傾斜荷載下群樁基礎(chǔ)工作性狀的數(shù)值分析

黃 晉 王國才 童慧芝

0 引言

傾斜荷載作用下群樁的工作性狀分析，無論從理論上還是試驗(yàn)上，目前都尚處于探索階段。傾斜荷載下群樁工作特性的現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)，需耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，迄今為止，還未見文獻(xiàn)報(bào)道過［1］。長期以來，由于對(duì)傾斜荷載下群樁的工作性能了解不多，給設(shè)計(jì)帶來了一定的困難。在計(jì)算時(shí)，工程上常采用簡化法，將傾斜荷載分解成豎向荷載和水平荷載，分別計(jì)算其效應(yīng)，然后進(jìn)行疊加。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了安全起見，不得不采用加大樁徑、提高混凝土強(qiáng)度、增加樁數(shù)、加大埋深、提高配筋率等手段，使設(shè)計(jì)帶有一定的盲目性，造成不必要的浪費(fèi)［2-4］。

近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析方法日趨完善，已成為土木工程界強(qiáng)有力的分析計(jì)算工具之一。為進(jìn)一步揭示傾斜荷載作用下群樁的工作性狀，本文采用非線性有限元軟件Abaqus對(duì)承受傾斜荷載作用的群樁進(jìn)行分析，分析傾斜荷載的大小和傾角對(duì)群樁內(nèi)力、位移和彎矩等的影響［5］。

1 計(jì)算模型及參數(shù)的選取

群樁基礎(chǔ)如圖1所示，計(jì)算模型采用三維模型來分析，樁—土模型采用半空間對(duì)稱體系。為了保證計(jì)算精度，樁周和樁底土體均取一倍樁長［7］。

樁體認(rèn)為是彈性體，彈性模量E=3.36×104MPa，泊松比取μ=0.2。土體考慮其塑性和非線性，采用Mohr-Coulomb模型，其泊松比取 μ=0.4，土體的重度 γ=17.05 kN/m3，粘聚力 c= 50 kPa，內(nèi)摩擦角φ=28°［8］。

2 傾斜荷載下群樁基礎(chǔ)中基樁的沉降

為了研究傾斜荷載作用下群樁基礎(chǔ)中每根單樁的沉降性狀，在對(duì)群樁基礎(chǔ)模型進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，通過改變作用在承臺(tái)上的傾斜荷載的傾角，對(duì)群樁中樁1、樁2、樁3的樁頂沉降進(jìn)行分析，得到樁1、樁2、樁3的荷載—沉降曲線，如圖2a)和圖2b)所示。

由圖2可知，傾斜荷載下群樁的荷載—沉降曲線和單樁的荷載—沉降曲線不同。單樁在外荷載作用下，當(dāng)樁側(cè)和樁底土由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的沉降，在荷載—沉降曲線上會(huì)表現(xiàn)為斜率變化較大。而群樁的荷載—沉降曲線則為緩變型，這是由于承臺(tái)的存在使得樁間土也參與承受外荷載作用的緣故。在群樁基礎(chǔ)中，上部荷載由承臺(tái)、樁間土和樁共同承擔(dān)。對(duì)比圖2a)和圖2b)可看出:隨著傾斜荷載傾角(傾斜荷載與樁軸線的夾角)的變大，傾斜荷載的水平分力增大，導(dǎo)致其樁側(cè)摩阻力也隨之增大，因此沉降量相對(duì)減小。

在外荷載作用下，群樁基礎(chǔ)邊樁的樁側(cè)摩阻力會(huì)對(duì)中樁的樁側(cè)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，降低其抗剪剛度，從而增大中樁的沉降。因此，中樁1的沉降是最大的。另外，在傾斜荷載水平分力作用方向上，群樁基礎(chǔ)的前排樁承擔(dān)的水平荷載要大于后排樁，由于水平荷載會(huì)使樁身一側(cè)與土體脫離且減小樁側(cè)土的抗剪剛度，增大樁的沉降量，樁3是傾斜荷載水平分力作用方向上群樁基礎(chǔ)的前排樁，因此其沉降量大于后排樁(樁2)。

3 傾斜荷載下群樁基礎(chǔ)的樁身撓度

研究傾斜荷載下群樁中每根單樁的樁身撓度的方法跟上述研究群樁承臺(tái)沉降的方法一樣，通過改變傾斜荷載的大小和傾角，得到樁1、樁2、樁3在不同傾角和大小的傾斜荷載作用下的荷載—撓度曲線。

從圖3a)～圖3c)可以看出，中樁1的樁身撓度最小，即群樁邊樁的撓度要大于中樁的撓度，這是因?yàn)槿簶缎?yīng)使得兩邊樁對(duì)中樁起了遮攔作用的緣故。由圖3d)可以看出，相同大小的傾斜荷載隨著傾角的增大，樁身撓度也隨著增大。當(dāng)傾角較小時(shí)，傾斜荷載的水平分力較小，豎向分力的存在使得樁身水平位移減小。當(dāng)傾角不斷增大，水平分力也隨之增大，由于P—Δ效應(yīng)，豎向分力的存在會(huì)使樁身撓曲變形增大而產(chǎn)生一個(gè)附加位移，從而使樁身撓度也隨之增大［10］。

4 傾斜荷載下群樁基礎(chǔ)的樁身彎矩

由于Abaqus后處理中不能直接輸出樁身截面彎矩，因此必須在JOB模塊中通過Edit Keywords功能添加關(guān)鍵詞來輸出樁身彎矩。首先添加*surface命令在樁身上定義一些截面，然后用*section print命令把這些截面所承受的截面力SOF和截面力矩SOM輸出到打印輸出文件DAT文件中，最后在DAT文件中找出相應(yīng)的截面力矩，繪出在不同傾角和大小的傾斜荷載作用下群樁基礎(chǔ)中每根單樁的荷載—彎矩曲線，如圖4，圖5所示。

由圖4可以看出，最大彎矩位置在樁體與承臺(tái)連接處，樁體的變形主要發(fā)生在樁身上部，與樁身上部接觸的土體發(fā)生塑性變形，而下半部分土體未發(fā)生塑性變形。當(dāng)傾斜荷載傾角增大時(shí)，水平分力也隨之增大，土體的塑性區(qū)逐步向下發(fā)展，以抵抗外荷載的作用，引起零彎矩點(diǎn)向下遷移。

由圖5可知，由于群樁效應(yīng)的存在，中樁1的彎矩要小于邊樁2，3的彎矩，這是因?yàn)閮蛇厴秾?duì)中樁起了遮攔作用，從而減小中樁的樁頂及樁身彎矩。因此在群樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，可適度加強(qiáng)邊樁強(qiáng)度從而有利于提高樁基礎(chǔ)的承載力。

5 結(jié)語

本文采用非線性有限元軟件對(duì)承受傾斜荷載下的群樁基礎(chǔ)工作性狀進(jìn)行了模擬與分析，通過改變傾斜荷載的傾角和大小，探討了不同傾角和大小的傾斜荷載對(duì)群樁基礎(chǔ)中每根單樁沉降、樁身撓度、彎矩的影響，得到以下一些結(jié)論:

1)群樁的荷載—沉降曲線為緩變型，這是由于承臺(tái)的存在使得樁間土也參與承受外荷載的緣故;

2)當(dāng)水平荷載較小時(shí)，豎向荷載的存在使得樁身水平位移減小。當(dāng)水平荷載較大時(shí)，由于P—Δ效應(yīng)，豎向荷載對(duì)水平承載樁產(chǎn)生附加位移;

3)由于群樁效應(yīng)，邊樁的摩阻力會(huì)對(duì)中樁樁側(cè)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而減小中樁樁側(cè)土體抗剪剛度，增大其沉降;

4)由于邊樁對(duì)中樁起到了遮攔作用，減小了中樁的樁身撓度及樁身彎矩，是群樁效應(yīng)的體現(xiàn)。

［1］ 王成華.基礎(chǔ)工程學(xué)［M］.天津:天津大學(xué)出版社，2002.

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［10］ 黃 晉.傾斜荷載作用下樁基礎(chǔ)工作性狀研究［D］.杭州:浙江工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2009.