斜樁基礎(chǔ)受力特性研究

張志昊

漳州城投建工集團(tuán)有限公司，福建 漳州 363000

0 前言

樁基礎(chǔ)作為海上鉆井平臺(tái)、海上風(fēng)電和輸電塔工程中最常用的基礎(chǔ)形式，而斜樁基礎(chǔ)具有一定水平承載性能，因此被廣泛應(yīng)用于海洋基礎(chǔ)。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)樁基礎(chǔ)水平特性開(kāi)展了較多研究［1］［2］［3］［4］。朱斌等［5］開(kāi)展了海洋軟黏土中大直徑單樁基礎(chǔ)的現(xiàn)在水平循環(huán)加載試驗(yàn)；陳仁朋等［6］則通過(guò)群樁水平循環(huán)加載模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)各基樁分擔(dān)的水平荷載不斷變化，前排樁得到更多發(fā)揮；朱小軍等［7］進(jìn)行了類似水平循環(huán)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)隨著循環(huán)荷載幅值的增加，前排樁的作用得到加強(qiáng)，而后排樁呈現(xiàn)逐級(jí)降低的趨勢(shì)；梁發(fā)云等［8］進(jìn)行了單樁和群樁水平循環(huán)加載試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)樁身彎矩隨加載頻率的增加而增大。而斜樁基礎(chǔ)水平循環(huán)特性的研究相對(duì)較少，曹衛(wèi)平［9］和李煜璇［10］進(jìn)行了斜樁單樁基礎(chǔ)水平循環(huán)加載模型試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)正斜樁承受水平循環(huán)荷載的變形性能優(yōu)于負(fù)斜樁，并且正斜樁水平極限承載力亦大于負(fù)斜樁。

通過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，水平循環(huán)荷載作用下斜樁群樁基礎(chǔ)的工作機(jī)理及承載性能尚不明晰，仍需繼續(xù)研究。本文擬對(duì)斜樁群樁基礎(chǔ)進(jìn)行水平循環(huán)加載模型試驗(yàn)，分析循環(huán)次數(shù)和斜樁斜度對(duì)群樁基礎(chǔ)水平位移、樁身彎矩的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)概況

1.1 模型制作及設(shè)置

模型試驗(yàn)在2000mm（長(zhǎng)）×1000mm（寬）×1500mm（高）的模型槽中進(jìn)行，模型槽側(cè)面設(shè)置電機(jī)匹配定滑輪實(shí)現(xiàn)水平循環(huán)荷載加載。電機(jī)上的電動(dòng)輪帶動(dòng)鋼絞線對(duì)承臺(tái)產(chǎn)生拉力，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)循環(huán)加載頻率，承臺(tái)水平位移采用LDT 位移計(jì)測(cè)量。模型樁采用PVC 管樁，其外徑為20 mm，壁厚2 mm，樁長(zhǎng)735 mm，萬(wàn)能機(jī)上拉壓試驗(yàn)測(cè)試其彈性模量為800 MPa。樁頂方形承臺(tái)采用混凝土澆筑，承臺(tái)邊長(zhǎng)200 mm，厚度為75 mm，樁頂嵌入承臺(tái)深度為35 mm。樁身內(nèi)側(cè)貼有電阻應(yīng)變片，測(cè)試樁身應(yīng)變，沿樁長(zhǎng)軸線對(duì)稱非等間距布置8 對(duì)應(yīng)變片，如圖1 所示。

圖1 樁身應(yīng)變片位置

1.2 地基土制備

地基土樣采用粉土，粉土顆粒級(jí)配較均勻，粒徑集中于0.01～0.1 mm，相對(duì)密度2.69，黏聚力2.0 kPa，液限33%，塑限24%，塑性指數(shù)9。地基土采用300 mm 分層振搗填筑，每層填土采用輕型電動(dòng)振動(dòng)儀振實(shí)兩遍，從而保證每層填土的均勻性，填土完成后，加水緩慢飽和地基土。

1.3 試驗(yàn)過(guò)程

群樁基礎(chǔ)采用2×2 對(duì)稱布樁，一側(cè)為豎直樁，一側(cè)為斜樁，入土深度為600 mm，出露高度100 mm。本文采用低頻循環(huán)荷載，試驗(yàn)過(guò)程中控制作動(dòng)桿的加載頻率在2 Hz，斜樁斜度分別為1：4，1：5，1：6 和1：7，共進(jìn)行了斜樁群樁16 組水平循環(huán)加載試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)施加頻率為2 Hz 時(shí)，每級(jí)循環(huán)荷載完成后，需重新填筑地基土，之后再進(jìn)行其他水平循環(huán)試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中樁身彎矩等數(shù)據(jù)均由樁身應(yīng)變片數(shù)據(jù)通過(guò)轉(zhuǎn)換獲取，應(yīng)變片讀數(shù)由動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)量?jī)x采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 荷載-位移關(guān)系曲線

群樁基礎(chǔ)水平循環(huán)荷載-位移變化曲線如圖2 所示。由荷載位移曲線可以看出，斜樁斜度由1：7 增加到1：6，1：5，1：4 時(shí)，土表樁身最大水平位移分別為0.97 mm，0.93 mm，0.81 mm，0.72 mm，降幅分別為4%，16%，26%，并且斜樁土表樁身殘余水平位移亦隨之斜度的增加而減小。

圖2 荷載-位移曲線

圖3 樁身彎矩圖

2.2 樁身彎矩

選取水平位移幅值為2 mm 的群樁基礎(chǔ)水平循環(huán)加載試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，樁身彎矩如圖3 所示。樁身彎矩最大值深度不隨循環(huán)次增加而變化，位于樁身相對(duì)深度1/3 位置處，樁身彎矩隨循環(huán)次數(shù)的增加而增大，當(dāng)循環(huán)次數(shù)增加到15 次后，樁身彎矩增加幅度趨于穩(wěn)定，每15 次循環(huán)增幅將近10%；豎直樁樁身彎矩相對(duì)斜樁更大，循環(huán)次數(shù)達(dá)到60 次時(shí)，斜樁斜度為1：7，1：6，1：5 和1：4，對(duì)應(yīng)的最大樁身彎矩分別為159.4 N·m，134.7 N·m，74.5 N·m 和53.3N·m，可見(jiàn)斜樁樁身彎矩隨斜度的增加急劇減小，減幅達(dá)25%左右。

3 結(jié)論

（1）群樁水平循環(huán)加載荷載位移曲線非線性較為明顯，隨著水平位移幅值的增大，斜樁土表樁身殘余水平位移亦隨之斜度的增加而減小。

（2）樁身彎矩隨著循環(huán)次增加而增大，其峰值位置基本相同，斜樁斜度由1：7 增加到1：6，1：5 和1：4 時(shí)，樁身彎矩急劇減小，減幅達(dá)25%左右。