第 39 卷第 7 期 岩 土 力 学 Vol.39 No. 7

2018 年 7 月 Rock and Soil Mechanics Jul. 2018

收稿日期：2016-10-08

第一作者简介：喻豪俊，男，1989 年生，博士研究生，主要从事岩土工程方面的研究工作。E-mail: yuhaojun08@stu.scu.edu.cn

DOI：10.16285/j.rsm.2016.2347

碎石土斜坡水平受荷桩承载特性研究

喻豪俊 1, 2，彭社琴 2，赵其华 2

（1. 四川大学 水利水电学院，四川 成都 610065；2. 成都理工大学 环境与土木工程学院，四川 成都 610059）

摘 要：斜坡上的桩基础的承载性能是复杂多变的。对于四川西部山地地形较广泛，且地基覆盖层多为特有的碎石土

地层来说，水平受荷桩的相关研究还较少。为了研究碎石土地基斜坡上单桩基础的水平承载特性及桩土间的相互作用，

通过现场水平静载荷试验在坡度为 0°、15°、30°、45°的条件下，探讨桩身变形、桩身弯矩、土压力的变化。运用 FLAC3D

有限元分析软件得出水平荷载作用下，碎石土斜坡不同坡度的桩基础与桩周土之间的应力云图、位移云图的变化特点。

将数值模拟结果与现场试验结果进行了对比，提出了单桩水平临界荷载和极限荷载在不同坡度区间内取值时的折减系

数，为实际工程提供一定的参考。

关 键 词：斜坡；碎石土；水平荷载；桩基础；现场试验

中图分类号：TU 413.6+2 文献标识码：A 文章编号：1000－7598 (2018) 07－2537－10

Research on response of laterally loaded pile in gravel soil sloping ground

YU Hao-jun1, 2, PENG She-qin2, ZHAO Qi-hua2 （1. College of Water Resources and Hydropower, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610065, China;

2. College of Environment and Civil Engineering, Chengdu University of Technology, Chengdu, Sichuan 610059, China）

Abstract: The behavior of a laterally loaded pile is sophisticated and diverse when it is loaded on the sloping ground. For the gravel

soil as a typical strata of western Sichuan province of China, very limited research works have been carry out to study laterally loaded

piles in gravel soil ground. In order to study the horizontal load-bearing characteristics and the interaction between pile and soil of the

single pile embedded in the gravel soil slopes, a field test is conducted to investigate the single pile response varying gravel soil slope

gradient. Slopes with gradient 0°, 15°, 30° and 45° are chosen, and the study includes pile deflection, bending moment, and earth

pressure. The finite element analysis software FLAC3D is used to obtain the pile-soil stress field nephogram and displacement field

nephogram for different gradient slopes. Furthermore, comparing field test results with numerical simulation results of critical load

and ultimate load of pile in different slope ranges provides a reduction coefficient for the existing methods proposed in design. In

summary, the study in this paper provides a reference for future practical engineering applications.

Keywords: slope; gravel soil; lateral load; pile foundation; field test

1 引 言

为了满足西南电网大容量输电的需要，近几年

西南地区电力基础设施不断建设与完善，越来越多

的电力输送线路在西南地区的崇山峻岭中走线。然

而由于山区地形地貌条件的限制，大部分输电线塔

位所处地形陡峻，处在陡坡地形上输电线路桩基础

很容易受到周围不稳定岩土体的直接威胁[1]。与传

统的水平地基相比较而言，处于陡坡上的桩基础的

承载特性有着明显的不同。所以，对于工程设计人

员来说，准确了解斜坡上桩基础的这些变化特征是

至关重要的。

长久以来，国内外的研究人员对不同土体地基

下水平受荷桩进行了大量的试验与数值分析研

究[29]。近些年，处于斜坡上的水平受荷桩基础的研

究也受到了大家广泛的重视。Muthukkumaran[1011]、

Begum 等[12]开展了一系列模型试验，研究处于水平

地基和不同类型斜坡地基，以及考虑斜坡角度效应

2538 岩 土 力 学 2018 年

下的水平受荷桩的问题。Zhao 等[13]通过文克勒地基

理论，建立桩-土-斜坡体系探索处于高陡斜坡上的

桥梁桩基础的变化特征。He 等[14]运用理论分析和

数值模拟的方法来预测砂土斜坡上桩土压力的分布

特征以及研究斜坡角度变化对其的影响。Ashour

等[15]开展足尺加载试验来研究水平受荷桩的变化

特点，包括位移、弯矩和土压力。Sawant 等[16]通过

三维有限元比较了桩基础分别处在斜坡地基和水平

地基上时受水平力作用的反应。刘兹胜等[17]也对在

倾斜泥面中的码头高桩的水平承载性能进行了研

究。

对于碎石土地层上的基础而言，也有部分学者

做了一些研究。像 Chiou 等[18]通过现场试验研究了

处于碎石土中的受水平荷载的桥梁沉井基础。刘俊

龙[19]通过对 121根碎石土地层中的混凝土预制桩的

静载试验数据的分析，研究了桩身极限承载力和施

工最终压力之间的关系。

前述关于水平受荷桩的研究表明，斜坡坡度的

变化对于桩基础的承载特性有着明显的影响。不同

地基条件下的桩基础承载性能不尽相同。总体来看，

对于处于碎石土斜坡地形中的桩基础，特别是水平

受荷桩基础的研究还较少。因此，有必要对处于碎

石土斜坡地形中的水平受荷桩基础开展相应的研

究。

2 单桩水平静载荷现场试验

2.1 试验概况及工程地质条件

本次试验依托四川省某 500 kV 输电线路工程，

在工程前期，开展相应的桩基础水平承载力及相关

参数取值试验。试验场地位于四川省理县薛城镇下

孟乡四马村，场地所在区域整体呈现出高山峡谷地

貌，山高坡陡。试验点全貌见图 1。

图 1 试验区场地地形地貌

Fig.1 Topography of test site

试验场地内的地层主要是由第四系松散坡积物

以及第三系泥岩组成的，地层结构比较简单，主要

为：①覆盖层主要为上覆崩坡积（Q4col+dl）碎块

石，粒径一般为 3～8 cm，最大粒径为 50 cm，碎石

土场地试桩试验处覆盖层厚为 10 m；②基岩下伏古

生界泥盆系石英砂岩为主。

2.2 试验方案

本次现场试验共进行 4 组不同坡度，共 8 根桩

的水平静载试验，其中 1#～2#、3#～4#、5#～6#、7#～

8#桩拟分别进行 0°、15°、30°、45°坡试验。现场碎

石土样在试验地点和粗粒土大三轴实验室等共同测

得碎石土的物理力学性质指标如表 1 所示。

表 1 现场试验碎石土物理力学参数

Table 1 Gravel soil physico-mechanical parameters

密度

/(g/cm3)

含水率

w /%

内摩擦角

/(°)

黏聚力

c / kPa

不均匀

系数

Cu

曲率

系数

Cc

体积

模量

/GPa

剪切

模量

/GPa

2.273 6.3 45.57 10 13.8 1.53 0.15 0.1

桩基础均为混凝土人工挖孔灌注桩，桩径为

1 m，桩长为 10.5 m，出露 0.5 m，桩身的混凝土标

号为 C25。桩身配筋采用 30 根直径为 28 mm 的

HRB400 钢筋作为主筋通长配置。桩身箍筋采用

HPB300 钢筋，直径为 8 mm，间距为 200 mm，加

密区间距为 100 mm 配置。

现场桩基水平静载荷试验示意图如图 2 所示。8

根桩的桩位布置图如图 3 所示。

2.3 试验加载装置

试验采用油压千斤顶进行水平力加载，千斤顶

采用 0.4 级精密压力表进行加压，最大量程为

100 MPa（200 t）。反力装置采用 C25 混凝土反力墙，

反力墙高为 4 m、宽为 3 m、厚为 1 m，外露 2 m。

为了使桩基础受荷均匀，反力墙与油压千斤顶、试

桩与油压千斤顶之间垫 1～3 块钢板找平。桩顶水平

作用点位置在桩后地面处，约桩顶向下 50 cm 位置，

并通过桩身轴线。

图 2 桩基水平静载荷现场试验

Fig.2 Field horizontal static load test of pile foundation

试验地点

反力墙

千斤顶

基准梁

测斜管

第 7 期 喻豪俊等：碎石土斜坡水平受荷桩承载特性研究 2539

图 3 桩位布置示意图

Fig.3 Layout diagram of pile foundations

2.4 试验监测元件布置

本次试验的主要目的是研究斜坡桩-土的水平

相互作用特性，试验过程中对桩身水平位移、桩身

弯矩、桩侧土压力进行测量。监测元件的选择及布

设情况如下：

（1）桩顶位移及桩身位移

本次试验通过在桩顶左右两侧和中心共安装 3

只百分表来量测桩顶位移，数显式百分表量程为

150 mm，精度为 0.01 mm。试验采用测斜管收集每

级荷载加载后的桩身位移。

（2）桩身弯矩

现场试验在桩身两侧埋设钢筋计来量测加载过

程中的钢筋拉压应力。钢筋计型号为 ZX-428CT，

长为 170 mm，直径为 28 mm，量程为±200 MPa。

布设在受力方向的对称面上，如图 4、5 所示。桩长

4 m 以上净间距为 0.55 m，桩长 4 m 以下净间距为

0.75 m 处布设。

图 4 钢筋计

Fig.4 Steel bar gauge

图 5 钢筋计布设位置

Fig.5 Location of steel bar

gauge

最后通过下式换算得到桩身弯矩值：

0

IM

b

（1）

式中： 、 分别为拉应力、压应力（MPa）；I

为桩身截面惯性矩（m4）； 0b 为同一断面处拉、压

应力测点间距（m）。

（3）桩侧土压力

在桩身两侧埋设土压力盒来量测加载过程中桩

侧土压力。土压力盒型号为 ZX-506CT，量程为

0.6 MPa，直径为 120 mm。现场试验时，在桩身 4 m

以上间距为 0.8 m 处布设一个，4 m 以下每 1 m 布

设 1 个，并在桩前 3.6 m、4.5 m 处加密布设。

桩身监测元件布设见图 6。

图 6 监测元件布设图

Fig.6 Location of monitoring elements

2.5 试验加载方法

试验的加载顺序按照斜坡下坡向方向加载，即

从 45°坡的 7#、8#桩开始加载，然后顺坡向向下依

次加载 30°、15°、0°的桩基础。

加载方法根据工程桩实际受力特性选用单向慢

速维持荷载法。最大加载荷载不超过 2 000 kN。

（1）荷载分级：每 1 级荷载加载等级为预估最

大荷载的 1/10～1/15。

（2）加载程序与位移观测：每级荷载维持 1.5～

2.5 h，以每1小时内的桩顶位移变化量不超过0.1 mm

为稳定标准。

（3）终止试验的条件：本次试验为了研究桩土

体系变形的持续发展，拟定现场试验坡面处桩身位

移超过 100 mm 时停止加载。

3 试验结果

3.1 桩顶位移

处于不同坡度下的 8 根桩基础的桩顶位移曲线

如图 7 所示。

图例 等高线 桩 1# 桩号 指南针

下孟乡四马村 10 m

1 770

1 770 1 780

1 785

1 790

1 795

1 800

1 805

1 810 1 815

1 820 1 825

1 830 1 835 1 840

1 845 1 850 1 855

1 860 1 865

1 870 1 875 1 880 1 885

2#

4# 6#

8#

1#

3# 5#

7#

反

力

装

置

钢筋计

土压力盒

1

图例：

1 0

00

1 0

00

1 0

00

1 0

00

1 0

00

800 8

00

800

800

1 000 1 0

00

1 0

00

1 0

00

1 0

00

1 0

00

500

400

500

7 0

00

10 6

00

800

800 8

00

300

3 0

00

1 1

00

1 1

00

1

400

2540 岩 土 力 学 2018 年

图 7 不同坡度下桩顶位移-荷载曲线

Fig.7 Displacement-force curves for pile-top with

different slope gradients

图中，不同斜坡坡度下桩顶位移曲线变化趋势

大致相同，并可分为 3 个阶段：

（1）在初始加载阶段 力-位移间的关系呈线性

关系，可近似按弹性本构模型描述本阶段桩土应力-

应变关系，此时土体的变形是可逆的。而且，随着

坡度的增大，土体处于弹性阶段的时间越短，可以

看出 0°坡桩土的弹性阶段大概为 0～600 kN 加载

段，15°坡为 0～500 kN 加载段，30°坡为 0～400 kN

加载段，45°坡为 0～250 kN 加载段。

（2）第 2 加载阶段 当水平荷载超过了桩土临

界荷载以后，此时力-位移间的关系呈非线性关系，

可近似按弹塑性本构模型描述本阶段桩土应力-应

变关系，土体的变形从可逆变为不可逆。并且随着

荷载的增大，桩身也开始加速变形。相同荷载时桩

身变形随着坡度的增大也呈现明显的增长。

（3）第 3 加载阶段 当水平荷载超过了桩土极

限荷载以后，桩顶位移在较小的荷载下也迅速增大，

位移不再收敛于某一值。此时认为，桩土体系进入

了失效破坏阶段。

另外，运用插值法从图中也可以看出，在相同

荷载（1 000 kN）下，0°坡的 2 根桩基础的平均桩

顶位移值为 32.8 mm；相比较而言，15°坡，位移值

增大了 6.8%，为 35.04 mm；30°坡，位移值增大了

25.7%，为 41.25 mm；45°坡，位移值增大了 146%，

为 80.75 mm。反过来也可以明显的看出，不同坡度

下桩基础的桩顶位移达到同一值时所需的荷载呈现

规律性的变化。坡度越小，桩身所需荷载越大；坡

度越大，桩身所需荷载越小。

所以认为斜坡坡度的变化是桩身变形的一个重

要因素，坡度越大，效应越明显。

3.2 桩身位移

通过测斜管测得处于不同坡度下桩基础的桩身

位移，这里列出每种坡度下 1 根桩基础的桩身位移

曲线，如图 8 所示。

(a) 0°坡 2#桩基础

(b) 15°坡 3#桩基础

(c) 30°坡 6#桩基础

(d) 45°坡 8#桩基础

图 8 不同坡度下桩身位移曲线

Fig.8 Displacement-force curves for pile with

different slope gradients

0 20 40 60 80 100 120

0 kN

98 kN 228 kN 358 kN 489 kN 684 kN 880 kN

1 075 kN

-10

-8

-6

-4

-2

0

桩身水平位移/mm

桩埋深/m

荷载

0 10 20 30 40 50 60 70 80

0 kN 107 kN 237 kN 366 kN 496 kN 626 kN 821 kN 1 015 kN 1 210 kN

-10

-8

-6

-4

-2

0

桩身水平位移/mm

桩埋深/m

荷载

0 20 40 60 80 100 120

0 kN 139 kN 269 kN 431 kN 594 kN 756 kN 951 kN 1 145 kN 1 340 kN 1 437 kN

-10

-8

-6

-4

-2

0

桩身水平位移/mm

桩埋深/m

荷载

-10

-8

-6

-4

-2

0 0 20 40 60 80 100 120

桩身水平位移/mm

桩埋深/m

0 kN 163 kN 326 kN 489 kN 651 kN 814 kN 977 kN 1 140 kN 1 303 kN 1 466 kN

荷载

0 400 800 1 200 1 600 2 000 0

20

40

60

80

100

120

140

160 位移/

mm

水平荷载/kN

1# 0°坡

2# 0°坡

3# 15°坡 4# 15°坡

5# 30°坡

6# 30°坡

7# 45°坡

8# 45°坡

第 7 期 喻豪俊等：碎石土斜坡水平受荷桩承载特性研究 2541

图中，首先以 0°坡桩为例可以看出，桩身位移

从桩顶向下呈非线性减小，6 m 以下，桩身的挠度

已基本为 0。可见，现场试验桩的水平变形主要集

中在地表埋深 6 m 以上至桩顶附近，这一部分的桩

和桩侧土体对于桩基础的水平承载力的形成具有关

键性作用。荷载较小时，桩侧土体对桩基础的约束

力较大，桩身位移增幅较小。随着土体逐渐失稳破

坏，对桩身的约束能力不断降低，位移的增幅加大。

从不同坡度桩身位移结果可见，处于不同坡度

的桩基础的桩身水平位移变化趋势相同。当然，桩

长范围内坡度的变化会影响到桩身变形反弯点出现

的深度和桩身大变形段的长度。相同荷载下的桩身

位移随着坡度的增大而不断增大，并且桩前土体坡

度变大，反弯点逐渐下移，桩身大变形段变长；反

之，若桩前土体坡度变小，则反弯点上移，桩身大

变形段缩短。分析认为地基坡度在一定程度上影响

了桩侧土体的稳定性，从而影响桩身在水平荷载作

用下的变形发展。

3.3 桩身弯矩

由于文章篇幅所限，这里仅列出 1 根桩基础的

桩身弯矩-荷载曲线，如图 9 所示。为了对比分析不

同坡度下的桩身弯矩变化情况，作出在相同荷载

（489 kN）下不同坡度的桩身弯矩值，如图 10 所示。

从图 9 中可以看出，在水平荷载作用下，桩身

弯矩沿桩顶到桩底呈先增大后减小，方向保持不变。

根据线弹性地基反力法，桩-土体系共同作用时，浅

部土体的水平抗力小，但是挤压变形较大，水平荷

载作用在桩端，桩身弯矩不断变大，但随着深度向

下土层的水平抗力增大到与水平作用力相等时，此

时弯矩就达到最大值，其后由于桩侧土体的地基反

力的增大，桩身下部的弯矩明显减少。在加荷过程

图 9 15°坡 3#桩桩身弯矩-荷载曲线

Fig.9 Bending moment-force curves of pile slope of 15°-3

图 10 489 kN 下不同斜坡坡度桩身弯矩曲线

Fig.10 Bending moment of pile for various sloping

ground under 489 kN force

中，桩身弯矩最大值的位置随着荷载的增大存在着

下移的趋势，最大弯矩出现在桩身中上部（大约为

0.25～0.30 倍桩长处）。说明此处为桩体最薄弱的位

置，在设计时应予以加强。

图 10 中，相同荷载下的桩身弯矩值随着坡度的

增大也呈现明显的增长，45°坡时桩身弯矩增大的

更为明显。0°坡时 2 根桩基础的平均弯矩值为

2.43 MN·m；15°坡时为 2.57 MN·m，增大了 6%；

30°坡时为 2.77 MN·m，增大了 14%；45°坡时为

3.29 MN·m，增大了 35%。试验分析认为，浅部土

体对桩身弯矩的影响尤为显著，地基坡度的增大，

降低了浅部土体的水平抗力，导致挤压变形增大，

水平荷载作用在桩端时使得桩身弯矩逐渐变大。并

且这种增大幅度随着地基坡度的增大而不断增大。

另外，随着地基坡度的增大，桩身弯矩最大值的位

置略有下移，可能由于斜坡地基桩前土体的减少，

上部土体的约束作用减弱，最终导致外荷载逐渐传

递到地基更深处。

3.4 桩侧土压力

同理，取 1 根桩基础的桩侧土压力-荷载曲线，

如图 11 所示。在相同荷载（489 kN）下不同坡度的

桩侧土压力值的变化情况，如图 12 所示。

图 11 显示桩前土压力变化值随着荷载的增大

而增大。可以认为是随着水平荷载的施加，桩前土

体不断受到桩身挤压，土体经过受力压缩后其抗压

能力得到加强。另外，桩基础属于弹性桩，在水平

荷载下桩身中下部向着加载方向相反的方向变形，

所以从图中可以看出，埋深 6 m 至桩底处，桩前土

压力变化值由于受到桩基础反方向变形影响而逐渐

减小，甚至出现负值。总的来说，入土 10 m 的桩

基，当桩顶承受水平荷载时，其影响深度主要集中

在 0.6 倍桩长至地面处。

0 2 4 6 8 10 12 14 16

桩身弯矩/(MN·m)

0 kN 139 kN 269 kN 431 kN 594 kN 756 kN 951 kN 1 145 kN 1 340 kN -10

-8

-6

-4

-2

0

桩埋

深/m

荷载

-10

-8

-6

-4

-2

0 -1 0 1 2 3 4

斜坡坡度

0° 15° 30° 45°

弯矩/(MN·m)

埋深/

m

2542 岩 土 力 学 2018 年

图 11 30°坡 6#桩桩侧土压力-荷载曲线

Fig.11 Earth pressure-load curves of 30°

pile slope of pile #6

图 12 489 kN 下不同斜坡坡度桩侧土压力曲线

Fig.12 Earth pressure for various sloping ground

under 489 kN force

图 12 中，与桩身弯矩随坡度的变化类似，桩前

土压力在相同荷载时随着坡度的增大而增大。地基

坡度越大，桩前土压力最大值位置有个明显的下移

过程。认为桩前地基土坡度的增大，桩前有效土体

范围减小，表层土体抵抗变形的能力下降，土体抗

力发挥段向下移动。总体来说，桩-土体系共同抵抗

水平荷载时，仍然是浅部土体发挥主要作用。

4 单桩水平承载特性数值分析

为了弥补现场试验结果的不足与缺陷，主要通

过数值计算进一步得到最大水平荷载下相应的桩土

应力云图、位移云图等变化特征，拟更加全面地反

映出桩-土作用的受力变形情况。

4.1 模型建立

数值分析中，运用 FLAC3D 有限元软件建立深

入碎石土的桩基概化模型。考虑碎石土地基坡度为

0°、15°、30°、45°时对单桩水平承载特性的影响。

为了满足桩土水平作用的半无限空间体假设，尽可

能地减小边界效应，本次概化数值模拟设计模型长

为 100 m，宽为 40 m，模型总高度为 30 m。桩基模

型尺寸与现场试验一致，直径为 1 m，桩长为 10.5 m，

出露为 0.5 m 的混合材料圆柱体。以 30°场地为例的

概化数值模型见图 13。

模拟中桩和地基土单元都选择能用来模拟三维

结构的实体单元 SOLID45。SOLID45 单元具有应力

硬化、塑性、大变形的能力，可以很好地模拟出地

基土由弹性进入到塑性的全过程。对于接触相互作

用，本次计算时，因在桩顶施加比较大的水平力，

桩土之间就会产生较大的位移以及转角，接触分析

时选用面-面接触，主要在两个位置建立接触面：一

个是桩底面和土之间的接触；另一个是桩侧面与土

之间的接触。

图 13 数值分析概化模型

Fig.13 Generalized model of numerical analysis

4.2 初始地应力和边界条件

为了能准确地反映桩和土体在应力作用下的变

形情况，在数值计算之前首先应形成土体中的地应

力场。计算时假设自重应力场就是初始应力场。直

接在模型中施加重力荷载，用于确定岩土体的初始

应力状态。同时，施加一定的边界约束，如图 14

所示。计算中模型边界条件的处理遵循以下原则：

（1）底部边界设定水平和竖直方向位移约束；

（2）侧向边界由于斜坡体存在自重应力，且自

重应力对斜坡岩体稳定性影响较大，因此，侧向边

界设定水平向为位移约束；

（3）顶部边界为自由边界。

图 14 模型边界约束示意图

Fig.14 Schematic of model boundary constraints

4.3 模型参数

模型参数选取剪切模量、体积模量、泊松比、

黏聚力、内摩擦角。桩-土接触面同时设定法向刚度

桩径 d

100d

30d

-10

-8

-6

-4

-2

0 -0.02 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

斜坡坡度

0° 15° 30° 45°

桩侧土压力/MPa

埋深/

m

-10

-8

-6

-4

-2

0 0.00 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15

桩侧土压力/MPa 桩埋深/m

0 kN 107 kN 237 kN 366 kN 496 kN 626 kN 821 kN 1 015 kN 1 210 kN

-0.02

荷载

第 7 期 喻豪俊等：碎石土斜坡水平受荷桩承载特性研究 2543

和剪切刚度，刚度值取周围最硬区域的 10 倍等效刚

度。依据对已有工程实例的数值模型研究得出：人

工挖孔桩桩土接触面摩擦性较好，接触面的 c、值

可以取 0.8 倍桩周土的 c、值。岩土体参数取值见

表 2 所示。

表 2 模型材料计算参数

Table 2 Model material calculation parameters

模型材料 /(g/cm3) c /kPa /(°) 体积模量

K /MPa

剪切模量 G

/MPa

桩 2.5 1 000 50 4 878 5 084

碎石土 2.2 10 45 150 100

4.4 数值分析结果

4.4.1 桩土应力云图

提取处于斜坡碎石土地基的单桩基础在水平力

作用下的桩-土应力云图，如图 15 所示。

(a) 0°

(b) 15°

(c) 30°

(d) 45°

图 15 最大荷载下桩-土应力云图

Fig.15 Pile-soil stress field nephogram under

the maximum load

从图中可以看出，水平荷载施加后，应力主要

集中在桩顶附近，并将力向下传递到更大的深度。

同时，处于不同坡度的斜坡桩基础在桩身下部、桩

底附近同样出现了一定的应力集中，这与现场试验

结果较为吻合。数值上来看，0°坡最大应力约为

1.56×107 N，随着坡度的增大，桩身所受应力逐渐

减小。45°坡时最大应力约为 8.09×106 N。分析认为

水平地基桩前土体的约束作用较强，产生了较大的

水平抗力，桩在相同变形情况下就要受到更大的应

力。而坡度越大，土体的这种抗力作用越弱，桩产

生同样变形时受到的应力较小。

4.4.2 桩-土位移云图

提取处于斜坡碎石土地基的单桩基础在水平力

作用下的桩-土位移云图，如图 16 所示。

(a) 0°

(b) 15°

(c) 30°

(d) 45°

图 16 最大荷载下桩-土位移云图

Fig.16 Pile-soil displacement field nephogram under

the maximum load

2544 岩 土 力 学 2018 年

从图中可以看出，最大水平位移出现在桩顶加

载位置附近，沿桩身向下位移逐渐减小，随着坡度

的增大，水平向位移也在不断增大。上部桩间土的

位移也随着外荷载和斜坡坡度在不断增大，桩前土

体位移沿斜坡坡面的主要变化范围从 0°坡时 2d（d

为桩径）增大到 45°时的 5d 左右，沿深度向下同样

逐渐增大，证明了斜坡坡度对桩周土的稳定性有着

很大的影响。

5 考虑不同坡度的桩基水平临界/极限荷载折减

对于实际工程中，桩基础最重要的设计参数之

一的水平临界荷载和极限荷载，现行的《建筑基桩

检测技术规范》[20]给出了相应的取值方法，然而针

对类似于输电线铁塔的塔基基础在高陡边坡上建

桩，其桩基础水平临界荷载和极限荷载与水平场地

相比有很大差别。如果缺少相关试验数据，斜坡不

同坡度下桩基础仍按照水平地基基桩参数取值，不

加以修正的话，其安全性将大大降低。因此，在此

提出斜坡地基单桩水平临界荷载和极限荷载在不同

坡度区间的调整系数。

根据图 7 中的桩顶位移-荷载曲线，按照《建筑

基桩检测技术规范》的规定，单桩水平临界荷载 Hcr

取水平荷载位移曲线（H0-x0）第 1 直线段的终点所

对应的荷载。单桩水平极限荷载 Hu取水平荷载位移

梯度曲线（H0-x0）第 2 直线段的终点所对应的荷

载。从而确定桩土作用体系的临界荷载 Hcr 和极限

荷载 Hu。按照同样的方法得到数值模拟的相关结

果，并与现场试验进行了对比，如图 17 所示。

图 17 单桩水平临界、极限荷载对比

Fig.17 Comparison between critical and

ultimate loads of pile

从图 17 中可以看出，随着斜坡场地坡度的增

大，现场试验和数值模拟得到的单桩水平临界荷载

Hcr 和极限荷载 Hu 都呈减小的趋势。另外，由于数

值模拟假设土体为连续介质，荷载加载过程中无大

变形产生；而实际现场试验在加载过程中土体会发

生明显的大变形，所以数值模拟计算得出的桩基础

临界荷载和极限荷载均大于现场试验结果。

为了量化不同坡度对水平临界/极限荷载的影

响，结合图 16 中的对比结果，可以得出在不同坡度

区间（0°～15°，15°～30°，30°～45°）内临界荷载

和极限荷载相比于水平场地的降低比例，如表 3 所

示。

表 3 不同坡度区间内单桩临界/极限荷载的降低比值

Table 3 The decrease ratio of critical/ ultimate load of pile

in different slope ranges

类别 水平临界/极限荷载降低比值/%

0°～15° 15°～30° 30°～45°

现场试验 11.1/14.6 19.5/27.3 30.8/38.5

数值模拟 13.2/14.7 19.1/32.4 29.4/38.0

表 3 中可以看出，随着坡度的增大，水平受荷

桩的临界荷载和极限荷载相比于水平场地来说，都

有不同程度的降低。坡度越大，降低的比例越大，

并且极限荷载降低比例要大于临界荷载。0°～15°

坡区间内，临界荷载降低了 11%～13%，极限荷载

降低了 14%左右；15°～30°坡区间内，临界荷载降

低了 19%，极限荷载降低了 27%～32%；30°～45°

坡区间内，临界荷载降低了 30%，极限荷载降低了

38%左右；总的来说，数值模拟结果和现场试验结

果比较接近。

对表 3 中不同研究方法得出的单桩临界荷载和

极限荷载的降低比例进行平均，基于此提出斜坡地

基水平受荷桩临界/极限荷载取值时，考虑不同坡度

区间的折减系数 ，如表 4 所示。

表 4 不同坡度区间内单桩临界/极限荷载的折减系数

Table 4 Reduction coefficient of critical/ ultimate load of

pile in different slope ranges

0°～15° 15°～30° 30°～45° >45°

0.90/0.85 0.8/0.7 0.7/0.6 0.6/0.5

6 结 论

（1）桩身变形、弯矩和土压力都随着斜坡坡度

的增大而增大，而且桩身弯矩、土压力最大值出现

的位置也随着坡度的增大呈下移的趋势，最大值出

现在 0.25～0.40 倍桩长处。

（2）水平荷载下桩土体系的破坏绝大部分是由

0 10 20 30 40 50 400

600

800

1 000

1 200

1 400

1 600

荷载/

kN

坡度/(°)

数值模拟临界荷载 现场试验临界荷载

数值模拟极限荷载

现场试验极限荷载

第 7 期 喻豪俊等：碎石土斜坡水平受荷桩承载特性研究 2545

于桩侧土体失稳，即土体的破坏所引起的。而由于

桩本身材料强度所引起的破坏则较少。桩侧土体发

生破坏是导致桩土体系的破坏的主要因素。 （3）分析认为，对于桩侧土体来说，水平荷载

施加时地表附近处的土体首先承担了荷载，在外荷

载较小时就进入塑形状态甚至破坏。由于地表土体

的破坏，荷载逐渐向下传递，中浅层土体承担了大

部分桩身传来的水平荷载，表现出被动受压状态。

（4）水平荷载施加后，应力主要集中在桩顶附

近，并将力向下传递到更大的深度。同时，处于不

同坡度的斜坡桩基础在桩身下部、桩底附近同样出

现了一定的应力集中。随着坡度的增大，桩身所受

应力逐渐减小。

（5）斜坡上部桩间土的位移随着外荷载和斜坡

坡度的增大在不断增大，桩前土体位移沿斜坡坡面

的主要变化范围从 0°坡时 2d（d 为桩径）增大到 45°

时的 5d 左右，沿深度向下同样逐渐增大。

（6）提出了在碎石土斜坡地基不同坡度区间内，

桩基础水平临界荷载和极限荷载的折减系数，为今

后实际工程提供一定的参考。

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