黃珂超，梁木森

(湖北省交通運輸廳黃黃高速公路管理處，武漢 430074)

在國內(nèi)外工程領(lǐng)域，斜樁因其具備較好的水平承載能力，廣泛應(yīng)用于碼頭、輸電線路塔架以及橋梁等基礎(chǔ)設(shè)施工程。諸多工程案例已經(jīng)證明，斜樁能夠在抵抗水平荷載中起到重要作用，因此分析水平荷載作用下斜樁的極限變形狀態(tài)與承載能力有著顯著意義[1]。

國際上大量學(xué)者及工程專業(yè)領(lǐng)域?qū)＜覍π睒端匠休d性狀進行了一系列研究。采用模型試驗分析，驗證增加軸向力可以提升斜樁的水平力[2]。直樁承載力的影響要素通過ABAQUS軟件模擬進行分析得出，豎向荷載的增強對降低水平荷載的樁位移有積極影響。工程領(lǐng)域?qū)＜颐芬舴虿捎媚Ｐ驮囼烌炞C傾斜荷載作用時直樁受力后的變形特點，同時采用離心機試驗驗證得出荷載位移曲線，分析樁砂土密實度和樁身傾角對單斜樁水平承載能力的制約因素，這項研究對斜樁的受力特性分析具有重要意義。浙江大學(xué)凌道盛教授對斜樁理論方面有深入研究，凌教授假設(shè)淺層土體破壞達到極限，引導(dǎo)出不同傾角斜樁的淺土層樁側(cè)土體極限土壓力，同時提出了斜樁水平承受荷載的p-y曲線計算法[3]。在工程實踐中樁基受力影響的制約因素有很多，所以樁基不可能僅受水平荷載作用，通常是水平荷載和豎向荷載同時作用。諸多工程領(lǐng)域?qū)＜覍W(xué)者對豎向荷載下的樁基水平承載能力做出研究。合肥工業(yè)大學(xué)趙春風(fēng)教授采用模型試驗驗證斜樁承載力屬性，結(jié)果初步得出通過提前導(dǎo)入豎向荷載對直樁水平承載力的提升有積極影響[4]。Karthigeyan教授在數(shù)值分析方面采用GEOFEM模型分析系統(tǒng)模擬分析豎向荷載在砂土中對直樁水平承載力帶來的變化，研究得出砂土中豎向荷載有利于直樁水平承載力的提升[5]。

綜合以上分析得出：現(xiàn)階段較多專家學(xué)者將研究重點放在斜樁水平承載力之上，相對于橋梁樁身本身的內(nèi)力研究并不多，但豎向荷載對樁水平承載影響的研究重點在于直樁較多斜樁較少，所以該論文利用有限元ABAQUS軟件模擬水平荷載作用下樁身傾角、長徑比對斜樁的影響。

1 模型計算

1.1 模型規(guī)格

為保證計算精度，采用真實模擬樁-土作用，由于試驗條件限制，三維土柱半徑取20 m，土體分為土體1和土體2(如圖1所示，其中h=l·cosα-3)。樁徑D為0.5 m，樁長L分別為15 m、20 m、30 m。為了限制樁頂自由轉(zhuǎn)動以及模擬實際工程，樁頂采用與承臺固結(jié)的方法，為限制樁身頂部的無限制轉(zhuǎn)動及模擬實際現(xiàn)場，樁身頂部和承臺采用固結(jié)方式處理。并設(shè)計最小原則，擬承臺大小為1 m×1 m×0.5 m。有限元模型示意圖見圖2。

1.2 材料參數(shù)

土體使用彈塑性模型Drucker-Prager，樁體、承臺滿足彈性模型要求。因為鋼筋在試驗過程中的各級荷載沒有達到屈服應(yīng)力，因此鋼筋同樣采取彈性模型要求。具體材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

1.3 接觸面

接觸對是此次試驗用來模擬樁側(cè)和土體接觸的方法。應(yīng)用主-從接觸法計算，土體定為從面，樁體定為主面。在接觸對中將采用面對面的離散方法，樁-土接觸面相對移動將以有限滑動方法進行反映。以確保樁與土接觸面的相對位移在有限活動方法中可以反饋。水平受荷樁的有利影響無需考慮接觸面的黏聚力，因此土與樁接觸面垂直方向作用選擇直接接觸的形式進行模擬。庫倫摩擦模型將在樁側(cè)土和樁側(cè)的接觸面間提供模擬。要讓摩擦接觸分析容易收斂，樁與土接觸對采用摩擦綜合系數(shù)，系數(shù)取為0.3。土和樁接觸面可以有一定距離，確保土體力和樁體的傳遞的科學(xué)性。

1.4 邊界條件與網(wǎng)格

疏密程度與網(wǎng)格形狀是這次試驗的決定性要素，它的疏密程度將直接關(guān)系到數(shù)值計算結(jié)果。為確保計算難度和計算精度，該文通過遠近的原則將網(wǎng)格三維模型分為兩個面域，遠離樁體的部分網(wǎng)格劃分較粗，靠近樁體的部分網(wǎng)格劃分較密。鋼筋采取桁架T3D3單元，土體、樁采取三維實體縮減單元C3D8r。

2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

如圖3所示，在不同豎向荷載下，水平荷載為300 kN、長徑比為30時，±5°，±10°，±15°斜樁樁前與樁后樁-土法向接觸壓力沿相對樁體深度的分布。從圖3(a)、圖3(b)可以看出，樁前樁-土法向接觸壓力的發(fā)展均可沿樁體劃分為3區(qū)段：第1區(qū)段0～0.11l為樁頂?shù)綐?土接觸壓力最大處的發(fā)展階段；第2區(qū)段0.11l～0.33l為樁-土接觸壓力最大處到零壓力處的衰減階段；第3區(qū)段0.33l～l為零壓力處到樁底處的近似線性增長階段。水平荷載作用使樁體上部產(chǎn)生水平側(cè)移，樁前側(cè)土體被逐漸擠密，因此在第1區(qū)段接觸壓力逐漸增大，該區(qū)段土壓力也由原來的靜止土壓力向被動土壓力發(fā)展。在此區(qū)段，同一樁深處隨著傾角的增加，正斜樁樁前樁-土接觸壓力不斷增大而負斜樁卻不斷減小，這種趨勢在有豎向荷載作用下表現(xiàn)得更加明顯。隨著樁體深度的增加，樁體出現(xiàn)了反彎曲變形，致使在第2區(qū)段樁前側(cè)土體由密實到松動甚至產(chǎn)生脫離，接觸壓力也由最大衰減至0。該區(qū)段中隨著樁深的增加，傾角對斜樁的樁-土接觸壓力的影響越來越小，在無豎向荷載下15°正斜樁的樁-土接觸壓力最大；而在豎向荷載作用下15°負斜樁卻最大直至衰減到0。在第3區(qū)段，土體趨于穩(wěn)定狀態(tài)，各斜樁的樁-土接觸壓力也趨于一致，該區(qū)段主要由靜止土壓力控制。

從圖3(c)、圖3(d)圖可以看出，依樁后樁-土法向接觸壓力發(fā)展趨勢也可劃分為3區(qū)段：第1區(qū)段0～0.20l零壓力段；第2區(qū)段0.20l～0.58l起伏段；第3區(qū)段0.58l～l平穩(wěn)遞增段。斜樁樁體上部在水平荷載作用方向發(fā)生水平位移，樁后土體與樁產(chǎn)生了脫離導(dǎo)致第1區(qū)段樁-土接觸壓力為0。在第2區(qū)段，由于樁體發(fā)生了反彎變形，隨著彎曲變形的增大樁-土接觸壓力由0迅速增加，在反彎變形最大處即為樁后接觸壓力最大值處；隨著樁體深度的增加，樁體的反彎變形逐漸減小至0，相應(yīng)的樁-土接觸壓力也由最大值逐漸減小。無豎向荷載下，樁后樁-土接觸壓力從0增長到最大時，正斜樁的接觸壓力要比負斜樁的大，而從最大處減小時，負斜樁的接觸壓力要比正斜樁的大，且隨著傾角增加這種規(guī)律越明顯，但在豎向荷載作用下，各傾角斜樁樁后樁-土接觸壓力在該區(qū)段的差別就不明顯。在第3區(qū)段，樁-土接觸壓力隨著深度的增加而增加，這一區(qū)段的樁前與樁后的樁-土接觸壓力基本相等。

以10°正負斜樁為例說明斜樁隨水平荷載增長樁-土接觸壓力的發(fā)展，如圖4所示。從整體來看，正負斜樁樁-土接觸壓力的區(qū)別均集中在樁身上半部分，從圖中可以看出，各水平荷載作用下樁深9 m以下的樁-土接觸壓力僅隨樁深線性增加，樁前與樁后的樁-土接觸壓力是一致的。正負斜樁樁前樁-土接觸壓力的差別主要在樁頂至樁深3 m區(qū)段內(nèi)，特別是在淺土層0～1 m。相對于負斜樁而言，正斜樁的樁前接觸壓力更大，且隨著水平荷載的增加這種優(yōu)勢更大。隨著水平荷載的增加，斜樁樁后樁-土接觸壓力的零壓力區(qū)不斷增大，最大值出現(xiàn)的深度不斷加深。同一水平荷載下，負斜樁樁后接觸壓力的最大值比正斜樁的要大，說明負斜樁的反彎變形也更大。

3 結(jié) 語

通過數(shù)值模擬研究了樁身傾角、長徑比及豎向荷載對樁-土接觸壓力的影響，可以得到以下結(jié)論：樁-土接觸壓力均可分為3個區(qū)段。樁身傾角和豎向荷載對斜樁樁前樁-土接觸壓力的影響主要集中在第1,2區(qū)段，即樁深0～5 m部分；樁后第1區(qū)段零壓力區(qū)的深度并不隨著樁身傾角和豎向荷載變化，樁身傾角對樁后第2區(qū)段的接觸壓力有影響，但豎向荷載削弱了樁身傾角的影響。水平荷載作用下正負斜樁樁-土接觸壓力的區(qū)別主要集中在樁深的上半部分。