竖向荷载作用下对称双斜桩基础水平承载力模型试验研究

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(扬州市职业大学 土木工程学院，江苏 扬州 225009)

1 研究背景

斜桩是桩基础中常见的桩型，多用于码头、桥台和挡土墙等工程中，以承受竖向荷载和侧向荷载[1]。目前，国内外学者已经对斜桩的竖向承载力进行了研究。文献[2-3]通过模型试验对竖向荷载作用下倾斜桩的荷载传递机理有了一定的了解。文献[4-6]表明倾斜群桩基础在水平荷载作用下的承载力比竖直群桩基础大。文献[7-10]根据双斜桩的模型试验研究发现桩身倾角在5°～10°范围内变化时，其竖向承载力和水平承载力都较大。

上述文献对斜桩单桩的工作性能及对称双斜桩基础工作性能的影响进行了研究，得到了很多有意义的结论。然而，实际工程中对称双斜桩所受的荷载是比较复杂的，目前还没有对称双斜桩基础在复杂荷载下承载力的研究报道。本文通过模型试验，研究对竖向倾角为10°的对称双斜桩基础在竖向荷载作用下其水平承载力的影响规律。

图1 模型装置及装砂过程

2 试验模型和试验材料

本次模型试验装置包括提升装置、装砂桶、筛砂装置、模型槽以及支架等。实际工程的斜桩基础大多采用10°左右的倾角，所以本模型试验把斜桩对竖向的倾角设置为10°。试验过程中把砂土装入装砂桶中，利用提升装置将装砂桶提起一定高度后倒入模型槽。模型装置及装砂过程见图1。模型桩放入模型槽中，模拟桩基础[7-8]。

模型槽采用木板外用角钢加固制作，长×宽×高为1.24 m×0.8 m×1.24 m。模型桩采用铝合金管模拟，长度为1 m、外径28 mm、壁厚1 mm的铝合金管。双斜桩模型的桩顶承台采用一块钢板制作，在该钢板的两端的中间开出矩形槽，以便在槽中安装插销；该插销的一端插入桩头的矩形槽，另一端插入作为模型桩的铝合金管内，模型桩桩顶外用环形薄铁片箍紧、加固。在钢板两端的矩形槽上下部各开2个孔。插销上部开1个孔，中部开1个孔。插销上部的孔与桩顶钢板上的孔对正，用销钉连接。插销中部的孔同承台钢板下部的孔对正，插入销钉，桩身可以绕该销钉转动。承台上部的孔对正插销上部的孔，插入销钉，则对应桩身对竖向的倾角为10°[7-8]。

该试验用砂土的不均匀系数为2.29，曲率系数为1.01，属于粉砂土。砂土的含水量0.34%，黏聚力为0 kPa，内摩擦角32.6°，最大干密度1 754.2 kg/m3，最小干密度1 411.6 kg/m3。试验中装入模型槽的砂土的平均密度是1 582.9 kg/m3，相对密度平均为2.67，孔隙比为0.635，相对密实度为0.539，处于中密状态。

3 试验过程及结果分析

3.1 试验过程

图2 斜桩模型布置图

本模型试验装置加载系统采用杠杆和滑轮进行加载，操作较为简单。水平荷载采用在定滑轮下施加砝码进行加载，竖向荷载直接从杠杆上施加砝码进行加载，根据杠杆原理计算出桩顶荷载。桩顶位移则采用百分表测量，结果可以精确到0.01 mm，完全满足桩基模型试验的要求。模型布置图如图2所示，图中V表示竖向荷载、H表示水平荷载。

本试验过程如下：开始装砂约到模型槽的1/4深度处，埋置模型桩，要求桩顶与模型槽顶面平齐，同时要求对称双斜桩的中心处于加载系统的中心线处，接着继续装砂，至砂土顶面与模型桩承台底面相平时停止装砂。然后在承台横向两侧各架设一个百分表，用于测量桩顶的水平位移。加载中先施加竖向荷载至读数稳定、读数，然后分级施加水平荷载，每间隔10 min对百分表进行读数，直至百分表读数稳定后再施加下一级荷载。依次重复，至该次试验结束。

本次试验总共分为5组，由于试验过程中竖向荷载和水平荷载是通过施加砝码来实现的，所以对于测得的砝码重量需要进行计算处理，得出相应的荷载。每组试验的竖向荷载是固定的，分别为0，149.9，299.8，449.6，599.5 N。水平荷载主要是根据以往单桩试验结果[4-6]，估计双桩的极限承载能力，按照15个加载级别设置加载，其中第1级加载级别取为加载级别的2倍。实际最大加载值需要根据桩顶变形情况进行增加或减小。每级加载后即读取桩顶水平位移，然后间隔10 min读1次。水平位移量由桩顶两侧的百分表测得的数据得到，具体方法是读出百分表读数，然后将每个百分表的读数减去其初始读数，就得到了实际位移量。取2个百分表位移量的平均值，即为桩顶的水平位移。每组试验时间是2 d，第1天上午完成装砂，第2天上午8:30左右开始试验。

3.2 试验结果分析

3.2.1 10°竖向荷载作用下对称双斜桩基础水平位移随时间变化的分析

试验过程中，我们对水平荷载作用下位移的稳定时间进行了分析。分别取竖向荷载为149.9 N和599.5 N作用下，分析施加水平荷载后水平位移趋于稳定的时间。其典型时间-位移曲线如图3所示。

图3 不同荷载作用下水平位移随时间变化曲线

从图3中的(a)至(c)可以看出，当竖向荷载取较小值149.9 N时，施加水平荷载后水平位移的稳定时间在20～30 min之间；而由图3中的(d)至(f)可以得出当竖向荷载取较大值599.5 N时，加载水平荷载后水平位移的稳定时间在20～60 min之间。对比2种不同竖向荷载作用下，水平位移随时间的变化曲线可以看出，随着竖向荷载的增加，水平位移量的稳定时间变长。

在试验过程中，每一级水平荷载作用下，在水平位移增加量趋于稳定时，大约1 h再施加下一级荷载。

3.2.2 10°竖向荷载作用下对称双斜桩基础水平承载力分析

首先在对称双斜桩基础的桩顶施加竖向荷载，然后分级施加水平荷载，竖向荷载和水平荷载共同作用下对称双斜桩(10°)模型试验共做了5组。竖向荷载分别为0，149.9，299.8，449.6，599.5 N，在每个不同竖向荷载作用下，分别施加水平荷载，水平荷载的最大值根据以往的试验结果确定。加载分为15级，其中第1级的水平荷载按每级的2倍施加。实际试验时结合桩顶位移情况增加或减小最大加载量。对观测的数据进行处理，得到不同竖向荷载作用下桩顶水平荷载-水平位移试验曲线(如图4所示)。

图4 不同竖向荷载作用下水平荷载-水平位移曲线

从图4中可以看出：①竖向荷载从0 N增加到299.8 N直至449.6 N的过程中，在同样的水平荷载作用下，随着竖向荷载的增加，对称双斜桩基础的桩顶水平位移越来越小；②随着竖向荷载的增加，斜桩的水平荷载-水平位移曲线逐渐变得平缓。这2个特征表明：竖向荷载的增加可以提高水平承载力。③在曲线的开始阶段，不同竖向荷载作用下曲线分开不是很明显，说明较小的竖向荷载对于对称双斜桩基础的水平荷载-水平位移曲线没有明显的影响。从图4还可以看出，虽然增大竖向荷载可以提高对称双斜桩基础的水平承载力，但是竖向荷载从449.6 N增加到599.5 N，即竖向荷载过大，桩顶的水平位移会急剧增大，反而降低了水平承载力。

4 结 论

对称双斜桩基础是斜桩基础用于工程实际的基本形式。本文通过对称双斜桩基础在竖向荷载和水平荷载共同作用下的模型试验，桩身对竖向的倾角为10°，分析了竖向荷载作用下水平承载力特点。

本模型试验研究得到以下一些主要结论：

(1) 随着竖向荷载的增大，在水平荷载作用下，水平位移量的稳定时间是增长的；

(2) 对称双斜桩基础随着竖向荷载的增加，其水平承载力逐渐增加，但过大竖向荷载作用时，对水平承载力反而会降低。

这里的分析主要是对于对称双斜桩基础模型的桩顶荷载和位移关系曲线进行了研究，没有考虑桩身内力的分布和变化，对于该问题的研究还有待进一步完善。

致谢：该试验是在土木工程学院学生周文鹏、周雅聪、苗莹、陈鹏等的辛勤劳动下完成的，在此表示感谢！

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