循环荷载下斜桩基础受力特性研究

顾维扬

扬州市邗江区住房和城乡建设局，江苏 扬州 225009

桩基础是最常用的一种基础，常受水平循环荷载的作用，在水平循环荷载作用下，桩周土的强度、桩-土相对模量均发生变化，水平循环荷载使得桩身产生累计变形，甚至导致桩基发生倾斜事故，影响上部海洋构筑物的正常使用功能，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循环特性开展了较多研究，模型试验法能够更直观地认知其水平受荷特性，被广泛应用于研究桩基础的水平循环特性［1-4］。Qin和Guo（2016）［5］对单桩进行了水平循环加载模型试验，分析了加载频率对其荷载位移曲线的影响；Chandrasekaran等（2010）［6］采用双向水平循环加载模型试验，对群桩基础的桩数、桩间距进行了探讨，分析了循环荷载幅值和循环次数对群桩水平承载力的影响；Yoo等（2013）［7］则通过离心机水平循环加载试验，研究了不同桩径时的荷载位移滞回曲线，并考虑了循环频率和循环次数对桩土动力相互作用的影响规律；张志昊［8］进行了斜桩基础循环加载试验，发现斜桩桩身水平位移小于竖直桩。

1 试验概况

1.1 模型制作及设置

试验在自制模型槽中进行，循环电机实现水平循环加载。通过改变电机下的砝码位置改变循环幅值大小，钢绞线上的轴力计可对水平力大小进行实时监测。自制带钢珠加载平台实现模型试验中竖向荷载与水平荷载的耦合，试验装置如图1所示。

模型缩尺比例为1:50，模型桩直径为30 mm，壁厚3 mm，桩长800 mm，桩表面经过打磨粗糙处理。桩顶嵌入承台深度为40 mm。地基土样采用细砂，相对密度2.68，内摩擦角34°，最大干密度1.56 g/cm3。试验中，为分析边界效应的影响，在模型箱边界处粉土内布置压力盒P1、P2，试验过程中压力盒数值均在0.1 N以内，因此可忽略边界效应。

图1 模型试验装置图

1.2 试验过程

群桩为4桩基础，入土深度为700 mm。水平荷载方向与斜桩倾角方向一致的斜桩可称为正斜桩，反之为负斜桩。通过单桩斜桩对比试验发现正斜桩水平承载力高于负斜桩，因此本文聚焦正斜桩的相关水平循环试验，其中竖直桩为前排桩，斜桩为后排桩。

作为对照组分析，开展了斜桩群桩水平静载试验，将地基土面水平位移达到0.15倍桩径时的水平荷载作为静力水平极限荷载。试验采用低频循环荷载，确定荷载循环次数为60次，试验过程中控制作动杆的加载频率在2Hz和4Hz，荷载位移幅值1mm，2mm和3mm。

试验时先施加频率为2Hz时，位移幅值为1mm的水平循环荷载，观察斜桩群桩基础的荷载响应，其后再施加4Hz频率，每级循环荷载完成后，需重新填筑地基土。

2 试验结果及分析

2.1 荷载-位移关系曲线

选取循环次数为30次时的群桩基础水平循环加载试验结果，分析位移幅值对土表处桩身位移变化，如图2所示。荷载位移曲线非线性较为明显，随着水平位移幅值由1 mm增加到3 mm，其非线性越来越明显，土表处桩身位移和滞回圈面积也越来越大；斜桩土表处桩身水平位移小于竖直桩，而竖直桩的残余水平位移大于斜桩。

图2 荷载-位移曲线

2.2 桩-土水平割线模量

桩-土水平割线模量可定义为水平荷载与土表处桩身水平位移的比值，其值一定程度上反映桩周土体的变形模量，如图3所示。桩土水平割线模量随循环位移幅值的增加而减小，初期循环时，桩土水平割线模量急剧增大，随着循环次数的增加而趋于平缓，可见水平单向循环荷载能够大幅提高桩土水平割线模量，主要由于水平循环荷载使得桩前侧土体挤压，进而提高了土体变形模量。循环位移幅值由1 mm增加至2 mm，3 mm时，桩土最终割线模量分别为45.9 N/mm，34.7 N/mm，29.1 N/mm，降幅分别为24.4%，36.6%，可见桩土水平割线模量随着位移幅值的增加而减小，而斜桩桩土水平割线模量随着斜度的增加而增大，并且大于竖直桩，这是由于正斜桩桩前土体更利于被压实，且倾斜度越大，土体模量提高越显著。

图3 桩土水平割线模量

3 结论

（1）斜桩土表处桩身水平位移小于竖直桩，而竖直桩的残余水平位移大于斜桩，斜桩土表桩身残余水平位移亦随之斜度的增加而减小。

（2）群桩在循环荷载作用下，桩土水平割线模量随循环次数的增加而增大，位移幅值由1mm增加至2mm，3mm时，桩土割线模量逐渐减小，斜桩桩土水平割线模量大于竖直桩，并随着斜度的增加而增大。