周德泉， 黎冬志,2， 馮晨曦， 陳圣保， 周毅

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114; 2.貴州宏信創(chuàng)達(dá)工程檢測(cè)咨詢有限公司;3.廣東省長大公路工程有限公司)

1 前言

傾斜樁常用于橋梁、碼頭、輸電線路等高聳結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)，以抵抗較大的水平荷載，其作為主動(dòng)樁的工作機(jī)制受到關(guān)注。Meyerhof等采用模型試驗(yàn)研究了斜樁在傾斜荷載下的受力-變形特性，給出了樁身傾斜度、荷載傾斜角對(duì)斜樁樁頂水平位移的影響曲線；Zhang等通過離心機(jī)試驗(yàn)研究了斜樁的水平承載特性，并對(duì)直樁p-y曲線進(jìn)行修正，得到了斜樁的p-y曲線；鄭剛等對(duì)傾斜樁受水平荷載和豎向荷載開展研究，認(rèn)為同等條件下，受水平荷載時(shí)傾斜單排樁的抗傾覆能力優(yōu)于豎直單排樁；隨著排樁傾斜度增加，樁身最大水平位移和樁身最大彎矩均逐漸減??；呂凡任等開展對(duì)稱雙斜樁基礎(chǔ)研究，認(rèn)為受相同水平荷載作用下，雙斜樁基礎(chǔ)的水平位移隨著斜樁傾角的增加，其水平位移逐漸減小。受豎向荷載作用下樁的傾角在5°～10°內(nèi)變化時(shí)，其豎向承載力較大，與其他傾角對(duì)稱雙斜樁基礎(chǔ)相比較，該傾角范圍最優(yōu)；凌道盛研究了砂土地基斜樁水平承載特性，認(rèn)為p-y曲線法能夠很好地揭示斜樁水平承載特性；徐江對(duì)大口徑鋼管斜樁進(jìn)行數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，認(rèn)為直樁的極限承載力小于設(shè)計(jì)值，斜樁的極限承載力大于設(shè)計(jì)值，斜樁端阻力占比高于直樁，樁側(cè)阻力占比低于直樁；王新泉開展傾斜樁模型試驗(yàn)，認(rèn)為傾斜樁水平位移主要發(fā)生在樁體上部，約1/3樁長范圍內(nèi)；傾斜樁水平位移量隨著上部荷載和傾斜角度的增加而增大；曹衛(wèi)平采用有限元軟件模擬了斜樁在水平荷載作用下的性狀，認(rèn)為正斜樁(樁頂水平荷載方向與樁身傾斜方向相同)的水平承載力比直樁大，負(fù)斜樁(樁頂水平荷載方向與樁身傾斜方向相反)的水平承載力比直樁小，正斜樁樁頂水平位移小于直樁，負(fù)斜樁樁頂水平位移大于直樁；李吉人通過數(shù)值模擬，認(rèn)為在斜樁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力中，斜樁的軸力起主要支配作用，可有效分擔(dān)地震的作用力，在輸入地震動(dòng)不同時(shí)，直樁結(jié)構(gòu)與斜樁結(jié)構(gòu)的抗震性能不同。以上研究集中在傾斜樁主動(dòng)承載時(shí)的工作機(jī)制，作為被動(dòng)樁的傾斜樁工作機(jī)制少見報(bào)道。該文提出在路堤坡腳采用負(fù)斜樁抵抗軟土側(cè)向移動(dòng)，采用室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究路堤重復(fù)加卸載下坡腳處頂部約束雙排傾斜摩擦樁變位規(guī)律，為高路堤下軟土工程的處治設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)與參考。

2 模型試驗(yàn)概況

此次試驗(yàn)在1 420 mm×720 mm×1 100 mm(長×寬×高)的模型槽中進(jìn)行，模型槽用鋼條焊接成框架，加鋼化玻璃和木板組裝而成。槽內(nèi)模型樁布置如圖1所示，圖中4根樁和4根連梁都采用木板制成方形模具，再填充水泥砂漿。4根樁的傾斜角(樁軸線與垂線之間的夾角)分別為0°、3°、6°、9°。模型樁和連梁的具體參數(shù)見表1。

圖1 模型樁布置示意圖(單位:mm)

樁號(hào)邊長D/mm長度L/mm截面形狀彈性模量E/GPa材料0°樁、3°樁、6°樁、9°樁30800方形12.06水泥砂漿連梁3080方形12.06水泥砂漿

模型土采用干砂，最大粒徑3 mm，不均勻系數(shù)Cu=5.5，曲率系數(shù)Cc=2.7，級(jí)配良好，土體在自重作用下沒有明顯分層，填土厚度1 m。填土前，先把各樁在模型槽內(nèi)的分布位置按圖1(a)確定好，然后用方木和透明膠在全部模型樁中部、頂部分別固定，確保填土?xí)r樁的傾斜角準(zhǔn)確、穩(wěn)定。當(dāng)填土厚度500 mm左右時(shí)，拆除支護(hù)方木，用AB膠固定連梁。6°樁和9°樁外側(cè)在不同深度(距離樁頂分別為50、190、330、470、610、750 mm)水平設(shè)置直徑為φ10 mm的12根PVC管，用透明膠將PVC管端與樁表面無縫緊貼，確保模型土不進(jìn)入PVC管內(nèi)形成堵塞、影響側(cè)移的測(cè)試精度。填筑采用“砂雨法”，每層10 cm。完成后靜置近1個(gè)月，讓模型土自重沉降。

百分表用加長探針接長。試驗(yàn)前，將加長探針穿過水平PVC管，穩(wěn)固安裝6°、9°樁豎直方向上不同位置的12個(gè)百分表，0°、3°樁的頂部分別安裝1個(gè)百分表。整個(gè)試驗(yàn)由標(biāo)定后的千斤頂加載，通過固定式反力梁提供反力。此次試驗(yàn)共進(jìn)行3次重復(fù)加、卸載。試驗(yàn)參照J(rèn)GJ 79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行，在540 mm×540 mm×10 mm(長×寬×厚)的承壓鋼板上共進(jìn)行了3次加載和卸載循環(huán)，模擬路堤3次重復(fù)加卸載，獲得了承壓鋼板側(cè)面(相當(dāng)于路堤坡腳處)頂部約束的雙排傾斜摩擦樁的變位規(guī)律。

3 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 路堤3次重復(fù)加卸載過程與沉降曲線特征

圖2為路基壓力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。

圖2 路基壓力P-沉降s曲線

由圖2可知：第1次和第3次加載曲線形態(tài)相似，均呈“上凸形”，符合填土地基的變形特征；第2次加載前期曲線形態(tài)也呈“上凸形”，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(yīng)。隨后沉降增長緩慢，原因是模型土在高壓下非常密實(shí)，第3次加載曲線比前2次加載曲線平緩也是這個(gè)原因。3次卸載曲線規(guī)律相似，即卸載前期均體現(xiàn)不可恢復(fù)的塑性變形，僅僅卸載到零才有明顯的彈性變形。

3.2 加載過程中后排樁樁身側(cè)移隨深度變化規(guī)律

圖3～5為3次加載過程中，后排傾斜樁在各級(jí)荷載(指路基承受的垂直荷載，下同)下樁身側(cè)移x與離樁頂距離z的變化曲線。

圖3 第1次加載過程中后排樁身側(cè)移隨深度變化規(guī)律

圖4 第2次加載過程中后排樁身側(cè)移隨深度變化規(guī)律

圖5 第3次加載過程中后排樁身側(cè)移隨深度變化規(guī)律

由圖3～5可知：

(1) 3次加載過程中，樁身側(cè)移隨深度變化曲線與縱軸之間均呈“上寬下窄”的倒梯形，即隨著荷載的增加，6°樁和9°樁的樁身各截面?zhèn)纫浦饾u增加，且樁身上部側(cè)移增速大于下部側(cè)移增速，樁底側(cè)移最小，但不為零，與復(fù)合地基上加載時(shí)側(cè)向約束樁的樁身側(cè)移沿深度先增大、后減小、存在峰值明顯不同，說明加載過程中，頂部約束的后排摩擦傾斜樁破壞模式為“平移+繞樁底轉(zhuǎn)動(dòng)”。

(2) 3次加載過程和各級(jí)荷載作用下，某標(biāo)高處6°樁側(cè)移大于9°樁側(cè)移，即對(duì)于負(fù)斜樁，加載過程中樁身側(cè)移隨傾斜角增大而減小。

(3) 不同壓力階段，側(cè)移發(fā)展過程有差異。首次加載過程中，樁身側(cè)移隨加載增加而增加，加載到一定壓力，側(cè)移增速減小。再次加載過程中，首次極限壓力范圍內(nèi)樁身側(cè)移不敏感，超過首次極限壓力時(shí)，側(cè)移隨加載增加而增加；加載到一定壓力下，側(cè)移增速減小。分析認(rèn)為，土體在每一級(jí)加載過程中逐漸產(chǎn)生塑性變形，土體壓實(shí)度逐漸增高，模型槽的約束使樁背產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，樁側(cè)移趨于穩(wěn)定。第3次加載過程中，首次極限壓力范圍內(nèi)樁身側(cè)移不敏感，超過首次極限壓力時(shí)，側(cè)移才明顯增加。

3.3 卸載過程中后排樁樁身側(cè)移隨深度變化規(guī)律

圖6～8為卸載過程中，后排樁在各級(jí)荷載下樁身側(cè)移x與離樁頂距離z的變化曲線。

由圖6～8可知：

圖6 第1次卸載過程中后排樁身側(cè)移隨深度變化規(guī)律

圖7 第2次卸載過程中后排樁身側(cè)移隨深度變化規(guī)律

圖8 第3次卸載過程中后排樁身側(cè)移隨深度變化規(guī)律

(1) 3次卸載過程中，樁身側(cè)移隨深度變化曲線維持相應(yīng)最大加載時(shí)的曲線線形，與縱軸之間均呈“上寬下窄”的倒梯形。

(2) 3次卸載過程中，后排樁樁身各截面?zhèn)纫撇幻舾校瑑H僅卸載到零才有明顯縮小，與豎向卸載規(guī)律一致。原因是，樁身各截面?zhèn)纫浦饕獮樗苄宰冃巍?/p>

(3) 不同卸載階段，側(cè)移發(fā)展過程相同。

3.4 不同加卸載階段相同壓力下后排樁樁身側(cè)移變化規(guī)律

圖9為3次循環(huán)加卸載階段樁身側(cè)移變化規(guī)律對(duì)比。此處“加載”指每次循環(huán)最大荷載，“卸載”指每次卸載為零。

圖9 不同加卸載階段樁身側(cè)移變化規(guī)律

由圖9可知：

(1) 3次循環(huán)加載階段，6°樁加載曲線均在9°樁加載曲線的右側(cè)；3次循環(huán)卸載階段，6°樁卸載曲線均在9°樁卸載曲線的右側(cè)。說明某荷載作用下，6°樁側(cè)移大于9°樁側(cè)移，即對(duì)于負(fù)斜樁，加(卸)載過程中樁身側(cè)移隨傾斜角增大而減小。這與鄭剛研究的傾斜單排樁在水平荷載作用下，隨著排樁傾斜度增加，樁身最大水平位移逐漸減小結(jié)論相似。

(2) 3次循環(huán)加(卸)載階段，各樁“加載”到循環(huán)最大荷載、“卸載”到零，樁身側(cè)移曲線形態(tài)相同；“卸載”曲線總在“加載”曲線左側(cè)，說明“卸載”到零時(shí)出現(xiàn)彈性變形。

3.5 各傾斜樁頂側(cè)移隨3次重復(fù)加載變化規(guī)律

圖10為重復(fù)加載過程中不同傾斜角度樁頂側(cè)移y與地基側(cè)向加載P的變化曲線。

由圖10可知：

圖10 不同傾斜角度樁頂側(cè)移隨加載變化規(guī)律

(1) 首次加載時(shí)，各傾斜樁頂側(cè)移均隨荷載增大而增大，加載到一定值時(shí)，豎直樁頂側(cè)移突增、率先屈服，隨后趨于穩(wěn)定，說明豎直樁的水平承載力比負(fù)斜樁小。各樁再次加載時(shí)，各傾斜樁頂側(cè)移均隨荷載增大而緩慢增大，荷載超過前一次加載的最大荷載時(shí)，傾斜樁頂側(cè)移突增、屈服，隨后趨于穩(wěn)定，這與樁后土體趨于被動(dòng)狀態(tài)密切相關(guān)。

(2) 3次加載過程中，樁頂側(cè)移均隨荷載增大而增大。相同荷載作用下，負(fù)斜樁頂側(cè)移小于豎直樁，與負(fù)斜樁在樁頂水平荷載作用下樁頂水平位移大于直樁相反。樁頂側(cè)移均隨傾斜角增大而減小，說明適當(dāng)增大傾斜角度可減少樁頂側(cè)移。工程中，施工可行時(shí)，可以將坡腳樁設(shè)置一定傾斜角度來減少樁頂側(cè)移、提高加固效果。

3.6 各傾斜樁頂側(cè)移隨3次重復(fù)卸載變化規(guī)律

圖11為重復(fù)卸載過程中不同傾斜角度樁頂側(cè)移y與地基側(cè)向卸載P變化曲線。

由圖11可知：

(1) 3次卸載過程中，荷載大于20 kN時(shí)曲線是豎直的，低于20 kN才出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，說明在卸載的初、中期，樁頂水平位移沒有變化，為不可恢復(fù)的塑性變形，到最后1～2級(jí)荷載時(shí)開始出現(xiàn)彈性變形。荷載卸為零時(shí)，彈性變形最大，此規(guī)律與地基土的垂直位移回彈曲線相似。

(2) 3次卸載過程中，0°樁側(cè)移曲線位于3°樁右側(cè)，6°樁側(cè)移曲線位于9°樁右側(cè)，說明對(duì)于同一排樁，相同荷載作用下，樁頂側(cè)移均隨傾斜角增大而減小。

圖11 不同傾斜角度樁頂側(cè)移隨卸載變化規(guī)律

3.7 不同加載階段傾斜樁頂側(cè)移變化規(guī)律

圖12為不同加載階段樁頂側(cè)移y與地基側(cè)向加載P變化曲線。

由圖12可知：

圖12 不同加載階段樁頂側(cè)移變化規(guī)律

(1) 首次加載和重復(fù)加載過程中，樁頂側(cè)向位移隨荷載的增加而增加，增加速率隨重復(fù)加載次數(shù)增加而減少。分析認(rèn)為經(jīng)過前一次加載，樁土發(fā)生了不可恢復(fù)的塑性變形。第2次加載到一定值后，樁頂側(cè)移不再增加，分析原因?yàn)閳D2所示路基沉降s在壓力P增大到一定值后增長緩慢造成的。

(2) 重復(fù)加載過程中，若荷載超過前次加載的最大荷載，地基側(cè)向加載P與樁頂側(cè)移曲線將回到前次加載曲線的延長線，即具有記憶效應(yīng)。這與土體的再壓縮曲線特征類似。

3.8 不同卸載階段傾斜樁頂側(cè)移變化規(guī)律

圖13為不同卸載階段樁頂側(cè)移y與地基側(cè)向加載P變化曲線。

由圖13可知：

(1) 每次卸載階段的曲線都是從豎直線向原點(diǎn)發(fā)展，卸載初期，荷載的減小不影響樁頂側(cè)移，當(dāng)卸載到最后1～2級(jí)時(shí)樁頂側(cè)移開始減小，尤其是當(dāng)荷載減為0時(shí)側(cè)移回彈最大。每個(gè)階段的曲線線形相似且互相平行。

(2) 第2次卸載曲線在第1次卸載曲線右側(cè)，而第3次卸載一開始在第2次卸載曲線左側(cè)，到最后1級(jí)兩曲線基本重合。分析認(rèn)為第1次卸載最大荷載小于第2次卸載最大荷載，再次加高荷載階段的變形有塑性和彈性兩種變形。而當(dāng)再次加低荷載，即第3次卸載最大荷載小于第2次卸載最大荷載時(shí)，只發(fā)生彈性變形，完全卸載后恢復(fù)到第2次卸載時(shí)的位移。

圖13 不同卸載階段樁頂側(cè)移變化規(guī)律

4 結(jié)論

通過對(duì)路基重復(fù)加卸載下，頂部約束雙排傾斜摩擦樁被動(dòng)受力變位規(guī)律的研究，得到以下結(jié)論：

(1) 加載過程中，頂部約束后排摩擦傾斜樁樁身側(cè)移隨深度變化曲線與縱軸之間呈“上寬下窄”的倒梯形，與復(fù)合地基上加載時(shí)側(cè)向約束樁的樁身側(cè)移沿深度先增大后減小、存在峰值明顯不同。破壞模式為“平移+繞樁底轉(zhuǎn)動(dòng)”。對(duì)于負(fù)斜樁，加載過程中樁身側(cè)移隨傾斜角增大而減小。不同加壓階段，側(cè)移發(fā)展過程有差異。首次加載過程中，樁身側(cè)移隨加載增加而增加。再次加載過程中，首次極限壓力范圍內(nèi)樁身側(cè)移不敏感，超過首次極限壓力時(shí)，側(cè)移隨加載增加而增加。

(2) 相同荷載作用下，負(fù)斜樁頂側(cè)移小于豎直樁，與負(fù)斜樁主動(dòng)承受樁頂水平荷載作用下樁頂水平位移大于直樁相反。首次加載時(shí)，各傾斜樁頂側(cè)移均隨荷載增大而增大，加載到一定值時(shí)，豎直樁頂側(cè)移突增、率先屈服，隨后趨于穩(wěn)定。再次加載時(shí)，荷載超過前一次加載的最大荷載時(shí)，傾斜樁頂側(cè)移突增，路基側(cè)向加載與樁頂側(cè)移曲線將回到前次加載曲線的延長線，即具有記憶效應(yīng)，隨后屈服、趨于穩(wěn)定；荷載沒有超過前一次加載的最大荷載時(shí)，樁頂側(cè)移隨荷載增大而緩慢增加。

(3) 卸載過程中，樁身各截面?zhèn)纫撇幻舾?，僅僅卸載到最后1～2級(jí)荷載時(shí)才有明顯縮小。

(4) 工程中，建議將坡腳樁盡量設(shè)置一定傾斜角度(斜向道路中線)，以減少樁頂樁身側(cè)移、提高加固效果。