汪杰，姚文娟　（上海大學(xué)，上海200072）

?

水平荷載作用下單樁樁周土抗力分布數(shù)值分析

汪杰，姚文娟（上海大學(xué)，上海200072）

建立了水平荷載作用下樁土共同作用的三維數(shù)值模型，研究水平荷載作用下單樁樁周土抗力沿環(huán)向和深度方向的分布規(guī)律，同時(shí)研究了土體粘聚力變化對(duì)樁周土抗力的影響。結(jié)果表明：水平荷載作用下，樁周土抗力在樁頂處最大，樁周土抗力在樁前側(cè)呈現(xiàn)被動(dòng)土壓力特征，后側(cè)呈現(xiàn)主動(dòng)土壓力特征，在垂直于荷載作用方向上近似等于靜止土壓力；土體粘聚力的變化對(duì)樁周土抗力的影響主要集中在樁前側(cè)0°～45°范圍內(nèi)，對(duì)樁后側(cè)土抗力幾乎沒有影響，同時(shí)主要集中在樁身反彎點(diǎn)以上的淺層區(qū)域內(nèi)，在此深度以下，對(duì)土抗力的變化影響并不明顯。

樁基礎(chǔ)；水平荷載；土體粘聚力；樁周土抗力

1　研究背景

樁基礎(chǔ)作為一種廣為采用的基礎(chǔ)形式，在工程實(shí)際中往往需要承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的風(fēng)荷載、地震作用、波浪力、船舶撞擊力等形式的水平荷載[1]，因此，水平荷載作用下樁的力學(xué)響應(yīng)研究顯得尤為必要。水平承載樁的工作性能是樁與土相互作用的問題。樁是利用其周圍土的抗力來承擔(dān)水平荷載，當(dāng)水平荷載較小時(shí)，這一抗力是由靠近地面的土提供的，土的變形主要表現(xiàn)為彈性，隨著水平荷載的增大，樁的變形加大，表層土逐漸產(chǎn)生塑性屈服，從而使水平荷載向更深處的土層傳遞，當(dāng)變形增大到樁所不能容許的程度或樁周土失去穩(wěn)定時(shí)，樁土體系便趨于破壞[2]。由此可見，對(duì)于承受水平荷載的樁基礎(chǔ)來說，土抗力研究極為重要。

國內(nèi)外對(duì)于水平受荷樁的研究較多，大多集中于樁基礎(chǔ)的荷載、側(cè)摩阻力、內(nèi)力、變形研究，Ashour 等[3]采用有限元方法模擬了樁身抗彎剛度，截面形狀，樁頭約束條件對(duì)p-y曲線的影響。Youngho[4]等人通過實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析發(fā)現(xiàn)p-y曲線對(duì)柔性樁的影響比剛性樁要大。Shivani等[5]對(duì)水平受荷樁在不同土體中的承載機(jī)理進(jìn)行了理論分析，提出了土體等效側(cè)向應(yīng)變的概念。趙明華等[6]利用非線性有限元方法研究成層土中傾斜荷載作用下樁側(cè)土壓力分布，指出傾斜荷載的豎向分量在土中的擴(kuò)散可增加樁周土的豎向應(yīng)力。截止目前，對(duì)樁基礎(chǔ)樁周土抗力的研究較少，且大多是將樁周土壓力分布作為研究算例中的分支，針對(duì)特定土體展開說明?；谏鲜鲅芯楷F(xiàn)狀，本文針對(duì)水平受荷樁，研究了土體參數(shù)對(duì)樁周土抗力分布的影響。

2　有限元模型

2.1模型建立

本文采用有限元軟件ABAQUS進(jìn)行模擬分析。土體采用單層土，采用摩爾-庫倫模型（Mohr-Coulumbmodel）模擬土體的彈塑性行為。模型基樁樁徑為0.6m，樁長(zhǎng)24m，土層厚度48m。樁頭自由與土體表面齊平，置于土中。樁身材料為混凝土，故選用理想彈性材料，樁土參數(shù)見表1。根據(jù)摩爾庫倫模型要求，樁土單元類型均為C3D8R單元[7]。樁側(cè)土體寬度取30倍樁徑，樁端下土體取1倍樁長(zhǎng)。樁土模型網(wǎng)格劃分如圖1所示。

樁土參數(shù)　表1

2.2樁土接觸及邊界條件

為了真實(shí)地模擬樁土之間的相對(duì)滑動(dòng)，在樁土界面處設(shè)置主-從接觸，定義樁為主面，土為從面，采用庫倫摩擦模型來描述接觸面間的摩擦行為。綜合考慮土層特性，取摩擦系數(shù)μ=0.3。土體兩側(cè)邊界分別約束其水平位移，對(duì)土體底部邊界同時(shí)施加水平和豎向約束。

2.3模型加載

為了研究水平荷載作用下，土體參數(shù)變化對(duì)單樁樁周土抗力分布的影響。本文取水平荷載大小為F=200kN（X軸正向），以集中力形式作用于樁頂，以0°～180°范圍為研究對(duì)象，另一半圓周的土抗力關(guān)于X軸對(duì)稱分布。通過控制變量，分別改變土體的彈性模量、摩擦角、粘聚力進(jìn)行計(jì)算分析。水平荷載施加示意圖見圖2。

圖1　模型網(wǎng)格劃分

圖2　荷載載施加示意圖

3　計(jì)算結(jié)果與分析

3.1水平荷載作用下樁周土抗力分布規(guī)律分析

圖3　樁周土抗力沿深度分布曲線

圖4　樁周土抗力沿樁環(huán)向分布曲線

以水平荷載200kN、土體彈性模量30MPa、摩擦角21°、粘聚力20kPa為例，模擬得到樁周土抗力（平行于樁軸線方向）沿深度和環(huán)向的變化情況見圖3和圖4。

由圖3和圖4知，在水平荷載作用下，由樁身側(cè)移引起的土抗力主要分布在樁身0～9m范圍內(nèi)，9m以下由于樁身幾乎沒有側(cè)移，此時(shí)土抗力接近于靜止土壓力，土抗力最大值出現(xiàn)在樁頂處。在主動(dòng)側(cè)（樁后側(cè)）0～2m樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，135°和180°位置的土抗力接近于 0，明顯小于靜止土壓力。

對(duì)轉(zhuǎn)移羞恥組的控制條件與羞恥條件下的親社會(huì)行為評(píng)分進(jìn)行配對(duì)樣本t檢驗(yàn)(見表2)，結(jié)果顯示，羞恥條件下的評(píng)分顯著高于控制條件下的評(píng)分，t(30)=2.41，p <0.05，Cohen’d=0.44，說明羞恥情緒的誘發(fā)促進(jìn)了親社會(huì)傾向。轉(zhuǎn)移性羞恥情緒的產(chǎn)生與重要他人、關(guān)系親密的人的聯(lián)系十分緊密。當(dāng)母親做出羞恥的行為時(shí)，個(gè)體仍舊會(huì)被誘發(fā)、體會(huì)到羞恥情緒，嘗試通過幫助他人的方式調(diào)節(jié)自身的負(fù)性體驗(yàn)。

在樁前側(cè)0°和45°位置的土抗力沿分布曲線呈現(xiàn)明顯的被動(dòng)土壓力特征，90°位置的土抗力分布曲線近似等于靜止土壓力，而樁后側(cè)135°和180°位置的土抗力分布則呈現(xiàn)明顯的主動(dòng)土壓力特征。

3.2土體粘聚力的改變對(duì)樁周土抗力的影響分析

保持荷載、土體的彈性模量、摩擦角、膨脹角不變，改變土體的粘聚力從20kPa增加到40kPa，模擬研究各種情況下的樁周土抗力分布規(guī)律，同樣由于對(duì)稱性，僅以0°和180°范圍為研究對(duì)象。

由圖5～圖9知，在水平荷載作用下，由土體粘聚力改變引起的樁周土抗力變化主要分布于樁前側(cè)0°～45°范圍內(nèi)，沿深度方向影響區(qū)域?yàn)闃渡砩喜?～9m范圍內(nèi)。9m以下由于樁身幾乎沒有側(cè)移，土體粘聚力的變化對(duì)樁身土抗力沒有影響，土抗力接近于靜止土壓力。

圖5　不同粘聚力下樁周土抗力沿樁環(huán)向不同深度分布曲線

圖6　0°位置樁周土抗力沿深度分布曲線

圖7　45°位置樁周土抗力沿樁深度分布曲線

圖8　180°位置樁周土抗力沿樁深度分布曲線

圖9　樁周最大土抗力隨粘聚力變化曲線

由圖6、圖7知，隨著粘聚力的增加，在0～1m范圍內(nèi)，樁前側(cè)（被動(dòng)側(cè)）0°和45°位置的土抗力明顯增加，粘聚力由20kPa增加到30kPa，樁身最大土抗力增加了10.4%，粘聚力由30kPa增加到40kPa，樁身最大土抗力增加了4.8%。而在1～4m范圍內(nèi)，隨著土體粘聚力的增加，0°和45°位置的土抗力有所減小，但減小的幅度并不明顯。

由圖8知，土體粘聚力的增加，對(duì)樁后側(cè)（主動(dòng)側(cè)）土抗力的分布幾乎沒有影響。

由此可見，土體粘聚力的改變，對(duì)樁周環(huán)向土抗力的影響主要集中于樁前側(cè)0°～45°范圍內(nèi)，而對(duì)于樁后側(cè)土抗力的幾乎沒有影響；沿深度方向影響范圍主要集中于土體表面的淺層區(qū)域內(nèi)。

由圖9知，樁周最大土抗力隨著土體粘聚力的增大而增大，當(dāng)c<25kPa時(shí)，曲線斜率較大，粘聚力增加對(duì)最大土抗力的提升明顯。當(dāng)c>25kPa時(shí)，曲線斜率變小，增長(zhǎng)趨勢(shì)近似直線。

4　結(jié)語

①水平荷載作用下，樁周土抗力在樁頂處最大，沿樁周環(huán)向分別呈不同的曲線分布規(guī)律。達(dá)到一定深度后，土中橫向土抗力主要是側(cè)向靜止土壓力，而由荷載引起橫向土抗力很小。

樁周土抗力在樁前側(cè)呈現(xiàn)被動(dòng)土壓力特征，后側(cè)呈現(xiàn)主動(dòng)土壓力特征，在垂直于荷載作用方向上近似等于靜止土壓力。

②土體粘聚力的增大對(duì)樁周環(huán)向土抗力的影響則主要集中在樁前側(cè)0°～45°范圍內(nèi)，對(duì)樁后側(cè)土抗力幾乎沒有影響。由土體粘聚力的增加所引起的樁周土抗力的增加主要集中在樁身上部反彎點(diǎn)以上的淺層區(qū)域內(nèi)，在此深度以下，對(duì)土抗力的變化影響并不明顯。

③隨著粘聚力的增大，樁周最大土抗力在前期增長(zhǎng)較快，后期增長(zhǎng)趨勢(shì)減緩，近似直線。

[1]袁志林，段夢(mèng)蘭，陳祥余，鐘超，王建國.水平荷載下導(dǎo)管架平臺(tái)樁基礎(chǔ)的非線性有限元分析[J].巖土力學(xué)，2012，33（8）：2552-2559.

[2]蔡亮，魯子愛，韓潔.橫向荷載群樁效應(yīng)分析[J].水運(yùn)工程，2003，48 （1）：4-7.

[3]AshourM，NorrisG.Modeling lateral soil-pile responsebased on soil-pile interaction[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2000，126（5）:420-428.

[4]YounghoKim，SangseomJeongandJinohWon.Effect ofLateral Rigidity of Offshore Piles Using Proposed p-y Curves in Marine Clay.[J].Marine GeoresourcesandGeotechnology，2009，27：53-77.

[5]Shivani Rani，AmitPrashant.Estimationof theLinear SpringConstantfora Laterally Loaded Monopile Embedded in Nonlinear Soil[J].International Journal ofGeomechanics，2014（8）：1-13.

[6]鄒新軍，趙明華，鄔寶林.成層地基中傾斜受荷群樁的非線性有限元分析[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2006，37（4）：820-825.

[7]費(fèi)康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

TU473.1+1

A

1007-7359(2016)03-0132-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.048

汪杰（1991-），男，安徽安慶人，上海大學(xué)在讀碩士，研究方向：建筑與土木工程。