埋深對擴(kuò)底樁水平承載特性影響的研究

張蕾　張瑞　王東　羅麗荷　周帆

摘要： 本文通過ABAQUS有限元軟件模擬擴(kuò)底樁水平受荷變形過程，研究樁基的埋深對擴(kuò)底樁的水平受荷特性的影響。研究結(jié)果表明，在相同水平荷載作用下，埋置深度與位移成反比，埋深越淺，樁頂位移越大；在一定樁長范圍內(nèi)，樁埋深的增加能有效提高擴(kuò)底樁的水平承載力；樁側(cè)土壓力隨埋置深度加深呈拋物線變化，在擴(kuò)大頭與直身段連接處發(fā)生突變；樁的埋深及樁頂水平力對樁底的土壓力均有影響。

Abstract： In this paper， ABAQUS finite element software is used to simulate the horizontal loading deformation process of belled pile， and used to study the influence of the buried depth of pile foundation has on the horizontal loading characteristics of belled pile. The results show that the embedded depth is inversely proportional to the displacement under the same horizontal loading， that is， the buried depth is shallower ， the displacement of the top of the pile is greater.In the certain range of pile length， increasing the pile depth can effectively improve the horizontal bearing capacity of belled pile. The lateral earth pressure of pile side is parabolic distribution with the deepening of depth， and there is a sudden change in the connection between head and straight part. The buried depth of pile and the horizontal force at the top of pile have influence on the earth pressure at the bottom of pile.

關(guān)鍵詞： 擴(kuò)底樁；數(shù)值模擬；水平荷載；不同埋深；承載性狀

Key words： belled pile；numerical simulation；horizontal load；different buried depth；load bearing behavior

中圖分類號：TU473.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）05-0102-04

0 引言

隨著各類大型建筑的興起，樁基迅速發(fā)展，擴(kuò)底樁有了更大的用武之地，因此迫切地需要了解擴(kuò)底樁的更多承載特性，以便做到既經(jīng)濟(jì)又安全。而在計算機(jī)科技發(fā)達(dá)的今天，各類有限元分析軟件憑借其強(qiáng)大的功能給了我們很大助力，成為分析巖土問題的一種重要方法。史文清[1]等采用數(shù)值方法研究了樁土接觸面特性對樁水平受荷受力特性的影響，胡慶紅[2]采用有限元方法分析了樁隨橫向及豎向荷載變化而呈現(xiàn)的不同規(guī)律，同時分析了不同影響因素對擴(kuò)底樁水平承載性狀的影響；許蕓蕓[3]等利用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，主要分析預(yù)應(yīng)力抗拔單樁與普通抗拔單樁樁身軸力區(qū)別。

高層建筑、滲水港口等受風(fēng)荷載、地震力作用影響較大的工程，水平力必須作為主要因素考慮，而擴(kuò)底樁以其強(qiáng)大的受力特性和良好的經(jīng)濟(jì)性，在此類工程中廣泛應(yīng)用，其長度、樁徑以及樁的工作方式均可以因地制宜，適應(yīng)不同的工程需要。如今，對擴(kuò)底樁水平承載力的研究也愈加受到重視，而數(shù)值分析法因其計算能力強(qiáng)、適用性較好等特點，能夠用于各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)的模擬，能適用于復(fù)雜的地質(zhì)條件及受力形式，是解決巖土問題的一個重要方法。

本文通過有限元軟件ABAQUS對5根不同埋深的水平受荷擴(kuò)底樁進(jìn)行數(shù)值模擬計算，分析其在不同埋深、不同水平荷載作用下的承載性狀，進(jìn)而分析其在不同埋深條件下承載特性的變化規(guī)律。

1 數(shù)值計算模型概況

建立5個擴(kuò)底樁數(shù)值計算模型，模型的其他尺寸參數(shù)均相同，僅直身段樁長不同，分別為4、6、8、10、12m，模型樁參數(shù)如表1所示。

樁頂作用1200kN的水平力，通過ABAQUS有限元軟件分析樁身水平位移、樁周土壓力及應(yīng)力分布，建立三維計算模型進(jìn)行分析。由于三維模型的復(fù)雜性，不另行建立樁內(nèi)鋼筋單元，只將鋼筋對彈模的影響計入。為避免邊界條件影響分析結(jié)果，土層深度方向取30m，模型徑向范圍取40m，模型如圖1所示。

樁體采用線彈性模型，土體采用Mohr-Coulomb模型。樁體與土體均采用C3D8R單元模擬，樁-土接觸采用摩爾-庫倫摩擦罰函數(shù)形式，摩擦系數(shù)取0.4，采用面-面接觸模擬樁土接觸，將擴(kuò)底樁的接觸表面視為主面，土體接觸表面視為從面，建立接觸對。邊界條件為模型底部固定約束，外側(cè)為徑向的位移約束。第一步為*Geostatic分析步，進(jìn)行初始地應(yīng)力平衡，然后第二步導(dǎo)出inp文件進(jìn)行修改，編輯關(guān)鍵字之后，再次提交job平衡地應(yīng)力。接下來通過Surface traction荷載的形式對模型樁施加水平力，共1200kN，分12級加載。樁、土計算參數(shù)如表2所示。

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1 不同埋深樁頂位移曲線

圖2為不同埋深和不同水平力作用下的樁頂位移曲線，從理論上來說，單樁從承受水平荷載到破壞，一般經(jīng)歷三個階段，直線變形階段、彈塑性變形階段和破壞性階段。對于水平承載力分別由樁身強(qiáng)度控制和地基土水平變形量控制的樁，樁的荷載-位移曲線是有區(qū)別的。前者在達(dá)到極限荷載后，樁頂位移迅速增大，且荷載-位移曲線上有明顯拐點。而由地基土水平變形量控制的樁，由于受樁的擠壓逐漸進(jìn)入塑性狀態(tài)，在出現(xiàn)被動破裂面之前，塑性區(qū)是逐漸變化的，所以荷載-位移曲線上的拐點一般不明顯，可以看出本次模型樁屬于后者。endprint

樁埋深越淺，樁頂水平位移越大，且呈線性關(guān)系。在初始階段樁頂位移隨荷載增加而呈線性增大；進(jìn)入中期，位移變化速率加快，土體發(fā)生部分塑性變形；進(jìn)入破壞階段，樁頂位移陡然增大，樁體破壞。由圖2可知，樁沒進(jìn)入破壞階段。樁的埋置深度對水平位移的影響比較明顯：樁埋的越深，土對樁的約束力越強(qiáng)，樁頂位移越小。

如果不考慮上部結(jié)構(gòu)對樁基礎(chǔ)的位移限制要求，僅通過加載位移曲線判斷樁的臨界荷載時，由圖3可看出，5根樁的位移梯度都比較平緩，Z1、Z2沒有出現(xiàn)明顯的臨界荷載拐點，對于Z1、Z2的判斷需要結(jié)合樁身強(qiáng)度。Z3、Z4、Z5在600kN時出現(xiàn)拐點，對于Z3、Z4、Z5可將600kN判斷為臨界荷載。

2.2 不同埋深的樁身位移曲線

對比圖4-圖6，可得以下結(jié)論：

①當(dāng)樁長小于9.5m（土層厚度9.5d）時，擴(kuò)底樁變形顯出剛性樁的性質(zhì)，樁身位移近似為一條直線；而大于等于9.5m（土層厚度9.5d）時，隨著水平力的增加，樁身發(fā)生撓曲變形，樁身位移呈拋物線變化。

②樁身中上段位移均是沿著樁身深度方向逐漸減小，樁頂位移較大，直至樁身位移零點以下，樁底擴(kuò)大頭處位移變化不大。樁身位移零點在樁的中下部，隨著樁埋置深度的增加，樁身位移零點的位置基本不變。

③樁埋深為5.5m（土層厚度5.5d）時樁頂和樁底位移最大；樁埋深為11.5m（土層厚度11.5d）時樁頂位移最??；從圖6看，當(dāng)樁直身段埋深12m時，樁底的位移最小，說明樁的埋置深度對土對樁的嵌固作用有一定影響。而要使樁頂位移最小，樁的埋置深度宜為11.5倍樁徑左右。

④隨著水平力的不斷增加，上部樁土逐漸分離，且分離的寬度逐漸增大，樁土間脫離的深度也隨荷載的增加而增加。

通過以上結(jié)論可以得出，水平荷載主要由淺層土體和樁身上半部分承擔(dān)，擴(kuò)底樁單樁在相同水平荷載作用下，樁長較短時，上部土體承擔(dān)較大部分的水平荷載，樁土水平荷載分擔(dān)比很小，導(dǎo)致擴(kuò)底樁的水平承載力較小，擴(kuò)大頭作用不明顯；隨著樁長的增加，土對樁的約束作用增大，樁身存在反彎點，再有樁端擴(kuò)大頭與土體接觸面積大，增加了土對樁的嵌固力，使樁頂水平位移減小，樁身水平承載能力提高；當(dāng)上部土體發(fā)生破壞后，水平荷載將向下部土體傳遞，擴(kuò)底樁樁長的增加對水平承載力的提高更為有效；但當(dāng)樁長增加到一定程度后，其對水平承載力的提高影響很小。

2.3 不同埋深的樁側(cè)土壓力曲線

土壓力是土體因自重或外荷載作用對支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的側(cè)向壓力，是土與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用的結(jié)果，其分布規(guī)律及大小與樁的水平位移的方向與大小、型式、剛度、樁與土的接觸以及樁的約束條件有關(guān)。

從樁的埋深—土壓力曲線（圖7-9）可以明顯看出，隨著埋置深度與水平荷載的增加，樁側(cè)土壓力大致呈拋物線變化，在擴(kuò)大頭處產(chǎn)生突變。在淺層（0-4m）范圍內(nèi)，樁側(cè)土壓力較大，沿樁身深度方向減小，在擴(kuò)大頭與樁直身段連接處產(chǎn)生突變，土壓力值很小，幾近為零，擴(kuò)大頭側(cè)土壓力有所增加，至樁端減小。由此可知，土體對樁的嵌固作用的強(qiáng)弱，對樁側(cè)所受土壓力大小有直接影響，而由于影響因素眾多，還需進(jìn)一步研究。

2.4 樁底中心距與土壓力關(guān)系曲線

樁底土壓力與樁的自重，樁與土的摩擦，樁底土體的物理力學(xué)指標(biāo)以及樁所受荷載有關(guān)。（圖10）

當(dāng)水平力較小時，不同深度的樁底土壓力分布較為均勻，兩側(cè)距樁底中心相同位置處的土壓力相差不大，與中心點處幾乎成一條直線；隨著水平力的增大，受壓一側(cè)土壓力隨之增大，而受拉一側(cè)呈減小趨勢，當(dāng)水平力達(dá)到1200kN時，兩邊與中心點成一條斜線。

樁埋深較淺時，當(dāng)樁頂受水平力推動時，土對樁的嵌固力較弱，樁身傾斜后，受拉一側(cè)的樁底與土體有分離的趨勢，土壓力接近為零。對于埋深較深樁，較小的水平力不能傳到樁底，所以水平力較小時，樁底兩側(cè)的土壓力相差不大；當(dāng)水平力逐漸增大時，樁足夠長，受力之后發(fā)生彎曲，力傳到樁底，致使樁底受壓一側(cè)的土壓力比受拉一側(cè)小，說明樁埋置深度對樁底受到的土壓力也有一定影響。

3 結(jié)論

本文運(yùn)用ABAQUS有限元軟件建立數(shù)值計算模型，對5根埋深不同、其他條件均相同的擴(kuò)底樁進(jìn)行計算，分析了樁頂位移和位移梯度與水平力的關(guān)系，樁身位移，樁側(cè)土壓力與樁埋置深度的關(guān)系，以及樁底中心距與土壓力的關(guān)系曲線，得出以下結(jié)論：

①在相同水平荷載作用下，埋置深度與位移成反比，埋深越淺，樁頂位移越大。但當(dāng)埋深到一定深度后，埋深對位移的影響不明顯，并不是埋的越深越好。

②水平荷載主要由淺層土體和樁身上半部分承擔(dān)，樁長較短時，上部土體承擔(dān)較大部分的水平荷載，水平承載力較?。浑S著樁長的增加，擴(kuò)底樁下端存在擴(kuò)大頭，土體的約束作用增大，樁身水平承載能力提高；在一定樁長范圍內(nèi)，擴(kuò)底樁樁長的增加能增加樁的水平承載力。

③樁側(cè)土壓力隨著埋置深度的加深，淺層（0-4m）土壓力變化較大，樁端側(cè)的土壓力變化不明顯；在擴(kuò)大頭與直身段的連接處土壓力很小，幾近為零。說明土體對樁的嵌固力越強(qiáng)，相應(yīng)的受到的土壓力就越小。

④樁埋深及樁頂水平力對樁底的土壓力均有影響。當(dāng)水平力較小時，樁底兩側(cè)的土壓力相差不大，樁深在11.5m以前，受拉一側(cè)的土壓力比受壓一側(cè)的小；當(dāng)樁深達(dá)到11.5m以后，受拉一側(cè)受到的土壓力比受壓一側(cè)大。

參考文獻(xiàn)：

[1]史文清，王建華，陳錦劍.考慮樁土接觸面特性的水平受荷單樁數(shù)值分析[J].上海交通大學(xué)學(xué)報，2006，40（8）：1457-1460.

[2]胡慶紅.大直徑擴(kuò)底樁試驗研究與數(shù)值分析[D].浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，2007.

[3]許蕓蕓，杜智超，徐東強(qiáng).預(yù)應(yīng)力抗拔灌注樁數(shù)值模擬研究[J].建筑科學(xué)，2012（S1）：41-43.

[4]文松霖.鉛直、水平荷載作用下擴(kuò)底樁的承載機(jī)理[J].長江科學(xué)院院報，2004，21（5）：24-27，31.

[5]高廣運(yùn)，楊成斌，馮世進(jìn)，等.大直徑（擴(kuò)底）灌注樁的承載性狀研究及其工程應(yīng)用[Z].合肥工業(yè)大學(xué)，2008.

[6]王俊林，王復(fù)明，任連偉，等.大直徑擴(kuò)底樁單樁水平靜載試驗與數(shù)值模擬[J].巖土工程學(xué)報，2010（09）.

[7]劉寧.預(yù)應(yīng)力混凝土管樁水平承載力現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬[D].太原理工大學(xué)，2011.

[8]董騰.水平荷載下基樁受力性能和破壞機(jī)理的研究[D].中南林業(yè)科技大學(xué)，2011.

[9]任連偉，王俊林.大直徑擴(kuò)底樁水平承載性能影響因素分析[J].巖土工程學(xué)報，2011（S2）.

[10]張磊.水平荷載作用下單樁性狀研究[D].浙江大學(xué)，2011.

[11]任連偉，王俊林.大直徑擴(kuò)底樁水平承載性能影響因素分析[J].巖土工程學(xué)報，2011，3.

[12]張嬌嬌.大直徑擴(kuò)底樁的靜載試驗與數(shù)值模擬[J].水科學(xué)與工程技術(shù)，2011（1）：60-62.

[13]李坤軒.大直徑人工挖孔擴(kuò)底樁豎向承載力試驗與數(shù)值分析[D].鄭州大學(xué)，2013.

[14]劉波，徐薇，胡和濤，等.大直徑擴(kuò)底嵌巖樁抗拔承載性狀試驗與分析[J].安徽理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（2）：1-5，42.

[15]常林越，王衛(wèi)東，吳江斌.基于極限承載力試驗的擴(kuò)底抗拔樁承載特性數(shù)值模擬分析[J].巖土力學(xué)，2015（S1）：657-663.endprint