软土场地倾斜群桩室内模型试验研究

夏 雄，封金财，王小平

(常州大学 岩土工程研究所，江苏 常州 213164)

由于斜桩的研究相对复杂，通过模型试验对其作用机理和性状进行研究就具有较强的针对性和目的性。Meyerhof＆YalCin(1993)[1]及 Meyerhof(1995)[2]采用模型试验的方法研究了斜桩在倾斜荷载下的受力—变形特性，给出斜桩在不同倾角以及不同荷载下的桩顶水平位移和轴向位移随荷载变化曲线。Zhang等[3](1999)用离心机在砂土中做水平荷载斜桩模型试验，给出了不同相对密度、不同内摩擦角砂土中，不同倾角斜桩水平荷载—水平位移曲线。Zhang等[4](2002)用离心机做斜桩群桩水平承载力模型试验，研究斜桩群桩抵抗水平荷载的能力和特点，发现桩顶竖向荷载作用对水平承载力的影响很小。谭国焕等[5]把桩周表面不同粗糙度的三根模型桩置于砂箱中，来研究松砂土中桩侧表面粗糙程度对桩承载力的影响。赵明华等[6]以铝管在砂箱内进行了不同倾角的倾斜荷载作用下的室内模型桩试验，建立了倾斜荷载下确定极限承载力的经验公式。这些研究都具有较好的参考价值。

本文结合韩江特大桥初步设计方案及其工程场地地质勘察报告，选择该区段具有代表性的群桩基础作为研究对象，按倾斜度分别为0°，5°，8°，12°的 4 组情况，进行群桩在深厚软土中模型试验，研究斜桩工作性状。

1 试验方法

在主要满足实际桩长径比和刚度要求的条件下，取几何相似比CL=1∶60。以此为基础开展室内模型试验研究。实际工程中桩长71 m，由几何相似比CL=可得模型桩长度1 180 mm。试验采用外径为36 mm，内径为33 mm，弹性模量为70 GPa铝合金管来制作模型桩。选用420 mm×280 mm×10 mm钢板模拟桩基承台。模型槽的设计主要考虑到边界效应、土量大小、测试方式、对填土的保水能力等因素。模型槽大小应以尽量消除边界效应为原则，考虑模型槽宽度大于等于承台板宽度5倍，高度大于等于桩长1.5倍，因而模型槽实际尺寸选为1.2 m×1.2 m×1.6 m。模型槽三面为砖结构，壁厚260 mm，一面为钢模板，在模型槽内侧及下侧均铺薄膜塑料以减小周边的尺寸效应和避免土体中水的流失。

在模型土实际配制时，土样的重度、含水量(Cγ=1，Cω=1)可以较为准确地制备;黏聚力c与内摩擦角φ精确配制较困难，因此取其近似值。

原位地质地层主要分为四层，从上到下分别为淤泥、黏土、圆砾石、黏土，其中第二层与第四层黏土土性参数相同，原状土和模型土物理参数见表1。

表1 原状土与模型土物理力学参数

试验加载系统由杠杆和砝码组成，力臂比为3∶1，在杠杆上设置一个可以在杠杆上移动的支点，便于按不同杠杆比施加荷载于桩上或承台板上，在杠杆的一端设置一平动转动装置，使加荷支点能放到模型槽的任何位置，便于加载。模型加荷装置如图1所示。

图1 加荷装置

试验中用到的量测设备包括百分表(数显千分表)、应变仪、应变片、土压力盒、兆欧表及万用表等。测量应变片及土压力盒应变读数采用4台静态应变仪。应变片选择型号为BE120-5AA(中航电测仪器股份有限公司)应变片，基底尺寸为3 mm×5 mm，电阻值为(120.3±0.1)Ω、具有一定防水性的聚氨脂精密级应变片。测试灵敏系数为2.08±1%，最大应变2%，用502胶水粘贴，703硅橡胶防水，由0.4 mm2的细导线引出，接到静态电阻应变仪。

2 模型试验

试验时，先清扫模型槽，然后在模型槽中按每10 cm一层，分层夯实至一定密度，再装上一层土。装入40 cm土后，开始固定桩基模型，调节承台板位置使之处于模型槽中心。在保证承台板水平的情况下，装下一层土，直至填到设计高度处。

群桩模型平面布置见图2，其中除中心桩竖直外，其余各桩均背离中心倾斜，且倾角相等。试验中，群桩分为 0°，5°，8°，12°四组。

图2 模型桩尺寸(单位:mm)

模型桩桩身应变测量采用电阻应变片，沿桩长按150 mm为一个截面粘贴一组应变片，如图3所示。在桩端和桩周设置土压力盒，测设土压力。在桩顶安设四个数显千分表分别测对角沉降和水平位移。

图3 模型试验照片及桩身应变片布置

3 试验结果分析

将试验得到的桩顶荷载Q和相应的沉降S绘制成Q—S曲线图，如图4所示。

图4 群桩沉降曲线

不同倾角斜桩极限承载力的比较见表2。

从桩顶的 Q—S曲线图4可以看出，该曲线符合双曲线形状，符合大多数试验结果，说明本试验方法是可行的。在荷载不大时，群桩沉降与桩顶荷载关系是线性的;荷载增大时，群桩沉降随桩顶荷载迅速增加，其中设置有12°倾斜桩的桩基的这种关系表现得尤为明显。没有设置倾斜桩的桩基的荷载—沉降(Q—S)曲线为“缓变型”，没有明显的陡降段，因此按控制沉降量确定其容许承载力。

表2 极限承载力对比

设置有倾斜桩的桩基的荷载—沉降(Q—S)曲线为“陡降型”，陡降点为破坏特征点，且破坏特征点所对应的竖向荷载为极限荷载。设置5°，8°，12°倾斜桩的桩基的极限荷载分别为:7.0 kN，8.0 kN，6.5 kN，相对于没有设置倾斜桩的桩基的极限承载力分别提高了12.9% ，29.0% ，4.8% 。

4 结论与建议

通过斜桩室内模型试验研究，得出了在竖向荷载作用下的群桩工作性状，得到了桩顶的Q—S曲线和极限承载力提高程度。从本次试验可以看出:

1)群桩试验结果符合一般试验结果，采用本试验装置进行室内模型试验研究是切实可行的;

2)对于韩江特大桥工程场地，设置有倾斜桩的桩基的极限承载力大于没有设置倾斜桩的桩基。斜桩倾角在8°左右的范围内承载力提高幅度较大。

3)本次群桩试验中，在设置有倾斜桩的桩基中，随着深度的增加，桩间距增大，这时桩土间应力的叠加作用相应减小，因此设置有倾斜桩的桩基的竖向承载力较竖直群桩有一定程度的增加。

[1] MEYERHOF G G，YALCIN A S.Behaviour of flexible batter piles under inclined loads in layered soil［J］.Canadidian Geotechnical Journal，1993，30(2):247-256.

[2] MEYERHOF G G.Behaviour of pile foundations under special loading conditions:1994 R.M.Hardy keynote address［J］.Canadidian Geotechnical Journal，1995，32(2):204-222.

[3] ZHANG L M，MICHAEL C，LAI P W.Centrifuge modeling of laterally loaded single battered piles in sands［J］.Canadidian Geotechnical Journal，1999，36(6):1074-1084.

[4] ZHANG L M，MCVAY M C，GARDNER R，et al.Effects of dead loads on the lateral response of battered pile groups［J］.Canadidian Geotechnical Journal，2002，39(3):561-575.

[5] 谭国焕，张佑启，杨敏.松砂土中桩侧表面粗糙程度对承载力的影响［J］.岩土工程学报，1992，14(2):50-54.

[6] 赵明华，侯运秋，曹善仁.倾斜荷载下基桩的受力研究［J］.湖南大学学报，1997，24(2):98-103.