斜桩基础受力特性研究

张志昊

漳州城投建工集团有限公司，福建 漳州 363000

0 前言

桩基础作为海上钻井平台、海上风电和输电塔工程中最常用的基础形式，而斜桩基础具有一定水平承载性能，因此被广泛应用于海洋基础。

国内外学者针对桩基础水平特性开展了较多研究［1］［2］［3］［4］。朱斌等［5］开展了海洋软黏土中大直径单桩基础的现在水平循环加载试验；陈仁朋等［6］则通过群桩水平循环加载模型试验，发现各基桩分担的水平荷载不断变化，前排桩得到更多发挥；朱小军等［7］进行了类似水平循环加载试验，发现随着循环荷载幅值的增加，前排桩的作用得到加强，而后排桩呈现逐级降低的趋势；梁发云等［8］进行了单桩和群桩水平循环加载试验，发现桩身弯矩随加载频率的增加而增大。而斜桩基础水平循环特性的研究相对较少，曹卫平［9］和李煜璇［10］进行了斜桩单桩基础水平循环加载模型试验，发现正斜桩承受水平循环荷载的变形性能优于负斜桩，并且正斜桩水平极限承载力亦大于负斜桩。

通过文献调研发现，水平循环荷载作用下斜桩群桩基础的工作机理及承载性能尚不明晰，仍需继续研究。本文拟对斜桩群桩基础进行水平循环加载模型试验，分析循环次数和斜桩斜度对群桩基础水平位移、桩身弯矩的影响规律。

1 试验概况

1.1 模型制作及设置

模型试验在2000mm（长）×1000mm（宽）×1500mm（高）的模型槽中进行，模型槽侧面设置电机匹配定滑轮实现水平循环荷载加载。电机上的电动轮带动钢绞线对承台产生拉力，控制电机转速来调节循环加载频率，承台水平位移采用LDT 位移计测量。模型桩采用PVC 管桩，其外径为20 mm，壁厚2 mm，桩长735 mm，万能机上拉压试验测试其弹性模量为800 MPa。桩顶方形承台采用混凝土浇筑，承台边长200 mm，厚度为75 mm，桩顶嵌入承台深度为35 mm。桩身内侧贴有电阻应变片，测试桩身应变，沿桩长轴线对称非等间距布置8 对应变片，如图1 所示。

图1 桩身应变片位置

1.2 地基土制备

地基土样采用粉土，粉土颗粒级配较均匀，粒径集中于0.01～0.1 mm，相对密度2.69，黏聚力2.0 kPa，液限33%，塑限24%，塑性指数9。地基土采用300 mm 分层振捣填筑，每层填土采用轻型电动振动仪振实两遍，从而保证每层填土的均匀性，填土完成后，加水缓慢饱和地基土。

1.3 试验过程

群桩基础采用2×2 对称布桩，一侧为竖直桩，一侧为斜桩，入土深度为600 mm，出露高度100 mm。本文采用低频循环荷载，试验过程中控制作动杆的加载频率在2 Hz，斜桩斜度分别为1：4，1：5，1：6 和1：7，共进行了斜桩群桩16 组水平循环加载试验。试验时施加频率为2 Hz 时，每级循环荷载完成后，需重新填筑地基土，之后再进行其他水平循环试验。试验过程中桩身弯矩等数据均由桩身应变片数据通过转换获取，应变片读数由动态应变测量仪采集。

2 试验结果及分析

2.1 荷载-位移关系曲线

群桩基础水平循环荷载-位移变化曲线如图2 所示。由荷载位移曲线可以看出，斜桩斜度由1：7 增加到1：6，1：5，1：4 时，土表桩身最大水平位移分别为0.97 mm，0.93 mm，0.81 mm，0.72 mm，降幅分别为4%，16%，26%，并且斜桩土表桩身残余水平位移亦随之斜度的增加而减小。

图2 荷载-位移曲线

图3 桩身弯矩图

2.2 桩身弯矩

选取水平位移幅值为2 mm 的群桩基础水平循环加载试验结果进行分析，桩身弯矩如图3 所示。桩身弯矩最大值深度不随循环次增加而变化，位于桩身相对深度1/3 位置处，桩身弯矩随循环次数的增加而增大，当循环次数增加到15 次后，桩身弯矩增加幅度趋于稳定，每15 次循环增幅将近10%；竖直桩桩身弯矩相对斜桩更大，循环次数达到60 次时，斜桩斜度为1：7，1：6，1：5 和1：4，对应的最大桩身弯矩分别为159.4 N·m，134.7 N·m，74.5 N·m 和53.3N·m，可见斜桩桩身弯矩随斜度的增加急剧减小，减幅达25%左右。

3 结论

（1）群桩水平循环加载荷载位移曲线非线性较为明显，随着水平位移幅值的增大，斜桩土表桩身残余水平位移亦随之斜度的增加而减小。

（2）桩身弯矩随着循环次增加而增大，其峰值位置基本相同，斜桩斜度由1：7 增加到1：6，1：5 和1：4 时，桩身弯矩急剧减小，减幅达25%左右。