管樁群樁水平承載特性數(shù)值計(jì)算分析

郭志成 于涵

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2101-5640-1607

摘? 要：研究管樁群樁在水平荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)對(duì)于管樁設(shè)計(jì)計(jì)算和推廣應(yīng)用具有重要意義。本文通過(guò)數(shù)值模擬軟件FLAC3D研究了單排三樁形式管樁群樁在水平荷載作用下的承載特性，得到了樁基彎矩和位移隨樁基位置和樁距的變化規(guī)律。研究表明，（1）單排群樁樁頂彎矩大小為：前樁>中樁>后樁，說(shuō)明前樁所受土的抗力最大;（2）當(dāng)樁距為3～9倍樁徑時(shí)，樁距對(duì)樁體彎矩分布影響較小，當(dāng)樁距大于7倍樁徑時(shí)，樁距的影響可忽略不計(jì)。

關(guān)鍵詞：管樁? 群樁? 水平荷載? FLAC? 有限差分

中圖分類(lèi)號(hào)：TU473.1 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2021）03（c）-0027-05

Numerical Analysis of Horizontal Bearing Characteristics of Pipe Pile Group

GUO Zhicheng1? YU Han2

（1.Planning and Contracts Department， Lunan High Speed Railway Co.，Ltd.， Jinan， Shandong Province， 250102 China; 2.Weihai Weigao Construction Co.，Ltd.， Weihai， Shandong Province， 264200 China）

Abstract： It is worthwhile for the design and application of pile groups to study the response of pile groups under lateral forces. This study tries to investigate the bearing capacity of single row of three piles using the numerical software FLAC3D， and derives the distribution of moments and displacements of piles with positions and pile spaces. It is found that： （1） the moments at the pile head follows the order： the front pile > the intermediate pile > the back pile， which indicates that the front pile contributions to the highest resistance; When within 3 to 9 times of the pile diameter， the pile space has little influence on the distribution of pile moments， and the influence may be neglected if the pile space is larger than 7 times the pile diameter.

Key Words： Pipe pile; Pile group; Horizontal load; FLAC; Finite difference method

近年來(lái)，隨著高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力管樁在巖土工程中的大量應(yīng)用，管樁群樁水平承載特性研究逐漸引起國(guó)內(nèi)外的廣泛關(guān)注。但目前管樁群樁設(shè)計(jì)中未能充分發(fā)揮出管樁群樁的承載潛力，特別設(shè)計(jì)中的保守和對(duì)材料的浪費(fèi)。為了進(jìn)一步研究管樁群樁的水平承載特性，采用有限差分?jǐn)?shù)值軟件FALC研究管樁群樁在水平荷載作用下的樁身彎矩和位移分布規(guī)律，分析管樁群轉(zhuǎn)不同轉(zhuǎn)間距和樁基位移對(duì)管樁群樁承載力影響，進(jìn)而為我國(guó)管樁群樁的設(shè)計(jì)方法研究提供一定的指導(dǎo)依據(jù)。

1? 研究背景與意義

樁基在港口、橋梁、電塔等工程中應(yīng)用十分廣泛[1-2]。在這些工程中，樁基需要承受豎向荷載作用外，還受到水平荷載（如地震力、破浪力、風(fēng)力等）的作用。在某些重要工程的設(shè)計(jì)中，樁基水平荷載需考慮在內(nèi)以保障建筑物的安全性[3]。近年來(lái)，隨著預(yù)應(yīng)力管樁大量推廣應(yīng)用，管樁特別是管樁群樁的水平承載特性研究不足的問(wèn)題逐漸暴露，如管樁較強(qiáng)的抗壓、抗彎和抗剪性能未考慮在內(nèi)，造成設(shè)計(jì)偏于保守。

為了研究管樁群樁水平承載特性、優(yōu)化管樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論，諸多學(xué)者采用模型試驗(yàn)[4-6]、有限元數(shù)值模? ? ? ? 擬[6-7]等手段研究管樁群樁在水平荷載作用下的樁-土-承臺(tái)相互作用機(jī)理。本文則采用有限差分?jǐn)?shù)值軟件FLAC模擬管樁群樁在水平荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，研究成果的取得將對(duì)管樁的應(yīng)用推廣具有重要指導(dǎo)意義。

2? FLAC數(shù)值模擬方案

2.1 數(shù)值計(jì)算模型

在本文所建模型中，承臺(tái)假定為剛體，樁頭嵌入承臺(tái)內(nèi)且與承臺(tái)固結(jié)，管樁呈一排三根布置，如圖1所示。

模型尺寸為：

（1）沿荷載作用方向（長(zhǎng)度X方向）為40m，高（高度Z方向）50m，垂直荷載作用方向（寬度Y方向）為12m，足以避免可能出現(xiàn)的邊界效應(yīng)。

（2）管樁樁徑為600mm，樁長(zhǎng)為25m，壁厚為130mm，選擇四種不同樁間距3D、5D、7D和9D。

（3）承臺(tái)尺寸為矩形承臺(tái)，厚度1m，其平面尺寸根據(jù)樁基布設(shè)形式而確定，承臺(tái)邊緣與樁體最小距離為0.5倍樁徑。

沿深度方向，樁長(zhǎng)范圍內(nèi)網(wǎng)格間距為0.5m，下部網(wǎng)格間距為1m;在承臺(tái)影響范圍內(nèi)，網(wǎng)格局部加密以減小網(wǎng)格尺寸對(duì)結(jié)果的影響。樁-土-承臺(tái)截面采用Interface命令并允許滑移和分離。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和初步計(jì)算所得規(guī)律，在承臺(tái)一側(cè)施加X(jué)方向均布面荷載，荷載分級(jí)施加，每級(jí)施加荷載為90kN（預(yù)估水平承載力的1/10～1/15）。加載結(jié)束后，提取承臺(tái)水平位移和各管樁樁身位移和彎矩值。

2.2 數(shù)值模擬計(jì)算參數(shù)

選擇樁型為PHC-600（130）-AB-Lb的管樁參數(shù)用于數(shù)值模擬，混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)等級(jí)為C80。樁體和承臺(tái)采用線(xiàn)彈性模型，樁周土體假設(shè)為理想Mohr-Coulomb材料，具體計(jì)算參數(shù)如表1所示。

3? 群樁水平承載特性

為初步揭示管樁群樁在水平荷載作用下樁-土-承臺(tái)相互作用機(jī)理，部分典型工況中樁身位移和彎矩分布將在本節(jié)進(jìn)行討論。

3.1 位移云圖分析

提取900kN水平荷載作用時(shí)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，計(jì)算結(jié)果如圖2～5所示。其中樁距為3倍樁徑（3D）時(shí)承臺(tái)平面尺寸（長(zhǎng)×寬）為4.8m×1.2m，9倍樁距時(shí)（9D）承臺(tái)尺寸（長(zhǎng)×寬）為12.0m×1.2m。

由圖2～圖5可知：（1）相同水平荷載作用下，樁距為3倍樁徑和9倍樁徑時(shí)樁周土位移范圍相差較?。ㄒ?mm土體位移判定）;（2）樁距為3倍樁徑時(shí)，中樁和后樁1mm位移深度基本相同，且大于前樁（約1D）;（3）樁距為9倍樁徑時(shí)，前、中、后樁1mm位移深度相差較小，中樁最深。

3.2 樁身位移及彎矩分析

由圖6、圖7可知：（1）由于不考慮承臺(tái)變形，因此前、中、后三根樁的樁身位移基本相同;（2）不同樁距下前樁樁頂彎矩值：前樁>中樁>后樁，承臺(tái)對(duì)其嵌固效應(yīng)最明顯，中樁次之，后樁最小;且樁距9倍樁徑時(shí)前、中、后樁的樁頂彎矩差值小于3倍樁徑時(shí);（3）前樁樁身彎矩均大于中樁和后樁，說(shuō)明相同水平荷載作用下前樁所承受彎矩值最大（即所受樁前土抗力最大）。

由圖8可知：（1）由于未考慮承臺(tái)變形，前、中、后樁樁身位移基本形同;（2）相同荷載等級(jí)下，隨樁距的增大樁頂位移顯著減小。

由圖9可知：（1）不同樁距下各樁樁體上部彎矩值基本相同，且前樁>中樁>后樁;（2）樁距為7倍樁距時(shí)樁身彎矩分布與9倍樁徑時(shí)基本相同，說(shuō)明樁距大于7倍樁徑后群樁效應(yīng)不明顯。

4? 結(jié)語(yǔ)

基于有限差分?jǐn)?shù)值模擬軟件FLAC3D，本文對(duì)管樁群樁基礎(chǔ)的水平承載特性進(jìn)行了規(guī)律性探討，研究了單排三樁形式群樁在水平荷載作用下的樁身位移和彎矩分布，研究表明：

（1）相同水平荷載作用下，樁距對(duì)單排管樁群樁樁周土位移影響較小;

（2）單排群樁樁頂彎矩大小為：前樁>中樁>后樁，說(shuō)明前樁所受土的抗力最大;

（3）對(duì)樁距為3～9倍樁徑時(shí)，樁距對(duì)樁體彎矩分布影響較小，當(dāng)樁距大于7倍樁徑時(shí)，樁距的影響可忽略不計(jì)。

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