路堤重复加卸载下坡脚倾斜摩擦桩变位规律试验研究

周德泉， 黎冬志,2， 冯晨曦， 陈圣保， 周毅

(1.长沙理工大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410114; 2.贵州宏信创达工程检测咨询有限公司;3.广东省长大公路工程有限公司)

1 前言

倾斜桩常用于桥梁、码头、输电线路等高耸结构物基础，以抵抗较大的水平荷载，其作为主动桩的工作机制受到关注。Meyerhof等采用模型试验研究了斜桩在倾斜荷载下的受力-变形特性，给出了桩身倾斜度、荷载倾斜角对斜桩桩顶水平位移的影响曲线；Zhang等通过离心机试验研究了斜桩的水平承载特性，并对直桩p-y曲线进行修正，得到了斜桩的p-y曲线；郑刚等对倾斜桩受水平荷载和竖向荷载开展研究，认为同等条件下，受水平荷载时倾斜单排桩的抗倾覆能力优于竖直单排桩；随着排桩倾斜度增加，桩身最大水平位移和桩身最大弯矩均逐渐减小；吕凡任等开展对称双斜桩基础研究，认为受相同水平荷载作用下，双斜桩基础的水平位移随着斜桩倾角的增加，其水平位移逐渐减小。受竖向荷载作用下桩的倾角在5°～10°内变化时，其竖向承载力较大，与其他倾角对称双斜桩基础相比较，该倾角范围最优；凌道盛研究了砂土地基斜桩水平承载特性，认为p-y曲线法能够很好地揭示斜桩水平承载特性；徐江对大口径钢管斜桩进行数值模拟与现场试验研究，认为直桩的极限承载力小于设计值，斜桩的极限承载力大于设计值，斜桩端阻力占比高于直桩，桩侧阻力占比低于直桩；王新泉开展倾斜桩模型试验，认为倾斜桩水平位移主要发生在桩体上部，约1/3桩长范围内；倾斜桩水平位移量随着上部荷载和倾斜角度的增加而增大；曹卫平采用有限元软件模拟了斜桩在水平荷载作用下的性状，认为正斜桩(桩顶水平荷载方向与桩身倾斜方向相同)的水平承载力比直桩大，负斜桩(桩顶水平荷载方向与桩身倾斜方向相反)的水平承载力比直桩小，正斜桩桩顶水平位移小于直桩，负斜桩桩顶水平位移大于直桩；李吉人通过数值模拟，认为在斜桩结构的内力中，斜桩的轴力起主要支配作用，可有效分担地震的作用力，在输入地震动不同时，直桩结构与斜桩结构的抗震性能不同。以上研究集中在倾斜桩主动承载时的工作机制，作为被动桩的倾斜桩工作机制少见报道。该文提出在路堤坡脚采用负斜桩抵抗软土侧向移动，采用室内模型试验，研究路堤重复加卸载下坡脚处顶部约束双排倾斜摩擦桩变位规律，为高路堤下软土工程的处治设计提供指导与参考。

2 模型试验概况

此次试验在1 420 mm×720 mm×1 100 mm(长×宽×高)的模型槽中进行，模型槽用钢条焊接成框架，加钢化玻璃和木板组装而成。槽内模型桩布置如图1所示，图中4根桩和4根连梁都采用木板制成方形模具，再填充水泥砂浆。4根桩的倾斜角(桩轴线与垂线之间的夹角)分别为0°、3°、6°、9°。模型桩和连梁的具体参数见表1。

图1 模型桩布置示意图(单位:mm)

桩号边长D/mm长度L/mm截面形状弹性模量E/GPa材料0°桩、3°桩、6°桩、9°桩30800方形12.06水泥砂浆连梁3080方形12.06水泥砂浆

模型土采用干砂，最大粒径3 mm，不均匀系数Cu=5.5，曲率系数Cc=2.7，级配良好，土体在自重作用下没有明显分层，填土厚度1 m。填土前，先把各桩在模型槽内的分布位置按图1(a)确定好，然后用方木和透明胶在全部模型桩中部、顶部分别固定，确保填土时桩的倾斜角准确、稳定。当填土厚度500 mm左右时，拆除支护方木，用AB胶固定连梁。6°桩和9°桩外侧在不同深度(距离桩顶分别为50、190、330、470、610、750 mm)水平设置直径为φ10 mm的12根PVC管，用透明胶将PVC管端与桩表面无缝紧贴，确保模型土不进入PVC管内形成堵塞、影响侧移的测试精度。填筑采用“砂雨法”，每层10 cm。完成后静置近1个月，让模型土自重沉降。

百分表用加长探针接长。试验前，将加长探针穿过水平PVC管，稳固安装6°、9°桩竖直方向上不同位置的12个百分表，0°、3°桩的顶部分别安装1个百分表。整个试验由标定后的千斤顶加载，通过固定式反力梁提供反力。此次试验共进行3次重复加、卸载。试验参照JGJ 79-2012《建筑地基处理技术规范》进行，在540 mm×540 mm×10 mm(长×宽×厚)的承压钢板上共进行了3次加载和卸载循环，模拟路堤3次重复加卸载，获得了承压钢板侧面(相当于路堤坡脚处)顶部约束的双排倾斜摩擦桩的变位规律。

3 模型试验结果与分析

3.1 路堤3次重复加卸载过程与沉降曲线特征

图2为路基压力P-沉降s曲线，第1、2、3次加载最大压力分别为44.524、117.3、54.448 kN。

图2 路基压力P-沉降s曲线

由图2可知：第1次和第3次加载曲线形态相似，均呈“上凸形”，符合填土地基的变形特征；第2次加载前期曲线形态也呈“上凸形”，压力超过一定值后，沉降曲线回到首次加载曲线的延长线，具有记忆效应。随后沉降增长缓慢，原因是模型土在高压下非常密实，第3次加载曲线比前2次加载曲线平缓也是这个原因。3次卸载曲线规律相似，即卸载前期均体现不可恢复的塑性变形，仅仅卸载到零才有明显的弹性变形。

3.2 加载过程中后排桩桩身侧移随深度变化规律

图3～5为3次加载过程中，后排倾斜桩在各级荷载(指路基承受的垂直荷载，下同)下桩身侧移x与离桩顶距离z的变化曲线。

图3 第1次加载过程中后排桩身侧移随深度变化规律

图4 第2次加载过程中后排桩身侧移随深度变化规律

图5 第3次加载过程中后排桩身侧移随深度变化规律

由图3～5可知：

(1) 3次加载过程中，桩身侧移随深度变化曲线与纵轴之间均呈“上宽下窄”的倒梯形，即随着荷载的增加，6°桩和9°桩的桩身各截面侧移逐渐增加，且桩身上部侧移增速大于下部侧移增速，桩底侧移最小，但不为零，与复合地基上加载时侧向约束桩的桩身侧移沿深度先增大、后减小、存在峰值明显不同，说明加载过程中，顶部约束的后排摩擦倾斜桩破坏模式为“平移+绕桩底转动”。

(2) 3次加载过程和各级荷载作用下，某标高处6°桩侧移大于9°桩侧移，即对于负斜桩，加载过程中桩身侧移随倾斜角增大而减小。

(3) 不同压力阶段，侧移发展过程有差异。首次加载过程中，桩身侧移随加载增加而增加，加载到一定压力，侧移增速减小。再次加载过程中，首次极限压力范围内桩身侧移不敏感，超过首次极限压力时，侧移随加载增加而增加；加载到一定压力下，侧移增速减小。分析认为，土体在每一级加载过程中逐渐产生塑性变形，土体压实度逐渐增高，模型槽的约束使桩背产生被动土压力，桩侧移趋于稳定。第3次加载过程中，首次极限压力范围内桩身侧移不敏感，超过首次极限压力时，侧移才明显增加。

3.3 卸载过程中后排桩桩身侧移随深度变化规律

图6～8为卸载过程中，后排桩在各级荷载下桩身侧移x与离桩顶距离z的变化曲线。

由图6～8可知：

图6 第1次卸载过程中后排桩身侧移随深度变化规律

图7 第2次卸载过程中后排桩身侧移随深度变化规律

图8 第3次卸载过程中后排桩身侧移随深度变化规律

(1) 3次卸载过程中，桩身侧移随深度变化曲线维持相应最大加载时的曲线线形，与纵轴之间均呈“上宽下窄”的倒梯形。

(2) 3次卸载过程中，后排桩桩身各截面侧移不敏感，仅仅卸载到零才有明显缩小，与竖向卸载规律一致。原因是，桩身各截面侧移主要为塑性变形。

(3) 不同卸载阶段，侧移发展过程相同。

3.4 不同加卸载阶段相同压力下后排桩桩身侧移变化规律

图9为3次循环加卸载阶段桩身侧移变化规律对比。此处“加载”指每次循环最大荷载，“卸载”指每次卸载为零。

图9 不同加卸载阶段桩身侧移变化规律

由图9可知：

(1) 3次循环加载阶段，6°桩加载曲线均在9°桩加载曲线的右侧；3次循环卸载阶段，6°桩卸载曲线均在9°桩卸载曲线的右侧。说明某荷载作用下，6°桩侧移大于9°桩侧移，即对于负斜桩，加(卸)载过程中桩身侧移随倾斜角增大而减小。这与郑刚研究的倾斜单排桩在水平荷载作用下，随着排桩倾斜度增加，桩身最大水平位移逐渐减小结论相似。

(2) 3次循环加(卸)载阶段，各桩“加载”到循环最大荷载、“卸载”到零，桩身侧移曲线形态相同；“卸载”曲线总在“加载”曲线左侧，说明“卸载”到零时出现弹性变形。

3.5 各倾斜桩顶侧移随3次重复加载变化规律

图10为重复加载过程中不同倾斜角度桩顶侧移y与地基侧向加载P的变化曲线。

由图10可知：

图10 不同倾斜角度桩顶侧移随加载变化规律

(1) 首次加载时，各倾斜桩顶侧移均随荷载增大而增大，加载到一定值时，竖直桩顶侧移突增、率先屈服，随后趋于稳定，说明竖直桩的水平承载力比负斜桩小。各桩再次加载时，各倾斜桩顶侧移均随荷载增大而缓慢增大，荷载超过前一次加载的最大荷载时，倾斜桩顶侧移突增、屈服，随后趋于稳定，这与桩后土体趋于被动状态密切相关。

(2) 3次加载过程中，桩顶侧移均随荷载增大而增大。相同荷载作用下，负斜桩顶侧移小于竖直桩，与负斜桩在桩顶水平荷载作用下桩顶水平位移大于直桩相反。桩顶侧移均随倾斜角增大而减小，说明适当增大倾斜角度可减少桩顶侧移。工程中，施工可行时，可以将坡脚桩设置一定倾斜角度来减少桩顶侧移、提高加固效果。

3.6 各倾斜桩顶侧移随3次重复卸载变化规律

图11为重复卸载过程中不同倾斜角度桩顶侧移y与地基侧向卸载P变化曲线。

由图11可知：

(1) 3次卸载过程中，荷载大于20 kN时曲线是竖直的，低于20 kN才出现明显转折，说明在卸载的初、中期，桩顶水平位移没有变化，为不可恢复的塑性变形，到最后1～2级荷载时开始出现弹性变形。荷载卸为零时，弹性变形最大，此规律与地基土的垂直位移回弹曲线相似。

(2) 3次卸载过程中，0°桩侧移曲线位于3°桩右侧，6°桩侧移曲线位于9°桩右侧，说明对于同一排桩，相同荷载作用下，桩顶侧移均随倾斜角增大而减小。

图11 不同倾斜角度桩顶侧移随卸载变化规律

3.7 不同加载阶段倾斜桩顶侧移变化规律

图12为不同加载阶段桩顶侧移y与地基侧向加载P变化曲线。

由图12可知：

图12 不同加载阶段桩顶侧移变化规律

(1) 首次加载和重复加载过程中，桩顶侧向位移随荷载的增加而增加，增加速率随重复加载次数增加而减少。分析认为经过前一次加载，桩土发生了不可恢复的塑性变形。第2次加载到一定值后，桩顶侧移不再增加，分析原因为图2所示路基沉降s在压力P增大到一定值后增长缓慢造成的。

(2) 重复加载过程中，若荷载超过前次加载的最大荷载，地基侧向加载P与桩顶侧移曲线将回到前次加载曲线的延长线，即具有记忆效应。这与土体的再压缩曲线特征类似。

3.8 不同卸载阶段倾斜桩顶侧移变化规律

图13为不同卸载阶段桩顶侧移y与地基侧向加载P变化曲线。

由图13可知：

(1) 每次卸载阶段的曲线都是从竖直线向原点发展，卸载初期，荷载的减小不影响桩顶侧移，当卸载到最后1～2级时桩顶侧移开始减小，尤其是当荷载减为0时侧移回弹最大。每个阶段的曲线线形相似且互相平行。

(2) 第2次卸载曲线在第1次卸载曲线右侧，而第3次卸载一开始在第2次卸载曲线左侧，到最后1级两曲线基本重合。分析认为第1次卸载最大荷载小于第2次卸载最大荷载，再次加高荷载阶段的变形有塑性和弹性两种变形。而当再次加低荷载，即第3次卸载最大荷载小于第2次卸载最大荷载时，只发生弹性变形，完全卸载后恢复到第2次卸载时的位移。

图13 不同卸载阶段桩顶侧移变化规律

4 结论

通过对路基重复加卸载下，顶部约束双排倾斜摩擦桩被动受力变位规律的研究，得到以下结论：

(1) 加载过程中，顶部约束后排摩擦倾斜桩桩身侧移随深度变化曲线与纵轴之间呈“上宽下窄”的倒梯形，与复合地基上加载时侧向约束桩的桩身侧移沿深度先增大后减小、存在峰值明显不同。破坏模式为“平移+绕桩底转动”。对于负斜桩，加载过程中桩身侧移随倾斜角增大而减小。不同加压阶段，侧移发展过程有差异。首次加载过程中，桩身侧移随加载增加而增加。再次加载过程中，首次极限压力范围内桩身侧移不敏感，超过首次极限压力时，侧移随加载增加而增加。

(2) 相同荷载作用下，负斜桩顶侧移小于竖直桩，与负斜桩主动承受桩顶水平荷载作用下桩顶水平位移大于直桩相反。首次加载时，各倾斜桩顶侧移均随荷载增大而增大，加载到一定值时，竖直桩顶侧移突增、率先屈服，随后趋于稳定。再次加载时，荷载超过前一次加载的最大荷载时，倾斜桩顶侧移突增，路基侧向加载与桩顶侧移曲线将回到前次加载曲线的延长线，即具有记忆效应，随后屈服、趋于稳定；荷载没有超过前一次加载的最大荷载时，桩顶侧移随荷载增大而缓慢增加。

(3) 卸载过程中，桩身各截面侧移不敏感，仅仅卸载到最后1～2级荷载时才有明显缩小。

(4) 工程中，建议将坡脚桩尽量设置一定倾斜角度(斜向道路中线)，以减少桩顶桩身侧移、提高加固效果。