斜桩单桩水平静载试验及MIDAS GTS有限元模拟分析

秦　力，许　慧，张冬生，景慎鑫

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.中国联合工程公司，杭州 310000)



斜桩单桩水平静载试验及MIDAS GTS有限元模拟分析

秦力1，许慧1，张冬生2，景慎鑫2

(1.东北电力大学 建筑工程学院，吉林 吉林 132012；2.中国联合工程公司，杭州 310000)

摘要：依托浙江某圆形煤场工程，在现场进行斜桩单桩的静载荷试验，利用两根与轴心夹角为9.5°、垂向上呈“八”字形布置的斜桩对顶，在竖向抗压承载力710 KN的恒定竖向荷载作用下，进行水平加荷，得到Q-s及Q-Δs/ΔQ曲线，确定斜桩在竖向抗压承载力作用下的单桩水平临界荷载及极限荷载，并得到斜桩单桩的水平承载力。试验结果表示，斜桩单桩的水平承载力为160～180 KN，约为竖直桩单桩的3倍。同时采用MIDAS GTS有限元软件分别模拟了斜桩单桩和竖直桩单桩的静载荷试验，得到Q-s及Q-Δs/ΔQ曲线，得到斜桩单桩和竖直桩单桩的水平临界荷载和极限荷载，分析曲线得到单桩的水平承载力。模拟结果表示，斜桩单桩的水平承载力约为120 KN，竖直桩单桩的水平承载力约为40 KN，斜桩单桩水平承载力约为竖直桩单桩的3倍。通过静载荷试验和有限元模拟分析，结果表明，桩基静载试验的Q-s及Q-Δs/ΔQ实测曲线和有限元模拟曲线吻合较好，斜桩水平承载力约为竖直桩的3倍。

关键词：有限元法；斜桩；水平极限承载力；静载试验；数值模拟

斜桩在桥梁、码头、送电铁塔等工程桩基中经常使用，但在一般工业与民用建筑中则很少采用，其原因是依靠承台埋深大多可以解决水平力问题。目前大跨度屋盖结构已广泛应用于机场、体育场馆、文体活动中心以及展览馆等公共建筑，其屋盖往往采用拱形结构，故支座处会产生很大的水平推力，依靠承台埋深无法解决[1]。

图1　I试验区桩位布置示意图

Evans(1953)[2]通过现场桩基荷载试验数据，认为负斜桩的水平抗力大于竖直桩，正斜桩的的水平抗力小于竖直桩。杨征宇等(2010)[3]基于试验得到的斜桩土抗力分布曲线，结果表明，负斜桩桩身挠度和内力均小于正斜桩。Lv Fan-ren，Yin Ji-ming和Jin Yao-hua(2011)[4]进行了负斜桩的侧向承载力模型实验，验证了生活经验中的负斜桩的水平承载力随着倾斜角的增大而增大。王苏疆、叶帅(2011.4)[5]研究单斜桩工作特性，结果表明，中等刚性负斜桩的水平承载能力较好。王云岗、章光、胡琦(2011.7)[6]通过对直桩、斜桩的单桩侧向和轴向承载特性的分析以及群桩基础荷载分担情况的分析，揭示了斜桩基础的受力性状。吕凡任、邵红才、金耀华(2012.5)[7]通过对称双斜桩基础模型试验，研究竖向荷载作用下对称双斜桩基础的承载特点。研究发现，竖向的倾角在5°～10°内是最优的。任涛(2012.6)[8]得到可用于分析斜桩水平承载力的曲线法。袁廉华(2012.11)[9]获得了斜桩桩侧极限水平土反力计算公式。其研究结论可以为海上大型结构斜桩群桩基础的设计提供支撑。凌道盛、任涛、王云岗(2013.1)[10]提出了适用于斜桩水平承载特性分析的修正p-y曲线及相应的有限元分析方法。

本文介绍了斜桩的水平静载荷试验及MIDAS GTS 有限元模拟分析，通过试验和有限元模拟，得到斜桩单桩和竖直桩单桩的Q-s及Q-Δs/ΔQ曲线，确定了单桩的水平临界荷载、水平极限荷载及水平承载力，分析得到了较为一致的结果，斜桩水平承载力约为竖直桩的3倍。

1试验概况

1.1试桩场地选址及试桩设计

本次试桩共有2根预制斜桩，标号分别为I01、I02，与轴心夹角均为9.5°，垂向上呈“八”字形布置，桩顶中心距为2 m，桩长为18.5 m，桩横截面尺500×500 mm，桩顶标高+3.60 m，桩尖标高-14.65 m，桩尖进入③1层粉砂的深度约1.1 m，桩尖以下持力层的厚度仅为0.8 m左右。试桩的桩位布置示意图见图1。

1.2试验场地地质条件

根据勘察资料，场地内40 m深度范围内，地层共可划分为14层，各土层物理力学性质指标及桩基设计参数见表1。

表1　地基土的物理力学指标

1.3试验装置及加载方案

本次试桩主要设备为静力载荷测试仪，试验加载采用分离式油压千斤顶及并联于千斤顶油路的超高压油泵和压力表测定油压，荷载测量采用荷重传感器及其配套的压力显示仪，并自动记录。水平静载荷试验反力利用两根斜桩对顶，水平位移测量则采用安装在桩的水平力作用点另一侧的高精度大量程百分表。如图1所示。

本次单桩静载试验采用单向多循环加、卸载试验法，每级荷载达到稳定且桩顶上拔变形量达到相对稳定标准后施加下一级荷载。在整个试验过程严格按照试验的规范进行，确保试验结果的参考价值。

本次试验在710 KN的恒定竖向荷载作用下，进行水平加荷，水平加载每级荷载增量为20 KN，首级荷载为40 KN。

每级荷载施加后，恒载4 min测读水平位移，然后卸载至零，停2分钟测读残余水平位移，至此完成一次加、卸载循环，如此循环5次便完成一级荷载的试验观测。

当水平位移超过30～40 mm或Q-Δs/ΔQ关系曲线出现明显的第二个拐点时，即可终止试验。

2试验结果与分析

斜桩单桩水平静载荷试验结果见表2。I01、I02试桩的荷载-水平位移Q-s曲线及荷载-水平位移增量Q-Δs/ΔQ曲线如图2、图3所示。由于本次试桩试验为实际工程应用提供参考，故所有试桩均加载至破坏。

表2　斜桩单桩水平静载荷试验结果汇总表

图2 I01、I02试桩静载试验的荷载-水平位移曲线图3 I01、I02试桩静载试验的荷载-水平位移增量曲线

从I01、I02试桩的Q-s曲线及Q-Δs/ΔQ曲线可以看出，如图2、图3，水平荷载与水平位移曲线可分别三个阶段[11]。

1)第一阶段为直线变形阶段。桩在一定的水平荷载范围内，经受任一级水平荷载的反复作用时，桩身变形逐渐趋于某一稳定值I01为180 kN、I02为160 kN；卸载后，变形大部分可以恢复，桩土处于弹性状态。对应于该阶段终点的荷载称为临界荷载Hcr。Hcr(I01)=180 kN，Hcr(I02)=160 kN。

2)第二阶段为弹塑性变形阶段。当水平荷载超过临界荷载Hcr后，在相同的增量荷载条件下，桩的水平位移增量比前一级明显增大。对应于该阶段终点的荷载为极限荷载Hu。Hu(I01)=260 kN，Hu(I02)=260 kN。

3)第三阶段为破坏阶段。当水平荷载大于极限荷载后，桩的水平位移和位移曲率突然增大，连续加荷情况使位移增量加大。这从图3中可以看出。

《建筑基桩检测技术规范》[12]对单桩水平承载力特征值作了规定，单位工程同一条件下的单桩水平承载力特征值的确定应符合下列规定：

1)当水平承载力按桩身强度控制时，取水平临界荷载统计值为单桩水平承载力特征值。

2)当桩受长期水平荷载作用且不允许开裂时，取水平临界荷载统计值的0.8倍作为单桩水平承载力特征值。

另外，当水平承载力按设计要求的水平允许位移控制时，可取设计要求的水平允许位移对应的水平荷载作为单桩水平承载力特征值，但应满足有关规范抗裂设计的要求。

由曲线可以看出当达到极限荷载后，桩顶水平位移很快增大，桩曲线上有明显拐点，所以水平承载力由桩身强度控制[13]。水平临界荷载取为单桩水平承载力特征值。I01的单桩水平承载力为180 kN，I02为160 kN。对于相同规格的预制方桩竖直桩，在以往的静载荷试验得单桩水平临界荷载仅为50 kN左右[14-15]。

3斜桩三维数值模拟分析

3.1斜桩单桩及竖直桩单桩模型建立

本文运用有限元软件MIDAS GTS NX，分别建立了斜桩单桩和竖直桩单桩模型。按照桩基静载荷试验报告，划分为14层土层，土体为20 m×20 m×41.2 m的三维实体单元，土体材料采用Mohr-Coulomb模型，对土体进行地基边界条件约束。桩采用梁单元，桩与每层接触的土之间设置桩单元作为接触单元，共8个桩单元，桩端设置桩端单元，桩体进行RZ方向的约束。模型主要尺寸及土体参数与现场试验相同，建立的桩土有限元模型如图4和图5所示，桩与土层材料参数见表3，桩接触与桩端特性参数见表4。

在分析过程中，首先考虑土体初始应力场的作用，计算过程采用力分级加载方式。斜桩单桩模型，分析工况采用非线性静力分析，竖向荷载一直为710 kN，水平荷载为300 kN，加荷方向如图4，荷载步骤分为15步，每级加荷为20 kN。对于竖直桩单桩模型，水平荷载为100 kN，加荷方向如图5，桩为一根竖直桩，其它条件均相同，分析工况采用非线性静力分析，荷载步骤分为10步，每级加荷为10 kN。

图4 斜桩单桩桩土有限元模型图5 竖直桩单桩桩土有限元模型

表3　桩与土层材料参数表

表4　桩接触与桩端特性参数表

3.2桩-土位移场分析

在水平荷载作用作用下，桩体向两端移动，同时使桩周土体产生水平方向的位移。经有限元计算得到最大加载值下的桩和土体的水平位移，如图6、图7所示。可以看出，桩土和土体的最大水平位移发生在桩顶和桩附近的土体顶部，桩的水平位移随着深度增加而减小，到达一定深度时，水平位移不再发生变化，而土体的水平位移只在顶部较大，其他位置水平位移较小，变化不明显。说明桩周土只有桩附近的顶部位置受力明显，变形较大。其中斜桩在水平方向的最大位移为35.75 mm，竖直桩在水平方向的最大位移为11.6 mm。

图6　斜桩桩土水平位移云图(单位；mm)

图7　竖直桩桩土水平位移云图(单位；mm)

3.3斜桩单桩及竖直桩单桩Q-s曲线及Q-Δs/ΔQ曲线

由有限元分析得桩的水平位移在桩顶，因此取桩顶的水平位移作为桩的水平位移。斜桩单桩的荷载-水平位移曲线及荷载-水平位移增量曲线见图8、图9，竖直桩单桩的荷载-水平位移曲线及荷载-水平位移增量曲线见图10、图11。

图8 斜桩单桩荷载-水平位移曲线图9 斜桩单桩荷载-水平位移增量曲线图10 竖直桩单桩荷载-水平位移曲线图11 竖直桩单桩荷载-水平位移增量曲线

由图6、图7可以看出，对于斜桩单桩，水平荷载为0-120 kN曲线为直线变形阶段，水平荷载为120 kN达到水平临界荷载，Hcr=120 kN；水平荷载为120-240 kN曲线为弹塑性变形阶段，水平荷载为240 kN时达到水平极限荷载，Hu=240 kN；240 kN以后为破坏阶段。斜桩单桩的水平临界荷载取为120 kN。

由图8、图9可以看出，对于竖直桩单桩，水平荷载为0-40 kN曲线为直线变形阶段，水平荷载为40 kN达到水平临界荷载，Hcr=40 kN；水平荷载为40-70 kN曲线为弹塑性变形阶段，水平荷载为70 kN时达到水平极限荷载，Hu=70 kN；70 kN以后为破坏阶段。竖直桩单桩的水平临界荷载取为40 kN。

由此可以得出结论，通过MIDAS GTS NX数值模拟斜桩单桩的水平承载力约为竖直桩单桩的3倍。

4结论

本文通过斜桩单桩现场静载试验，研究了斜桩单桩的水平承载特性以及桩身荷载传递规律；并运用MIDAS GTS NX有限元软件，建立了斜桩单桩和竖直桩单桩桩土模型，对桩土之间的接触、桩土位移以及桩周土体塑性发展情况进行了分析，得出以下结论：

①桩基静载荷试验中得到斜桩的水平承载力为180 kN和160 kN，最大水平位移为39.61 mm和40.62 mm。数值模拟得到的斜桩单桩的水平承载力为120 kN，最大水平位移为35.75 mm。由于物理参数取值差异，两者结果稍有差异，但是结果差距较小，可以认为斜桩数值模拟水平承载力结果与试验结果吻合良好；

②无论是桩基静载荷试验，还是数值模拟结果，都表明斜桩的水平承载力约为竖直桩水平承载力的3倍；

③对于水平承载力要求高的建筑物，采用斜桩桩基能更好的满足承载力要求，并且相对于其他方法，造价更为经济。

参考文献

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[5]王苏疆，叶帅.斜桩的承载能力分析[J].江苏建筑，2011，(2):90-90.

[6]王云岗，章光，胡琦.斜桩基础受力特性研究[J].岩土力学，2011，32(7):2185-2189.

[7]吕凡任，邵红才，金耀华.对称双斜桩桩基础竖向承载力模型试验研究[J].工业建筑，2012，42(5):103-105.

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Static Load Testing and MIDAS GTS Finite Element Simulation Analysis of Batter Single Pile

QIN Li1，XU Hui1，ZHANG Dong-sheng2，JING Shen-xin2

(1.Architecture Engineering College,Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.China United Engineering Corporation,Hangzhou，310000 )

Abstract：Based on circular coal yard project in ZheJiang province，test for static load in the field.Making two batter pile to be relative which with axis angle of 9.5°and layout with vertical direction of “八” shape.Bearing in the the vertical compressive constant vertical load force 710kN，loading in horizontal direction，getting the Q-s and Q-Δs/ΔQ curves，determining the horizontal critical load and ultimate load.of batter single pile，and getting batter single pile’s horizontal bearing capacity.The test results show that，the horizontal bearing capacity of the batter single pile is 160～180kN，which is about 3 times of the vertical single pile.At the same time，using Midas GTS NX finite element software to numerical simulate the batter single pile and vertical single pile static load test，getting the Q-s and Q-Δs/ΔQ curves，getting the horizontal critical load and ultimate load.of batter single pile and vertical single pile，analyzing the curves and getting single pile’s horizontal bearing capacity.The simulate results show that，the horizontal bearing capacity of the batter single pile is about 120kN，vertical single pile’ is about 40KN，the horizontal bearing capacity of the batter single pile is about 3 times of the vertical single pile.Through static load test and finite element simulation analysis，the results show that，measured Q-s and Q-Δs/ΔQ test curves of foundation pile static load and the simulation curves are in good agreement，the horizontal bearing capacity of batter pile is about three times of vertical pile’.

Key words：Finite element method(FEM)；Batter pile；Horizontal bearing capacity；Static load test；Numerical simulation

中图分类号：TO473.1+1

文献标识码：A

文章编号：1005-2992(2016)01-0029-07

作者简介：秦力(1970-)，男，辽宁省葫芦岛市人，东北电力大学教授，博士，主要研究方向高性能混凝土与结构理论研究，输电线路工程研究.

收稿日期：2015-12-10