秦　力，許　慧，張冬生，景慎鑫

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

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斜樁單樁水平靜載試驗及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 建筑工程學院，吉林 吉林 132012；2.中國聯(lián)合工程公司，杭州 310000)

摘要：依托浙江某圓形煤場工程，在現(xiàn)場進行斜樁單樁的靜載荷試驗，利用兩根與軸心夾角為9.5°、垂向上呈“八”字形布置的斜樁對頂，在豎向抗壓承載力710 KN的恒定豎向荷載作用下，進行水平加荷，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。試驗結果表示，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，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。通過靜載荷試驗和有限元模擬分析，結果表明，樁基靜載試驗的Q-s及Q-Δs/ΔQ實測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。

關鍵詞：有限元法；斜樁；水平極限承載力；靜載試驗；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，其原因是依靠承臺埋深大多可以解決水平力問題。目前大跨度屋蓋結構已廣泛應用于機場、體育場館、文體活動中心以及展覽館等公共建筑，其屋蓋往往采用拱形結構，故支座處會產(chǎn)生很大的水平推力，依靠承臺埋深無法解決[1]。

圖1　I試驗區(qū)樁位布置示意圖

Evans(1953)[2]通過現(xiàn)場樁基荷載試驗數(shù)據(jù)，認為負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]基于試驗得到的斜樁土抗力分布曲線，結果表明，負斜樁樁身撓度和內(nèi)力均小于正斜樁。Lv Fan-ren，Yin Ji-ming和Jin Yao-hua(2011)[4]進行了負斜樁的側向承載力模型實驗，驗證了生活經(jīng)驗中的負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，結果表明，中等剛性負斜樁的水平承載能力較好。王云崗、章光、胡琦(2011.7)[6]通過對直樁、斜樁的單樁側向和軸向承載特性的分析以及群樁基礎荷載分擔情況的分析，揭示了斜樁基礎的受力性狀。呂凡任、邵紅才、金耀華(2012.5)[7]通過對稱雙斜樁基礎模型試驗，研究豎向荷載作用下對稱雙斜樁基礎的承載特點。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]獲得了斜樁樁側極限水平土反力計算公式。其研究結論可以為海上大型結構斜樁群樁基礎的設計提供支撐。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曲線及相應的有限元分析方法。

本文介紹了斜樁的水平靜載荷試驗及MIDAS GTS 有限元模擬分析，通過試驗和有限元模擬，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果，斜樁水平承載力約為豎直樁的3倍。

1試驗概況

1.1試樁場地選址及試樁設計

本次試樁共有2根預制斜樁，標號分別為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，樁長為18.5 m，樁橫截面尺500×500 mm，樁頂標高+3.60 m，樁尖標高-14.65 m，樁尖進入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試驗場地地質條件

根據(jù)勘察資料，場地內(nèi)40 m深度范圍內(nèi)，地層共可劃分為14層，各土層物理力學性質指標及樁基設計參數(shù)見表1。

表1　地基土的物理力學指標

1.3試驗裝置及加載方案

本次試樁主要設備為靜力載荷測試儀，試驗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定油壓，荷載測量采用荷重傳感器及其配套的壓力顯示儀，并自動記錄。水平靜載荷試驗反力利用兩根斜樁對頂，水平位移測量則采用安裝在樁的水平力作用點另一側的高精度大量程百分表。如圖1所示。

本次單樁靜載試驗采用單向多循環(huán)加、卸載試驗法，每級荷載達到穩(wěn)定且樁頂上拔變形量達到相對穩(wěn)定標準后施加下一級荷載。在整個試驗過程嚴格按照試驗的規(guī)范進行，確保試驗結果的參考價值。

本次試驗在710 KN的恒定豎向荷載作用下，進行水平加荷，水平加載每級荷載增量為20 KN，首級荷載為40 KN。

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

當水平位移超過30～40 mm或Q-Δs/ΔQ關系曲線出現(xiàn)明顯的第二個拐點時，即可終止試驗。

2試驗結果與分析

斜樁單樁水平靜載荷試驗結果見表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。由于本次試樁試驗為實際工程應用提供參考，故所有試樁均加載至破壞。

表2　斜樁單樁水平靜載荷試驗結果匯總表

圖2 I01、I02試樁靜載試驗的荷載-水平位移曲線圖3 I01、I02試樁靜載試驗的荷載-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)受任一級水平荷載的反復作用時，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，樁土處于彈性狀態(tài)。對應于該階段終點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明顯增大。對應于該階段終點的荷載為極限荷載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。

《建筑基樁檢測技術規(guī)范》[12]對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符合下列規(guī)定：

1)當水平承載力按樁身強度控制時，取水平臨界荷載統(tǒng)計值為單樁水平承載力特征值。

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

另外，當水平承載力按設計要求的水平允許位移控制時，可取設計要求的水平允許位移對應的水平荷載作為單樁水平承載力特征值，但應滿足有關規(guī)范抗裂設計的要求。

由曲線可以看出當達到極限荷載后，樁頂水平位移很快增大，樁曲線上有明顯拐點，所以水平承載力由樁身強度控制[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。對于相同規(guī)格的預制方樁豎直樁，在以往的靜載荷試驗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報告，劃分為14層土層，土體為20 m×20 m×41.2 m的三維實體單元，土體材料采用Mohr-Coulomb模型，對土體進行地基邊界條件約束。樁采用梁單元，樁與每層接觸的土之間設置樁單元作為接觸單元，共8個樁單元，樁端設置樁端單元，樁體進行RZ方向的約束。模型主要尺寸及土體參數(shù)與現(xiàn)場試驗相同，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力場的作用，計算過程采用力分級加載方式。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，每級加荷為20 kN。對于豎直樁單樁模型，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-土位移場分析

在水平荷載作用作用下，樁體向兩端移動，同時使樁周土體產(chǎn)生水平方向的位移。經(jīng)有限元計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?，樁土和土體的最大水平位移發(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，到達一定深度時，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時達到水平極限荷載，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時達到水平極限荷載，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結論

本文通過斜樁單樁現(xiàn)場靜載試驗，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)展情況進行了分析，得出以下結論：

①樁基靜載荷試驗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，兩者結果稍有差異，但是結果差距較小，可以認為斜樁數(shù)值模擬水平承載力結果與試驗結果吻合良好；

②無論是樁基靜載荷試驗，還是數(shù)值模擬結果，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，并且相對于其他方法，造價更為經(jīng)濟。

參考文獻

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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：TO473.1+1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-2992(2016)01-0029-07

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

收稿日期：2015-12-10