水平荷载作用下 GRF桩基础受力特性的数值分析

苏航州，段　伟，段晓伟，秦伟华

（1.长安大学公路学院 ，陕西西安710064；2.中北大学土木工程系 ，山西太原030051；3.长安大学建筑工程学院，陕西西安710064）

水平荷载作用下 GRF桩基础受力特性的数值分析

苏航州1，段伟2，段晓伟3，秦伟华2

（1.长安大学公路学院 ，陕西西安710064；2.中北大学土木工程系 ，山西太原030051；3.长安大学建筑工程学院，陕西西安710064）

摘要：为研究GRF桩基础在水平荷载下的承载特性，利用有限元分析软件MSC.Marc，建立GRF桩基础和普通直桩的非线性三维模型，与普通直桩进行对比，分析了GRF桩基础在水平荷载作用下的桩顶和桩身位移、桩身弯矩及桩侧土应力分布。研究发现：在相同的桩顶水平荷载作用下，GRF桩基础桩顶和桩身水平位移比普通直桩有所减小；锚杆上缘的桩身弯矩发生突变，较普通直桩有所增大，锚杆以下的桩身弯矩均小于普通直桩；GRF桩的桩前横向土抗力也比普通直桩的小，而桩前锚杆下部土体中的竖向应力有所偏高。

关键词：水平荷载；GRF桩基础；受力特性；数值分析

GRF桩基础是一种新的异形桩基础。它与普通直桩最鲜明的特点就是在桩身设置了横向的锚杆，使桩体类似与树根状［1］。这样的设计可以改善桩土接触性能，提高桩基础在土中的稳定性 ，使桩基的承载能力有所提高。

日本首先在361号御射山2号桥采用了GRF桩基础［2］，余家俭［3］通过分析认为 ：采用GRF桩基础比普通直桩相比可减少桩基础材料的使用，从而降低建造成本。GRF桩基础的施工过程包括立坑挖掘、侧壁钻孔、安装锚杆、填充保护层及主体桩施工［4-5］。由于其整个施工过程均需人工在桩孔内进行，故GRF桩基础更适宜大直径桩，尤其是一桩一柱的桥梁桩基础形式。

GRF桩基础作为桥梁桩基础时，不仅受到竖向荷载的作用，同时会受到较大的水平荷载的作用，因此在设计GRF桩基础时，不仅需要考虑桩基竖向承载力，也需要兼顾其水平承载力［6］。然而，目前国内外学者在相关领域的研究大多集中在与GRF桩基础有着相似承载特性的支盘桩上［7-9］，且对GRF桩基础也仅研究了竖向承载特性。国内方面 ，文松霖、徐文强［10-14］对GRF桩基础的竖向承载机制进行了较为系统的研究，具体包括：通过试验研究分析了锚杆的数量、伸出长度、间距对GRF桩基承载力的影响，同时分析比较了GRF桩基础和普通直桩的承载力特性；通过数值模拟分析了GRF桩基础的桩身轴力，桩端阻力及桩侧摩阻力变化。国外方面，日本361号御射山2号桥桩基试验性的采用了GRF桩基础。

为揭示GRF桩基础在水平荷载作用下的受力特性，本文采用有限元分析软件MSC.Marc建立三维非线性数值模型，并对比普通直桩在水平荷载作用下的受力特性，对GRF桩基础受力特性进行分析，包括桩顶与桩身位移分布规律、桩身弯矩分布规律及桩周土应力分布规律。

1　模型建立

1.1模型建立与网格划分

为研究GRF桩基础的水平承载特性，模型中在桩顶施加水平荷载。GRF桩基础由于其施工特点，适用于较大直径的桩，因此取GRF模型桩体直径为1.0 m，桩体长度18.6 m。由于MSC.Marc软件在建模时对单元节点的接触要求较高，为便于建立模型时节点的接触，锚杆采用正方形截面形式，边长0.1 m，嵌入桩体长度0.45 m，伸出桩体长度为0.75 m。锚杆布置形式为四边对称 ，共布设4根，锚杆顶面距桩顶2 m处。土体模型长和宽均为6倍的桩径，即6 m，桩底土层厚为8倍的桩径，即8 m，满足文献［15 -16］中对边界条件的规定。桩-土模型及桩体模型的网格划分如图1、图2所示。同时建立了与GRF桩基础相同直径和长度的普通直桩模型。

1.2本构模型及材料特性

桩基础在模拟过程中对不同材料选取不同的本构模型，对于土体部分，计算模型采用了符合土体实际受力的修正后的线性摩尔 -库伦本构模型；桩体及锚杆采用的是各向同性的线弹性本构模型。

图1　桩-土模型

图2　桩体模型

模型计算中采用的材料特性基于桩基础的实际适用工程情况，土层统一采用一般黏性土，锚杆材料为普通钢材，其模型中的具体材料参数见表1。

表1　模型中的材料参数

1.3边界条件及初始条件

计算模型将其上表面设置为自由边界，其余面均设置 X，Y，Z三方向的约束，对其边界位移进行约束。模型的荷载加载分10级加载，类型为集中荷载，如图3所示，荷载全部加载于桩顶，荷载方向为Y方向。

2　桩顶位移

图4给出了普通直桩和GRF桩在各级桩顶水平荷载下的桩顶水平位移变化。

图3　桩顶水平向分级荷载

图4　各级荷载下的桩顶水平位移

从图4可以看出：在相同桩顶水平荷载作用下，GRF桩的桩顶水平位移小于普通直桩的桩顶水平位移。由此可知，在相同的地质条件下，GRF桩基础的水平承载能力比普通直桩要大。

3　桩身位移分布

图5给出了桩顶荷载1 000 kN下的桩身位移分布。从图5中可以看出，当桩身设置锚杆时，其桩顶水平位移比普通直桩的要小。由于桩径比达到了18.6，属于长桩范畴，桩身出现了位移零点，约在距桩顶7.5 m处。在桩顶至位移零点的范围内，GRF桩的桩身水平位移比普通直桩的要小，而在位移零点以下的范围有锚杆和无锚杆的桩身水平位移基本相等。说明锚杆的存在提高了桩基础的侧向稳定性，当桩顶作用有水平荷载时，在GRF桩基础直桩部分的影响下 ，锚杆对土层产生剪切力［17］，使锚杆产生了抵抗桩身发生水平位移的力，从而使GRF桩基础在相同桩顶荷载情况下的水平位移比普通直桩要小。

4　桩身弯矩分布

图6、图7分别为普通直桩和GRF桩在不同桩顶荷载下的桩身弯矩分布。从图6、图7中可以看出，在相同桩顶荷载情况下 ，GRF桩基础的桩身最大弯矩比普通直桩的桩身最大弯矩要大，但桩身弯矩随桩体埋深的衰减较快。现以桩顶荷载1 000 kN时为例详细说明GRF桩基础与普通直桩的桩身弯矩分布的差别，两种桩基础的桩身弯矩分布如图8所示。

图5　桩顶荷载1 000 kN 时桩身位移分布

图6　不同桩顶荷载下直桩桩身弯矩分布

图7　不同桩顶荷载下GRF桩桩身弯矩分布

从图8可以看出：GRF桩基础的桩身最大弯矩位置出现在锚杆上缘的桩身部位，即距地面2 m处，而普通直桩的桩身最大弯矩位置与GRF桩基础相比要偏下，在距地面2.3 m处。这说明锚杆的存在对桩身最大弯矩的位置有一定的影响。GRF桩基础的桩身最大弯矩位置与锚杆设置位置关系密切 ，在桩顶水平荷载的作用下，由于桩身的侧向变形，会带动桩身锚杆发生一定角度的扭转 ，在锚杆的扭转方向上由于土体的剪切变形对锚杆产生了反力，进而对锚杆产生了抵抗扭转的弯矩，从而使得锚杆上缘的桩身弯矩发生突变，较普通直桩有所增大。该抵抗弯矩对提高GRF桩基础的横向承载能力、减小水平位移有一定的良性作用。而在锚杆以下的桩身位置，其弯矩均小于普通直桩 ，这说明锚杆的存在减小了锚杆以下桩身的弯矩值。

图8　桩顶荷载1 000 kN下桩身弯矩分布

5　桩侧土的应力

5.1桩前横向土抗力

由于桩前横向土抗力与桩基水平承载力联系密切，故对GRF桩基础的桩前横向土抗力和普通直桩的桩前横向土抗力进行对比分析。图9给出的是桩顶荷载1 000 kN下普通直桩和GRF桩的桩前横向土抗力分布。

图9　桩顶荷载1 000 kN下的桩前横向土抗力分布

从图9可以看出，GRF桩基础的桩前横向土抗力比普通直桩的小。土抗力的大小与土层反力系数和土体压缩变形有关。在土体性质相同的情况下，土体压缩变形越小，横向土抗力也越小。GRF桩基础的水平位移比普通直桩的小，因此导致GRF桩基础的桩前横向土抗力也比普通直桩的小。

5.2桩前竖向土应力

GRF桩基础在桩顶水平荷载的作用下，锚杆会对土体产生剪切作用，且锚杆对土层的剪切作用主要体现在竖直方向。GRF桩基础在水平荷载作用下，桩身发生转动，使得桩前锚杆向下剪切土体，桩后土体则向上剪切土体，从而导致桩前锚杆下部土体中的竖向应力有所偏高，如图10所示。因此GRF桩基础的桩前竖向土应力与普通直桩相比有所不同。为验证上述分析，将GRF桩基础和普通直桩在桩顶荷载1 000 kN下的桩前竖向土应力分布曲线示于图11。

图10　锚杆对土体的剪切

图11　桩顶荷载1 000 kN下的桩前竖向土应力分布

从图11可以看出，与普通直桩相比，GRF桩基础的桩前竖向土应力在桩体埋深0～3 m范围内小于普通直桩的桩前竖向土应力，而在桩体埋深大于3 m时，其桩前竖向土应力大于普通直桩的桩前竖向土应力，且GRF桩的桩前最大竖向土应力比普通直桩的大，最大点位置在桩体埋深3.2 m处，处于锚杆下部区域。

6　结　论

（1）GRF桩基础的稳定性较普通直桩有所增强，在相同的桩顶水平荷载作用下，GRF桩基础的水平位移比普通直桩有所减小，从而使得GRF桩基础的水平承载能力有所提高。

（2）在桩顶水平荷载的作用下，锚杆产生了抵抗扭转的弯矩，使锚杆上缘的桩身弯矩发生突变，较普通直桩有所增大；锚杆以下的桩身弯矩均小于普通直桩 ，说明锚杆的存在减小了锚杆以下桩身的弯矩。

（3）GRF桩的桩前横向土抗力比普通直桩的小，而桩前锚杆下部土体中的竖向应力有所偏高，因此在设计GRF桩基础时，应保证锚杆以下土层的强度。

参考文献：

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中图分类号：TU432

文献标识码：A

文章编号：1672—1144（2015）03—0200—05

DOI：10.3969/j.issn.1672-1144.2015.03.040

收稿日期 ：2014-12-20修稿日期 ：2015-03-15

作者简介 ：苏航州（1989—），男，山西晋城人，硕士研究生，研究方向为桥梁桩基础。E-mail：shzjl0118@163.com

Numerical Analysis on Mechanical Behaviors of GRF Pile Foundation Under Horizontal Load

SU Hang-zhou1，DUAN Wei2，DUAN Xiao-wei3，QIN Wei-hua2
（1.School of Highways，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi 710064，China；2.Department of Civil Engineering，North University of China，Taiyuan，Shanxi 030051，China；3.School of Civil Engineering，Chang’an University，Xi’an，Shaanxi 710064，China）

Abstract：In order to study the mechanical behaviours of the CRF pile foundation under horizontal load，an advanced finite element analysis software MSC.Marc was adopted to establish three-dimensional models of GRF pile foundation and ordinary straight pile.Comparing with the ordinary straight pile，the top and body displacement，bending moment and lateral soil pressure distribution of the GRF pile under horizontal load were analyzed.The study found that the top and body displacement of the GRF pile foundation were smaller than those of the ordinary straight pile under the same horizontal load.The bending moment of the pile body beyond the anchor increased abruptly，which was larger than that of the ordinary pile；whereas the bending moment below the anchor was smaller than that of the ordinary one.Lateral soil resistance of the GRF pile was smaller than that of the ordinary pile，the vertical stress of the soil where the lower part of the anchor was buried was high.

Keywords：horizontal load；GRF pile foundation；mechanical behavior；numerical analysis