欠固结土中嵌岩斜桩弯矩及负摩阻力模型试验研究

摘 要：

嵌岩斜桩是海上风电系统、港口高桩码头等设施常用的基础结构。嵌岩斜桩在穿越深厚软土层时，土体固结沉降不可避免地影响桩身轴力和弯矩的分布，威胁桩体安全。针对穿越深厚软土层的嵌岩斜桩开展了室内模型试验研究，对5根不同倾角和直径的模型桩进行试验，通过较长时间地监测土层固结沉降下的桩体应变，分析了固结时间、倾角、桩径等因素对桩身轴力、桩身中性点位置、桩侧负摩阻力、桩身弯矩等分布规律的影响。结果表明：嵌岩斜桩的负摩阻力、轴力及弯矩的发展都具有明显的时间效应；随时间、倾角的增加，桩侧中性点轴力及桩身弯矩峰值均增加，同时中性点上移、弯矩峰值点下移，最终中性点稳定于岩层上部0.1倍土层深度，弯矩峰值点稳定于岩-土界面处。

关键词：

斜桩;嵌岩桩;轴力;负摩阻力;弯矩;

崔雯茜(1998—),女，硕士研究生，主要从事嵌岩斜桩负摩阻力研究。

*郭伟(1983—),男，教授，博士，主要从事人工岛基础理论研究。

基金：

天津市科技计划项目(20JCJQJC00220);

国家自然科学基金项目(51878446);

天津市交通委员会科技发展计划项目(2021-15);

引用：

崔雯茜，李亚昕，任宇晓，等． 欠固结土中嵌岩斜桩弯矩及负摩阻力模型试验研究［J］. 水利水电技术( 中英文) ，2022，53( 5) : 99-105.

CUI Wenxi，LI Yaxin，ＲEN Yuxiao，et al． Model-experimental study on bending moment and negative skin friction of rock-socketed inclined pile in underconsolidated soil［J］. Water Ｒesources and Hydropower Engineering，2022，53( 5) : 99-105.

0 引 言

嵌岩斜桩具有良好的水平承载特性，在海上风电基础、港口工程和跨海大桥等近海工程中得到广泛应用。近海区域通常含有深厚软土地层，软土地基自固结沉降或承受上覆荷载时会产生固结沉降从而使嵌岩斜桩产生负摩阻力，增加其桩身轴力和弯矩，影响桩基础稳定性。欠固结土或新近吹填土的固结、附加荷载引起的桩周土层固结、黄土自重湿陷等特性、地下水位下降等因素都会引起土体沉降,触发桩侧负摩阻力发展。土层固结沉降需要时间，因此负摩阻力的发展具有时间效应,而深厚软土的固结沉降时间很长，虽然通过现场试验监测桩身负摩阻力的产生和发展可以获得更为可靠的试验数据,但是较大的时间和财物成本使得难以设置对照组进行对比分析，因此模型试验成为常用的研究手段。

通常使用堆载、千斤顶加载、气压加载等方式施加土体的上覆荷载沉降，桩体的负摩阻力随着土体沉降而增加、中性点上升。通过对群桩负摩阻力的研究表明，在桩距小于5倍桩径D时，群桩具有“遮蔽效应”。

斜群桩同样具有“遮蔽效应”。相较于直群桩，斜群桩具有更小的内外土体沉降差。斜桩设计除了需要考虑负摩阻力对于桩基承载力的影响，弯矩也是考虑的重点，当斜桩桩周涂有沥青涂层时，沥青涂层可以将单桩负摩阻力减少80%,但是其对弯矩影响很小,这也侧面说明桩土界面摩擦系数只会影响桩侧阻力而不会影响桩身弯矩。

1 模型试验

1.1 试验装置

图1为试验装置示意，主要包括试验箱、模型桩、荷载块、土压力传感器、沉降标和百分表、数据采集仪、计算机等。试验箱箱体尺寸为1.5 m×1 m×1 m(长×宽×高),采用四面钢板和一面玻璃组成；桩身微应变由应变片测量，并由数据采集仪(型号：DH3816N静态应变测试系统)实时记录；土层沉降由分层沉降标加百分表进行测量，SS为分层沉降标，以泥面顶部为0点，布置深度分别为0 m、0.2 m和0.4 m; 土层超孔压由孔压计(型号：JTM-V3000A)进行测量，PW为孔压计，布置深度分别为0.1 m、0.3 m和0.5 m。为消除群桩的遮蔽效应，桩间距大于6D,桩与边界间距大于8D[14,15,16,17,18,19];如图1(a)所示，边桩距模型箱边缘分别为268 mm和325 mm, 均大于8D;所有桩间距最小值为268 mm, 大于6D。因此本试验可忽略边界效应的影响。

图1 模型试验布置(尺寸单位：mm)

1.2 模型桩

制作模型桩时先将有机玻璃管沿纵轴线方向剖成两半，在桩体内侧对称贴7对应变片，应变片布置位置如图2(a)所示；然后将桩管重新黏合并做防渗处理，模型桩如图2(b)所示；接着在桩外侧黏细砂(粒径在1 mm左右)以增加桩侧粗糙度，实际平均桩径约为42 mm和32 mm。根据界面剪切试验，测得桩表面与黏土摩擦系数tanφ约为0.59。

图2 模型桩(尺寸单位：mm)

1.3 试验土和岩体

试验桩周土采用天津滨海新区东疆港某工地吹填软土，取回后始终置于水下浸泡。制备土样时，加水搅拌均匀后倒入试验箱内，具体参数如表2所列。

本试验使用自配混凝土模拟桩底基岩，岩石配比为砂子∶速凝水泥∶石膏∶水=450∶100∶27∶70,经测量密度为2 210 kg/m3,无侧限抗压强度为6.5 MPa。

1.4 试验方案

首先模型桩按照所需的倾斜角度及深度固定在相应位置(考虑最佳嵌岩深度为4D,为消除群桩的遮蔽效应，桩间距大于6D),将孔压计固定柱、分层沉降标SS竖直固定在钢架上。浇筑20 cm厚度的混凝土层以模拟岩石，养护7 d, 混凝土层硬化达标。将孔压计固定在相应深度，将50 cm厚度的软粘土填入试验箱中。在软黏土层上方加入13 cm厚度的水层并保证水位高度不变。在试验箱布置好后，静置2 d, 然后开始连续测量百分表、孔压计及应变片读数，直至土层沉降不再变化，即试验结束。

2 模型试验结果与分析

2.1 土层沉降与超孔压分布

通过分层沉降标和孔压计对土层沉降和土中超孔压进行长期测量。如图3所示，超孔压采集数据时间为67 d, 超孔压随着固结时间的增长而逐渐消散，速率由快减慢并逐渐趋于稳定，其数值在60 d后变化较小。

图3 超孔压随时间消散曲线

如图4所示，土层沉降量随着固结时间的增长而分别逐渐增大，速率由快减慢并逐渐趋于稳定，其在60 d后基本稳定。土层固结完成后，试验箱内土表沉降为10.8 mm。

图4 土层沉降曲线

随着土体的固结过程，孔隙水压力逐渐消散，超孔压逐渐趋近于0,土体内部的有效应力增大，而有效应力决定了土体沉降。因此超孔压与土层沉降随时间变化的趋势相似，呈先快后慢的趋势。

2.2 桩身轴力及负摩阻力影响分析

试验中桩顶无竖向荷载，由于桩底嵌固在较硬岩层中，桩底沉降较小可忽略。桩周土体为欠固结软土，其在自重作用下固结产生沉降，通过桩周土与桩侧面之间的侧阻力(主要为负摩阻力)将软土荷载传递到桩身，所以桩身轴力主要由桩周负摩阻力引起。桩基础正负摩阻力变换处的位置，即负摩阻力为 0 的点，也即桩、土之间不产生相对位移的界面位置，称为中性点。取桩体与土表面接触处为零点，该点以下桩身受到桩侧负摩阻力作用。由图5可知P1—P5桩身轴力皆随土层深度增加逐渐增加，并且在某一深度达到极大值，该深度即为中性点。试验初期轴力增加较快，随时间增加增速减缓，与图5中土层沉降的规律基本一致。如P2桩第3～21 d, 中性点处轴力从3.6 N增加到19.5 N,增长了15.9 N;从57～67 d, 轴力从29.3 N增加到32.8 N,只增长3.5 N。图5中红色线条表示轴力峰值点随时间发展的变化趋势，且中性点位置也随着固结时间的增长而逐渐向上移动，这一现象在桩P1、P2、P5中表现明显。这主要是由于随着固结时间增加，土体沉降增加，同时各深度土层的负摩阻力引起的桩身轴力在桩身叠加，使下部桩体压缩量大于土体沉降，中性点逐渐上移，最终位于岩层上方0.1倍土层厚度附近。

图5 桩身轴力分布随时间变化

图6(a)为第67 d时各桩的侧摩阻力图，侧摩阻力向上为正值，可以看出随着倾角增加，负摩阻力大小整体呈增大趋势。这是由于随着倾角的增加，桩周土压力不断增大，进而引起负摩阻力的增加。倾角增加不仅会使负摩阻力增加引起桩身压缩增大，同时沿桩轴方向的土层沉降分量也在减小，进而会引起中性点的上移，但由于试验原因，应变片布置没有办法达到理想密度，难以清晰反映此现象。

图6 67 d时桩身侧摩阻力和轴力影响

从图6(b)可以看出，桩身轴力随倾角增加而增加，直桩中性点处轴力为38.37 N,8°、15°和18°斜桩中性点处轴力分别为50.84 N、69.39 N、77.15 N,相比直桩分别增加了32.5%、80.8%、101.1%。轴力随倾角增加，主要是由于计算桩长和极限侧摩阻力的增加。随着倾角增大，上覆土层作用在桩身的荷载径向分力增加，使得桩侧极限侧摩阻力增加，轴力增加。同时，图6中直径为32 mm的15°斜桩P5中性点轴力32.67 N,与P4进行对比，直径减小23.8%,轴力减小了52.9%。这是因为对于直径32 mm斜桩，直径减小其负摩阻力作用面积减小，轴力响应按照其直径减小比例减小；同时桩径减小，桩身弯矩减小，桩前土对桩的径向土压力减小，对应的负摩阻力减小，二者共同作用使得轴力减小的比例大于直径减小的比例。

2.3 桩身弯矩影响分析

对于穿越土层段的斜桩桩身，土体有效重度在桩身径向的分力和土体沉降对桩身下拽力在桩身径向的分力会使得斜桩产生弯矩。取桩体与土表面接触处为零点，该点以下受到上覆土层有效重度和土体沉降共同产生的下压作用。如图7所示，桩身弯矩随着固结时间增加，桩身所受弯矩逐步发展，且出现弯矩前期增加快，后期增速减缓的情况，这与图5中土层沉降的规律基本一致。桩身弯矩峰值点位置随时间发展也逐渐向下移动，这在桩倾角较大时如15°、18°时比较明显，这是土层沉降与桩倾斜角度共同作用的结果。图7中红线为弯矩峰值点随时间发展的变化趋势，当桩身倾角为8°且土层沉降较小时，桩身弯矩峰值点较高，位于岩土交界面上方0.1倍土层厚度处，如图7(a)和图7(b)中桩P2中所有曲线以及桩P3中时间为3 d曲线所示；当桩身倾角较大或土层沉降较大时，桩身弯矩峰值点总体位于岩土交界面处。

图7 桩身弯矩分布随时间变化

图8为第67 d各桩弯矩图，可以看出弯矩极值随斜桩倾角增加而增加，P2、P3、P4桩弯矩峰值分别为3.35 N·m、5.21 N·m、6.88 N·m, 15°、18°斜桩的弯矩极值比8°斜桩分别增加了55.5%和105.4%。表明斜桩倾角对弯矩大小影响巨大，这主要是由于随着倾角的增加，桩身上覆土重以及土层沉降在桩身径向方向的分量逐渐增加，对桩的“下压”作用更为明显，进而引起桩身所受弯矩的增加。

图8 倾角、桩径对桩身弯矩影响

同时，图8中D=32 mm的桩P5弯矩为3.69 N·m, 与D=42 mm的桩P4进行对比，直径减小23.8%,弯矩减小29.2%。对比可得，桩径减少，桩身弯矩随之减少，同时弯矩极值点下移。这是由于桩径减小，桩身上覆土重减少；壁厚不变桩径减少，则桩身抗弯刚度减少，弯曲增加，最终导致弯矩减小同时极值点下降。

3 结 论

(1)本模型试验采用土体自重固结的方式，试验结果显示，土体在自重沉降的过程中，土体沉降带动桩沉降，且随着固结时间的增加，土体沉降增大；桩与土体的沉降均表现出早期沉降发展较快，后期沉降发展较慢的趋势。另外，本试验的沉降数据曲线略有波动，考虑到可能是由于土体表面未设置堆载，导致土的沉降较易受到周围环境的影响。因此在后续模型试验中可以采用在土表施加重物荷载或真空加载，以稳定沉降数据及加快土体固结过程。

(2)随着土体固结度增加，桩身轴力发展具有明显的时间效应，且与土层沉降增长速率同步，其中性点逐渐上移，最终稳定于岩层上方0.1倍土层厚度附近。桩径、斜桩倾角对桩身轴力具有一定的影响作用，相同条件下，较大桩径和倾角的嵌岩斜桩将承受较大的负摩阻力进而承受较大的桩身轴力。倾角为8°、15°和18°的嵌岩斜桩中性点处的轴力比嵌岩直桩分别增加了32.3%、80.7%、101.1%。倾角皆为15°时、直径32 mm和直径为42 mm的嵌岩斜桩相比轴力减少了52.9%。

(3)桩身弯矩受固结时间和倾角影响，当桩身倾角为8°且土层沉降较小时，桩身峰值弯矩点较高，位于岩土交界面上方0.1倍土层厚度处；当桩身倾角较大或土层沉降较大时，桩身弯矩峰值点总体位于岩土交界面处。嵌岩斜桩桩径和倾角同样影响桩身弯矩，倾角为15°、18°的嵌岩斜桩的弯矩极值与倾角为8°的嵌岩斜桩的相比增加了63.5%、105.4%。直径32 mm、倾角15°的斜桩比直径42 mm的同倾角斜桩弯矩减少了29.2%。

(4)由上述试验结果分析，由于欠固结软土层(深度0～0.5 m)内负摩阻力的存在，使得桩身的轴力、弯矩都有一定程度的增大，负摩阻力对于桩基的承载性能的影响是不利的，因此在实际工程中应当采用沥青涂层等方法尽量减小负摩阻力。

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