陆清元， 曹卫平， 李升， 樊文甫
（西安建筑科技大学土木工程学院，西安710055）
[摘要] 通过模型试验研究了竖向荷载作用下长径比为25时，不同倾角的斜桩的承载变形及荷载传递性状，并与竖向荷载作用下的直桩的承载变形及荷载传递性状进行了比较。试验结果表明：斜桩的桩顶沉降大于直桩的桩顶沉降，斜桩桩身倾角越大，斜桩的桩顶沉降超过直桩的桩顶沉降越多；斜桩桩身轴力均小于直桩桩身轴力，斜桩桩身倾角越大，桩身轴力沿深度衰减得越快；斜桩桩身弯矩主要发生在桩体上部1/2桩长范围内，且随着桩身倾角的增大而增大，桩身最大弯矩出现的位置与桩身倾角无关。斜桩桩侧平均摩阻力的分布与桩身倾角密切相关；斜桩最大桩侧平均摩阻力出现在桩顶下约1/5桩长处。
[关键词] 斜桩；模型试验；倾角；沉降；轴力；弯矩；摩阻力
0 引言
近年来，国内外学者开展了一系列斜桩工作性状的试验研究，取得了许多成果。Sharma等、王新泉等分别通过室内模型试验对斜桩的竖向承载力进行了研究，这对于认识斜桩的承载变形特性具有重要意义。Sawaguchi等设计了模型试验，对均质软土中倾斜单桩的侧摩阻力进行了初步研究；Hanna等通过模型试验研究了倾角对斜桩摩阻力的影响，但未考虑摩阻力沿深度发挥效应，这与实际情况不符；孔刚强等进行了黏土堆载固结条件下15。单斜桩室内模型试验，探讨了桩一土相对位移与桩侧摩阻力发挥之间的关系；李龙起等在非均匀地基中进行了倾斜桩基模型试验，对斜桩桩身轴力及弯矩分布进行了分析。另外，花鹏和云天铨等分别通过数值模拟和理论分析对斜桩的侧摩阻力、桩身弯矩进行了分析。目前对斜桩的研究主要集中在对其承载力的研究上，对斜桩荷载传递规律和桩身内力的研究较少。为此，本文在室内进行了竖向荷载作用下的斜桩模型试验，分析桩身倾角对斜桩沉降、桩身轴力、桩身弯矩及侧摩阻力的影响，并与直桩的工作性状进行对比。
1 试验设计
1.1试验装置
试验装置由模型槽、反力梁、加载装置和量测装置四部分组成，如图1所示。模型槽4个侧壁为12mm厚的钢化玻璃，反力梁用两根2m长的10号工字钢焊接而成，作用于反力梁上的桩顶荷载由模型槽自重及槽内砂土重量平衡，通过千斤顶给桩顶施加荷载，用轴力传感器测量桩顶荷载，用百分表测量桩顶沉降。
1.2试验材料
本文试验设计了直桩和5。，10。，15。三种倾角的斜桩。模型桩采用长1000mm、外径40mm、壁厚2.0mm的PVC管制作，桩长径比//D=25。制作时，先将PVC管沿纵向剖成相同的两个管片，在每个管片的内壁沿纵向从桩顶到桩端等间距( lOcm)粘贴应变片，然后将两个管片沿剖切线合拢并粘结牢固，每个管片同一个截面处均粘贴2个应变片，桩身每个截面处均粘贴有4个应变片以监测桩身轴向应变，相邻两个应变片平面位置夹角为90。。
试验选用干净的中粗河砂填人模型槽内模拟地基土，砂不均匀系数C。=6. 345，曲率系数G。=1. 026，最大、最小干密度分别为2.006，1.535g/cm3。按1.3节试验方法填人模型槽并经振动压密后砂土重度在17. 23~17. 78kN/m3之间，平均重度为17. 51 kN／rri3，内摩擦角为41.20。
1.3试验方法
模型槽安装完成后，在槽底填筑40cm厚的密实砂土模拟桩端持力层，然后将同一组试验的一根直桩及一根斜桩安放到预定位置并固定，两根桩的桩间距及桩与模型槽内壁的距离均大于6倍桩径，以消除边界效应。模型桩安装完成后，向模型槽内分层填筑砂土，每层铺设厚度为20cm；为保证在每组试验中，砂土填入模型槽后有基本相同的物理力学性质，每层填完后将该层砂顶面整平，并用振动机进行压密，每层砂的压密时间相同，然后再填筑下一层砂土直到预定的高度。
本文试验加载方式采用慢速荷载维持法，按预估试桩极限承载力的1/10分级加载。根据桩基规范规定并参考有关文献中模型试验稳定标准，制定如下的加载制度：当lOmin内桩顶沉降小于0. 01mm且荷载维持时间不少于30min后即可加下一级荷载，某级荷载作用下的桩顶沉降大于前一级荷载作用下的2倍且30min尚未稳定，或某级荷载作用下的桩顶沉降一时间关系曲线（S-lgt）尾部出现明显的拐点，则终止加载。
2 试验结果及分析
2.1桩顶荷载，沉降关系
图2为直桩及斜桩的桩顶荷载一沉降( Q-S)关系曲线，可以看出，在整个加载过程中，直桩及5。，10。倾角的斜桩的Q-S曲线形态相似，均为缓变型，但15。倾角的斜桩的Q-S曲线在加载后期出现了陡降的趋势。从图2还可以看出，模型桩的桩顶沉降随着桩顶竖向荷载及桩身倾角的增大而增大，当桩顶竖向荷载较小时，各斜桩的桩顶沉降相差不大，但当桩顶竖向荷载超过3. 2kN后，桩顶沉降差异随着桩身倾角的变化开始明显，如当桩顶竖向荷载达到4.0kN时，5。，10。，15。倾角的斜桩桩顶沉降分别达到了5. 82，6.46，9.05 mm，比直桩桩顶沉降5.63 mm分别增加了3. 37%，14. 74%，60. 75%。
2.2桩身倾角对桩身轴力的影响
在桩顶竖向荷载作用下，桩顶处的轴力即为该竖向荷载在桩轴线上的分力，桩身各截面轴力Qi可以根据应变片测得的应变值，利用下式计算得到：
式中：Q/为桩身第i截面轴力；8。为桩身第i截面处4个应变片的应变平均值；E。为桩弹性模量；A为桩横截面面积。
图3对比了桩顶竖向荷载为3. 6kN时桩身倾角对桩身轴力沿深度分布的影响。可以看出，斜桩及直桩的桩身轴力从桩顶向桩端均逐渐减小，桩身倾角较小时，轴力衰减较慢，随着桩身倾角的增大，轴力衰减速率逐渐增加。如当桩身倾角为5。时，桩身轴力从6cm深度处的3.481kN减小为56cm深度处的1. 615 kN，减小了1.866kN；而当桩身倾角为15。时，这两个深度处的桩身轴力从3. 359kN变化为1. 162kN，减小了2.197kN。从图3还可以看出，斜桩桩身轴力总体上小于直桩桩身轴力，当桩体深度相同时，桩身倾角越大，桩身轴力越小，如在1/2桩长(50cm)处，5。，10。，15。倾角的斜桩桩身轴力分别为1. 732，1.568，1.379kN，分别占直桩桩身轴力1. 831kN的94. 5%，85.6%和75. 3%。
2.3桩身倾角对桩身弯矩的影响
在桩顶竖向荷载作用下，斜桩会发生弯曲。本文采用薄壁空心管来模拟斜桩，其在受弯过程中可能发生椭圆化，精确地计算其弯矩理应考虑椭圆化的影响，但本文只对不同倾角斜桩弯矩做对比分析，故桩身各截面弯矩M，可通过下式进行简化计算：
式中：，为截面惯性矩；A/。为桩身弯曲方向拉压应变差值；d为桩内直径。
桩顶竖向荷载为3. 6kN时斜桩桩身弯矩随深度分布如图4所示。可以看出，桩身弯矩主要集中在0~ 50cm深度区段内，在20cm深度处达到最大，在20~ 30cm深度区段内迅速减小，在30~ 50cm深度区段内出现反弯现象，在50cm深度以下区段桩身弯矩几乎为零，说明桩身弯矩主要分布在桩体上部1/2桩长范围内，并在桩顶下1/5桩长处达到最大值，桩体下部1/2桩长范围内几乎不存在桩身弯矩。从图4还可以看出，在桩身弯矩存在范围内，不论是正弯矩还是负弯矩，桩身倾角越大，桩身弯矩也越大，如20cm深度处，5。倾角的斜桩的桩身弯矩为7. 24N．m，而10。，15。倾角的斜桩桩身弯矩达到了17. 06，26. 65N．m，比5。倾角的斜桩分别增加了135. 6%，268.1%。
2.4桩身倾角对斜桩桩侧平均摩阻力的影响
在桩顶竖向荷载作用下，斜桩桩体上部会产生侧向位移，当桩顶竖向荷载较大时，桩体上部区段会出现一侧桩一土松动甚至脱离而另一侧桩一土压密的现象。这会导致一侧桩，土之间压力由静止土压力转变为主动土压力甚至出现零土压力，而另一侧桩·土之间压力由静止土压力向被动土压力发展的趋势，因而在相同深度处桩体两侧摩阻力不同。为简便起见，本文采用桩侧平均摩阻力来反映上述摩阻力的复杂现象，桩某段的桩侧平均摩阻力q。；可按下式计算：
式中：M为桩身周长；Z：为桩身第/-1截面与第i截面间的桩段长；Qi．．，Q；分别为桩身第/-1截面及第i截面处轴力。
图5给出了桩顶竖向荷载为3. 6kN时5。，10。和15。倾角的斜桩桩侧平均摩阻力随深度的分布曲线。可以看出，不论桩身倾角为5。，10。还是15。，桩侧平均摩阻力沿深度分布均可以分成三个区段，在第一区段（桩顶下1. 3//10范围），桩身倾角越大，桩侧平均摩阻力越小；在第二区段（桩顶下1. 3//10~3. 6//10范围），桩身倾角越大，桩侧平均摩阻力越大；在第三区段（桩顶下3. 6//10~Z），桩身倾角越大，桩侧平均摩阻力越小。在桩顶竖向荷载作用下，斜桩桩身上部区段会产生一定的水平位移，桩身倾角越大，水平位移也越大，在桩身倾角过大时，甚至会出现桩一土脱离现象，导致桩后土压力丧失，引起上部桩体桩侧平均摩阻力减小，故在第一区段桩身倾角越大，桩侧平均摩阻力越小。在第二区段，尽管斜桩桩身也会产生水平位移，但在这个区段较小的水平位移不会使桩·土脱离，却会使桩与桩前土压得更紧密，桩身倾角越大，桩与桩前土压得更紧密，即桩身倾角越大，桩·土界面上的法向应力也越大，因而在第二区段，桩身倾角越大，桩侧平均摩阻力越大。在第三区段，不论桩身倾角的大小，斜桩均未产生侧向位移，但这个区段小倾角的斜桩与桩侧土的相对滑移大于大倾角的斜桩与桩侧土之间的相对滑移，因此在第三区段，斜桩桩身倾角越大，桩侧平均摩阻力越小。
以10。倾角的斜桩与相应直桩为例，分析在桩顶竖向荷载逐渐增加过程中斜桩及直桩的桩侧平均摩阻力沿深度的变化规律，见图6。可以看出，不论是斜桩还是直桩，各深度处桩侧平均摩阻力均随着桩顶荷载的增加而增大，当桩顶竖向荷载较小时，桩侧平均摩阻力主要集中在桩体上部区段，桩体下部区段的桩侧平均摩阻力较小；随着桩顶竖向荷载的增加，在桩体下部区段的桩侧平均摩阻力逐步得到发挥的同时，桩体上部区段的桩侧平均摩阻力也逐渐增大。从图6还可以看出，在各级荷载作用下，在桩体上部区段，斜桩的桩侧平均摩力大于直桩的桩侧摩阻力，而在桩体下部区段，斜桩的桩侧平均摩阻力小于直桩桩侧摩阻力。这是由于在桩顶竖向荷载作用下，直桩仅发生竖向位移，而斜桩还会发生水平位移。另外，整体而言，在桩顶竖向荷载增大的过程中，斜桩的桩侧平均摩阻力最大值出现的位置并未发生明显的变化，约在桩顶下1/5桩长处，而直桩的桩侧摩阻力最大值出现的位置更深一些，约在桩顶下1/3桩长处。
3 结论
(1)竖向荷载作用下，不论桩身倾角的大小，斜桩桩顶沉降均大于直桩桩顶沉降，桩身倾角越大，斜桩桩顶沉降超过直桩桩顶沉降越多；当桩顶竖向荷载为4. 0kN时，5。，10。，15。倾角的斜桩桩顶沉降比直桩桩顶沉降分别增大了3. 37 010，14. 74%，60. 75%。
(2)在桩顶竖向荷载作用下，斜桩桩身轴力从桩顶向桩端逐渐减小，其衰减速率与桩身倾角密切相关，桩身倾角越大，桩身轴力沿深度衰减速率越快。相同条件下，斜桩桩身轴力均小于相应直桩桩身轴力。
(3)在桩顶竖向荷载作用下，斜桩桩身弯矩主要分布在桩体上部1/2桩长范围内，且在桩顶下1/5桩长处达到最大值；桩体下部1/2桩长范围内几乎不存在桩身弯矩。桩身倾角越大，桩身最大弯矩越大；桩身最大弯矩出现的位置与桩身倾角无关。
(4)不论桩身倾角为5°，10。还是15。，桩侧平均摩阻力沿深度分布均可以分成三个区段，在第一区段（桩顶下1. 3%范围），桩身倾角越大，桩侧平均摩阻力越小；在第二区段（桩顶下1. 3//10~3.6//10范围），桩身倾角越大，桩侧平均摩阻力越大；在第三区段（桩顶下3. 6//10~Z），桩身倾角越大，桩侧平均摩阻力越小。斜桩最大平均摩阻力出现的位置深度低于直桩的，约位于桩顶下1/5桩长的深度处。
