第3 0卷第2期 长 江科学 院 院 报 Vo1.3O No.2 2 0 1 3年2月 Journal of Yangtze River Scientiifc Research Institute Feb.2 0 1 3 DOI:10.3969/j.issn.1001—5485.2013.02.014 2013,30(02):67—70 对称双斜桩基础水平承载力模型试验研究 吕凡任,邵红才,金耀华 (扬州职业大学土木工程系,江苏扬州225009) 摘要:对称双斜桩基础是斜桩基础用于建筑物(构筑物)基础的基本形式。通过桩身对竖向的倾角分别为0。,5.。, 10。,15。,2O。的模型试验,研究水平荷载作用下对称双斜桩基础的承载力特点,并采用比例系数的方法分析了双斜 桩基础承载力与双直桩基础承载力之间的比例关系。研究发现:随着桩身倾角的增加,对称双斜桩基础的水平承 载力逐渐增加,但其增加幅度逐渐减小;该试验条件下,斜桩与直桩水平荷载承载能力的比例系数从0。,5。,10。, 15。,2O。分别为1,2.2,2.3,3.0,3.5。 关键词:斜桩;群桩;模型试验;水平承载力 中图分类号:TU473.1 文献标志码:A 文章编号:1001—5485(2013)02—0067—04 仍需要研究,本文通过模型试验,比较不同倾角对称 1 斜桩基础及应用 双斜桩基础的水平承载力特点。 斜桩基础主要用于水平荷载较大的建筑物(构 筑物)基础,如桥梁、港口码头、大型广场式建筑、输 2试验装置及方法 电线路等高耸建筑物(构筑物)的基础。研究发现, 桩基模型试验装置包括装砂装置、筛砂装置、模 桩顶自由时的“正斜”斜桩的水平承载力小于“负 型槽以及整个装置的支架等 J。首先把砂土装入 斜”斜桩…,桩顶只能水平移动的“正斜”斜桩的水 装砂装置,提起到一定高度后倒人筛砂装置,筛砂装 平承载力大于“负斜”斜桩心]。研究还发现,竖向荷 置周期性地振动,把砂土筛人模型槽,模型槽中放入 载作用下的斜桩,其承载力不一定比直桩基础的 模型桩、模拟桩基础。 小 。一 。 模型桩采用铝合金管模拟,铝合金管长度1 m、 工程中斜桩通常对称设置。一般认为斜桩承担 外径28 mm、壁厚1 mm。双桩模型的桩顶承台采用 水平荷载的原理是把水平荷载转化为轴向荷载和径 一块钢板制作(图1)。作为承台的桩顶钢板两端的 向荷载,而桩的轴向承载能力远大于径向承载能力, 中间开出矩形槽,以便在槽中安装插销;该插销的一 所以采用斜桩基础可以充分发挥其轴向荷载的承载 端插入桩头的矩形槽,另一端插入作为模型桩的铝 能力,这样设计出来承担水平荷载的桩是“正斜”斜 合金管内,模型桩桩顶外用环形薄铁片箍紧、加固。 桩。郑震 基于此,把承担水平荷载的群桩基础设 两端的矩形槽上下部各开2个孔。插销上部开1— 计成2个“正斜”斜桩和一个“负斜”斜桩的群桩基 5号共5个孔,中部开1个孔。插销上部的5个孑L 础,而承载力计算则采用结构力学的方法。通常认 分别与桩顶钢板上的孔对正,用销钉连接。插销中 为斜桩群桩有利于承担倾斜荷载和交变荷载。原型 部的1个孔同作为承台的钢板下部的1个孔对正, 试验 及数值分析 叫表明,水平荷载作用下斜 插入销钉,桩身可以绕该销钉转动。承台上部的钻 桩群桩基础的承载力比直桩群桩基础大。斜桩群桩 孔依次对正插销上部的1—_5号孔,插入销钉,对应 用于抗震时,其水平承载力比直桩群桩基础 的桩身对竖向的倾角分别为0。,5。,10。,15。,20。。 大[ ]。 该试验用砂土的颗粒级配曲线如图2所示。从 对称布置的斜桩基础,大多用于承担水平荷载 图2可以看出,该砂土的不均匀系数为2.29,曲率系 以及水平交替荷载。但斜桩基础的水平承载力特点 数为1.01,属于粉砂土。砂土的含水量0.32%,黏聚 收稿日期:2011—12—10;修回日期:2012—02—10 基金项目:江苏省第四期“333工程”第三层次培养对象资助,扬州职业大学校级课 ̄(07t 03) 作者简介:吕凡任(1970一),男,安徽寿县人,副教授,博士,注册岩土工程师,主要从事地基基础方面的教学与研究工作,(电话)0514— 87697118(电子信箱)frlv8@sohu.tom。 长江科学院院报 2013正 图1 对称双斜桩桩顶承台示意图 Fig.1 Schematic of model pile cap of symmetrically inclined double piles 土粒直径/mm 图2砂土颗粒级配曲线 Fig.2 Grading curve of sand 力0 kPa,内摩擦角12。,最大干密度1 733.8 kg/m , 最小干密度1 414.6 kg/m 。试验中装入模型槽的 砂土的平均密度是1 632.6 kg/m ,颗粒相对密度平 均为2.66,孔隙比为0.635,相对密实度为0.708,处 于密实状态。 本模型试验装置水平荷载采用定滑下施加砝码 进行加载。桩顶位移采用百分表测量,测量变形可以 精确到0.001 mm,完全满足桩基模型试验的要求。 水平荷载试验(图3) 时,先把斜桩倾角 设置 为0。,再装砂、预埋桩,桩 顶与模型槽顶面平齐;接 着装砂,至砂土与桩顶面 相平时停止装砂;然后在 桩顶施加水平荷载,用2 个百分表在两侧分别测量 图3对称双斜桩模型 试验示意图 桩顶水平位移,至该试验 iFg.3 Schematic of 结束。把砂土卸除,再把 symmetrically inclined 斜桩倾角JB设置为5。,预 double-pHe model 埋桩,重复上次的工作,直至该次试验结束。如此循 环,至水平荷载试验结束。把斜桩倾角分别设置为 0。,5。,10。,15。,20。共5种不同倾角,即5个水平荷 载试验。每个试验,第一天上午1l:O0左右装砂完 成,第二天上午8:30左右开始试验。 根据以往单桩试验结果_2 J,估计双桩的极限 承载能力,按照15个加载级别设置加载,其中第1 级加载级别为其他加载级别的2倍。每级加载后即 读取桩顶水平位移,然后间隔10 min读1次,至位 移增加趋势降低时再读取2次,水平位移增加趋势 继续降低时即施加下一级荷载。每级荷载持续时间 至少为30 min。 3试验结果及分析 水平荷载口作用下对称双桩模型试验(图3)共 做了5组,桩身对竖向的倾角 分别为0。,l、蹲迥 * 5。,1O。, 4 2 0 8 6 4 2 l5。,20。。桩顶水平荷载一水平位移试验曲线如图 4所示。 0 10o 200 300 400 500 600 水平荷载H/N 图4对称双桩水平荷载模型试验曲线 Fig.4 Test curves of horizontal load VS.horizontal idsplacement of symmetrically inclined double-pile model 从图4可以看出:同样的水平荷载作用下,双直 桩基础的水平位移最大,随着斜桩对竖向倾角的增 加,其水平位移逐渐减小。表明:水平荷载作用下随 着倾角增加,其水平承载力逐渐增加,这同文献 [6—10]的研究成果相一致。从图4还可以看出, 对于双斜桩基础,当斜桩对竖向的倾角在5。一20。 范围内变化时,其水平承载力随桩身倾角增加而增 加的幅度较小。 以双直桩基础的水平荷载一水平位移曲线为标 准,把斜桩基础水平荷载分别除以一个系数k ,得 到新的水平荷载一水平位移曲线(图5),即 kh=H/H 。 (I) 式中: 表示双斜桩的水平荷载; 表示直桩的水平 荷载; 表示斜桩与直桩水平荷载承载能力的比例 系数。本试验的数据处理中以双直桩基础开始阶段 第2期 吕凡任等 对称双斜桩基础水平承载力模型试验研究 guv * l\ 把对称双桩水平荷载试验曲线的比例系数k 4 2 0 8 6 4 2 2 0 8 的线性段曲线为标准,分析其他双斜桩的水平荷 载一水平位移曲线,使得处理后的双斜桩曲线开始 段与双直桩曲线的开始段基本一致。对于倾角为 5。的对称双斜桩基础,把水平荷载除以系数2.2,得 到的比例曲线在开始阶段同对称双直桩基础曲线开 始阶数较接近,见图5(a),即可得倾角为5。时,k = 繁 4 2 6 随倾角的变化关系表示在图6中,其中双直桩基础 的比例系数为1。对该曲线采用二次曲线拟合,得 到 kh=1.125 7+0.161 7/3—0.002 3 ,(2) 拟合相关系数R =0.952 4。 从图6可以看出,对称双斜桩基础随着斜桩对 2.2。采用类似的办法,分别得到l0。,15。和20。的 对称双斜桩基础的比例关系曲线,分别如图5(b)、 (C)和(d)所示。即对应竖向的倾角分别为5。,10。, 竖向的倾角从0。增加到2O。,其水平承载力呈现出 逐渐增加的趋势,从拟合曲线看,随着倾角的增加其 15。和20。的对称双斜桩基础,其水平荷载的比例系 数kh分别为2.2,2.3,3.0,3.5。 12 lO 量8 登 2 0 50 100 150 200 250 300 水平荷载H/N (a)5。斜桩比例关系 0 50 100 l50 200 250 300 水平荷载H/N (b)1O。斜桩比例关系 O 50 1o0 150 200 250 300 水平荷载H/N (c)1 5。斜桩比例关系 0 50 100 150 200 250 300 水平荷载H/N (d)20。斜桩比例关系 图5对称双桩水平荷载模型试验曲线比例关系 Fig.5 Proportional relationship of the test curves of symmetrically inclined double plies subjected to horizontal load 增加的幅度逐渐降低。 倾角∥(。) 图6对称双斜桩基础水平荷载试验比例系数变化曲线 Fig.6 Original and fitted curves of proportionality factor VS.inclination of symmetrically inclined double piles subjected to horizontal load 4结论与建议 对称双斜桩基础是斜桩基础用于工程实际的基 本形式。本文通过对称双斜桩基础在水平荷载作用 下的模型试验,分析桩身对竖向的倾角从0。增加至 5。,10。,l5。,20。条件下的水平承载力特点,采用比 例系数的方法分析了双斜桩基础承载力同双直桩基 础承载力之间的比例关系。 本模型试验研究得到以下一些主要结论:对称 双斜桩基础随着桩身对竖向的倾角从0。增加至5。, 1O。,15。,2O。,其水平承载力逐渐增加,但增加的幅 度逐渐减小;在该试验条件下,斜桩与直桩水平荷载 承载能力的比例系数,从0。,5。,10。,15。,20。分别为 1,2.2,2.3,3.0,3.5。 致谢:该试验是在土木系老师的协助以及学生蒋其甫、何 龙、丁超、秦国俭等的辛勤劳动下完成的,在此表示感谢! 参考文献: [1]ZHANG L M,MCVAY M C,LAI P.Centrifuge Model- ling of Laterally Loaded Single Battered Piles in Sands [J].Canadian Geoteehnieal Journal,1999,36(6): 1074—1084. 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Key words:inclined pile;group piles;model test;horizontal bearing capacity