水平荷載作用下單樁樁周土抗力分布數值分析

汪杰，姚文娟　（上海大學，上海200072）

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水平荷載作用下單樁樁周土抗力分布數值分析

汪杰，姚文娟（上海大學，上海200072）

建立了水平荷載作用下樁土共同作用的三維數值模型，研究水平荷載作用下單樁樁周土抗力沿環向和深度方向的分布規律，同時研究了土體粘聚力變化對樁周土抗力的影響。結果表明：水平荷載作用下，樁周土抗力在樁頂處最大，樁周土抗力在樁前側呈現被動土壓力特征，后側呈現主動土壓力特征，在垂直于荷載作用方向上近似等于靜止土壓力；土體粘聚力的變化對樁周土抗力的影響主要集中在樁前側0°～45°范圍內，對樁后側土抗力幾乎沒有影響，同時主要集中在樁身反彎點以上的淺層區域內，在此深度以下，對土抗力的變化影響并不明顯。

樁基礎；水平荷載；土體粘聚力；樁周土抗力

1　研究背景

樁基礎作為一種廣為采用的基礎形式，在工程實際中往往需要承受上部結構傳遞的風荷載、地震作用、波浪力、船舶撞擊力等形式的水平荷載[1]，因此，水平荷載作用下樁的力學響應研究顯得尤為必要。水平承載樁的工作性能是樁與土相互作用的問題。樁是利用其周圍土的抗力來承擔水平荷載，當水平荷載較小時，這一抗力是由靠近地面的土提供的，土的變形主要表現為彈性，隨著水平荷載的增大，樁的變形加大，表層土逐漸產生塑性屈服，從而使水平荷載向更深處的土層傳遞，當變形增大到樁所不能容許的程度或樁周土失去穩定時，樁土體系便趨于破壞[2]。由此可見，對于承受水平荷載的樁基礎來說，土抗力研究極為重要。

國內外對于水平受荷樁的研究較多，大多集中于樁基礎的荷載、側摩阻力、內力、變形研究，Ashour 等[3]采用有限元方法模擬了樁身抗彎剛度，截面形狀，樁頭約束條件對p-y曲線的影響。Youngho[4]等人通過實驗和數值分析發現p-y曲線對柔性樁的影響比剛性樁要大。Shivani等[5]對水平受荷樁在不同土體中的承載機理進行了理論分析，提出了土體等效側向應變的概念。趙明華等[6]利用非線性有限元方法研究成層土中傾斜荷載作用下樁側土壓力分布，指出傾斜荷載的豎向分量在土中的擴散可增加樁周土的豎向應力。截止目前，對樁基礎樁周土抗力的研究較少，且大多是將樁周土壓力分布作為研究算例中的分支，針對特定土體展開說明。基于上述研究現狀，本文針對水平受荷樁，研究了土體參數對樁周土抗力分布的影響。

2　有限元模型

2.1模型建立

本文采用有限元軟件ABAQUS進行模擬分析。土體采用單層土，采用摩爾-庫倫模型（Mohr-Coulumbmodel）模擬土體的彈塑性行為。模型基樁樁徑為0.6m，樁長24m，土層厚度48m。樁頭自由與土體表面齊平，置于土中。樁身材料為混凝土，故選用理想彈性材料，樁土參數見表1。根據摩爾庫倫模型要求，樁土單元類型均為C3D8R單元[7]。樁側土體寬度取30倍樁徑，樁端下土體取1倍樁長。樁土模型網格劃分如圖1所示。

樁土參數　表1

2.2樁土接觸及邊界條件

為了真實地模擬樁土之間的相對滑動，在樁土界面處設置主-從接觸，定義樁為主面，土為從面，采用庫倫摩擦模型來描述接觸面間的摩擦行為。綜合考慮土層特性，取摩擦系數μ=0.3。土體兩側邊界分別約束其水平位移，對土體底部邊界同時施加水平和豎向約束。

2.3模型加載

為了研究水平荷載作用下，土體參數變化對單樁樁周土抗力分布的影響。本文取水平荷載大小為F=200kN（X軸正向），以集中力形式作用于樁頂，以0°～180°范圍為研究對象，另一半圓周的土抗力關于X軸對稱分布。通過控制變量，分別改變土體的彈性模量、摩擦角、粘聚力進行計算分析。水平荷載施加示意圖見圖2。

圖1　模型網格劃分

圖2　荷載載施加示意圖

3　計算結果與分析

3.1水平荷載作用下樁周土抗力分布規律分析

圖3　樁周土抗力沿深度分布曲線

圖4　樁周土抗力沿樁環向分布曲線

以水平荷載200kN、土體彈性模量30MPa、摩擦角21°、粘聚力20kPa為例，模擬得到樁周土抗力（平行于樁軸線方向）沿深度和環向的變化情況見圖3和圖4。

由圖3和圖4知，在水平荷載作用下，由樁身側移引起的土抗力主要分布在樁身0～9m范圍內，9m以下由于樁身幾乎沒有側移，此時土抗力接近于靜止土壓力，土抗力最大值出現在樁頂處。在主動側（樁后側）0～2m樁長范圍內，135°和180°位置的土抗力接近于 0，明顯小于靜止土壓力。

對轉移羞恥組的控制條件與羞恥條件下的親社會行為評分進行配對樣本t檢驗(見表2)，結果顯示，羞恥條件下的評分顯著高于控制條件下的評分，t(30)=2.41，p <0.05，Cohen’d=0.44，說明羞恥情緒的誘發促進了親社會傾向。轉移性羞恥情緒的產生與重要他人、關系親密的人的聯系十分緊密。當母親做出羞恥的行為時，個體仍舊會被誘發、體會到羞恥情緒，嘗試通過幫助他人的方式調節自身的負性體驗。

在樁前側0°和45°位置的土抗力沿分布曲線呈現明顯的被動土壓力特征，90°位置的土抗力分布曲線近似等于靜止土壓力，而樁后側135°和180°位置的土抗力分布則呈現明顯的主動土壓力特征。

3.2土體粘聚力的改變對樁周土抗力的影響分析

保持荷載、土體的彈性模量、摩擦角、膨脹角不變，改變土體的粘聚力從20kPa增加到40kPa，模擬研究各種情況下的樁周土抗力分布規律，同樣由于對稱性，僅以0°和180°范圍為研究對象。

由圖5～圖9知，在水平荷載作用下，由土體粘聚力改變引起的樁周土抗力變化主要分布于樁前側0°～45°范圍內，沿深度方向影響區域為樁身上部0～9m范圍內。9m以下由于樁身幾乎沒有側移，土體粘聚力的變化對樁身土抗力沒有影響，土抗力接近于靜止土壓力。

圖5　不同粘聚力下樁周土抗力沿樁環向不同深度分布曲線

圖6　0°位置樁周土抗力沿深度分布曲線

圖7　45°位置樁周土抗力沿樁深度分布曲線

圖8　180°位置樁周土抗力沿樁深度分布曲線

圖9　樁周最大土抗力隨粘聚力變化曲線

由圖6、圖7知，隨著粘聚力的增加，在0～1m范圍內，樁前側（被動側）0°和45°位置的土抗力明顯增加，粘聚力由20kPa增加到30kPa，樁身最大土抗力增加了10.4%，粘聚力由30kPa增加到40kPa，樁身最大土抗力增加了4.8%。而在1～4m范圍內，隨著土體粘聚力的增加，0°和45°位置的土抗力有所減小，但減小的幅度并不明顯。

由圖8知，土體粘聚力的增加，對樁后側（主動側）土抗力的分布幾乎沒有影響。

由此可見，土體粘聚力的改變，對樁周環向土抗力的影響主要集中于樁前側0°～45°范圍內，而對于樁后側土抗力的幾乎沒有影響；沿深度方向影響范圍主要集中于土體表面的淺層區域內。

由圖9知，樁周最大土抗力隨著土體粘聚力的增大而增大，當c<25kPa時，曲線斜率較大，粘聚力增加對最大土抗力的提升明顯。當c>25kPa時，曲線斜率變小，增長趨勢近似直線。

4　結語

①水平荷載作用下，樁周土抗力在樁頂處最大，沿樁周環向分別呈不同的曲線分布規律。達到一定深度后，土中橫向土抗力主要是側向靜止土壓力，而由荷載引起橫向土抗力很小。

樁周土抗力在樁前側呈現被動土壓力特征，后側呈現主動土壓力特征，在垂直于荷載作用方向上近似等于靜止土壓力。

②土體粘聚力的增大對樁周環向土抗力的影響則主要集中在樁前側0°～45°范圍內，對樁后側土抗力幾乎沒有影響。由土體粘聚力的增加所引起的樁周土抗力的增加主要集中在樁身上部反彎點以上的淺層區域內，在此深度以下，對土抗力的變化影響并不明顯。

③隨著粘聚力的增大，樁周最大土抗力在前期增長較快，后期增長趨勢減緩，近似直線。

[1]袁志林，段夢蘭，陳祥余，鐘超，王建國.水平荷載下導管架平臺樁基礎的非線性有限元分析[J].巖土力學，2012，33（8）：2552-2559.

[2]蔡亮，魯子愛，韓潔.橫向荷載群樁效應分析[J].水運工程，2003，48 （1）：4-7.

[3]AshourM，NorrisG.Modeling lateral soil-pile responsebased on soil-pile interaction[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2000，126（5）:420-428.

[4]YounghoKim，SangseomJeongandJinohWon.Effect ofLateral Rigidity of Offshore Piles Using Proposed p-y Curves in Marine Clay.[J].Marine GeoresourcesandGeotechnology，2009，27：53-77.

[5]Shivani Rani，AmitPrashant.Estimationof theLinear SpringConstantfora Laterally Loaded Monopile Embedded in Nonlinear Soil[J].International Journal ofGeomechanics，2014（8）：1-13.

[6]鄒新軍，趙明華，鄔寶林.成層地基中傾斜受荷群樁的非線性有限元分析[J].中南大學學報（自然科學版），2006，37（4）：820-825.

[7]費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].北京：中國水利水電出版社，2013.

TU473.1+1

A

1007-7359(2016)03-0132-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.048

汪杰（1991-），男，安徽安慶人，上海大學在讀碩士，研究方向：建筑與土木工程。