后再施加4Hz頻率，每級循環荷載完成后，需重新填筑地基土。

2 試驗結果及分析

2.1 荷載-位移關系曲線

選取循環次數為30次時的群樁基礎水平循環加載試驗結果，分析位移幅值對土表處樁身位移變化，如圖2所示。荷載位移曲線非線性較為明顯，隨著水平位移幅值由1 mm增加到3 mm，其非線性越來越明顯，土表處樁身位移和滯回圈面積也越來越大；斜樁土表處樁身水平位移小于豎直樁，而豎直樁的殘余水平位移大于斜樁。

圖2 荷載-位移曲線

2.2 樁-土水平割線模量

樁-土水平割線模量可定義為水平荷載與土表處樁身水平位移的比值，其值一定程度上反映樁周土體的變形模量，如圖3所示。樁土水平割線模量隨循環位移幅值的增加而減小，初期循環時，樁土水平割線模量急劇增大，隨著循環次數的增加而趨于平緩，可見水平單向循環荷載能夠大幅提高樁土水平割線模量，主要由于水平循環荷載使得樁前側土體擠壓，進而提高了土體變形模量。循環位移幅值由1 mm增加至2 mm，3 mm時，樁土最終割線模量分別為45.9 N/mm，34.7 N/mm，29.1 N/mm，降幅分別為24.4%，36.6%，可見樁土水平割線模量隨著位移幅值的增加而減小，而斜樁樁土水平割線模量隨著斜度的增加而增大，并且大于豎直樁，這是由于正斜樁樁前土體更利于被壓實，且傾斜度越大，土體模量提高越顯著。

圖3 樁土水平割線模量

3 結論

（1）斜樁土表處樁身水平位移小于豎直樁，而豎直樁的殘余水平位移大于斜樁，斜樁土表樁身殘余水平位移亦隨之斜度的增加而減小。

（2）群樁在循環荷載作用下，樁土水平割線模量隨循環次數的增加而增大，位移幅值由1mm增加至2mm，3mm時，樁土割線模量逐漸減小，斜樁樁土水平割線模量大于豎直樁，并隨著斜度的增加而增大。