楔形單樁水平承載特性研究

原 華 謝俊南 張紅忠 周 哲

（1河南大學土木建筑學院，河南 開封 475004；2.河南大學循環與功能建材實驗室，河南 開封 475004）

楔形單樁水平承載特性研究

原 華1，2謝俊南1張紅忠1周 哲1

（1河南大學土木建筑學院，河南 開封 475004；2.河南大學循環與功能建材實驗室，河南 開封 475004）

通過對粉土中水平荷載作用下楔形樁的承載特性進行數值模擬，并與同等條件下等體積圓樁的承載特性進行對比，發現與同等條件下等體積圓樁相比，楔形樁水平承載力較之提高近10%，楔形樁身最大正彎距出現位置與同體積圓樁位置基本吻合，最大負彎矩出現位置比圓樁上升了12.5%，楔形樁樁周土體位移比圓樁減小約8.2%。這說明在水平荷載作用下楔形樁較等體積圓樁有更好的承載特性。

楔形樁；水平位移；樁身彎矩；水平承載

1 研究背景

楔形樁由于其特殊的楔形側面，與等截面樁相比，單位承載力能顯著提高，且節省材料。在楔形樁豎向承載力和側摩阻力問題方面，孔綱強等［1-3］得出楔形角能有效降低樁頂下拽位移，楔形樁中性點位置隨著地面堆載等級的增加而降低。劉杰［4］等對楔形樁和圓柱形樁復合地基進行了模型對比試驗，證明圓柱形樁在復合地基中的承載力明顯低于楔形樁的承載力。在楔形樁單樁水平承載力方面，周航、孔綱強、曹兆虎［5］分析基樁形式、樁體性質及水平荷載等級等因素對楔形樁水平向承載力特性的影響規律。這些研究多集中在普通地基及復合地基中楔形樁的豎向承載力和側摩阻力方面，而楔形樁與等體積圓樁在水平荷載作用下對比研究并未涉及。本文以開封市粉土地基中的楔形單樁為研究對象，借助數值模擬的方法研究楔形單樁的水平承載特性，并從樁體受力、樁身彎矩和樁周土體位移三個方面與等體積（等截面等長度）的圓樁進行對比。

2 數值模型

用ABAQUS軟件建立楔形及等體積圓形單樁模型。楔形樁上樁徑D1取0.75m，下樁徑D2取0.5m，長度h取10m，楔形角是0.7°。圓樁直徑取0.625m，與楔形樁等側面積等長度。土體邊長取20D1，深度取2h。依次選用彈性和Mohr-Coulomb模型模擬樁、土。其中，樁體材質為鋼筋混凝土，彈性模量取30GPa，天然密度為2 500kg/m3,泊松比取0.16；參照開封地區粉土特性，土體彈性模量取8MPa，粘聚力取5kPa，內摩擦角21°，密度為1 900kg/m3，泊松比為0.25，摩擦系數設成0.3。

3 計算結果分析

3.1 樁體水平方向承載特性

圖1顯示了楔形樁及圓樁樁頂的荷載位移曲線。對比兩條曲線可得：在水平荷載作用下，兩條曲線的變化趨勢基本一致，隨著水平荷載的增大，樁頂處水平位移逐漸增大。兩條變形曲線基本呈現三個階段的變化：直線、彈塑性變形、破壞階段。模型中樁頂水平位移未能達到10mm，若依據樁基規范，取水平位移6mm所對應的荷載的75%作為單樁水平承載力特征值，則楔形樁的單樁水平承載力特征值約為51.25kN，比圓樁提高了近10%。

圖1 荷載位移曲線

3.2 樁身彎矩

圖2、圖3為楔形樁及圓樁的樁身彎矩曲線。由圖可得，樁體未破壞前，隨著荷載等級的增加，楔形樁和圓樁的樁身彎矩沿著樁深方向均呈先增大后減小的近似變化趨勢。楔形樁的樁身最大正彎矩值出現位置同圓樁，彎矩為零位置出現在約0.6倍樁身處，比圓樁上升了33%，最大負彎矩值出現在約0.8倍樁長處，比圓樁上升了12.5%，楔形樁總體彎矩變化范圍較圓樁廣。

圖2 楔形樁樁身彎矩曲線圖

圖3 圓樁樁身彎矩曲線

3.3 土體位移

相同水平荷載作用下，圓樁周圍土體最大位移約是9.25mm，楔形樁周圍土體最大位移約是8.58mm，楔形樁比圓樁周圍土體位移變形小約8.2%，且圓樁土體出現明顯的隆起現象。同等水平荷載作用下，楔形樁比常規等直徑樁能承受更大荷載，樁體能分擔較多水平荷載，減小傳遞到土層中的力，對周圍土體產生小的擾動，樁周土不易喪失穩定性。

4 結論

①水平荷載作用下，楔形樁比等體積圓樁能承受更大的荷載，相比圓樁水平承載力提高近10%。

②楔形樁的最大正彎距與等體積圓樁的位置相同，均在0.2倍樁長左右，最大負彎矩約位于距樁頂0.6倍樁長處，出現位置較圓樁上升了12.5%。

③同等水平荷載作用下，楔形樁周圍土體的水平位移變化比等體積圓樁小約8.2%，說明在水平荷載作用下楔形樁較等體積圓樁有更好的承載特性。

［1］孔綱強.堆載條件下現澆擴底楔形群樁負摩阻力特性研究［J］.巖土工程學報，2011（1）：364-368.

［2］孔綱強，孫學謹，曹兆虎，等.楔形樁與等截面樁中性點位置可視化對比模型試驗［C］//中國土木工程學會全國土力學及巖土工程學術大會.中國土木工程學會第十二屆全國土力學及巖土工程學術大會論文摘要集.2015.

［3］孔綱強，顧紅偉，周立朵，等.低承臺擴底楔形樁群樁效應系數研究［J］.巖土力學，2016（2）：461-468.

［4］劉杰，何杰，閔長青.夯實水泥土楔形樁復合地基中樁的合理楔角范圍研究［J］.土木工程學報，2010（7）：2202-2206.

［5］周航，孔綱強，曹兆虎.水平荷載下楔形樁樁-土相互作用理論分析［J］.中南大學學報，2016（3）：897-904.

Numerical Simulation of Horizontal Bearing Capacity of Wedge Single Pile

Yuan Hua1,2Xie Junnan1Zhang Hongzhong1Zhou Zhe1
（1.College of Civil Engineering and Architecture,Henan University，Kaifeng Henan 475004；2.Laboratory for Recycled and Functional Building Materials,Henan University，Kaifeng Henan 475004）

Based on the numerical simulation of the bearing characteristics of horizontal silt loading wedge pile,and compared with the same conditions under the bearing characteristics of the equal volume round pile,It is found that the horizontal bearing capacity of the wedge pile is nearly 10%higher than that of the equal volume pile under the same condition,the maximum positive bending distance of the wedge pile is in good agreement with the position of the same volume,and the maximum negative moment position was 12.5%higher than the circular pile,and the soil displacement of the wedge pile is about 8.2%lower than that of the round pile.It is shown that the wedge pile has better bearing characteristics than the equal volume pile under the horizontal load.

wedge pile；horizontal displacement；pile moment；horizontal bearing

TU473

A

1003-5168（2017）12-0100-02

2017-11-01

國家自然科學基金項目（51508163）；河南省教育廳科學技術研究重點項目（14A560018）資助。

原華（1982-），女，博士，副教授，研究方向：結構工程與巖土工程研究。

謝俊南（1991-），女，碩士在讀，研究方向：巖土工程。