振動荷載下傾斜樁復合地基變形控制研究

作者簡介：

羅陽明（1979—），工學博士，高級工程師，主要從事公路、鐵路巖土工程專業研究工作。

橋梁等工程現場施工時難免出現因施工不當或側向開挖等因素導致樁基礎產生傾斜，而目前對于含不同傾斜角的樁及地基在振動循環荷載下的變形性能研究較少。文章通過室內模型試驗，對含不同傾斜角管柱樁及地基施加豎向循環荷載，測量其在不同加卸載階段的沉降量和水平位移。結果表明：（1）在加卸載過程中，樁和地基的沉降及水平位移隨著荷載、加載次數和傾斜角度的增加而增大，實際工程中可以通過預壓法減少后期的沉降和水平位移量;（2）每次加卸載時土體產生的沉降與位移變形，均包含彈性變形和塑性變形。結合試驗結果，對傾斜管柱樁在豎向循環作用下可能產生的病害進行了機理分析，并提出了防治措施。

傾斜樁;循環荷載;沉降量;水平位移;防治措施

U443.15A481723

0 引言

工程地基在建設過程中往往會存在很多樁基礎，施工過程中的不當行為或者周邊應力產生變化經常會導致樁基礎產生傾斜現象，從而給工程安全性和后期施工帶來挑戰，因此已經有很多學者開始對這一現象進行研究[1-2]。

呂凡任等[3]通過對傾斜樁上部施加平面荷載，研究得到傾斜樁的變形情況，結合工程規范，認為在傾斜角<10°時，傾斜樁基礎仍然可以滿足工程需求;蘇子將等[4]通過數值模擬的方法，驗證了傾斜樁傾斜角度與最大承載能力之間的關系;有學者通過模型試驗還原現場工況，研究了傾斜樁在不同荷載作用下的相關工程特性，得到了傾斜樁承載能力的影響因素以及荷載傳遞機理[5-6];胡文紅等[7]通過數值模擬與現場試驗相結合的方式，得到了加固傾斜樁周圍土體對于改善傾斜樁承載能力的作用。

從以上的研究可以發現，目前對于傾斜樁基礎的研究方式主要是以數值模擬、現場試驗和室內模型試驗為主[8-9]，而荷載方式則是較為單一的豎向荷載或水平荷載[10-11]，對于工況較為復雜的傾斜樁復合地基基礎在循環荷載作用下的研究較少見。本文以室內模型試驗為基礎，研究某一橋梁工程傾斜樁基礎在豎向重復加卸載條件下的變形特性，旨在為類似工程病害產生機理及防治措施提供理論支撐。

1 工程概況及試驗設計

1.1 工程概況

本次試驗的工程背景為雙柱式橋墩，地基基礎中擁有灌注樁和立柱，在施工過程中發現灌注樁和立柱出現傾斜位移。結合實際工程與試驗方案，設計室內相關模型，模型中的樁截面形狀為正方形，邊長為50 mm，長度為800 mm，共設計5根樁，樁頂平面圖如圖1所示。填充水泥砂漿等材料后將制作完成的模型養護90 d后開始加載試驗。

1.2 試驗方案

傾斜角的定義為樁與豎向垂直線之間的夾角，通過現場實測發現，樁的傾斜角所在范圍為0°～12°。為了研究不同傾斜角對于樁抵抗振動荷載的能力，在模型中設置樁的傾斜角為0°、3°、6°、9°和12°，圖2中Z9表示傾斜角為9°的樁。對模型試驗箱上方施加豎向的循環荷載，施加荷載的裝置采用千斤頂。本次試驗一共進行5輪加卸載，每輪加卸載的最大荷載值分別為36.5 kN、39.2 kN、44.7 kN、50.1 kN和55.5 kN，然后測量不同傾斜樁和復合地基在不同加載次數和荷載值下的沉降量及水平位移變化情況。

2 結果分析

2.1 加卸載過程沉降量分析

通過測量加卸載過程中傾斜樁復合地基的沉降量，得到不同傾斜角樁的沉降量。鑒于篇幅限制，加之前人的研究，選取傾斜角度為9°的Z9樁進行分析，得到如圖2所示的結果。

所有樁的加卸載曲線形態大致相同，從圖2中可以看出，加載-沉降曲線整體呈上凸型，且第一次加載的沉降量最大，后面4次的加卸載過程得到的加載-沉降曲線均比較平穩，且沉降量隨著加載次數的增加而不斷減小，說明樁基礎在預應力加載的過程中能達到較好的壓密過程，因此在實際工程中，提前預壓可以減小后期的沉降量。從圖2中可以看出，每次加載荷載最大值所對應的沉降量幾乎處于同一線上，說明該樁所在地基的加載沉降是具有加載記憶效應的。從圖2中還可以看出，卸載-沉降曲線近似為直線，隨著加卸載次數的增加，沉降量均是不斷增加的，說明加卸載對地基產生了彈性變形和塑性變形。

2.2 不同加卸載過程沉降量分析

通過測量每次加卸載過程中不同傾斜樁及復合地基的沉降量，得到不同加卸載階段的沉降量。鑒于篇幅限制，選取第五次加卸載時不同傾斜樁及承壓板的沉降量進行分析，得到如圖3所示的結果。

由圖3（a）可知，所有測點在加載過程中隨著荷載的增加，其沉降量均是不斷增大的，因此實際工程中可以通過減小荷載降低沉降量;在相同的荷載及加載次數下，傾斜樁傾斜的角度越大，沉降量越大，但是均低于承壓板的沉降量;在相同的荷載及加載次數下，傾斜角為3°和6°時的樁沉降量較為接近，當傾斜角升高到9°時，樁沉降量突增，說明通過減小傾斜角可以提高樁的承載能力。

由圖3（b）可知，在剛卸載時，存在一個沉降量突增的現象，隨著荷載的繼續卸載，沉降量處于穩定的狀態，說明土體彈性變形已經恢復。在相同的荷載及加載次數下，傾斜樁傾斜的角度越大，沉降量越大，但是均低于承壓板的沉降量，與加載時的結果基本相同。

2.3 不同加卸載過程側向位移分析

通過測量加卸載過程中傾斜樁復合地基的側向位移量，得到不同傾斜角樁的水平位移量，不同傾斜角度的樁及地基的加卸載-位移曲線形態均大致相同。鑒于篇幅限制，加之前人的研究，選取傾斜角度為9°的Z9樁進行分析，得到如圖4所示的結果。

由圖4可知，所有的加載-位移曲線形態為向左凸，卸載-位移曲線形態為向右凸;第一次加載時樁的位移量最大，后期隨著加載次數的增加，位移也在增大，但是幅度相對較小，工程上可以通過預加載減小后期的位移量;每次加載荷載最大值所對應的位移量幾乎處于同一線上，說明該樁所在地基的加載位移是具有加載記憶效應的;前一次加卸載的卸載-位移曲線在下一次加卸載的加載-位移曲線右方，說明每一次加卸載時土體既有彈性變形也有塑性變形，且卸載過程中土體彈性變形的恢復時間較晚。

2.4 病害機理與治理措施

由圖4可知，在豎向荷載作用下，樁的傾斜角越大，產生的沉降量也越大。在橋梁工程中，預應力管柱樁的沉降會導致筏板端頭女兒墻開裂;在豎向荷載作用下，樁會產生水平位移，且荷載越大，位移量也越大。在橋梁工程中，筏板及擋土墻在荷載作用下不斷產生位移，推擠橋梁部分結構會導致立柱產生裂紋。

從以上試驗結果可以看出，第一次加載會產生較大的沉降和位移，但是在第二次加載開始階段，直到加載至第一次最大荷載前，并不會產生較大的沉降和位移。因此，通過卸載少量填土，采用輕質土是一種很好的防治措施。

3 結語

本文通過對不同傾斜角管柱樁及地基施加豎向循環荷載，測量其在不同加卸載階段的沉降量和水平位移，得到如下幾點結論：（1）在加卸載過程中，樁和地基的沉降及水平位移隨著荷載、加載次數和傾斜角度的增加而增大，實際工程中可以通過預壓法減少后期的沉降和水平位移量;（2）每次加卸載時土體產生的沉降與位移變形，均包含彈性變形和塑性變形。由此，通過試驗結果對傾斜管柱樁在豎向循環作用下可能產生的病害進行了機理分析，并提出了相應的防治措施。

[1]王云崗，章 光，胡 琦.斜樁基礎受力特性研究[J].巖土力學，2011，32（7）：2 184-2 190.

[2]ZHANG L M，MCVAY M C，HAN S J，et al.Effects of Dead Loads on the Lateral Response of Battered Pile Groups [J].Canadian Geotechnical Journal，2002，39（3）：561-575.

[3]呂凡任，陳云敏，陳仁朋，等.任意傾角斜樁承受任意平面荷載的彈性分析[J].浙江大學學報（工學版），2004，38（2）：191-194.

[4]蘇子將，羅書學，康 寅.軟土地基中傾斜樁基承載力數值分析[J].巖土工程與地下工程，2008，28（5）：75-76.

[5]MEYERHOF G G，YALCIN A S.Behaviour of Flexible Batter Piles Under Inclined Loads in Layered Soil [J].Canadian Geotechnical Journal，2011，30（2）：247-256.

[6]曹衛平，陸清元，樊文甫，等.豎向荷載作用下斜樁荷載傳遞性狀試驗研究[J].巖土力學，2016，37（11）：3 048-3 056.

[7]胡文紅，鄭 剛.淺層土體加固對傾斜樁豎向承載力影響研究[J].巖土工程學報，2013，35（4）：697-706.

[8]李龍起，羅書學.非均勻地基中傾斜樁基豎向承載特性模擬試驗研究[J].巖土力學，2012，33（5）：

1 300-1 305.

[9]徐 江，龔維明，張 琦，等.大口徑鋼管斜樁豎向承載特性數值模擬與現場試驗研究[J].巖土力學，2017，38（8）：2 434-2 440.

[10]鄭 剛，王 麗.豎向荷載作用下傾斜樁的荷載傳遞性狀及承載力研究[J].巖土工程學報，2008，30（3）：323-330.

[11]鄭 剛，李 帥，杜一鳴，等.豎向荷載作用下傾斜樁的承載力特性[J].天津大學學報：自然科學版，2012，45（7）：567-576.