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 陸清元，  曹衛(wèi)平，  李升，  樊文甫

 （西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院，西安710055）

[摘要]  通過(guò)模型試驗(yàn)研究了豎向荷載作用下長(zhǎng)徑比為25時(shí)，不同傾角的斜樁的承載變形及荷載傳遞性狀，并與豎向荷載作用下的直樁的承載變形及荷載傳遞性狀進(jìn)行了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明：斜樁的樁頂沉降大于直樁的樁頂沉降，斜樁樁身傾角越大，斜樁的樁頂沉降超過(guò)直樁的樁頂沉降越多；斜樁樁身軸力均小于直樁樁身軸力，斜樁樁身傾角越大，樁身軸力沿深度衰減得越快；斜樁樁身彎矩主要發(fā)生在樁體上部1/2樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，且隨著樁身傾角的增大而增大，樁身最大彎矩出現(xiàn)的位置與樁身傾角無(wú)關(guān)。斜樁樁側(cè)平均摩阻力的分布與樁身傾角密切相關(guān)；斜樁最大樁側(cè)平均摩阻力出現(xiàn)在樁頂下約1/5樁長(zhǎng)處。

[關(guān)鍵詞]  斜樁；模型試驗(yàn)；傾角；沉降；軸力；彎矩；摩阻力

0  引言

 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了一系列斜樁工作性狀的試驗(yàn)研究，取得了許多成果。Sharma等、王新泉等分別通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)對(duì)斜樁的豎向承載力進(jìn)行了研究，這對(duì)于認(rèn)識(shí)斜樁的承載變形特性具有重要意義。Sawaguchi等設(shè)計(jì)了模型試驗(yàn)，對(duì)均質(zhì)軟土中傾斜單樁的側(cè)摩阻力進(jìn)行了初步研究；Hanna等通過(guò)模型試驗(yàn)研究了傾角對(duì)斜樁摩阻力的影響，但未考慮摩阻力沿深度發(fā)揮效應(yīng)，這與實(shí)際情況不符；孔剛強(qiáng)等進(jìn)行了黏土堆載固結(jié)條件下15。單斜樁室內(nèi)模型試驗(yàn)，探討了樁一土相對(duì)位移與樁側(cè)摩阻力發(fā)揮之間的關(guān)系；李龍起等在非均勻地基中進(jìn)行了傾斜樁基模型試驗(yàn)，對(duì)斜樁樁身軸力及彎矩分布進(jìn)行了分析。另外，花鵬和云天銓等分別通過(guò)數(shù)值模擬和理論分析對(duì)斜樁的側(cè)摩阻力、樁身彎矩進(jìn)行了分析。目前對(duì)斜樁的研究主要集中在對(duì)其承載力的研究上，對(duì)斜樁荷載傳遞規(guī)律和樁身內(nèi)力的研究較少。為此，本文在室內(nèi)進(jìn)行了豎向荷載作用下的斜樁模型試驗(yàn)，分析樁身傾角對(duì)斜樁沉降、樁身軸力、樁身彎矩及側(cè)摩阻力的影響，并與直樁的工作性狀進(jìn)行對(duì)比。

1  試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置由模型槽、反力梁、加載裝置和量測(cè)裝置四部分組成，如圖1所示。模型槽4個(gè)側(cè)壁為12mm厚的鋼化玻璃，反力梁用兩根2m長(zhǎng)的10號(hào)工字鋼焊接而成，作用于反力梁上的樁頂荷載由模型槽自重及槽內(nèi)砂土重量平衡，通過(guò)千斤頂給樁頂施加荷載，用軸力傳感器測(cè)量樁頂荷載，用百分表測(cè)量樁頂沉降。

1.2試驗(yàn)材料

 本文試驗(yàn)設(shè)計(jì)了直樁和5。，10。，15。三種傾角的斜樁。模型樁采用長(zhǎng)1000mm、外徑40mm、壁厚2.0mm的PVC管制作，樁長(zhǎng)徑比//D=25。制作時(shí)，先將PVC管沿縱向剖成相同的兩個(gè)管片，在每個(gè)管片的內(nèi)壁沿縱向從樁頂?shù)綐抖说乳g距( lOcm)粘貼應(yīng)變片，然后將兩個(gè)管片沿剖切線合攏并粘結(jié)牢固，每個(gè)管片同一個(gè)截面處均粘貼2個(gè)應(yīng)變片，樁身每個(gè)截面處均粘貼有4個(gè)應(yīng)變片以監(jiān)測(cè)樁身軸向應(yīng)變，相鄰兩個(gè)應(yīng)變片平面位置夾角為90。。

 試驗(yàn)選用干凈的中粗河砂填人模型槽內(nèi)模擬地基土，砂不均勻系數(shù)C。=6. 345，曲率系數(shù)G。=1. 026，最大、最小干密度分別為2.006，1.535g/cm3。按1.3節(jié)試驗(yàn)方法填人模型槽并經(jīng)振動(dòng)壓密后砂土重度在17. 23~17. 78kN/m3之間，平均重度為17. 51 kN／rri3，內(nèi)摩擦角為41.20。

1.3試驗(yàn)方法

 模型槽安裝完成后，在槽底填筑40cm厚的密實(shí)砂土模擬樁端持力層，然后將同一組試驗(yàn)的一根直樁及一根斜樁安放到預(yù)定位置并固定，兩根樁的樁間距及樁與模型槽內(nèi)壁的距離均大于6倍樁徑，以消除邊界效應(yīng)。模型樁安裝完成后，向模型槽內(nèi)分層填筑砂土，每層鋪設(shè)厚度為20cm；為保證在每組試驗(yàn)中，砂土填入模型槽后有基本相同的物理力學(xué)性質(zhì)，每層填完后將該層砂頂面整平，并用振動(dòng)機(jī)進(jìn)行壓密，每層砂的壓密時(shí)間相同，然后再填筑下一層砂土直到預(yù)定的高度。

 本文試驗(yàn)加載方式采用慢速荷載維持法，按預(yù)估試樁極限承載力的1/10分級(jí)加載。根據(jù)樁基規(guī)范規(guī)定并參考有關(guān)文獻(xiàn)中模型試驗(yàn)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，制定如下的加載制度：當(dāng)lOmin內(nèi)樁頂沉降小于0. 01mm且荷載維持時(shí)間不少于30min后即可加下一級(jí)荷載，某級(jí)荷載作用下的樁頂沉降大于前一級(jí)荷載作用下的2倍且30min尚未穩(wěn)定，或某級(jí)荷載作用下的樁頂沉降一時(shí)間關(guān)系曲線（S-lgt）尾部出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，則終止加載。

2  試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1樁頂荷載，沉降關(guān)系

圖2為直樁及斜樁的樁頂荷載一沉降( Q-S)關(guān)系曲線，可以看出，在整個(gè)加載過(guò)程中，直樁及5。，10。傾角的斜樁的Q-S曲線形態(tài)相似，均為緩變型，但15。傾角的斜樁的Q-S曲線在加載后期出現(xiàn)了陡降的趨勢(shì)。從圖2還可以看出，模型樁的樁頂沉降隨著樁頂豎向荷載及樁身傾角的增大而增大，當(dāng)樁頂豎向荷載較小時(shí)，各斜樁的樁頂沉降相差不大，但當(dāng)樁頂豎向荷載超過(guò)3. 2kN后，樁頂沉降差異隨著樁身傾角的變化開(kāi)始明顯，如當(dāng)樁頂豎向荷載達(dá)到4.0kN時(shí)，5。，10。，15。傾角的斜樁樁頂沉降分別達(dá)到了5. 82，6.46，9.05 mm，比直樁樁頂沉降5.63 mm分別增加了3. 37%，14. 74%，60. 75%。

2.2樁身傾角對(duì)樁身軸力的影響

在樁頂豎向荷載作用下，樁頂處的軸力即為該豎向荷載在樁軸線上的分力，樁身各截面軸力Qi可以根據(jù)應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變值，利用下式計(jì)算得到：

式中：Q/為樁身第i截面軸力；8。為樁身第i截面處4個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變平均值；E。為樁彈性模量；A為樁橫截面面積。

圖3對(duì)比了樁頂豎向荷載為3. 6kN時(shí)樁身傾角對(duì)樁身軸力沿深度分布的影響�？梢钥闯�，斜樁及直樁的樁身軸力從樁頂向樁端均逐漸減小，樁身傾角較小時(shí)，軸力衰減較慢，隨著樁身傾角的增大，軸力衰減速率逐漸增加。如當(dāng)樁身傾角為5。時(shí)，樁身軸力從6cm深度處的3.481kN減小為56cm深度處的1. 615 kN，減小了1.866kN；而當(dāng)樁身傾角為15。時(shí)，這兩個(gè)深度處的樁身軸力從3. 359kN變化為1. 162kN，減小了2.197kN。從圖3還可以看出，斜樁樁身軸力總體上小于直樁樁身軸力，當(dāng)樁體深度相同時(shí)，樁身傾角越大，樁身軸力越小，如在1/2樁長(zhǎng)(50cm)處，5。，10。，15。傾角的斜樁樁身軸力分別為1. 732，1.568，1.379kN，分別占直樁樁身軸力1. 831kN的94. 5%，85.6%和75. 3%。

2.3樁身傾角對(duì)樁身彎矩的影響

在樁頂豎向荷載作用下，斜樁會(huì)發(fā)生彎曲。本文采用薄壁空心管來(lái)模擬斜樁，其在受彎過(guò)程中可能發(fā)生橢圓化，精確地計(jì)算其彎矩理應(yīng)考慮橢圓化的影響，但本文只對(duì)不同傾角斜樁彎矩做對(duì)比分析，故樁身各截面彎矩M，可通過(guò)下式進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算：

式中：，為截面慣性矩；A/。為樁身彎曲方向拉壓應(yīng)變差值；d為樁內(nèi)直徑。

樁頂豎向荷載為3. 6kN時(shí)斜樁樁身彎矩隨深度分布如圖4所示�？梢钥闯�，樁身彎矩主要集中在0~ 50cm深度區(qū)段內(nèi)，在20cm深度處達(dá)到最大，在20~ 30cm深度區(qū)段內(nèi)迅速減小，在30~ 50cm深度區(qū)段內(nèi)出現(xiàn)反彎現(xiàn)象，在50cm深度以下區(qū)段樁身彎矩幾乎為零，說(shuō)明樁身彎矩主要分布在樁體上部1/2樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，并在樁頂下1/5樁長(zhǎng)處達(dá)到最大值，樁體下部1/2樁長(zhǎng)范圍內(nèi)幾乎不存在樁身彎矩。從圖4還可以看出，在樁身彎矩存在范圍內(nèi)，不論是正彎矩還是負(fù)彎矩，樁身傾角越大，樁身彎矩也越大，如20cm深度處，5。傾角的斜樁的樁身彎矩為7. 24N．m，而10。，15。傾角的斜樁樁身彎矩達(dá)到了17. 06，26. 65N．m，比5。傾角的斜樁分別增加了135. 6%，268.1%。

2.4樁身傾角對(duì)斜樁樁側(cè)平均摩阻力的影響

在樁頂豎向荷載作用下，斜樁樁體上部會(huì)產(chǎn)生側(cè)向位移，當(dāng)樁頂豎向荷載較大時(shí)，樁體上部區(qū)段會(huì)出現(xiàn)一側(cè)樁一土松動(dòng)甚至脫離而另一側(cè)樁一土壓密的現(xiàn)象。這會(huì)導(dǎo)致一側(cè)樁，土之間壓力由靜止土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃?dòng)土壓力甚至出現(xiàn)零土壓力，而另一側(cè)樁·土之間壓力由靜止土壓力向被動(dòng)土壓力發(fā)展的趨勢(shì)，因而在相同深度處樁體兩側(cè)摩阻力不同。為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，本文采用樁側(cè)平均摩阻力來(lái)反映上述摩阻力的復(fù)雜現(xiàn)象，樁某段的樁側(cè)平均摩阻力q。；可按下式計(jì)算：

式中：M為樁身周長(zhǎng)；Z：為樁身第/-1截面與第i截面間的樁段長(zhǎng)；Qi．．，Q；分別為樁身第/-1截面及第i截面處軸力。

圖5給出了樁頂豎向荷載為3. 6kN時(shí)5。，10。和15。傾角的斜樁樁側(cè)平均摩阻力隨深度的分布曲線�？梢钥闯�，不論樁身傾角為5。，10。還是15。，樁側(cè)平均摩阻力沿深度分布均可以分成三個(gè)區(qū)段，在第一區(qū)段（樁頂下1. 3//10范圍），樁身傾角越大，樁側(cè)平均摩阻力越��；在第二區(qū)段（樁頂下1. 3//10~3. 6//10范圍），樁身傾角越大，樁側(cè)平均摩阻力越大；在第三區(qū)段（樁頂下3. 6//10~Z），樁身傾角越大，樁側(cè)平均摩阻力越小。在樁頂豎向荷載作用下，斜樁樁身上部區(qū)段會(huì)產(chǎn)生一定的水平位移，樁身傾角越大，水平位移也越大，在樁身傾角過(guò)大時(shí)，甚至?xí)�出現(xiàn)樁一土脫離現(xiàn)象，導(dǎo)致樁后土壓力喪失，引起上部樁體樁側(cè)平均摩阻力減小，故在第一區(qū)段樁身傾角越大，樁側(cè)平均摩阻力越小。在第二區(qū)段，盡管斜樁樁身也會(huì)產(chǎn)生水平位移，但在這個(gè)區(qū)段較小的水平位移不會(huì)使樁·土脫離，卻會(huì)使樁與樁前土壓得更緊密，樁身傾角越大，樁與樁前土壓得更緊密，即樁身傾角越大，樁·土界面上的法向應(yīng)力也越大，因而在第二區(qū)段，樁身傾角越大，樁側(cè)平均摩阻力越大。在第三區(qū)段，不論樁身傾角的大小，斜樁均未產(chǎn)生側(cè)向位移，但這個(gè)區(qū)段小傾角的斜樁與樁側(cè)土的相對(duì)滑移大于大傾角的斜樁與樁側(cè)土之間的相對(duì)滑移，因此在第三區(qū)段，斜樁樁身傾角越大，樁側(cè)平均摩阻力越小。

以10。傾角的斜樁與相應(yīng)直樁為例，分析在樁頂豎向荷載逐漸增加過(guò)程中斜樁及直樁的樁側(cè)平均摩阻力沿深度的變化規(guī)律，見(jiàn)圖6�？梢钥闯�，不論是斜樁還是直樁，各深度處樁側(cè)平均摩阻力均隨著樁頂荷載的增加而增大，當(dāng)樁頂豎向荷載較小時(shí)，樁側(cè)平均摩阻力主要集中在樁體上部區(qū)段，樁體下部區(qū)段的樁側(cè)平均摩阻力較��；隨著樁頂豎向荷載的增加，在樁體下部區(qū)段的樁側(cè)平均摩阻力逐步得到發(fā)揮的同時(shí)，樁體上部區(qū)段的樁側(cè)平均摩阻力也逐漸增大。從圖6還可以看出，在各級(jí)荷載作用下，在樁體上部區(qū)段，斜樁的樁側(cè)平均摩力大于直樁的樁側(cè)摩阻力，而在樁體下部區(qū)段，斜樁的樁側(cè)平均摩阻力小于直樁樁側(cè)摩阻力。這是由于在樁頂豎向荷載作用下，直樁僅發(fā)生豎向位移，而斜樁還會(huì)發(fā)生水平位移。另外，整體而言，在樁頂豎向荷載增大的過(guò)程中，斜樁的樁側(cè)平均摩阻力最大值出現(xiàn)的位置并未發(fā)生明顯的變化，約在樁頂下1/5樁長(zhǎng)處，而直樁的樁側(cè)摩阻力最大值出現(xiàn)的位置更深一些，約在樁頂下1/3樁長(zhǎng)處。

3  結(jié)論

 (1)豎向荷載作用下，不論樁身傾角的大小，斜樁樁頂沉降均大于直樁樁頂沉降，樁身傾角越大，斜樁樁頂沉降超過(guò)直樁樁頂沉降越多；當(dāng)樁頂豎向荷載為4. 0kN時(shí)，5。，10。，15。傾角的斜樁樁頂沉降比直樁樁頂沉降分別增大了3. 37 010，14. 74%，60. 75%。

 (2)在樁頂豎向荷載作用下，斜樁樁身軸力從樁頂向樁端逐漸減小，其衰減速率與樁身傾角密切相關(guān)，樁身傾角越大，樁身軸力沿深度衰減速率越快。相同條件下，斜樁樁身軸力均小于相應(yīng)直樁樁身軸力。

 (3)在樁頂豎向荷載作用下，斜樁樁身彎矩主要分布在樁體上部1/2樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，且在樁頂下1/5樁長(zhǎng)處達(dá)到最大值；樁體下部1/2樁長(zhǎng)范圍內(nèi)幾乎不存在樁身彎矩。樁身傾角越大，樁身最大彎矩越大；樁身最大彎矩出現(xiàn)的位置與樁身傾角無(wú)關(guān)。

 (4)不論樁身傾角為5°，10。還是15。，樁側(cè)平均摩阻力沿深度分布均可以分成三個(gè)區(qū)段，在第一區(qū)段（樁頂下1. 3%范圍），樁身傾角越大，樁側(cè)平均摩阻力越�。辉诘诙�區(qū)段（樁頂下1. 3//10~3.6//10范圍），樁身傾角越大，樁側(cè)平均摩阻力越大；在第三區(qū)段（樁頂下3. 6//10~Z），樁身傾角越大，樁側(cè)平均摩阻力越小。斜樁最大平均摩阻力出現(xiàn)的位置深度低于直樁的，約位于樁頂下1/5樁長(zhǎng)的深度處。