巖土質邊坡水平受荷嵌巖樁受力性能研究

張建忠　樊梅影

(貴陽建筑勘察設計有限公司,貴州 貴陽　550081)

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巖土質邊坡水平受荷嵌巖樁受力性能研究

張建忠樊梅影

(貴陽建筑勘察設計有限公司,貴州 貴陽550081)

以貴州某一邊坡支護中的樁基擋墻為例，采用ANSYS有限元軟件，對水平受荷嵌巖樁的受力性能進行了數值模擬計算，將所得有限元解與傳統解作了對比研究，在此基礎上，分析了樁端約束情況、樁徑等因素對基樁內力和變形的影響，以期為同類地區水平受荷樁的設計提供參考。

水平受荷嵌巖樁，基樁，正交試驗，有限元模型

0　引言

關于水平受荷樁的研究主要局限于設計規范[1]的線彈性m法，但樁在水平荷載作用下的受力是一個比較復雜的樁土共同作用過程，該法不能很好地描述水平荷載作用下的樁土共同工作機理[2]。近年來，隨著數值計算的迅速發展并考慮到土體工程性質的復雜性、樁—土的非線性與蠕變等問題[3]，數值方法被廣泛地運用于水平荷載樁的計算中。

本文以貴州某一邊坡樁基擋墻為背景，采用數值法來探究水平受荷嵌巖樁的受力性能，并與樁基受力分析的傳統解法進行對比，同時探究樁端約束、樁徑、土層厚度對基樁內力和變形的影響，以期為同類地區水平受荷樁的設計和理論研究提供參考。

1　水平受荷嵌巖樁數值模擬

結合水平受荷樁的特點，選用ANSYS平臺，可以實現參數化建模、施加參數化載荷與求解、參數化后處理結構顯示及實現參數化有限元分析的全過程[4]。

1.1模型選取

這里采用鋼筋混凝土圓樁，為了簡化計算，假定樁—承臺—土體耦合連續變形[5]，由于水平受荷樁側面與土體不發生錯動，故不考慮樁和土接觸、摩擦及兩者間的相對滑動現象。

1)選取幾何參數。通過查閱大量的地質勘察報告、工程資料，這里選取比較常見的尺寸，樁徑d=1.5 m，嵌巖段長3 m，樁的自由段長為1 m，鑒于后續樁基傳統解涉及到的地基土水平抗力系數的比例系數m為地面以下2(d+1)m深度內各土層的綜合值[1]，樁長取為12 m，見圖1。為確保試驗樁的影響范圍，根據工程經驗可把土體、基巖平面尺寸在樁周各外擴2倍樁長，樁底基巖向下延伸1倍樁長。

2)材料特性及參數。這里假設同一種材料為均質、各向同性體；承臺和樁為線彈性體；土體(可塑紅粘土)、基巖為Drucker—Prager彈性—理想塑性模型；樁—土間無相對滑動[6]。根據相關工程資料及工程地質手冊[7]，樁基各參數選取見表1。

表1　樁基采用的物理力學參數

3)有限元模型。有限元計算采用ANSYS軟件，樁、土體和基巖單元為Solid45。樁身本構關系采用線彈性E-μ模型，而土體本構關系采用非線性D-P模型[6]。水平受荷樁采用的計算模型如圖1所示，該模型的4個側面及底部均被固定，在樁頂施加500 kN的水平荷載。

1.2基樁有限元解

在本模型中，樁體任意截面上的內力可通過在該面上對相應的應力進行積分求得[8]，水平受荷嵌巖樁的彎矩、剪力有限元解見圖2,圖3。

由此可知，基樁彎矩沿樁身呈拋物線變化，彎矩峰值出現在樁體中部；剪力自樁頂向下逐步減小直至土巖結合面處，接著開始增大。

1.3與傳統解作比較

1)確定參數m。根據《建筑樁基技術規范》[1]第5.7.5條第2款，地基土水平抗力系數的比例系數m，宜通過單樁水平靜載試驗來確定，可用數值試驗來模擬進行。基于ANSYS平臺可計算出給定荷載下的樁頂水平位移，利用數值法和“m”法算出的樁頂水平位移相等，結合土體物理力學參數等信息及《建筑邊坡工程技術規范》表G.0.1-2土質地基系數[9]，通過構造方程進行數值分析可反算出參數m=11.097 MN/m4。2)基樁內力。利用上述求得的參數m，可由“m”法求得水平受荷樁的內力傳統解，據此可作出基樁彎矩圖、剪力圖，分別如圖2，圖3中所示的傳統解。3)兩種解的比較。結合圖2和圖3可知：水平受荷嵌巖樁彎矩的有限元解、傳統解沿樁身的變化趨勢基本一致，都呈拋物線型變化，其中峰值彎矩的有限元解、傳統解分別為1 183.201 kN·m，1 564.501 kN·m，后者較前者大32.23%，原因在于傳統解的做法是比較保守的，在一定程度上浪費材料；剪力的有限元解、傳統解沿樁身的變化趨勢在樁身上部基本一致，但在樁身下部兩者的變化趨勢相差較大，其中有限元解變化的比較客觀而傳統解的取值偏大。有限元解要比傳統解更合理些，今后做樁基設計時，可結合樁基的有限元解對設計進行優化，在一定程度上可以節約材料，提高工程質量。

2　不同因素影響研究

2.1樁底約束情況對基樁內力的影響

在上述模型的基礎上，即保持土層厚度8 m、樁徑1.5 m等參數不變條件下，這里采用3種不同的嵌巖深度(這里取嵌巖深度d，2d，3d分別代表樁底端鉸接、半固接、固接)來研究樁底約束對基樁內力的影響。

基于ANSYS軟件平臺進行單因素數值試驗，樁底不同約束下的試驗結果分別如下：

1)彎矩。不同嵌巖深度的樁身彎矩分布見圖4。

由圖4可知，隨著樁端約束的增強，樁身彎矩呈非線性變化，土體中的樁段承受絕大部分彎矩。在土體中，樁端約束對基樁彎矩幾乎無影響，嵌巖中的樁段彎矩與樁端約束正相關。

2)剪力。不同嵌巖深度的剪力分布見圖5。

由圖5可知，在基樁非嵌巖段剪力基本不受樁端約束影響而樁底剪力隨樁端約束增強而增大。

2.2樁徑對基樁內力的影響

在上述模型的基礎上，即保持土層厚度8 m、嵌巖深度3 m等參數不變條件下，這里采用3種不同的樁徑(分別取1.5 m，1.75 m，2 m)來研究樁徑對基樁內力的影響，試驗結果如下：

1)彎矩。不同樁徑下的樁身彎矩分布見圖6。

由圖6可知，水平受荷樁兩端彎矩基本為0，彎矩主要分布在2 m～10 m范圍內，在此范圍內彎矩隨樁徑增大而減小，彎矩峰值出現在樁身中部附近，與分布荷載下的簡支梁彎矩圖近似。

2)剪力。不同樁徑下的剪力分布見圖7。

由圖7可見，在土體水平受荷樁剪力與樁徑正相關，在基巖中與樁徑負相關。

2.3土層厚度對基樁內力的影響

根據《建筑樁基技術規范》[1]第5.7.5條第1款可計算出樁的水平變形系數α=0.329 2 m-1，進而求出樁的換算埋深αh，結合樁長H來認識樁的剛柔性，即判斷是剛性樁還是柔性樁，各樁的換算埋深見表2，其中h為樁的入土深度。據此，可認為樁長在10 m以內的為剛性樁，其他的為柔性樁。

表2　樁的換算深度

1)彎矩。不同土層厚度下的樁身彎矩分布見圖8。

由圖8可知，剛性樁彎矩峰值隨土層厚度增大而減小，柔性樁彎矩峰值隨土層厚度增加而增大，但兩類樁各自彎矩峰值的位置不受土層厚度影響。

2)剪力。不同土層厚度下的剪力分布見圖9。

由圖9可見，在土體上部土層厚度對水平受荷樁剪力影響微弱；剛性樁、柔性樁剪力峰值分別與土層厚度負相關、正相關，其峰值位置分別出現在自樁底向上1 m處、土巖交界區域，并隨土層厚度增加而下移。

2.4各因素對基樁內力的影響力分析

為了探究嵌巖深度、樁徑、土層厚度對水平受荷嵌巖樁內力的影響力，這里采用正交試驗[10]來研究這三個因素對基樁的影響程度。根據《材料力學》[11]知樁身撓度y(x)與樁身彎矩M(x)滿足關系式EIy″(x)=-M(x)，剪力Q(x)=M′(x)，其中，EI為樁剛度；x為樁身變形前軸線上截面位置坐標。由此可選樁頂水平位移y作為正交試驗考察指標，該數值越小越好，該試驗有3個因素——嵌巖深度、樁徑、土層厚度，這些因素都是3水平的，具體數值見表3。

表3　試驗參數　m

假定各因素之間無交互作用，則可采用3因素的正交表L9(34)來安排正交試驗，試驗方案及計算結果見表4。通過各個水平的最大值減去相應的最小值可求得極差，極差可反映相應因素水平改變對樁頂水平位移影響的大小，進而找出影響試驗的主次因素。由表4知這3個因素影響力大小排序B>C>A，即樁徑>土層厚度>嵌巖深度，最優試驗方案A3B3C1，樁徑、土層厚度是主要因素并且樁徑大于土層厚度的影響，嵌巖深度是次要因素，幾乎可忽略。

表4　極差分析

為探究3因素的影響程度可進行方差分析，見表5。對置信度1-α=0.95有F0.05(2,2)=19，結合表5知B(樁徑)、C(土層厚度)作用顯著，A(嵌巖深度)不夠顯著，僅有影響。

表5　方差分析

3　結語

1)基樁彎矩拋物線形變化，近似于分布荷載下簡支梁的彎矩圖，兩端小(幾乎為0)，中間大；彎矩峰值的數值解與傳統解相差較大；樁底約束對處在土體中的基樁彎矩幾乎無影響，但嵌巖段與樁端約束負相關；彎矩峰值與樁徑負相關；剛性樁、柔性樁彎矩峰值分別與土層厚度負相關、正相關，這兩類樁的各自彎矩峰值位置不受土層厚度影響。

2)基樁剪力自樁頂向下逐步減小直至土巖結合面，然后開始變大；與傳統解在土體中大致相同，但在嵌巖段兩者差別較大；在土體中基樁剪力幾乎不受樁端約束、土層厚度的影響，與樁徑呈正相關變化；在基巖中剪力與樁徑負相關，剪力峰值與樁底約束強弱正相關；剛性樁、柔性樁剪力峰值分別與土層厚度負相關、正相關，其峰值位置分別出現在樁底、土巖交界區域。

3)樁徑、土層厚度是影響基樁內力、位移的主要因素，并且作用顯著；樁底約束是次要因素，有影響但不顯著。

[1]JGJ 94—2008，建筑樁基技術規范[S].

[2]史文清，王建華，陳錦劍.考慮樁土接觸面特性的水平受單樁數值分析[J].上海交通大學學報,2006,40(8):1457-1460.

[3]張紅.水平受荷樁分析方法研究[D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2012.

[4]賴永標，胡仁喜，黃書珍.ANSYS11.0土木工程有限元分析典型范例[M].北京：電子工業出版社，2007.

[5]譚峰屹，汪稔，趙麗.柔性樁復合地基承載力數值計算[J].巖土力學,2011,32(1):288-292.

[6]王偉.ANSYS14.0土木工程有限元分析從入門到精通[M].北京：清華大學出版社，2013.

[7]《工程地質手冊》編委會.工程地質手冊[M].第4版.北京：中國建筑工業出版社,2007.

[8]何周.基于ANSYS的結構內力計算方法[J].科技信息, 2011(31):5.

[9]GB 50330—2013，建筑邊坡工程技術規范[S].

[10]陳魁.應用概率統計[M].北京：清華大學出版社，2000.

[11]孫訓方，方孝淑，關來泰.材料力學(Ⅰ)[M].北京：高等教育出版社,2009.

Numerical research of behavior about laterally loaded pile embeded in rock in red clay region

Zhang JianzhongFan Meiying

(GuiyangBuildingSurveyandDesignCo.,Ltd,Guiyang550081,China)

Taking the slope bearing pile retaining wall in Guizhou as an example, applying ANSYS finite element software, the paper carries out numerical simulation computation of stress performance of horizontal loading rock-socketed pile, comparatively studies the obtained finite element solution and traditional solution, and analyzes the impact of pile end restraining conditions and pile diameter upon internal pile foundation stress and deformation, so as to provide some guidance for horizontal loading pile design in similar region.

horizontal loading rock-socketed pile, foundation pile, interchange test, finite element model

1009-6825(2016)08-0085-03

2016-01-04

張建忠(1971- )，男，高級工程師，注冊土木工程師(巖土)

TU473

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