振動(dòng)荷載下傾斜樁復(fù)合地基變形控制研究

作者簡(jiǎn)介：

羅陽(yáng)明（1979—），工學(xué)博士，高級(jí)工程師，主要從事公路、鐵路巖土工程專業(yè)研究工作。

橋梁等工程現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)難免出現(xiàn)因施工不當(dāng)或側(cè)向開(kāi)挖等因素導(dǎo)致樁基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜，而目前對(duì)于含不同傾斜角的樁及地基在振動(dòng)循環(huán)荷載下的變形性能研究較少。文章通過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)，對(duì)含不同傾斜角管柱樁及地基施加豎向循環(huán)荷載，測(cè)量其在不同加卸載階段的沉降量和水平位移。結(jié)果表明：（1）在加卸載過(guò)程中，樁和地基的沉降及水平位移隨著荷載、加載次數(shù)和傾斜角度的增加而增大，實(shí)際工程中可以通過(guò)預(yù)壓法減少后期的沉降和水平位移量;（2）每次加卸載時(shí)土體產(chǎn)生的沉降與位移變形，均包含彈性變形和塑性變形。結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)傾斜管柱樁在豎向循環(huán)作用下可能產(chǎn)生的病害進(jìn)行了機(jī)理分析，并提出了防治措施。

傾斜樁;循環(huán)荷載;沉降量;水平位移;防治措施

U443.15A481723

0 引言

工程地基在建設(shè)過(guò)程中往往會(huì)存在很多樁基礎(chǔ)，施工過(guò)程中的不當(dāng)行為或者周邊應(yīng)力產(chǎn)生變化經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致樁基礎(chǔ)產(chǎn)生傾斜現(xiàn)象，從而給工程安全性和后期施工帶來(lái)挑戰(zhàn)，因此已經(jīng)有很多學(xué)者開(kāi)始對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行研究[1-2]。

呂凡任等[3]通過(guò)對(duì)傾斜樁上部施加平面荷載，研究得到傾斜樁的變形情況，結(jié)合工程規(guī)范，認(rèn)為在傾斜角<10°時(shí)，傾斜樁基礎(chǔ)仍然可以滿足工程需求;蘇子將等[4]通過(guò)數(shù)值模擬的方法，驗(yàn)證了傾斜樁傾斜角度與最大承載能力之間的關(guān)系;有學(xué)者通過(guò)模型試驗(yàn)還原現(xiàn)場(chǎng)工況，研究了傾斜樁在不同荷載作用下的相關(guān)工程特性，得到了傾斜樁承載能力的影響因素以及荷載傳遞機(jī)理[5-6];胡文紅等[7]通過(guò)數(shù)值模擬與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相結(jié)合的方式，得到了加固傾斜樁周圍土體對(duì)于改善傾斜樁承載能力的作用。

從以上的研究可以發(fā)現(xiàn)，目前對(duì)于傾斜樁基礎(chǔ)的研究方式主要是以數(shù)值模擬、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)模型試驗(yàn)為主[8-9]，而荷載方式則是較為單一的豎向荷載或水平荷載[10-11]，對(duì)于工況較為復(fù)雜的傾斜樁復(fù)合地基基礎(chǔ)在循環(huán)荷載作用下的研究較少見(jiàn)。本文以室內(nèi)模型試驗(yàn)為基礎(chǔ)，研究某一橋梁工程傾斜樁基礎(chǔ)在豎向重復(fù)加卸載條件下的變形特性，旨在為類似工程病害產(chǎn)生機(jī)理及防治措施提供理論支撐。

1 工程概況及試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 工程概況

本次試驗(yàn)的工程背景為雙柱式橋墩，地基基礎(chǔ)中擁有灌注樁和立柱，在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)灌注樁和立柱出現(xiàn)傾斜位移。結(jié)合實(shí)際工程與試驗(yàn)方案，設(shè)計(jì)室內(nèi)相關(guān)模型，模型中的樁截面形狀為正方形，邊長(zhǎng)為50 mm，長(zhǎng)度為800 mm，共設(shè)計(jì)5根樁，樁頂平面圖如圖1所示。填充水泥砂漿等材料后將制作完成的模型養(yǎng)護(hù)90 d后開(kāi)始加載試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)方案

傾斜角的定義為樁與豎向垂直線之間的夾角，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，樁的傾斜角所在范圍為0°～12°。為了研究不同傾斜角對(duì)于樁抵抗振動(dòng)荷載的能力，在模型中設(shè)置樁的傾斜角為0°、3°、6°、9°和12°，圖2中Z9表示傾斜角為9°的樁。對(duì)模型試驗(yàn)箱上方施加豎向的循環(huán)荷載，施加荷載的裝置采用千斤頂。本次試驗(yàn)一共進(jìn)行5輪加卸載，每輪加卸載的最大荷載值分別為36.5 kN、39.2 kN、44.7 kN、50.1 kN和55.5 kN，然后測(cè)量不同傾斜樁和復(fù)合地基在不同加載次數(shù)和荷載值下的沉降量及水平位移變化情況。

2 結(jié)果分析

2.1 加卸載過(guò)程沉降量分析

通過(guò)測(cè)量加卸載過(guò)程中傾斜樁復(fù)合地基的沉降量，得到不同傾斜角樁的沉降量。鑒于篇幅限制，加之前人的研究，選取傾斜角度為9°的Z9樁進(jìn)行分析，得到如圖2所示的結(jié)果。

所有樁的加卸載曲線形態(tài)大致相同，從圖2中可以看出，加載-沉降曲線整體呈上凸型，且第一次加載的沉降量最大，后面4次的加卸載過(guò)程得到的加載-沉降曲線均比較平穩(wěn)，且沉降量隨著加載次數(shù)的增加而不斷減小，說(shuō)明樁基礎(chǔ)在預(yù)應(yīng)力加載的過(guò)程中能達(dá)到較好的壓密過(guò)程，因此在實(shí)際工程中，提前預(yù)壓可以減小后期的沉降量。從圖2中可以看出，每次加載荷載最大值所對(duì)應(yīng)的沉降量幾乎處于同一線上，說(shuō)明該樁所在地基的加載沉降是具有加載記憶效應(yīng)的。從圖2中還可以看出，卸載-沉降曲線近似為直線，隨著加卸載次數(shù)的增加，沉降量均是不斷增加的，說(shuō)明加卸載對(duì)地基產(chǎn)生了彈性變形和塑性變形。

2.2 不同加卸載過(guò)程沉降量分析

通過(guò)測(cè)量每次加卸載過(guò)程中不同傾斜樁及復(fù)合地基的沉降量，得到不同加卸載階段的沉降量。鑒于篇幅限制，選取第五次加卸載時(shí)不同傾斜樁及承壓板的沉降量進(jìn)行分析，得到如圖3所示的結(jié)果。

由圖3（a）可知，所有測(cè)點(diǎn)在加載過(guò)程中隨著荷載的增加，其沉降量均是不斷增大的，因此實(shí)際工程中可以通過(guò)減小荷載降低沉降量;在相同的荷載及加載次數(shù)下，傾斜樁傾斜的角度越大，沉降量越大，但是均低于承壓板的沉降量;在相同的荷載及加載次數(shù)下，傾斜角為3°和6°時(shí)的樁沉降量較為接近，當(dāng)傾斜角升高到9°時(shí)，樁沉降量突增，說(shuō)明通過(guò)減小傾斜角可以提高樁的承載能力。

由圖3（b）可知，在剛卸載時(shí)，存在一個(gè)沉降量突增的現(xiàn)象，隨著荷載的繼續(xù)卸載，沉降量處于穩(wěn)定的狀態(tài)，說(shuō)明土體彈性變形已經(jīng)恢復(fù)。在相同的荷載及加載次數(shù)下，傾斜樁傾斜的角度越大，沉降量越大，但是均低于承壓板的沉降量，與加載時(shí)的結(jié)果基本相同。

2.3 不同加卸載過(guò)程側(cè)向位移分析

通過(guò)測(cè)量加卸載過(guò)程中傾斜樁復(fù)合地基的側(cè)向位移量，得到不同傾斜角樁的水平位移量，不同傾斜角度的樁及地基的加卸載-位移曲線形態(tài)均大致相同。鑒于篇幅限制，加之前人的研究，選取傾斜角度為9°的Z9樁進(jìn)行分析，得到如圖4所示的結(jié)果。

由圖4可知，所有的加載-位移曲線形態(tài)為向左凸，卸載-位移曲線形態(tài)為向右凸;第一次加載時(shí)樁的位移量最大，后期隨著加載次數(shù)的增加，位移也在增大，但是幅度相對(duì)較小，工程上可以通過(guò)預(yù)加載減小后期的位移量;每次加載荷載最大值所對(duì)應(yīng)的位移量幾乎處于同一線上，說(shuō)明該樁所在地基的加載位移是具有加載記憶效應(yīng)的;前一次加卸載的卸載-位移曲線在下一次加卸載的加載-位移曲線右方，說(shuō)明每一次加卸載時(shí)土體既有彈性變形也有塑性變形，且卸載過(guò)程中土體彈性變形的恢復(fù)時(shí)間較晚。

2.4 病害機(jī)理與治理措施

由圖4可知，在豎向荷載作用下，樁的傾斜角越大，產(chǎn)生的沉降量也越大。在橋梁工程中，預(yù)應(yīng)力管柱樁的沉降會(huì)導(dǎo)致筏板端頭女兒墻開(kāi)裂;在豎向荷載作用下，樁會(huì)產(chǎn)生水平位移，且荷載越大，位移量也越大。在橋梁工程中，筏板及擋土墻在荷載作用下不斷產(chǎn)生位移，推擠橋梁部分結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致立柱產(chǎn)生裂紋。

從以上試驗(yàn)結(jié)果可以看出，第一次加載會(huì)產(chǎn)生較大的沉降和位移，但是在第二次加載開(kāi)始階段，直到加載至第一次最大荷載前，并不會(huì)產(chǎn)生較大的沉降和位移。因此，通過(guò)卸載少量填土，采用輕質(zhì)土是一種很好的防治措施。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)不同傾斜角管柱樁及地基施加豎向循環(huán)荷載，測(cè)量其在不同加卸載階段的沉降量和水平位移，得到如下幾點(diǎn)結(jié)論：（1）在加卸載過(guò)程中，樁和地基的沉降及水平位移隨著荷載、加載次數(shù)和傾斜角度的增加而增大，實(shí)際工程中可以通過(guò)預(yù)壓法減少后期的沉降和水平位移量;（2）每次加卸載時(shí)土體產(chǎn)生的沉降與位移變形，均包含彈性變形和塑性變形。由此，通過(guò)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)傾斜管柱樁在豎向循環(huán)作用下可能產(chǎn)生的病害進(jìn)行了機(jī)理分析，并提出了相應(yīng)的防治措施。

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