單側加載不同組合形式樁結構受力變形分析

張浩瀚，張楊龍

（1長沙理工大學 土木工程學院，湖南長沙 410114；2中國建筑第五工程局有限公司，湖南長沙 450000）

0 引言

路堤加固形式多樣，通常采用多排直樁形式。但斜樁在控制水平位移時效果要優于直樁，目前對于斜樁的研究還處于起步階段，沒有形成完整的理論體系。本文采用數值模擬的方法對三種不同組合結構在單側荷載作用下的受力變形特征進行研究，從而找出控制變形和受力性能最好的結構體系，為工程實踐提供依據。

曹衛平[1]構建了水平受荷斜樁的雙曲線型p-y曲線，分析得出，斜樁樁頂固支可以有效減少樁頂橫向位移、樁身最大彎矩及最大剪力，但對于被動樁受荷時的承載力及變形規律尚未明確。梁發云[2]采用室內模型試驗的方法研究了土體側移作用下既有軸向受荷樁性狀，發現前樁對后樁具有遮攔效應，前樁的存在使得后樁的彎矩和變形明顯減小。申永江[3]對比分析了雙排長短組合樁與常見雙排樁前、后排樁的受力變形特征，認為雙排長短樁組合結構能夠有效調節前后排樁的內力與變形。研究證明，不同位置樁受力變形特征是不一致的，因此有必要對不同組合形式樁結構在荷載作用下的受力變形進行系統研究，從而獲得最優形式，為工程實踐提供參考。鄭剛[4]將傾斜樁用于基坑支護，得出斜直交替內斜傾斜樁支護可以很好地控制變形。周德泉[5-7]對于傾斜樁和組合樁進行了系列研究，得出一些重要規律，為本文研究提供了重要參考。周德培[8]研究了微型樁組合抗滑結構在滑坡治理中的作用，發現含有傾斜樁的組合結構可以增強滑動面的抗剪強度，樁與土形成的抗滑體的抗滑機制不同于一般的抗滑樁。本文利用有限元軟件建立模型，并對比驗證室內模型試驗實測結果。在此基礎上，對比研究不同組合形式樁結構在單側荷載作用下的樁身水平位移和受力特征。

1 數值分析模型的建立及可靠性驗證

1.1 模型建立

采用PLAXIS有限元軟件進行建模[9]分析，為了和室內模型試驗結果對比，按照試驗模型尺寸建模。模型寬1420mm，高1100mm。根據平面應變模型，土體采用15節點三角形單元模擬。土體本構采用摩爾-庫倫模型，土體參數：重度為18.2kN/m3，飽和重度為20kN/m3，彈性模量為 20MPa，泊松比為 0.22，有效內摩擦角取30°，剪脹角為5°。樁體采用PLAXIS自帶的Embedded樁建立。模型生成后進行網格劃分，為更好地反應結構受力和變形，對組合結構周圍的網格進行4倍加密。建立模型如圖1所示。

圖1 斜直樁數值計算模型圖

圖2 斜直樁布置形式圖

圖3 模型樁平面布置圖

圖4 加載示意圖

為了檢驗模型的正確性，將數值計算得到的斜直樁組合結構外側樁樁身位移、樁身彎矩結果與試驗實測數據進行對比。試驗在 1420mm×720mm×1100mm（長×寬×高）的模型槽[10]中進行，在模型槽內設置斜直組合樁結構，斜樁和直樁均為預制水泥砂漿方樁，樁長800mm，截面邊長為30mm，長徑比約為27，斜樁和直樁樁頂用連梁連接。模型樁示意圖見圖2，模型樁參數見表1。圖3為模型樁布置平面圖，圖4為加載裝置示意圖。

表1 模型樁參數

1.2 數值分析與模型試驗結果對比

為檢驗建立模型的正確可靠，將數值分析計算得到的斜直樁組合結構外側斜樁水平位移、樁身彎矩與模型試驗結果進行對比。對比結果如圖5所示。

圖5 斜樁水平位移、樁身彎矩實測數據和數值分析結果對比

由圖5可得：數值模擬計算的斜直樁組合結構中外側斜樁樁身水平位移與模型試驗測得的數據非常接近，證明該數值分析方法可靠，且適用于進一步建立其他組合結構來進行不同組合形式樁結構的受力變形特性研究。

1.3 不同組合形式樁結構模型建立

在斜直樁組合結構模型的基礎上，建立其他不同組合結構的數值分析模型，分別為“門架式”組合結構和“八”字形組合結構。不同組合結構具體形式如圖6所示。

圖6 不同組合結構模型圖

2 不同組合結構外側樁受力變形對比分析

2.1 不同組合結構外側樁水平位移對比分析

基于已經建立的數值分析模型（圖6），對比不同形式組合樁結構外側樁樁身水平位移變化曲線。由圖7可得：“門架式”組合結構、“八”字形組合結構和斜直樁組合結構外側樁在不同等級荷載作用下樁身水平位移變化規律基本相同，外側樁樁身水平位移最大值均出現在樁身中部附近，最小值出現在樁底附近。隨著荷載增大，樁身水平位移逐漸增大，樁身水平位移隨深度增加，先逐漸增至最大值后再隨深度增大而逐漸減小。相同荷載作用下，“門架式”組合結構中外側斜樁樁身水平位移要大于“八”字形組合結構中外側斜樁樁身水平位移，大于斜直樁組合結構中外側斜樁樁身水平位移，分析可知是由于“八”字形組合結構和斜直樁組合結構中外側斜樁在荷載傳遞時較“門架式”組合結構外側直樁來說相當于負斜樁，荷載對于斜樁來說具有扶正作用，此現象也證實了相同荷載條件下，斜樁較直樁來說具有更好的控制變形能力。

圖7 不同荷載作用下各組合結構外側樁水平位移對比

2.2 不同組合結構外側樁樁身彎矩對比分析

本節對各級荷載作用下不同組合結構外側樁樁身彎矩進行對比，對比結果見圖8?？梢缘贸觯簩τ谌N不同的組合結構，外側樁在各級荷載作用下，樁身彎矩最大值均出現在樁身中部，隨著埋深增加，樁身彎矩隨深度增大。先逐漸增大至最大值，后隨深度增大而逐漸減小。三種結構體系隨著荷載增大，外側直樁樁身各處彎矩值均逐漸增大。三種組合結構中樁底和樁頂處會出現負彎矩。

通過對三種組合結構中外側樁樁身彎矩在各級荷載作用下的對比可知：在相同荷載作用下，“門架式”組合結構中外側樁樁身彎矩最大，“八字形”組合結構中外側樁樁身彎矩值次之，斜直樁組合結構中外側樁樁身彎矩值最小，說明斜直樁組合結構有更好的抗彎承載能力，而傳統的“雙直樁”組合結構在各級荷載作用下的樁身彎矩值都最大，說明此種結構受力沒有其他兩種結構合理。

圖8 相同荷載作用下不同組合結構外側樁樁身彎矩對比

2.3 不同組合結構外側樁樁身剪力對比分析

圖9為不同組合結構外側樁樁身剪力隨加載過程的變化曲線。圖9顯示：在不同等級荷載作用下，“門架式”組合結構外側直樁樁身剪力均表現為樁頂處剪力值最大，樁底處剪力值最小，隨著深度的增大，外側直樁樁身剪力值先逐漸減小為零，然后再反向增大至極大值，最后再隨著深度的增加而逐漸減小。“八字形”組合結構外側斜樁樁身剪力隨著埋深增大先減小到零，后隨著埋深增加反向增大至極大值，再隨深度增大而逐漸減小，不同荷載作用下極值點出現位置都在樁身中部附近。

斜直樁組合結構在不同荷載等級作用下，斜樁樁身剪力最大值出現在樁頂和樁身中部附近，樁身剪力最小值出現在樁底。在較小荷載（15kN）作用下，斜樁樁身剪力隨著深度增加而逐漸減小至零，然后反向增大至極大值，達到極大值時，斜樁樁身剪力隨著深度增加逐漸減小。隨著荷載逐漸增大，外側斜樁樁身剪力值呈現出逐漸增大的趨勢。

圖9 相同荷載作用下不同組合結構外側樁樁身剪力對比

3 結語

對比三種不同形式組合樁結構數值分析結果可得：

（1）相同荷載條件下，“門架式”組合結構中外側樁樁身水平位移最大，“八字形”組合結構中外側樁樁身水平位移次之，斜直樁組合結構中外側樁樁身位移最小。說明在控制水平變形方面，斜直樁組合結構效果最佳。

（2）在各級相同荷載作用下，各組合結構中外側樁樁身彎矩最大值出現在樁身中部，樁頂和樁底處會出現負彎矩，“門架式”組合結構外側樁樁身彎矩值最大，“八字形”次之，斜直樁最小。說明斜直樁相比于其他兩種結構具有更好的抗彎承載能力。

（3）在各級相同荷載作用下，“門架式”組合結構和斜直樁組合結構中外側樁樁身剪力分布基本一致，“八字形”組合結構中外側樁樁身剪力分布更為復雜，且剪力值明顯大于其他兩種結構。