秦　力，許　慧，張冬生，景慎鑫

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中國(guó)聯(lián)合工程公司，杭州 310000)

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斜樁單樁水平靜載試驗(yàn)及MIDAS GTS有限元模擬分析

秦力1，許慧1，張冬生2，景慎鑫2

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.中國(guó)聯(lián)合工程公司，杭州 310000)

摘要：依托浙江某圓形煤場(chǎng)工程，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行斜樁單樁的靜載荷試驗(yàn)，利用兩根與軸心夾角為9.5°、垂向上呈“八”字形布置的斜樁對(duì)頂，在豎向抗壓承載力710 KN的恒定豎向荷載作用下，進(jìn)行水平加荷，得到Q-s及Q-Δs/ΔQ曲線，確定斜樁在豎向抗壓承載力作用下的單樁水平臨界荷載及極限荷載，并得到斜樁單樁的水平承載力。試驗(yàn)結(jié)果表示，斜樁單樁的水平承載力為160～180 KN，約為豎直樁單樁的3倍。同時(shí)采用MIDAS GTS有限元軟件分別模擬了斜樁單樁和豎直樁單樁的靜載荷試驗(yàn)，得到Q-s及Q-Δs/ΔQ曲線，得到斜樁單樁和豎直樁單樁的水平臨界荷載和極限荷載，分析曲線得到單樁的水平承載力。模擬結(jié)果表示，斜樁單樁的水平承載力約為120 KN，豎直樁單樁的水平承載力約為40 KN，斜樁單樁水平承載力約為豎直樁單樁的3倍。通過靜載荷試驗(yàn)和有限元模擬分析，結(jié)果表明，樁基靜載試驗(yàn)的Q-s及Q-Δs/ΔQ實(shí)測(cè)曲線和有限元模擬曲線吻合較好，斜樁水平承載力約為豎直樁的3倍。

關(guān)鍵詞：有限元法；斜樁；水平極限承載力；靜載試驗(yàn)；數(shù)值模擬

斜樁在橋梁、碼頭、送電鐵塔等工程樁基中經(jīng)常使用，但在一般工業(yè)與民用建筑中則很少采用，其原因是依靠承臺(tái)埋深大多可以解決水平力問題。目前大跨度屋蓋結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于機(jī)場(chǎng)、體育場(chǎng)館、文體活動(dòng)中心以及展覽館等公共建筑，其屋蓋往往采用拱形結(jié)構(gòu)，故支座處會(huì)產(chǎn)生很大的水平推力，依靠承臺(tái)埋深無(wú)法解決[1]。

圖1　I試驗(yàn)區(qū)樁位布置示意圖

Evans(1953)[2]通過現(xiàn)場(chǎng)樁基荷載試驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)為負(fù)斜樁的水平抗力大于豎直樁，正斜樁的的水平抗力小于豎直樁。楊征宇等(2010)[3]基于試驗(yàn)得到的斜樁土抗力分布曲線，結(jié)果表明，負(fù)斜樁樁身?yè)隙群蛢?nèi)力均小于正斜樁。Lv Fan-ren，Yin Ji-ming和Jin Yao-hua(2011)[4]進(jìn)行了負(fù)斜樁的側(cè)向承載力模型實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了生活經(jīng)驗(yàn)中的負(fù)斜樁的水平承載力隨著傾斜角的增大而增大。王蘇疆、葉帥(2011.4)[5]研究單斜樁工作特性，結(jié)果表明，中等剛性負(fù)斜樁的水平承載能力較好。王云崗、章光、胡琦(2011.7)[6]通過對(duì)直樁、斜樁的單樁側(cè)向和軸向承載特性的分析以及群樁基礎(chǔ)荷載分擔(dān)情況的分析，揭示了斜樁基礎(chǔ)的受力性狀。呂凡任、邵紅才、金耀華(2012.5)[7]通過對(duì)稱雙斜樁基礎(chǔ)模型試驗(yàn)，研究豎向荷載作用下對(duì)稱雙斜樁基礎(chǔ)的承載特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，豎向的傾角在5°～10°內(nèi)是最優(yōu)的。任濤(2012.6)[8]得到可用于分析斜樁水平承載力的曲線法。袁廉華(2012.11)[9]獲得了斜樁樁側(cè)極限水平土反力計(jì)算公式。其研究結(jié)論可以為海上大型結(jié)構(gòu)斜樁群樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)提供支撐。凌道盛、任濤、王云崗(2013.1)[10]提出了適用于斜樁水平承載特性分析的修正p-y曲線及相應(yīng)的有限元分析方法。

本文介紹了斜樁的水平靜載荷試驗(yàn)及MIDAS GTS 有限元模擬分析，通過試驗(yàn)和有限元模擬，得到斜樁單樁和豎直樁單樁的Q-s及Q-Δs/ΔQ曲線，確定了單樁的水平臨界荷載、水平極限荷載及水平承載力，分析得到了較為一致的結(jié)果，斜樁水平承載力約為豎直樁的3倍。

1試驗(yàn)概況

1.1試樁場(chǎng)地選址及試樁設(shè)計(jì)

本次試樁共有2根預(yù)制斜樁，標(biāo)號(hào)分別為I01、I02，與軸心夾角均為9.5°，垂向上呈“八”字形布置，樁頂中心距為2 m，樁長(zhǎng)為18.5 m，樁橫截面尺500×500 mm，樁頂標(biāo)高+3.60 m，樁尖標(biāo)高-14.65 m，樁尖進(jìn)入③1層粉砂的深度約1.1 m，樁尖以下持力層的厚度僅為0.8 m左右。試樁的樁位布置示意圖見圖1。

1.2試驗(yàn)場(chǎng)地地質(zhì)條件

根據(jù)勘察資料，場(chǎng)地內(nèi)40 m深度范圍內(nèi)，地層共可劃分為14層，各土層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)及樁基設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1　地基土的物理力學(xué)指標(biāo)

1.3試驗(yàn)裝置及加載方案

本次試樁主要設(shè)備為靜力載荷測(cè)試儀，試驗(yàn)加載采用分離式油壓千斤頂及并聯(lián)于千斤頂油路的超高壓油泵和壓力表測(cè)定油壓，荷載測(cè)量采用荷重傳感器及其配套的壓力顯示儀，并自動(dòng)記錄。水平靜載荷試驗(yàn)反力利用兩根斜樁對(duì)頂，水平位移測(cè)量則采用安裝在樁的水平力作用點(diǎn)另一側(cè)的高精度大量程百分表。如圖1所示。

本次單樁靜載試驗(yàn)采用單向多循環(huán)加、卸載試驗(yàn)法，每級(jí)荷載達(dá)到穩(wěn)定且樁頂上拔變形量達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)后施加下一級(jí)荷載。在整個(gè)試驗(yàn)過程嚴(yán)格按照試驗(yàn)的規(guī)范進(jìn)行，確保試驗(yàn)結(jié)果的參考價(jià)值。

本次試驗(yàn)在710 KN的恒定豎向荷載作用下，進(jìn)行水平加荷，水平加載每級(jí)荷載增量為20 KN，首級(jí)荷載為40 KN。

每級(jí)荷載施加后，恒載4 min測(cè)讀水平位移，然后卸載至零，停2分鐘測(cè)讀殘余水平位移，至此完成一次加、卸載循環(huán)，如此循環(huán)5次便完成一級(jí)荷載的試驗(yàn)觀測(cè)。

當(dāng)水平位移超過30～40 mm或Q-Δs/ΔQ關(guān)系曲線出現(xiàn)明顯的第二個(gè)拐點(diǎn)時(shí)，即可終止試驗(yàn)。

2試驗(yàn)結(jié)果與分析

斜樁單樁水平靜載荷試驗(yàn)結(jié)果見表2。I01、I02試樁的荷載-水平位移Q-s曲線及荷載-水平位移增量Q-Δs/ΔQ曲線如圖2、圖3所示。由于本次試樁試驗(yàn)為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考，故所有試樁均加載至破壞。

表2　斜樁單樁水平靜載荷試驗(yàn)結(jié)果匯總表

圖2 I01、I02試樁靜載試驗(yàn)的荷載-水平位移曲線圖3 I01、I02試樁靜載試驗(yàn)的荷載-水平位移增量曲線

從I01、I02試樁的Q-s曲線及Q-Δs/ΔQ曲線可以看出，如圖2、圖3，水平荷載與水平位移曲線可分別三個(gè)階段[11]。

1)第一階段為直線變形階段。樁在一定的水平荷載范圍內(nèi)，經(jīng)受任一級(jí)水平荷載的反復(fù)作用時(shí)，樁身變形逐漸趨于某一穩(wěn)定值I01為180 kN、I02為160 kN；卸載后，變形大部分可以恢復(fù)，樁土處于彈性狀態(tài)。對(duì)應(yīng)于該階段終點(diǎn)的荷載稱為臨界荷載Hcr。Hcr(I01)=180 kN，Hcr(I02)=160 kN。

2)第二階段為彈塑性變形階段。當(dāng)水平荷載超過臨界荷載Hcr后，在相同的增量荷載條件下，樁的水平位移增量比前一級(jí)明顯增大。對(duì)應(yīng)于該階段終點(diǎn)的荷載為極限荷載Hu。Hu(I01)=260 kN，Hu(I02)=260 kN。

3)第三階段為破壞階段。當(dāng)水平荷載大于極限荷載后，樁的水平位移和位移曲率突然增大，連續(xù)加荷情況使位移增量加大。這從圖3中可以看出。

《建筑基樁檢測(cè)技術(shù)規(guī)范》[12]對(duì)單樁水平承載力特征值作了規(guī)定，單位工程同一條件下的單樁水平承載力特征值的確定應(yīng)符合下列規(guī)定：

1)當(dāng)水平承載力按樁身強(qiáng)度控制時(shí)，取水平臨界荷載統(tǒng)計(jì)值為單樁水平承載力特征值。

2)當(dāng)樁受長(zhǎng)期水平荷載作用且不允許開裂時(shí)，取水平臨界荷載統(tǒng)計(jì)值的0.8倍作為單樁水平承載力特征值。

另外，當(dāng)水平承載力按設(shè)計(jì)要求的水平允許位移控制時(shí)，可取設(shè)計(jì)要求的水平允許位移對(duì)應(yīng)的水平荷載作為單樁水平承載力特征值，但應(yīng)滿足有關(guān)規(guī)范抗裂設(shè)計(jì)的要求。

由曲線可以看出當(dāng)達(dá)到極限荷載后，樁頂水平位移很快增大，樁曲線上有明顯拐點(diǎn)，所以水平承載力由樁身強(qiáng)度控制[13]。水平臨界荷載取為單樁水平承載力特征值。I01的單樁水平承載力為180 kN，I02為160 kN。對(duì)于相同規(guī)格的預(yù)制方樁豎直樁，在以往的靜載荷試驗(yàn)得單樁水平臨界荷載僅為50 kN左右[14-15]。

3斜樁三維數(shù)值模擬分析

3.1斜樁單樁及豎直樁單樁模型建立

本文運(yùn)用有限元軟件MIDAS GTS NX，分別建立了斜樁單樁和豎直樁單樁模型。按照樁基靜載荷試驗(yàn)報(bào)告，劃分為14層土層，土體為20 m×20 m×41.2 m的三維實(shí)體單元，土體材料采用Mohr-Coulomb模型，對(duì)土體進(jìn)行地基邊界條件約束。樁采用梁?jiǎn)卧?，樁與每層接觸的土之間設(shè)置樁單元作為接觸單元，共8個(gè)樁單元，樁端設(shè)置樁端單元，樁體進(jìn)行RZ方向的約束。模型主要尺寸及土體參數(shù)與現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)相同，建立的樁土有限元模型如圖4和圖5所示，樁與土層材料參數(shù)見表3，樁接觸與樁端特性參數(shù)見表4。

在分析過程中，首先考慮土體初始應(yīng)力場(chǎng)的作用，計(jì)算過程采用力分級(jí)加載方式。斜樁單樁模型，分析工況采用非線性靜力分析，豎向荷載一直為710 kN，水平荷載為300 kN，加荷方向如圖4，荷載步驟分為15步，每級(jí)加荷為20 kN。對(duì)于豎直樁單樁模型，水平荷載為100 kN，加荷方向如圖5，樁為一根豎直樁，其它條件均相同，分析工況采用非線性靜力分析，荷載步驟分為10步，每級(jí)加荷為10 kN。

圖4 斜樁單樁樁土有限元模型圖5 豎直樁單樁樁土有限元模型

表3　樁與土層材料參數(shù)表

表4　樁接觸與樁端特性參數(shù)表

3.2樁-土位移場(chǎng)分析

在水平荷載作用作用下，樁體向兩端移動(dòng)，同時(shí)使樁周土體產(chǎn)生水平方向的位移。經(jīng)有限元計(jì)算得到最大加載值下的樁和土體的水平位移，如圖6、圖7所示?？梢钥闯觯瑯锻梁屯馏w的最大水平位移發(fā)生在樁頂和樁附近的土體頂部，樁的水平位移隨著深度增加而減小，到達(dá)一定深度時(shí)，水平位移不再發(fā)生變化，而土體的水平位移只在頂部較大，其他位置水平位移較小，變化不明顯。說(shuō)明樁周土只有樁附近的頂部位置受力明顯，變形較大。其中斜樁在水平方向的最大位移為35.75 mm，豎直樁在水平方向的最大位移為11.6 mm。

圖6　斜樁樁土水平位移云圖(單位；mm)

圖7　豎直樁樁土水平位移云圖(單位；mm)

3.3斜樁單樁及豎直樁單樁Q-s曲線及Q-Δs/ΔQ曲線

由有限元分析得樁的水平位移在樁頂，因此取樁頂?shù)乃轿灰谱鳛闃兜乃轿灰?。斜樁單樁的荷載-水平位移曲線及荷載-水平位移增量曲線見圖8、圖9，豎直樁單樁的荷載-水平位移曲線及荷載-水平位移增量曲線見圖10、圖11。

圖8 斜樁單樁荷載-水平位移曲線圖9 斜樁單樁荷載-水平位移增量曲線圖10 豎直樁單樁荷載-水平位移曲線圖11 豎直樁單樁荷載-水平位移增量曲線

由圖6、圖7可以看出，對(duì)于斜樁單樁，水平荷載為0-120 kN曲線為直線變形階段，水平荷載為120 kN達(dá)到水平臨界荷載，Hcr=120 kN；水平荷載為120-240 kN曲線為彈塑性變形階段，水平荷載為240 kN時(shí)達(dá)到水平極限荷載，Hu=240 kN；240 kN以后為破壞階段。斜樁單樁的水平臨界荷載取為120 kN。

由圖8、圖9可以看出，對(duì)于豎直樁單樁，水平荷載為0-40 kN曲線為直線變形階段，水平荷載為40 kN達(dá)到水平臨界荷載，Hcr=40 kN；水平荷載為40-70 kN曲線為彈塑性變形階段，水平荷載為70 kN時(shí)達(dá)到水平極限荷載，Hu=70 kN；70 kN以后為破壞階段。豎直樁單樁的水平臨界荷載取為40 kN。

由此可以得出結(jié)論，通過MIDAS GTS NX數(shù)值模擬斜樁單樁的水平承載力約為豎直樁單樁的3倍。

4結(jié)論

本文通過斜樁單樁現(xiàn)場(chǎng)靜載試驗(yàn)，研究了斜樁單樁的水平承載特性以及樁身荷載傳遞規(guī)律；并運(yùn)用MIDAS GTS NX有限元軟件，建立了斜樁單樁和豎直樁單樁樁土模型，對(duì)樁土之間的接觸、樁土位移以及樁周土體塑性發(fā)展情況進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

①樁基靜載荷試驗(yàn)中得到斜樁的水平承載力為180 kN和160 kN，最大水平位移為39.61 mm和40.62 mm。數(shù)值模擬得到的斜樁單樁的水平承載力為120 kN，最大水平位移為35.75 mm。由于物理參數(shù)取值差異，兩者結(jié)果稍有差異，但是結(jié)果差距較小，可以認(rèn)為斜樁數(shù)值模擬水平承載力結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好；

②無(wú)論是樁基靜載荷試驗(yàn)，還是數(shù)值模擬結(jié)果，都表明斜樁的水平承載力約為豎直樁水平承載力的3倍；

③對(duì)于水平承載力要求高的建筑物，采用斜樁樁基能更好的滿足承載力要求，并且相對(duì)于其他方法，造價(jià)更為經(jīng)濟(jì)。

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Static Load Testing and MIDAS GTS Finite Element Simulation Analysis of Batter Single Pile

QIN Li1，XU Hui1，ZHANG Dong-sheng2，JING Shen-xin2

(1.Architecture Engineering College,Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.China United Engineering Corporation,Hangzhou，310000 )

Abstract：Based on circular coal yard project in ZheJiang province，test for static load in the field.Making two batter pile to be relative which with axis angle of 9.5°and layout with vertical direction of “八” shape.Bearing in the the vertical compressive constant vertical load force 710kN，loading in horizontal direction，getting the Q-s and Q-Δs/ΔQ curves，determining the horizontal critical load and ultimate load.of batter single pile，and getting batter single pile’s horizontal bearing capacity.The test results show that，the horizontal bearing capacity of the batter single pile is 160～180kN，which is about 3 times of the vertical single pile.At the same time，using Midas GTS NX finite element software to numerical simulate the batter single pile and vertical single pile static load test，getting the Q-s and Q-Δs/ΔQ curves，getting the horizontal critical load and ultimate load.of batter single pile and vertical single pile，analyzing the curves and getting single pile’s horizontal bearing capacity.The simulate results show that，the horizontal bearing capacity of the batter single pile is about 120kN，vertical single pile’ is about 40KN，the horizontal bearing capacity of the batter single pile is about 3 times of the vertical single pile.Through static load test and finite element simulation analysis，the results show that，measured Q-s and Q-Δs/ΔQ test curves of foundation pile static load and the simulation curves are in good agreement，the horizontal bearing capacity of batter pile is about three times of vertical pile’.

Key words：Finite element method(FEM)；Batter pile；Horizontal bearing capacity；Static load test；Numerical simulation

中圖分類號(hào)：TO473.1+1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-2992(2016)01-0029-07

作者簡(jiǎn)介：秦力(1970-)，男，遼寧省葫蘆島市人，東北電力大學(xué)教授，博士，主要研究方向高性能混凝土與結(jié)構(gòu)理論研究，輸電線路工程研究.

收稿日期：2015-12-10