馬慶華，邵 勇，朱進(jìn)軍

(連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,江蘇連云港 22006)

水平荷載下承臺(tái)-傾斜樁工作性狀的數(shù)值分析

馬慶華，邵 勇，朱進(jìn)軍

(連云港職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程系,江蘇連云港 22006)

為了得到承臺(tái)-傾斜樁體系在水平荷載條件下的工作性狀,首先擬合現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)得到土層及樁體的合理參數(shù),然后采用數(shù)值模擬手段分析了不同傾斜程度及傾斜方向下體系的變形、受力特征。計(jì)算結(jié)果表明,3種傾斜方向及傾斜程度在0%～12%時(shí)體系水平向承載力均未減小,即水平位移均小于未傾斜時(shí)。從彎矩分布特征來看,樁頂均受到正彎矩,且彎矩值最大,樁身下部受到負(fù)彎矩,反彎點(diǎn)位于樁頂以下8～9 m處。樁體傾斜程度對體系中傾斜樁與豎直樁的彎矩分擔(dān)產(chǎn)生影響。

樁基工程；傾斜樁；承臺(tái)；水平荷載；數(shù)值模擬

2015,32(11):62-65

1 研究背景

預(yù)應(yīng)力管樁以其造價(jià)低、施工速度快、易于吊裝等優(yōu)點(diǎn)在工程中得到廣泛的應(yīng)用[1-2],由于受到施工擾動(dòng)、不均勻荷載等影響,經(jīng)常發(fā)生傾斜事故,給工程建設(shè)帶來困擾[3-5]。因此非常有必要對傾斜樁的工作性狀進(jìn)行研究,以為傾斜樁的加固改造提供思路。

國內(nèi)外一些學(xué)者對此已有研究成果,鄭剛等[6-8]采用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬等方法對單根傾斜樁在豎向荷載下的承載力特性以及傾斜樁的加固措施進(jìn)行了研究,得到了一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。N.Gerolymos等[9-10]采用數(shù)值模擬手段對傾斜群樁在地震荷載下的工作性狀進(jìn)行了研究；K.M.Rollins[11]等研究了承臺(tái)-樁在水平向循環(huán)荷載的承載力性狀,以及樁側(cè)回填土對承臺(tái)-樁水平向位移的影響；W.Raongjant[12]等研究了樁體在水平向荷載下的破壞特征,以及樁長、樁身剛度等對樁體水平向承載力的影響。前人的研究主要集中在傾斜單樁豎直向承載力性狀以及垂直樁的水平向承載力,對帶承臺(tái)的傾斜樁承載力特征尚無明確描述,特別是在水平向荷載下的工作性狀尚不清楚。而實(shí)際運(yùn)用中管樁一般與承臺(tái)連接使用,因此對承臺(tái)-傾斜樁的受力特征研究更具現(xiàn)實(shí)意義。

本文以連云港海相軟土條件下樁基工程為例,研究帶承臺(tái)傾斜樁在水平荷載下的受力特征,首先選取傾斜樁工程實(shí)例數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值模擬擬合,反演得到軟土的物理力學(xué)參數(shù),進(jìn)而分析水平荷載下傾斜傾斜樁的傾斜角度及傾斜方向?qū)С信_(tái)傾斜樁的受力特征的影響。

2 現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)反演

為了保證數(shù)值模擬所用參數(shù)的正確性,用現(xiàn)場單樁承載力實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行反演,試樁位于連云港地區(qū),地基中存在數(shù)米厚淤泥質(zhì)軟土。根據(jù)鉆探資料,該區(qū)域主要地層及物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 地基土物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of foundation soil

連云港市地區(qū)在大地構(gòu)造上屬中朝地臺(tái)、魯東古隆起地塊。巖土種類既有古老的變質(zhì)巖,又有近代沉積的海相淤泥,根據(jù)地形地貌可分為3個(gè)工程地質(zhì)區(qū):構(gòu)造剝蝕山地、山前堆積臺(tái)地及海積平原,試樁區(qū)域位于海積平原上。

預(yù)應(yīng)力管樁長24 m,入土深度為23.5 m,直徑為600 mm。實(shí)測與計(jì)算數(shù)據(jù)擬合結(jié)果見圖1,從擬合結(jié)果來看,數(shù)值模擬采用的參數(shù)是合理的。

圖1 現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與數(shù)值模擬數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparison between field and numerical simulation data

3 數(shù)值模型及計(jì)算條件

數(shù)值模擬采用有限差分軟件FLAC3D,模型尺寸根據(jù)文獻(xiàn)[7]中建議取值,模型長寬均為30 m,高為50 m,承臺(tái)采用實(shí)體單元模擬,管樁采用軟件自帶的結(jié)構(gòu)單元pile模擬,計(jì)算時(shí)巖土體本構(gòu)為摩爾、庫倫模型,承臺(tái)采用彈性模型物理力學(xué)參數(shù)采用表1中數(shù)據(jù)。承臺(tái)彈性模量為33 GPa,管樁彈性模量為29 GPa,樁長為24 m,數(shù)值模型見圖2所示。

圖2 數(shù)值模型Fig.2 Numerical model

數(shù)值模擬邊界條件為在模型底部施加全約束,即約束水平與豎直向變形,模型四周約束水平向變形,模型頂部無約束。

模擬時(shí)以2根樁加承臺(tái)為研究對象,其中一根樁為豎直樁,一根為傾斜樁,取傾斜程度為0%,2%, 4%,6%,8%,12%共7種工況,傾斜方向見圖3共3種工況,水平荷載作用于承臺(tái)側(cè)邊。水平位移監(jiān)測點(diǎn)位于承臺(tái)中心。

工況1為樁體向遠(yuǎn)離豎直樁方向傾斜,工況2為向靠近豎直樁方向傾斜,此2種工況定為水平向傾斜(與承臺(tái)長軸方向平行),工況3為垂直向傾斜(與承臺(tái)長軸方向垂直)。

圖3 傾斜樁傾斜方向示意圖Fig.3 Schematic of pile's inclined direction

4 計(jì)算結(jié)果分析

4.1 樁體傾斜對水平向承載力的影響

管樁與承臺(tái)連接之后由于其承載力較大,因此很難進(jìn)行現(xiàn)場靜載試驗(yàn),然而數(shù)值模擬技術(shù)可以解決這樣的問題,針對上述3種工況進(jìn)行了計(jì)算,結(jié)果見圖4。

圖4 各工況荷載與水平位移的關(guān)系曲線Fig.4 Relation between load and horizontal displacement under different working conditions

從圖4中3種工況的計(jì)算結(jié)果可以看出,單根樁體傾斜并未減小承臺(tái)-樁體系的水平向承載力,在相同水平荷載條件下,水平位移略有減小。這是由于承臺(tái)及數(shù)值樁限制了傾斜樁的位移發(fā)展,承臺(tái)與樁組成了一個(gè)框架體系,因此當(dāng)其中一根樁傾斜時(shí)整個(gè)體系的承載力并未降低。

為了更為清晰地表達(dá),以荷載1 100 kN為例,描述各工況傾斜程度與水平位移的關(guān)系,詳見圖5。

圖5 荷載1 100 kN計(jì)算結(jié)果對比Fig.5 Comparison of calculated results under load 1 100 kN

從圖5中可以看出,工況2、工況3情況類似,水平位移減小后比較平穩(wěn)地發(fā)展,其中工況3的位移減少較工況2要多,說明工況3更利于水平承載。而工況1情況略有不同,水平位移呈先減小后增大的趨勢,當(dāng)傾斜程度達(dá)8%時(shí)位移最小,說明工況1條件下存在一個(gè)臨界值,即8%為最利于水平向承載的傾斜程度。

4.2 樁身彎矩分布特征

分析樁身彎矩時(shí)仍然以1 100 kN下的計(jì)算結(jié)果為例,彎矩分布見圖6。

圖6 樁身彎矩分布Fig.6 Bending moment diagram of the pile

圖6為工況1條件下傾斜程度為6%的計(jì)算結(jié)果。計(jì)算結(jié)果顯示傾斜樁與豎直樁均產(chǎn)生了較大彎矩,最大彎矩為正且均位于樁頂,在樁身下部產(chǎn)生了較大的負(fù)彎矩,但數(shù)值小于樁頂?shù)恼龔澗?彎矩反彎點(diǎn)位于樁頂以下8～9 m處。其他情況計(jì)算結(jié)果均與此類似,最大彎矩均位于樁頂,且為正。因此在比較時(shí)僅給出各工況的樁頂彎矩。比較結(jié)果見圖7。

從圖7中可以看出,3種工況下隨著傾斜程度的增加樁頂彎矩也逐漸減小,僅工況2中彎矩值呈先減小后增大的趨勢,且當(dāng)傾斜程度較大時(shí),樁身彎矩值均超過了未傾斜時(shí)。

圖7 各工況傾斜程度與樁頂彎矩的關(guān)系Fig.7 Relation between inclined degree and bending moment at the top of pile under different working conditions

在工況1、工況3條件下,傾斜程度為8%時(shí)為一臨界點(diǎn),未達(dá)8%時(shí),傾斜樁承擔(dān)的彎矩要大于豎直樁,達(dá)8%之后,數(shù)值樁彎矩值大于傾斜樁。在工況2條件下,其臨界值為6%,未達(dá)6%時(shí),豎直樁彎矩大于傾斜樁,達(dá)6%之后,傾斜樁彎矩大于豎直樁,這說明樁體傾斜程度及樁體傾斜方向都影響豎直樁與傾斜樁的彎矩分擔(dān)。

5 結(jié) 論

通過對承臺(tái)-傾斜樁結(jié)構(gòu)體系水平向承載力及樁身彎矩的計(jì)算分析,現(xiàn)總結(jié)如下:

(1)3種工況條件下,樁體傾斜未造成體系水平向承載力的降低,說明在承臺(tái)-傾斜樁結(jié)構(gòu)體系中個(gè)別樁體的傾斜不影響整體的水平承載力。

(2)在水平荷載作用下,承臺(tái)-傾斜樁體系水平位移均小于樁體未傾斜時(shí),僅在工況1條件下,位移呈先減小后增大趨勢,但在傾斜達(dá)12%時(shí)仍未超過未傾斜時(shí)位移。

(3)從彎矩分布特征來看,3種工況下樁頂彎矩值均最大,且均為正,樁身下部收到負(fù)彎矩,反彎點(diǎn)位于樁頂以下8～9 m處。

(4)隨著樁體傾斜程度的增加,存在一個(gè)臨界點(diǎn),在此臨界點(diǎn)前后,承臺(tái)-傾斜樁體系中傾斜樁與數(shù)值樁的彎矩分擔(dān)將發(fā)生改變。

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(編輯:王 慰)

Numerical Analysis of Cap-Inclined-Pile's Behavior under Horizontal Load

MA Qing-hua,SHAO Yong,ZHU Jin-jun
(Department of Architectural Engineering,Lianyungang Technical College,Lianyungang 222006,China)

To get the behavior of cap-inclined-pile under horizontal load,we implemented the following steps:firstly,the reasonable parameters of soil and pile were acquired according to fitted field observed data,and then the characteristics of deformation and force under different inclined degrees and tilt directions were analyzed through numerical simulation.The results show that horizontal bearing capacity doesn't decrease in the conditions of three tilt directions and inclined degrees from 0%to 12%.In other words,the horizontal displacement of an inclined pile is less than that of a vertical pile.Moreover,the top of the pile is subject to the maximum positive moment,whereas the bottom of the pile is subject to negative moment and the inflection point is 8-9 m below the top of the pile.Finally,the distribution of moment on tilted piles and vertical piles is influenced by the tilt degree.

pile foundation engineering；inclined pile；cap；horizontal load；numerical simulation

TU470

A

1001-5485(2015)11-0062-04

10.11988/ckyyb.20140404

2014-05-17；

2014-06-16

江蘇省“六大人才高峰”高層次人才資助項(xiàng)目(2014JZ016)；住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015K3023)

馬慶華,(1972-),安徽淮北人,副教授,碩士,主要從事結(jié)構(gòu)工程、工地地質(zhì)、工程施工與管理等領(lǐng)域的教學(xué)及科研工作,(電話) 15351868844(電子信箱)lygmqh@163.com。

邵 勇,(1982-),江蘇連云港人,講師,博士,主要從事巖土工程方面的教學(xué)及科研工作,(電話)13851289149(電子信箱)silinfe@ sina.com。