水平荷載對單樁豎向承載力影響研究

陳娜寧 亓路寬 魏贊洋

(北京工業大學建筑工程學院，北京 100124)

水平荷載對單樁豎向承載力影響研究

陳娜寧 亓路寬 魏贊洋

(北京工業大學建筑工程學院，北京 100124)

基于Mohr-Coulomb強度理論并結合數值模擬分析方法，對不同土體中純摩擦樁在水平荷載作用下單樁豎向承載力的變化進行了理論分析，結果表明：水平荷載作用下樁基礎的豎向承載力會有所下降。

數值模擬，水平荷載，豎向承載力

0 引言

隨著我國國民經濟的迅猛發展，樁基礎被廣泛應用于橋梁結構基礎上。樁基礎不僅能承受由上部結構和樁身自重等引起的軸向荷載，而且還可能承受由車輛制動力荷載、波浪荷載、風荷載、地震荷載、輪船及車輛的撞擊等引起的水平荷載。但樁基礎在水平荷載作用下，樁與樁側土體產生部分脫離現象，由于深度l0以下樁體位移很小，達到10-5m，所以忽略不計(見圖1)，會導致樁基礎一側摩阻力減小，另一側摩阻力增大，與規范中按樁基礎全周計算得到的樁基承載力有一定差異，可能會對樁基礎的承載力產生較大的影響，從而影響到橋梁結構的安全。因此，研究樁基礎在水平荷載作用下對樁基豎向承載力的影響程度，對完善樁基礎的設計與計算方法具有重要的理論價值和現實意義。本文基于Mohr-Coulomb強度理論，首先分析在無水平力作用下摩擦樁單樁豎向承載力，在此基礎上針對摩擦樁在不同土體、不同大小水平荷載作用下單樁豎向承載力進行分析，通過二者之間的比對，分析在水平荷載作用下單樁豎向承載力的變化。

1 軸向荷載作用下單樁豎向承載力計算

單樁豎向承載力是指單樁在軸向荷載作用下，地基土和樁自身的強度和穩定性均滿足結構安全、變形在容許范圍內所承受的最大荷載。因此，樁的軸向承載力取決于樁側土的強度或樁自身的材料強度，而摩擦樁的軸向承載力多取決于樁側土的抗剪強度。本文分析對象為樁長50 m，樁徑1.5 m的純摩擦樁，針對不同彈性模量、不同內摩擦角的土體中單樁豎向承載力進行分析計算。樁及樁側土體參數見表1。

表1 材料參數

為了使計算簡單，假設樁側土體在樁長范圍內為同一土層，單樁為純摩擦樁，忽略樁底土的端承力，樁側摩阻力沿樁長按規范取值為τ0。按設計規范經驗公式確定單樁軸向容許承載力，對純摩擦樁，經驗公式采用下列形式：

(1)

其中，[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值，kN；u為樁身周長，m；L為樁長，m；τ0為樁側摩阻力標準值，kPa，按規范取值。

根據式(1)計算得到不同土體中單樁豎向承載力結果見表2。

表2 單樁豎向承載力值(一)

2 水平荷載作用下單樁豎向承載力計算

豎直摩擦樁在承受由上部結構和樁身自重等引起的軸向荷載的同時還可能承受由波浪荷載、風荷載、地震荷載、車輛制動力荷載、輪船及車輛的撞擊等引起的水平荷載。本文針對樁基礎在水平荷載為200 kN，400 kN和600 kN作用下，單樁豎向承載力的變化情況進行分析。

2.1 樁側摩阻力變化確定

水平荷載作用于單樁樁頂時，樁身產生撓曲變形，由于樁身變形擠壓樁側土體，樁側摩阻力τ會有一定提高，變形段樁側摩阻力按公式τ1=τ0+c+Δσtanφ計算，其中，c+Δσtanφ由有限元數值模擬計算得到。本文采用三維有限元模型模擬樁土相互作用過程，對單樁的承載力特性進行分析。單樁樁徑1.5 m，樁長50 m，樁基下面土層深取50 m。為了更好地模擬純摩擦樁，樁底以下沿樁身1 m深度范圍內為無土層段。模型徑向范圍60 m，樁體和樁側土體均采用C3D8R單元模擬。樁身為線彈性體，樁側及樁底土為彈塑性材料，土體本構模型采用Mohr-Coulomb模型，樁與土間的剪應力和剪切位移采用罰函數的形式。各種材料參數見表1，分析模型見圖2～圖4。

樁身在水平荷載作用下產生撓曲變形，使樁與樁側土體部分脫離，脫離側的摩阻力減小為零；擠壓側的摩阻力增大，不同土體中擠壓側的樁側摩阻力沿樁長變化情況見圖5～圖8。

從圖5～圖8可以看出水平荷載作用時，沿樁身一定范圍內樁側摩阻力有一定的提高，由于樁身產生撓曲變形，對樁側土體有擠壓作用，所以樁身變形段擠土側樁側摩阻力呈增加趨勢，摩阻力增加值隨水平荷載的增加而增大，假定水平荷載作用下單樁變形段沿樁身長度為l0，樁側摩阻力最大增加值為Δτ，最終摩阻力值為τ1，由圖可以得出，不同土體中擠壓側樁側摩阻力變化情況見表3。

2.2 單樁豎向承載力計算

由于水平荷載作用使樁身產生撓曲變形，變形段樁基礎與樁側土體由全周接觸變為半周接觸，在計算單樁豎向承載力時變形段周長取樁身周長的一半，所以水平荷載作用時單樁豎向承載力計算公式采用以下形式：

(2)

其中，[Ra]為單樁軸向受壓承載力容許值，kN；u為樁身周長，m；L為樁長，m；l0為變形段沿樁身長度，m；τ0為樁側摩阻力標準值，kPa，按規范取值；τ1為變形段樁側的摩阻力最終值，kPa。

表3 擠壓側樁側摩阻力變化情況

根據式(2)計算得到水平荷載作用下不同土體中單樁豎向承載力結果見表4。

表4 單樁豎向承載力值(二)

3 結果對比

由表4可以看出，水平荷載作用時摩擦單樁豎向承載力都有所下降，不同土體中單樁在有水平荷載作用時較無水平荷載作用時承載力下降百分比對比情況見圖9。

從圖9可以看出，水平荷載作用下單樁豎向承載力都有所下降，且隨著水平荷載值的增加其承載力下降幅度基本上呈下降趨勢；土的彈性模量和內摩擦角對單樁豎向承載力的下降幅度均有影響：相同水平荷載作用下，不同彈性模量的土體中樁身變形段長度不同導致承載力下降幅度不同，幅度范圍在7%～11%,不同內摩擦角的土體中變形段擠壓側樁側摩阻力增加值不同導致承載力下降幅度不同，幅度范圍在7%～11%；隨著荷載值的增加內摩擦角對承載力下降幅度的影響越來越突出，因為荷載值越大，樁對樁側土體擠壓程度越大，使得樁側摩阻力增加的越明顯，而在擠壓側摩阻力提高的同時樁與樁側土體的接觸面積減小，最終導致承載力下降，且隨著內摩擦角增大單樁豎向承載力下降幅度減小。

4 結語

本文對不同土體中純摩擦樁樁基礎在不同水平荷載作用下的單樁豎向承載力進行了理論計算，結論如下：

1)樁身變形段擠壓側樁側摩阻力隨著水平荷載的增大而增加，同時樁與土接觸面積減??；

2)有水平荷載作用時單樁豎向承載力會有所下降且隨著水平荷載值的增大下降幅度減??；

3)土的彈性模量越大單樁豎向承載力下降幅度越小；

4)土的內摩擦角越大單樁豎向承載力下降幅度越小。

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Study on effect of horizontal load for single pile vertical bearing capacity

Chen Naning Qi Lukuan Wei Zanyang

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

Based on Mohr-Coulomb strength theory and combined with the finite element software ABAQUS， the change of the vertical ultimate bearing capacity of pile is analyzed theoretically, aiming at the pure friction pile in different soil under different levels of horizontal load. The results show that vertical bearing capacity of single pile will fall under the horizontal load.

ABAQUS, horizontal load, vertical bearing capacity

2015-02-03

陳娜寧(1988- )，女，在讀碩士； 亓路寬(1963- )，男，教授； 魏贊洋(1989- )，男，在讀碩士

1009-6825(2015)11-0046-03

TU473.11

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