對稱雙斜樁基礎(chǔ)水平承載力模型試驗研究

呂凡任，邵紅才，金耀華

(揚州職業(yè)大學土木工程系，江蘇揚州 225009)

1 斜樁基礎(chǔ)及應(yīng)用

斜樁基礎(chǔ)主要用于水平荷載較大的建筑物(構(gòu)筑物)基礎(chǔ)，如橋梁、港口碼頭、大型廣場式建筑、輸電線路等高聳建筑物(構(gòu)筑物)的基礎(chǔ)。研究發(fā)現(xiàn)，樁頂自由時的“正斜”斜樁的水平承載力小于“負斜”斜樁［1］，樁頂只能水平移動的“正斜”斜樁的水平承載力大于“負斜”斜樁［2］。研究還發(fā)現(xiàn)，豎向荷載作用下的斜樁，其承載力不一定比直樁基礎(chǔ)的?。?－4］。

工程中斜樁通常對稱設(shè)置。一般認為斜樁承擔水平荷載的原理是把水平荷載轉(zhuǎn)化為軸向荷載和徑向荷載，而樁的軸向承載能力遠大于徑向承載能力，所以采用斜樁基礎(chǔ)可以充分發(fā)揮其軸向荷載的承載能力，這樣設(shè)計出來承擔水平荷載的樁是“正斜”斜樁。鄭震［5］基于此，把承擔水平荷載的群樁基礎(chǔ)設(shè)計成2個“正斜”斜樁和一個“負斜”斜樁的群樁基礎(chǔ)，而承載力計算則采用結(jié)構(gòu)力學的方法。通常認為斜樁群樁有利于承擔傾斜荷載和交變荷載。原型試驗［6－7］及數(shù)值分析［8－10］表明，水平荷載作用下斜樁群樁基礎(chǔ)的承載力比直樁群樁基礎(chǔ)大。斜樁群樁用于抗震時，其水平承載力比直樁群樁基礎(chǔ)大［11－13］。

對稱布置的斜樁基礎(chǔ)，大多用于承擔水平荷載以及水平交替荷載。但斜樁基礎(chǔ)的水平承載力特點仍需要研究，本文通過模型試驗，比較不同傾角對稱雙斜樁基礎(chǔ)的水平承載力特點。

2 試驗裝置及方法

樁基模型試驗裝置包括裝砂裝置、篩砂裝置、模型槽以及整個裝置的支架等［2－3］。首先把砂土裝入裝砂裝置，提起到一定高度后倒入篩砂裝置，篩砂裝置周期性地振動，把砂土篩入模型槽，模型槽中放入模型樁、模擬樁基礎(chǔ)。

模型樁采用鋁合金管模擬，鋁合金管長度1 m、外徑28 mm、壁厚1 mm。雙樁模型的樁頂承臺采用一塊鋼板制作(圖1)。作為承臺的樁頂鋼板兩端的中間開出矩形槽，以便在槽中安裝插銷;該插銷的一端插入樁頭的矩形槽，另一端插入作為模型樁的鋁合金管內(nèi)，模型樁樁頂外用環(huán)形薄鐵片箍緊、加固。兩端的矩形槽上下部各開2個孔。插銷上部開1—5號共5個孔，中部開1個孔。插銷上部的5個孔分別與樁頂鋼板上的孔對正，用銷釘連接。插銷中部的1個孔同作為承臺的鋼板下部的1個孔對正，插入銷釘，樁身可以繞該銷釘轉(zhuǎn)動。承臺上部的鉆孔依次對正插銷上部的1—5號孔，插入銷釘，對應(yīng)的樁身對豎向的傾角分別為 0°，5°，10°，15°，20°。

圖1 對稱雙斜樁樁頂承臺示意圖Fig.1 Schematic of model pile cap of symmetrically inclined double piles

圖2 砂土顆粒級配曲線Fig.2 Grading curve of sand

該試驗用砂土的顆粒級配曲線如圖2所示。從圖2可以看出，該砂土的不均勻系數(shù)為2.29，曲率系數(shù)為1.01，屬于粉砂土。砂土的含水量0.32%，黏聚力 0 kPa，內(nèi)摩擦角 12°，最大干密度1 733.8 kg/m3，最小干密度1 414.6 kg/m3。試驗中裝入模型槽的砂土的平均密度是1 632.6 kg/m3，顆粒相對密度平均為2.66，孔隙比為0.635，相對密實度為0.708，處于密實狀態(tài)。

本模型試驗裝置水平荷載采用定滑下施加砝碼進行加載。樁頂位移采用百分表測量，測量變形可以精確到0.001 mm，完全滿足樁基模型試驗的要求。

水平荷載試驗(圖3)時，先把斜樁傾角β設(shè)置為0°，再裝砂、預埋樁，樁頂與模型槽頂面平齊;接著裝砂，至砂土與樁頂面相平時停止裝砂;然后在樁頂施加水平荷載，用2個百分表在兩側(cè)分別測量樁頂水平位移，至該試驗結(jié)束。把砂土卸除，再把斜樁傾角 β設(shè)置為5°，預埋樁，重復上次的工作，直至該次試驗結(jié)束。如此循環(huán)，至水平荷載試驗結(jié)束。把斜樁傾角分別設(shè)置為0°，5°，10°，15°，20°共 5 種不同傾角，即 5 個水平荷載試驗。每個試驗，第一天上午11∶00左右裝砂完成，第二天上午8∶30左右開始試驗。

圖3 對稱雙斜樁模型試驗示意圖Fig.3 Schematic of symmetrically inclined double-pile model

根據(jù)以往單樁試驗結(jié)果［2－3］，估計雙樁的極限承載能力，按照15個加載級別設(shè)置加載，其中第1級加載級別為其他加載級別的2倍。每級加載后即讀取樁頂水平位移，然后間隔10 min讀1次，至位移增加趨勢降低時再讀取2次，水平位移增加趨勢繼續(xù)降低時即施加下一級荷載。每級荷載持續(xù)時間至少為30 min。

3 試驗結(jié)果及分析

水平荷載H作用下對稱雙樁模型試驗(圖3)共做了5組，樁身對豎向的傾角 β 分別為0°，5°，10°，15°，20°。樁頂水平荷載－水平位移試驗曲線如圖4所示。

圖4 對稱雙樁水平荷載模型試驗曲線Fig.4 Test curves of horizontal load vs.horizontal displacement of symmetrically inclined double-pile model

從圖4可以看出:同樣的水平荷載作用下，雙直樁基礎(chǔ)的水平位移最大，隨著斜樁對豎向傾角的增加，其水平位移逐漸減小。表明:水平荷載作用下隨著傾角增加，其水平承載力逐漸增加，這同文獻［6－10］的研究成果相一致。從圖4還可以看出，對于雙斜樁基礎(chǔ)，當斜樁對豎向的傾角在5°～20°范圍內(nèi)變化時，其水平承載力隨樁身傾角增加而增加的幅度較小。

以雙直樁基礎(chǔ)的水平荷載－水平位移曲線為標準，把斜樁基礎(chǔ)水平荷載分別除以一個系數(shù)kh，得到新的水平荷載－水平位移曲線(圖5)，即

式中:H表示雙斜樁的水平荷載;H'表示直樁的水平荷載;kh表示斜樁與直樁水平荷載承載能力的比例系數(shù)。本試驗的數(shù)據(jù)處理中以雙直樁基礎(chǔ)開始階段的線性段曲線為標準，分析其他雙斜樁的水平荷載－水平位移曲線，使得處理后的雙斜樁曲線開始段與雙直樁曲線的開始段基本一致。對于傾角為5°的對稱雙斜樁基礎(chǔ)，把水平荷載除以系數(shù)2.2，得到的比例曲線在開始階段同對稱雙直樁基礎(chǔ)曲線開始階數(shù)較接近，見圖5(a)，即可得傾角為5°時，kh=2.2。采用類似的辦法，分別得到 10°，15°和 20°的對稱雙斜樁基礎(chǔ)的比例關(guān)系曲線，分別如圖5(b)、(c)和(d)所示。即對應(yīng)豎向的傾角分別為5°，10°，15°和20°的對稱雙斜樁基礎(chǔ)，其水平荷載的比例系數(shù) kh分別為2.2，2.3，3.0，3.5。

圖5 對稱雙樁水平荷載模型試驗曲線比例關(guān)系Fig.5 Proportional relationship of the test curves of symmetrically inclined double piles subjected to horizontal load

把對稱雙樁水平荷載試驗曲線的比例系數(shù)kh隨傾角的變化關(guān)系表示在圖6中，其中雙直樁基礎(chǔ)的比例系數(shù)為1。對該曲線采用二次曲線擬合，得到

擬合相關(guān)系數(shù)R2=0.952 4。

從圖6可以看出，對稱雙斜樁基礎(chǔ)隨著斜樁對豎向的傾角從0°增加到20°，其水平承載力呈現(xiàn)出逐漸增加的趨勢，從擬合曲線看，隨著傾角的增加其增加的幅度逐漸降低。

圖6 對稱雙斜樁基礎(chǔ)水平荷載試驗比例系數(shù)變化曲線Fig.6 Original and fitted curves of proportionality factor vs.inclination of symmetrically inclined double piles subjected to horizontal load

4 結(jié)論與建議

對稱雙斜樁基礎(chǔ)是斜樁基礎(chǔ)用于工程實際的基本形式。本文通過對稱雙斜樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下的模型試驗，分析樁身對豎向的傾角從0°增加至5°，10°，15°，20°條件下的水平承載力特點，采用比例系數(shù)的方法分析了雙斜樁基礎(chǔ)承載力同雙直樁基礎(chǔ)承載力之間的比例關(guān)系。

本模型試驗研究得到以下一些主要結(jié)論:對稱雙斜樁基礎(chǔ)隨著樁身對豎向的傾角從0°增加至5°，10°，15°，20°，其水平承載力逐漸增加，但增加的幅度逐漸減小;在該試驗條件下，斜樁與直樁水平荷載承載能力的比例系數(shù)，從 0°，5°，10°，15°，20°分別為1，2.2，2.3，3.0，3.5。

致謝:該試驗是在土木系老師的協(xié)助以及學生蔣其甫、何龍、丁 超、秦國儉等的辛勤勞動下完成的，在此表示感謝!

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