彈性基樁在水平荷載作用下的工作性狀研究

劉永棵，張茂慧

（重慶市渝北區(qū)建設工程質(zhì)量監(jiān)督站，重慶401120）

當樁伸入到土中的深度較小時，由于樁的長徑較小或周圍土體松軟，在橫向荷載作用下，由于樁身撓曲變形不明顯，會圍繞樁身某一點發(fā)生轉動。當荷載逐步增大時，樁側土體會因強度不夠而失穩(wěn)，這種樁為剛性樁，承受水平荷載的能力較差，較少使用。當樁入土深度較大時，樁的長徑比較大或周圍土體厚實，由于樁側土有足夠的抗力，在樁頂水平荷載作用下發(fā)生撓曲變形，側向位移會隨著入土深度的增大而減小，達到一定深度后幾乎不受荷載影響，這種樁為彈性樁，能較好地承受水平荷載，應用廣泛。江學良、龔健、楊建平等采用現(xiàn)場試驗和微型樁試驗研究了單樁在水平荷載作用下的變形規(guī)律，周洪波采用解析法研究了應力及位移的分布。馬志濤分析了各種理論方法的特點并提出了有待研究的問題。

本文以某基樁為例，采用有限元法分析彈性樁在水平荷載作用下位移、彎矩和樁身應力隨樁深的分布情況，并研究其工作性狀。

1 彈性基樁的有限元模型

鋼筋混凝土圓形截面樁，樁長20m，直徑為1.0m，樁頂承受水平荷載為200KN，通過有限元求解水平位移和樁身彎矩的分布規(guī)律。采用三維有限元模型，土層厚度及徑向范圍均為40m。鋼筋和樁體混凝土采用線彈性材料，土體采用 Mohr－Coulomb模型，樁與土之間的摩擦系數(shù)為0.2。材料參數(shù)如表1所示，有限元模型如圖1所示。

表1 材料參數(shù)物理力學參數(shù)

圖1 樁—土有限元模型（1／2）

2 結果分析

2.1 樁身工作性狀分析

樁身位移隨樁埋深的分布曲線如圖2所示，可以看出樁表現(xiàn)為明顯的彈性長樁，在樁頂位移最大，約為14mm。在樁身13m位置出現(xiàn)轉折點，13m以下位移很小，幾乎為0。樁身彎矩隨樁埋深變化，如圖3所示，可以看出樁身彎矩先增大再減小，最大彎矩發(fā)生位置在距離樁頂6m左右處，最大彎矩在整根樁長度的1／4處。樁身應力隨樁的埋深變化如圖4所示，應力分布與彎矩分布基本一致，最大應力發(fā)生在樁長的1／4處。

圖2 水平位移隨樁深分布

圖3 彎矩隨樁深分布

圖4 應力隨樁深分布

2.2 樁周土體變形分析

樁周土體沿著水平荷載方向的應力和變形分布如圖5、圖6所示。土體主要在較淺處產(chǎn)生變形，隨著深度的增加變形逐漸減小，在樁身中部變形較小，樁身下部的周圍土體產(chǎn)生與水平荷載反方向的變形?？梢姡斖馏w承受彈性樁水平荷載作用時，具有明顯的嵌固作用。在工程應用設計中，需要根據(jù)土體物理力學特性和樁截面形狀，優(yōu)化選擇合理樁長。

圖5 樁周土體水平向應力（1／4）

圖6 樁周土體水平變形（1／4）

3 結 論

彈性樁由于樁側土有足夠的抗力，能較好地承受水平荷載，應用廣泛。以某基樁為例，采用有限元法，研究其工作性狀。

1）在樁頂水平荷載作用下發(fā)生撓曲變形，側向位移隨著入土深度的增大而減小，達到一定深度后幾乎不受荷載影響；

2）彈性基樁的水平位移在樁頂處最大，隨著深度增加逐漸減小，至樁身一半以下，發(fā)生撓曲變形，位移較小，土體對樁有明顯的嵌固作用；

3）彎矩先增大后減小，最大彎矩會發(fā)生在樁長的1／4處，應力分布與彎矩基本一致。

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