傾斜荷載下群樁基礎(chǔ)工作性狀的數(shù)值分析

黃 晉 王國(guó)才 童慧芝

0 引言

傾斜荷載作用下群樁的工作性狀分析，無(wú)論從理論上還是試驗(yàn)上，目前都尚處于探索階段。傾斜荷載下群樁工作特性的現(xiàn)場(chǎng)足尺試驗(yàn)，需耗費(fèi)大量的人力、物力和時(shí)間，迄今為止，還未見(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道過(guò)［1］。長(zhǎng)期以來(lái)，由于對(duì)傾斜荷載下群樁的工作性能了解不多，給設(shè)計(jì)帶來(lái)了一定的困難。在計(jì)算時(shí)，工程上常采用簡(jiǎn)化法，將傾斜荷載分解成豎向荷載和水平荷載，分別計(jì)算其效應(yīng)，然后進(jìn)行疊加。在設(shè)計(jì)時(shí)，為了安全起見(jiàn)，不得不采用加大樁徑、提高混凝土強(qiáng)度、增加樁數(shù)、加大埋深、提高配筋率等手段，使設(shè)計(jì)帶有一定的盲目性，造成不必要的浪費(fèi)［2-4］。

近年來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，有限元分析方法日趨完善，已成為土木工程界強(qiáng)有力的分析計(jì)算工具之一。為進(jìn)一步揭示傾斜荷載作用下群樁的工作性狀，本文采用非線(xiàn)性有限元軟件Abaqus對(duì)承受傾斜荷載作用的群樁進(jìn)行分析，分析傾斜荷載的大小和傾角對(duì)群樁內(nèi)力、位移和彎矩等的影響［5］。

1 計(jì)算模型及參數(shù)的選取

群樁基礎(chǔ)如圖1所示，計(jì)算模型采用三維模型來(lái)分析，樁—土模型采用半空間對(duì)稱(chēng)體系。為了保證計(jì)算精度，樁周和樁底土體均取一倍樁長(zhǎng)［7］。

樁體認(rèn)為是彈性體，彈性模量E=3.36×104MPa，泊松比取μ=0.2。土體考慮其塑性和非線(xiàn)性，采用Mohr-Coulomb模型，其泊松比取 μ=0.4，土體的重度 γ=17.05 kN/m3，粘聚力 c= 50 kPa，內(nèi)摩擦角φ=28°［8］。

2 傾斜荷載下群樁基礎(chǔ)中基樁的沉降

為了研究?jī)A斜荷載作用下群樁基礎(chǔ)中每根單樁的沉降性狀，在對(duì)群樁基礎(chǔ)模型進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，通過(guò)改變作用在承臺(tái)上的傾斜荷載的傾角，對(duì)群樁中樁1、樁2、樁3的樁頂沉降進(jìn)行分析，得到樁1、樁2、樁3的荷載—沉降曲線(xiàn)，如圖2a)和圖2b)所示。

由圖2可知，傾斜荷載下群樁的荷載—沉降曲線(xiàn)和單樁的荷載—沉降曲線(xiàn)不同。單樁在外荷載作用下，當(dāng)樁側(cè)和樁底土由彈性狀態(tài)進(jìn)入塑性狀態(tài)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)較大的沉降，在荷載—沉降曲線(xiàn)上會(huì)表現(xiàn)為斜率變化較大。而群樁的荷載—沉降曲線(xiàn)則為緩變型，這是由于承臺(tái)的存在使得樁間土也參與承受外荷載作用的緣故。在群樁基礎(chǔ)中，上部荷載由承臺(tái)、樁間土和樁共同承擔(dān)。對(duì)比圖2a)和圖2b)可看出:隨著傾斜荷載傾角(傾斜荷載與樁軸線(xiàn)的夾角)的變大，傾斜荷載的水平分力增大，導(dǎo)致其樁側(cè)摩阻力也隨之增大，因此沉降量相對(duì)減小。

在外荷載作用下，群樁基礎(chǔ)邊樁的樁側(cè)摩阻力會(huì)對(duì)中樁的樁側(cè)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，降低其抗剪剛度，從而增大中樁的沉降。因此，中樁1的沉降是最大的。另外，在傾斜荷載水平分力作用方向上，群樁基礎(chǔ)的前排樁承擔(dān)的水平荷載要大于后排樁，由于水平荷載會(huì)使樁身一側(cè)與土體脫離且減小樁側(cè)土的抗剪剛度，增大樁的沉降量，樁3是傾斜荷載水平分力作用方向上群樁基礎(chǔ)的前排樁，因此其沉降量大于后排樁(樁2)。

3 傾斜荷載下群樁基礎(chǔ)的樁身?yè)隙?/h2>

研究?jī)A斜荷載下群樁中每根單樁的樁身?yè)隙鹊姆椒ǜ鲜鲅芯咳簶冻信_(tái)沉降的方法一樣，通過(guò)改變傾斜荷載的大小和傾角，得到樁1、樁2、樁3在不同傾角和大小的傾斜荷載作用下的荷載—撓度曲線(xiàn)。

從圖3a)～圖3c)可以看出，中樁1的樁身?yè)隙茸钚。慈簶哆厴兜膿隙纫笥谥袠兜膿隙龋@是因?yàn)槿簶缎?yīng)使得兩邊樁對(duì)中樁起了遮攔作用的緣故。由圖3d)可以看出，相同大小的傾斜荷載隨著傾角的增大，樁身?yè)隙纫搽S著增大。當(dāng)傾角較小時(shí)，傾斜荷載的水平分力較小，豎向分力的存在使得樁身水平位移減小。當(dāng)傾角不斷增大，水平分力也隨之增大，由于P—Δ效應(yīng)，豎向分力的存在會(huì)使樁身?yè)锨冃卧龃蠖a(chǎn)生一個(gè)附加位移，從而使樁身?yè)隙纫搽S之增大［10］。

4 傾斜荷載下群樁基礎(chǔ)的樁身彎矩

由于A(yíng)baqus后處理中不能直接輸出樁身截面彎矩，因此必須在JOB模塊中通過(guò)Edit Keywords功能添加關(guān)鍵詞來(lái)輸出樁身彎矩。首先添加*surface命令在樁身上定義一些截面，然后用*section print命令把這些截面所承受的截面力SOF和截面力矩SOM輸出到打印輸出文件DAT文件中，最后在DAT文件中找出相應(yīng)的截面力矩，繪出在不同傾角和大小的傾斜荷載作用下群樁基礎(chǔ)中每根單樁的荷載—彎矩曲線(xiàn)，如圖4，圖5所示。

由圖4可以看出，最大彎矩位置在樁體與承臺(tái)連接處，樁體的變形主要發(fā)生在樁身上部，與樁身上部接觸的土體發(fā)生塑性變形，而下半部分土體未發(fā)生塑性變形。當(dāng)傾斜荷載傾角增大時(shí)，水平分力也隨之增大，土體的塑性區(qū)逐步向下發(fā)展，以抵抗外荷載的作用，引起零彎矩點(diǎn)向下遷移。

由圖5可知，由于群樁效應(yīng)的存在，中樁1的彎矩要小于邊樁2，3的彎矩，這是因?yàn)閮蛇厴秾?duì)中樁起了遮攔作用，從而減小中樁的樁頂及樁身彎矩。因此在群樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中，可適度加強(qiáng)邊樁強(qiáng)度從而有利于提高樁基礎(chǔ)的承載力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文采用非線(xiàn)性有限元軟件對(duì)承受傾斜荷載下的群樁基礎(chǔ)工作性狀進(jìn)行了模擬與分析，通過(guò)改變傾斜荷載的傾角和大小，探討了不同傾角和大小的傾斜荷載對(duì)群樁基礎(chǔ)中每根單樁沉降、樁身?yè)隙取澗氐挠绊懀玫揭韵乱恍┙Y(jié)論:

1)群樁的荷載—沉降曲線(xiàn)為緩變型，這是由于承臺(tái)的存在使得樁間土也參與承受外荷載的緣故;

2)當(dāng)水平荷載較小時(shí)，豎向荷載的存在使得樁身水平位移減小。當(dāng)水平荷載較大時(shí)，由于P—Δ效應(yīng)，豎向荷載對(duì)水平承載樁產(chǎn)生附加位移;

3)由于群樁效應(yīng)，邊樁的摩阻力會(huì)對(duì)中樁樁側(cè)土體產(chǎn)生擾動(dòng)，從而減小中樁樁側(cè)土體抗剪剛度，增大其沉降;

4)由于邊樁對(duì)中樁起到了遮攔作用，減小了中樁的樁身?yè)隙燃皹渡韽澗兀侨簶缎?yīng)的體現(xiàn)。

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