水平荷載對(duì)單樁豎向承載力影響研究

陳娜寧 亓路寬 魏贊洋

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

水平荷載對(duì)單樁豎向承載力影響研究

陳娜寧 亓路寬 魏贊洋

(北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，北京 100124)

基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論并結(jié)合數(shù)值模擬分析方法，對(duì)不同土體中純摩擦樁在水平荷載作用下單樁豎向承載力的變化進(jìn)行了理論分析，結(jié)果表明：水平荷載作用下樁基礎(chǔ)的豎向承載力會(huì)有所下降。

數(shù)值模擬，水平荷載，豎向承載力

0 引言

隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的迅猛發(fā)展，樁基礎(chǔ)被廣泛應(yīng)用于橋梁結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上。樁基礎(chǔ)不僅能承受由上部結(jié)構(gòu)和樁身自重等引起的軸向荷載，而且還可能承受由車(chē)輛制動(dòng)力荷載、波浪荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、輪船及車(chē)輛的撞擊等引起的水平荷載。但樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下，樁與樁側(cè)土體產(chǎn)生部分脫離現(xiàn)象，由于深度l0以下樁體位移很小，達(dá)到10-5m，所以忽略不計(jì)(見(jiàn)圖1)，會(huì)導(dǎo)致樁基礎(chǔ)一側(cè)摩阻力減小，另一側(cè)摩阻力增大，與規(guī)范中按樁基礎(chǔ)全周計(jì)算得到的樁基承載力有一定差異，可能會(huì)對(duì)樁基礎(chǔ)的承載力產(chǎn)生較大的影響，從而影響到橋梁結(jié)構(gòu)的安全。因此，研究樁基礎(chǔ)在水平荷載作用下對(duì)樁基豎向承載力的影響程度，對(duì)完善樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)與計(jì)算方法具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。本文基于Mohr-Coulomb強(qiáng)度理論，首先分析在無(wú)水平力作用下摩擦樁單樁豎向承載力，在此基礎(chǔ)上針對(duì)摩擦樁在不同土體、不同大小水平荷載作用下單樁豎向承載力進(jìn)行分析，通過(guò)二者之間的比對(duì)，分析在水平荷載作用下單樁豎向承載力的變化。

1 軸向荷載作用下單樁豎向承載力計(jì)算

單樁豎向承載力是指單樁在軸向荷載作用下，地基土和樁自身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性均滿足結(jié)構(gòu)安全、變形在容許范圍內(nèi)所承受的最大荷載。因此，樁的軸向承載力取決于樁側(cè)土的強(qiáng)度或樁自身的材料強(qiáng)度，而摩擦樁的軸向承載力多取決于樁側(cè)土的抗剪強(qiáng)度。本文分析對(duì)象為樁長(zhǎng)50 m，樁徑1.5 m的純摩擦樁，針對(duì)不同彈性模量、不同內(nèi)摩擦角的土體中單樁豎向承載力進(jìn)行分析計(jì)算。樁及樁側(cè)土體參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 材料參數(shù)

為了使計(jì)算簡(jiǎn)單，假設(shè)樁側(cè)土體在樁長(zhǎng)范圍內(nèi)為同一土層，單樁為純摩擦樁，忽略樁底土的端承力，樁側(cè)摩阻力沿樁長(zhǎng)按規(guī)范取值為τ0。按設(shè)計(jì)規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式確定單樁軸向容許承載力，對(duì)純摩擦樁，經(jīng)驗(yàn)公式采用下列形式：

(1)

其中，[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值，kN；u為樁身周長(zhǎng)，m；L為樁長(zhǎng)，m；τ0為樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，按規(guī)范取值。

根據(jù)式(1)計(jì)算得到不同土體中單樁豎向承載力結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 單樁豎向承載力值(一)

2 水平荷載作用下單樁豎向承載力計(jì)算

豎直摩擦樁在承受由上部結(jié)構(gòu)和樁身自重等引起的軸向荷載的同時(shí)還可能承受由波浪荷載、風(fēng)荷載、地震荷載、車(chē)輛制動(dòng)力荷載、輪船及車(chē)輛的撞擊等引起的水平荷載。本文針對(duì)樁基礎(chǔ)在水平荷載為200 kN，400 kN和600 kN作用下，單樁豎向承載力的變化情況進(jìn)行分析。

2.1 樁側(cè)摩阻力變化確定

水平荷載作用于單樁樁頂時(shí)，樁身產(chǎn)生撓曲變形，由于樁身變形擠壓樁側(cè)土體，樁側(cè)摩阻力τ會(huì)有一定提高，變形段樁側(cè)摩阻力按公式τ1=τ0+c+Δσtanφ計(jì)算，其中，c+Δσtanφ由有限元數(shù)值模擬計(jì)算得到。本文采用三維有限元模型模擬樁土相互作用過(guò)程，對(duì)單樁的承載力特性進(jìn)行分析。單樁樁徑1.5 m，樁長(zhǎng)50 m，樁基下面土層深取50 m。為了更好地模擬純摩擦樁，樁底以下沿樁身1 m深度范圍內(nèi)為無(wú)土層段。模型徑向范圍60 m，樁體和樁側(cè)土體均采用C3D8R單元模擬。樁身為線彈性體，樁側(cè)及樁底土為彈塑性材料，土體本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb模型，樁與土間的剪應(yīng)力和剪切位移采用罰函數(shù)的形式。各種材料參數(shù)見(jiàn)表1，分析模型見(jiàn)圖2～圖4。

樁身在水平荷載作用下產(chǎn)生撓曲變形，使樁與樁側(cè)土體部分脫離，脫離側(cè)的摩阻力減小為零；擠壓側(cè)的摩阻力增大，不同土體中擠壓側(cè)的樁側(cè)摩阻力沿樁長(zhǎng)變化情況見(jiàn)圖5～圖8。

從圖5～圖8可以看出水平荷載作用時(shí)，沿樁身一定范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力有一定的提高，由于樁身產(chǎn)生撓曲變形，對(duì)樁側(cè)土體有擠壓作用，所以樁身變形段擠土側(cè)樁側(cè)摩阻力呈增加趨勢(shì)，摩阻力增加值隨水平荷載的增加而增大，假定水平荷載作用下單樁變形段沿樁身長(zhǎng)度為l0，樁側(cè)摩阻力最大增加值為Δτ，最終摩阻力值為τ1，由圖可以得出，不同土體中擠壓側(cè)樁側(cè)摩阻力變化情況見(jiàn)表3。

2.2 單樁豎向承載力計(jì)算

由于水平荷載作用使樁身產(chǎn)生撓曲變形，變形段樁基礎(chǔ)與樁側(cè)土體由全周接觸變?yōu)榘胫芙佑|，在計(jì)算單樁豎向承載力時(shí)變形段周長(zhǎng)取樁身周長(zhǎng)的一半，所以水平荷載作用時(shí)單樁豎向承載力計(jì)算公式采用以下形式：

(2)

其中，[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值，kN；u為樁身周長(zhǎng)，m；L為樁長(zhǎng)，m；l0為變形段沿樁身長(zhǎng)度，m；τ0為樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa，按規(guī)范取值；τ1為變形段樁側(cè)的摩阻力最終值，kPa。

表3 擠壓側(cè)樁側(cè)摩阻力變化情況

根據(jù)式(2)計(jì)算得到水平荷載作用下不同土體中單樁豎向承載力結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 單樁豎向承載力值(二)

3 結(jié)果對(duì)比

由表4可以看出，水平荷載作用時(shí)摩擦單樁豎向承載力都有所下降，不同土體中單樁在有水平荷載作用時(shí)較無(wú)水平荷載作用時(shí)承載力下降百分比對(duì)比情況見(jiàn)圖9。

從圖9可以看出，水平荷載作用下單樁豎向承載力都有所下降，且隨著水平荷載值的增加其承載力下降幅度基本上呈下降趨勢(shì)；土的彈性模量和內(nèi)摩擦角對(duì)單樁豎向承載力的下降幅度均有影響：相同水平荷載作用下，不同彈性模量的土體中樁身變形段長(zhǎng)度不同導(dǎo)致承載力下降幅度不同，幅度范圍在7%～11%,不同內(nèi)摩擦角的土體中變形段擠壓側(cè)樁側(cè)摩阻力增加值不同導(dǎo)致承載力下降幅度不同，幅度范圍在7%～11%；隨著荷載值的增加內(nèi)摩擦角對(duì)承載力下降幅度的影響越來(lái)越突出，因?yàn)楹奢d值越大，樁對(duì)樁側(cè)土體擠壓程度越大，使得樁側(cè)摩阻力增加的越明顯，而在擠壓側(cè)摩阻力提高的同時(shí)樁與樁側(cè)土體的接觸面積減小，最終導(dǎo)致承載力下降，且隨著內(nèi)摩擦角增大單樁豎向承載力下降幅度減小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)不同土體中純摩擦樁樁基礎(chǔ)在不同水平荷載作用下的單樁豎向承載力進(jìn)行了理論計(jì)算，結(jié)論如下：

1)樁身變形段擠壓側(cè)樁側(cè)摩阻力隨著水平荷載的增大而增加，同時(shí)樁與土接觸面積減??；

2)有水平荷載作用時(shí)單樁豎向承載力會(huì)有所下降且隨著水平荷載值的增大下降幅度減??；

3)土的彈性模量越大單樁豎向承載力下降幅度越小；

4)土的內(nèi)摩擦角越大單樁豎向承載力下降幅度越小。

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Study on effect of horizontal load for single pile vertical bearing capacity

Chen Naning Qi Lukuan Wei Zanyang

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

Based on Mohr-Coulomb strength theory and combined with the finite element software ABAQUS， the change of the vertical ultimate bearing capacity of pile is analyzed theoretically, aiming at the pure friction pile in different soil under different levels of horizontal load. The results show that vertical bearing capacity of single pile will fall under the horizontal load.

ABAQUS, horizontal load, vertical bearing capacity

2015-02-03

陳娜寧(1988- )，女，在讀碩士； 亓路寬(1963- )，男，教授； 魏贊洋(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)11-0046-03

TU473.11

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