側(cè)向堆載下斜樁長度影響斜-直雙排樁受力響應試驗研究

周德泉，肖 燦，2，馮晨曦，曹之燁,3，周 毅,4

(1.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114；2.中交四航工程研究院有限公司，廣東 廣州 510230；3.湖南中大檢測技術集團有限公司，湖南 長沙 410000；4.保利長大工程有限公司，廣東 廣州 510620)

0 引言

國家大力加強基礎設施建設，高速公路(鐵路)的部分路段不得不修建在深厚軟土地基上，路堤荷載傳遞至坡腳將產(chǎn)生水平荷載，路基可能產(chǎn)生滑移破壞。作者[1]提出在坡腳設置斜-直雙排樁，發(fā)揮斜樁的“支撐”作用，以有效抵抗軟土側(cè)向移動，但其工作機制尚不清晰。

斜樁和雙排樁工作機制方面，國內(nèi)外開展了很多研究，例如，Zhang[2]利用離心機進行了砂土中傾斜單樁與傾斜群樁的水平荷載特性離心試驗研究，試驗結(jié)果表明其影響主要在于樁體布置、傾斜角度和土體密實度。Meyerhof等[3]通過室內(nèi)模型試驗研究了傾斜樁在傾斜荷載作用下的受力與變形特征，認為樁的承載力特性取決于荷載傾斜度、樁體傾斜角。Ghasemzadeh等[4]采用數(shù)值模擬軟件對傾斜斜樁群在軸向和橫向靜載作用下相互作用系數(shù)的變化進行了研究，發(fā)現(xiàn)間距與樁徑比值的增大會使傾斜樁的相互作用系數(shù)減小。龔健等[5]對軟土地基中的微型樁進行了水平荷載試驗，認為微型樁可以較好地抵抗水平荷載，尤其是斜樁基礎能有效地減小水平荷載所產(chǎn)生的位移。雙排樁結(jié)構(gòu)因為其整體剛度大、側(cè)向位移小、施工簡捷等優(yōu)點[6-8]成為新型水平承載樁體結(jié)構(gòu)，目前廣泛應用于基坑支護[9-11]、邊坡抗滑[12-13]等工程中。何頤華[14]通過室內(nèi)模型試驗及工程分析,研究了雙排樁變形、內(nèi)力分布特征，發(fā)現(xiàn)雙排樁水平位移及內(nèi)力比單排樁明顯減少。楊德健[8]通過數(shù)值模擬軟件對雙排樁支護結(jié)構(gòu)進行分析，認為雙排樁支護結(jié)構(gòu)具有較大的側(cè)向剛度。鄭剛[15]以考慮樁土相互作用的平面桿系有限元雙排樁分析模型研究了雙排樁與土的相互作用問題。申永江[16]基于Winker 彈性地基梁模型和極限平衡條件，提出了柔性雙排長短組合樁滑坡推力的計算方法。但是，斜樁和雙排樁組合形成的斜-直雙排樁工作機制少見報道。

本研究采用室內(nèi)模型箱[17]，測試在側(cè)向加載下外側(cè)斜樁(傾斜度為9°)4種長度時斜樁、直樁的水平土壓力、樁身應變及直樁水平位移，分析其水平土壓力、彎矩及直樁水平位移的變化規(guī)律及斜-直雙排樁的破壞模式，推動路堤坡腳處斜-直雙排樁工作機制的深入研究與推廣應用。

1 模型試驗概況

1.1 基本原理

斜-直雙排樁受力響應的影響因素很多，例如，樁和連梁的幾何尺寸、外側(cè)斜樁傾斜度、樁體剛度、地質(zhì)條件、荷載大小等，僅依靠單次模型試驗獲得相應變化規(guī)律非常困難。本試驗將4組斜-直雙樁(其他均相同，僅有外側(cè)斜樁長度不同)對稱設置在承壓板兩側(cè)，模擬實際工程中的斜-直雙排樁單元，以砂土模擬均質(zhì)地基，居中的承壓板分級受載模擬路堤填筑。

承壓板兩側(cè)對稱布置的4組斜-直雙樁必然承受對稱荷載的作用，其受力響應的差異必然源自外側(cè)斜樁長度的不同。

1.2 模型試驗設計與安裝

在坡腳設置的斜-直雙排樁[1]由內(nèi)側(cè)直樁、外側(cè)斜樁和連梁3部分構(gòu)成，見圖1。

圖1 斜-直雙排樁Fig.1 Inclined-straight double-row piles

本次試驗是在鋼條焊接而成的框架及外加鋼化玻璃與木板所組成的模型槽[16]中進行，尺寸為1 420 mm×720 mm×1 100 mm(長×寬×高)。槽內(nèi)直樁與斜樁的平面、立面布置見圖2、圖3。

圖2 模型試驗平面圖(單位:mm)Fig.2 Plan view of model test(unit:mm)

圖3 模型試驗立面圖Fig.3 Elevation view of model test

試驗所用7根模型樁使用木板制成方形模具并充填水泥砂漿制作養(yǎng)護而成。模型樁邊長均為30 mm，方形截面，斜樁和直樁分成4個組合(每個組合代表1種樁長比，即：斜樁與直樁樁身長度之比，4種樁長比分別為0，0.75，1，1.25)，4根直樁(樁號為Z0，Z1，Z2，Z3)長度均為800 mm，3根斜樁(樁號為Xa，Xb，Xc)的傾斜角均為9°(樁軸線與垂線之間夾角)，Xa，Xb，Xc對應樁長分別是600，800，1 000 mm。斜樁與直樁的頂部使用連梁連接，連梁采用硬質(zhì)紙殼模具現(xiàn)澆水泥砂漿制作、養(yǎng)護成型。具體參數(shù)見表1。

表1 模型樁參數(shù)Tab.1 Parameters of model piles

天然河砂經(jīng)紗網(wǎng)過篩后晾干，形成模型土，其最大粒徑5 mm，天然密度為1.84 g·cm-3，相對密度為2.68，含水率約為2%，不均勻系數(shù)Cu=5.5，曲率系數(shù)Cc=2.7，級配良好，級配曲線見圖4。在安裝前，先填土250 mm厚度達到設計樁底，樁的位置按圖2、圖3固定，然后用塑料條和透明膠固定模型樁的中部與頂部。模型土采用砂雨法填筑，即：讓砂土從一定高度下落，其勢能轉(zhuǎn)變?yōu)閯幽?，砂土顆粒相互沖擊碰撞、重新排列，這樣，模型土填筑過程類似于砂土自然沉積。填土達到一定深度后再拆除固定用塑料條，確保填土時樁的位置、傾斜角穩(wěn)定。完成填筑后，靜置1個月，讓模型土自重沉降。

圖4 模型土級配曲線Fig.4 Gradation curve of model soil

整個試驗由千斤頂加載，通過固定式反力梁提供反力，壓力傳感器放置于千斤頂與反力梁之間，通過力傳感器精準測得每級荷載大小。試驗參照《建筑地基處理技術規(guī)范》(JGJ 79—2012)進行，此次試驗分7級進行加載，測力計測得荷載大小依次為9.5，23.3，32.4，39.8，49.0，60.4，70.7 kN，在720 mm×400 mm×20 mm(長×寬×厚)的承壓鋼板上進行，模擬路基加載，并獲得承壓鋼板側(cè)面(相當于路堤坡腳處)不同樁長比的斜-直雙樁土壓力、彎矩及直樁側(cè)移變化規(guī)律。

2 模型試驗結(jié)果與分析

2.1 模型土加卸載沉降曲線特征

圖5為模型土壓力P-沉降s曲線。加載曲線整體呈上凸型。卸載前期體現(xiàn)不可恢復的塑性變形，模型土回彈很小，直至卸載至0才有明顯的彈性變形，此規(guī)律與巖、土體的壓縮-回彈曲線特征類似[18]，說明本次試驗的加載、位移測試系統(tǒng)可靠。

2.2 斜-直雙排樁水平土壓力變化規(guī)律

2.2.1 內(nèi)側(cè)直樁水平土壓力變化規(guī)律

4根直樁的土壓力盒布設位置相同，離樁頂分別為160，320，480，640 mm。通過TDS-530應變儀測讀樁側(cè)土壓力應變，通過標定的壓力-微應變關系曲線求得樁側(cè)土壓力。加載前期荷載(9.5 kN，相當于路基承受的垂直荷載，下同)、中期荷載(39.8 kN)、后期荷載(70.7 kN)時，4組斜-直雙樁的直樁水平土壓力p-離樁頂面距離z的變化曲線(簡稱p-z曲線，下同)變化規(guī)律如圖6所示。分析發(fā)現(xiàn)：

圖5 模型土的壓力-沉降曲線Fig.5 Curve of pressure vs. settlement of model soil

圖6 內(nèi)側(cè)直樁水平土壓力變化規(guī)律Fig.6 Variation of horizontal soil pressure of inner straight piles

(1)各直樁內(nèi)側(cè)土壓力沿樁身自上而下均先增大后減少。加載過程中，土壓力在距樁頂0.6H處出現(xiàn)峰值，樁身中部增長率較大，說明坡腳處各直樁中部對路基加載產(chǎn)生的側(cè)向土壓力較敏感。

(2)相同荷載作用下，內(nèi)側(cè)直樁Z0，Z1，Z2，Z3水平土壓力由小到大依次增大，說明內(nèi)側(cè)直樁水平土壓力隨外側(cè)斜樁長度增大而增大，但增大幅度不大。

2.2.2外側(cè)斜樁水平土壓力變化規(guī)律

因斜樁的長度不一，土壓力盒布設位置也不同。對于斜樁Xa，Xb，土壓力盒離樁頂距離依次為0.2L，0.4L，0.6L，0.8L，對于斜樁Xc，則為0.17L，0.33L，0.50L，0.67L，0.83L。在加載9.5，39.8，70.7 kN時，3組斜-直雙樁的斜樁p-z曲線變化規(guī)律如圖7所示。分析發(fā)現(xiàn)：

圖7 外側(cè)斜樁水平土壓力變化規(guī)律Fig.7 Variation of horizontal soil pressure of outer inclined piles

(1)斜樁Xa，Xb，Xc內(nèi)側(cè)土壓力沿樁身自上而下先增大后減少，Xa，Xb樁在0.6L處出現(xiàn)峰值、Xc在0.5L處出現(xiàn)峰值,這與直樁內(nèi)側(cè)土壓力沿樁身分布規(guī)律類似。

(2)相同荷載作用下，斜樁相同位置處內(nèi)側(cè)土壓力從大到小依次為：Xa，Xb，Xc，說明外側(cè)斜樁的水平土壓力隨外側(cè)斜樁長度增大而增大。

(3)對比直樁土壓力變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)，內(nèi)側(cè)直樁與外側(cè)斜樁的水平土壓力峰值比均大于2。分析認為，內(nèi)側(cè)直樁對外側(cè)斜樁的樁前土壓力具有“遮簾效應”。

圖8 內(nèi)側(cè)直樁水平位移變化規(guī)律Fig.8 Variation of horizontal displacement of inner straight piles

2.3 直樁水平位移變化規(guī)律

準確測試各直樁水平位移的方法是：在直樁Z0，Z1，Z2，Z3外側(cè)不同深度處(距離樁頂分別為80，240，400，560 mm)使用丙烯酸結(jié)構(gòu)膠粘貼尺寸為60 mm×25 mm×3 mm(長×寬×厚)鋼片，鋼片在樁的橫向外伸表面處，用于粘貼PVC管，PVC管端部粘貼磁鐵片(用于加載時吸附百分表探針而不與之產(chǎn)生相對滑移)，這樣，PVC管端部與鋼片牢固粘結(jié)。百分表伸長桿伸入PVC管并抵住磁鐵片。在內(nèi)側(cè)直樁樁身外側(cè)鋼片處安裝5個百分表，以測讀樁身水平位移變化。

圖8為4組斜-直雙排樁在模型土受壓9.5，39.8，70.7 kN時，內(nèi)側(cè)直樁水平位移y與離樁頂距離z的變化曲線。分析發(fā)現(xiàn)：

(1)直樁樁身各點水平位移均隨荷載的增大而逐漸增大，且樁底側(cè)移最小，但不為0。其中，Z0樁與Z1，Z2，Z3樁側(cè)移變化規(guī)律存在明顯差異，表現(xiàn)在Z0樁側(cè)移量從樁頂至樁底依次減小，即樁身上部側(cè)移量明顯大于下部，頂部側(cè)移量最大，而Z1樁、Z2樁、Z3樁側(cè)移最大值出現(xiàn)在樁身中部，側(cè)移量由樁中向兩端逐漸減小，且樁底的側(cè)移遞減速率稍大。相同荷載作用下，直樁樁身整體側(cè)移由大到小排序為Z0，Z1，Z2，Z3，說明內(nèi)側(cè)直樁的水平位移隨外側(cè)斜樁長度增大而減小。

(2)單直樁Z0整體側(cè)移呈“平移+繞樁底轉(zhuǎn)動”，而斜-直雙樁中直樁Z1，Z2，Z3表現(xiàn)出“平移+中部向外彎曲”，其頂部水平位移遠遠小于Z0，說明外側(cè)斜樁能有效減少內(nèi)側(cè)直樁的水平位移。

2.4 斜-直雙排樁彎矩變化規(guī)律

2.4.1內(nèi)側(cè)直樁彎矩變化規(guī)律

一想到了魯迅著名警語“鐵屋子”，逼得我常出走。一次我到江西都昌的農(nóng)村采風時，發(fā)現(xiàn)一名坐在老土屋門檻上嘴里嚼著瓜子的中年農(nóng)民和一只也坐在檻上的瞇著眼的貓，這份鄉(xiāng)間情致，令我激動不已，便舉起相機偷拍，幾乎在同一時間被對方發(fā)現(xiàn)，當對方正要發(fā)著（拒絕）的前二秒鐘，我按下了快門。結(jié)果是十分尷尬的，也十分有趣。

4組斜-直雙樁的直樁內(nèi)外側(cè)應變片位置相同，離樁頂距離分別為0.1H，0.3H，0.5H，0.7H，0.9H。通過TDS-530應變儀測讀樁身距離樁頂相同位置正、反兩側(cè)應變量，則樁身截面彎曲應變?yōu)椋?/p>

ε=ε+-ε-，

(1)

式中，ε+為拉應變；ε-為壓應變。

由材料力學彎矩計算公式可得到相應位置彎矩，彎矩計算公式為：

(2)

式中，E為樁體彈性模量；I為截面對中性軸y的慣性矩；b0為測點的間距。

加載9.5，39.8，70.7 kN時，4組斜-直雙樁的直樁彎矩M-離樁頂?shù)木嚯xz的變化曲線(簡稱M-z曲線，下同)變化規(guī)律如圖9所示，分析發(fā)現(xiàn)：

(1)4根直樁樁身彎矩均沿樁身自上而下先增大后減小，且峰值均呈現(xiàn)在樁身中部，隨著荷載的增加，樁身中部的彎矩增長率相較其他部位更大，說明在路基荷載作用下，坡腳處直樁中部彎矩對加載較為敏感，工程中應加大直樁中部抗彎剛度。

(2)相同荷載作用下，直樁彎矩由小到大依次為：Z0，Z1，Z2，Z3，說明直樁樁身彎矩隨外側(cè)斜樁的長度增大而增大。

圖9 內(nèi)側(cè)直樁彎矩變化規(guī)律Fig.9 Variation of bending moment of inner straight piles

3根斜樁應變片布設位置離樁頂距離分別為0.1L，0.3L，0.5L，0.7L，0.9L。在加載9.5，39.8，70.7 kN時，3根斜樁M-z曲線變化規(guī)律如圖10所示。分析發(fā)現(xiàn)：

(1)3根斜樁樁身彎矩變化規(guī)律相似，峰值均位于樁身頂部(距離樁頂0.1L處)，彎矩沿樁身從上到小先快速減少，經(jīng)拐點(距離樁頂0.3L處)呈緩慢減小趨勢變化后，至樁身底部達到最小值。由此推斷，在坡腳處斜-直雙排樁水平支擋結(jié)構(gòu)中，路基荷載先傳遞到直樁，再由連梁和土體傳遞到外側(cè)斜樁，致使近連梁斜樁樁頂處作用效果較大，而對斜樁樁身下部作用效果不明顯。推理認為，斜-直雙排樁中斜樁樁頂處易發(fā)生彎曲破壞。

(2)相同荷載作用下，外側(cè)斜樁樁身彎矩由小到大依次為：Xa，Xb，Xc。隨著荷載的增大，因樁長比增大而影響的樁頂處彎矩差值越來越明顯，在后期荷載70.7 kN時，樁頂處Xc彎矩值超過了Xa彎矩值的4倍。這說明樁長比增大對其斜樁樁頂處彎矩值影響較大，更易使其在樁頂處發(fā)生彎曲破壞。

2.4.3直樁、斜樁彎矩峰值變化規(guī)律

內(nèi)側(cè)直樁彎矩峰值與外側(cè)斜樁彎矩峰值之比簡稱彎矩峰值比。圖11為斜-直雙排樁內(nèi)側(cè)直樁彎矩峰值與外側(cè)斜樁彎矩峰值之比的變化曲線。分析認為：

(1)內(nèi)側(cè)直樁彎矩峰值、外側(cè)斜樁彎矩峰值均隨斜樁與直樁長度比(樁長比)的增大而增大，外側(cè)斜樁彎矩峰值的增長率更大，說明樁長比增大將使內(nèi)側(cè)直樁、外側(cè)斜樁彎曲程度越大、更容易發(fā)生彎曲破壞，這種效果隨著荷載的增加而越明顯。

圖10 外側(cè)斜樁彎矩變化規(guī)律Fig.10 Bending moment variation of outer inclined piles

圖11 斜-直雙排樁樁身彎矩峰值變化規(guī)律Fig.11 Variation of peak bending moment of inclined-straight double-row piles

(2)在低荷載(9.5 kN)階段，樁長比對斜-直雙排樁內(nèi)側(cè)直樁彎矩峰值與外側(cè)斜樁彎矩峰值比影響較小，比值較接近；高荷載(39.8，70.7 kN)階段，彎矩峰值之比隨樁長比增大而減小，且比值均大于2，推理認為，斜-直雙排樁中，內(nèi)側(cè)直樁樁中先發(fā)生彎曲破壞，外側(cè)斜樁樁頂處后破壞，且樁長比越大，外側(cè)斜樁對內(nèi)側(cè)直樁的支撐作用越好。

3 斜-直雙排樁破壞模式

表2為側(cè)向加載下斜-直雙樁受力響應，圖12、13所示為4個組合模型試驗完成后破壞實物圖。圖12～13表明：單直樁Z0未見破壞；組合1破壞裂縫出現(xiàn)在直樁樁身中上部(直樁出現(xiàn)兩條裂縫，分別位于距樁頂302，335 mm處)；組合2直樁與斜樁均出現(xiàn)破壞裂縫，分別位于直樁中部與斜樁樁頂(直樁與斜樁裂縫分別位于距樁頂355，32 mm處)；組合3破壞模式與組合2一致，破壞裂縫分別位于直樁中部與斜樁樁頂(直樁與斜樁裂縫分別位于距樁頂351，48 mm處)。結(jié)合側(cè)移、土壓力、彎矩分析認為：

表2 側(cè)向堆載下斜-直雙排樁受力響應Tab.2 Force response of inclined-straight double-row piles under lateral surcharge

圖12 斜-直雙排樁破壞整體圖Fig.12 Overall pictures of failure of inclined-straight double-row piles

(1)單直樁未出現(xiàn)破壞，但是產(chǎn)生較大的水平位移，具有較低穩(wěn)定性。斜-直雙樁的水平位移較小，整體穩(wěn)定性較高。

(2)頂斜-直雙樁中，所有直樁中部偏上、斜樁(Xb,Xc)部均出現(xiàn)裂縫，斜樁Xa未見破壞。這說明路堤荷載作用下，坡腳處內(nèi)側(cè)直樁對外側(cè)斜樁具有“遮簾效應”，外側(cè)斜樁對內(nèi)側(cè)直樁具有“斜撐作用”。砂土中斜-直雙樁的破壞機制是，內(nèi)側(cè)直樁受到路堤荷載擠壓而承受水平土壓力和彎矩、產(chǎn)生水平移動和彎曲，并將荷載通過連梁和土體傳遞到外側(cè)斜樁。荷載增大時，內(nèi)側(cè)直樁中部和外側(cè)斜樁的頂部彎矩超過容許彎矩而開裂。內(nèi)側(cè)直樁先開裂破壞，外側(cè)斜樁受到更大彎矩而隨后破壞。外側(cè)斜樁長度越長，內(nèi)側(cè)直樁頂部受到的約束作用越大、破壞荷載越小。

4 結(jié)論

(1)相同荷載作用下，單直樁內(nèi)側(cè)土壓力較小，斜-直雙樁內(nèi)側(cè)直樁水平土壓力隨外側(cè)斜樁長度增大而增大，土壓力峰值出現(xiàn)在直樁中下部；外側(cè)斜樁水平土壓力隨其長度增大而增大，在樁身中下部出現(xiàn)峰值。內(nèi)側(cè)直樁水平土壓力比外側(cè)斜樁大、具有“遮簾效應”。

圖13 斜-直雙排樁破壞局部圖Fig.13 Partial pictures of failure of inclined-straight double-row piles

(2)單直樁整體側(cè)移呈“平移+繞樁底轉(zhuǎn)動”，側(cè)移峰值在樁頂處。斜-直雙樁中直樁側(cè)移表現(xiàn)出“平移+樁中朝外彎曲”，側(cè)移峰值出現(xiàn)在樁身中部。外側(cè)斜樁顯著減少內(nèi)側(cè)直樁的側(cè)移。內(nèi)側(cè)直樁側(cè)移隨著樁長比的增大而減小。實際工程中，可增大斜-直樁的樁長比來降低內(nèi)側(cè)直樁產(chǎn)生的側(cè)移量。

(3)內(nèi)側(cè)直樁樁身彎矩隨外側(cè)斜樁長度增大而增大，隨著荷載增加，樁身中部對加載較為敏感。外側(cè)斜樁樁身彎矩峰值位于樁身頂部。

(4)路堤荷載作用下，砂土地基坡腳處斜-直雙樁的內(nèi)側(cè)直樁中部、外側(cè)斜樁頂部易發(fā)生彎曲破壞。直樁先破壞，斜樁后破壞。

(5)增加外側(cè)斜樁長度的工程效果是：內(nèi)側(cè)直樁的水平位移減小、內(nèi)側(cè)直樁彎矩峰值與外側(cè)斜樁彎矩峰值之比(簡稱彎矩峰值比)減小。工程中，為了提高坡腳抗滑移能力，建議設置斜-直雙排樁，并增加外側(cè)斜樁的長度、使內(nèi)側(cè)直樁與外側(cè)斜樁的抗彎剛度比大于2。