水平荷载作用下单桩桩周土抗力分布数值分析

汪杰，姚文娟　（上海大学，上海200072）



水平荷载作用下单桩桩周土抗力分布数值分析

汪杰，姚文娟（上海大学，上海200072）

建立了水平荷载作用下桩土共同作用的三维数值模型，研究水平荷载作用下单桩桩周土抗力沿环向和深度方向的分布规律，同时研究了土体粘聚力变化对桩周土抗力的影响。结果表明：水平荷载作用下，桩周土抗力在桩顶处最大，桩周土抗力在桩前侧呈现被动土压力特征，后侧呈现主动土压力特征，在垂直于荷载作用方向上近似等于静止土压力；土体粘聚力的变化对桩周土抗力的影响主要集中在桩前侧0°～45°范围内，对桩后侧土抗力几乎没有影响，同时主要集中在桩身反弯点以上的浅层区域内，在此深度以下，对土抗力的变化影响并不明显。

桩基础；水平荷载；土体粘聚力；桩周土抗力

1　研究背景

桩基础作为一种广为采用的基础形式，在工程实际中往往需要承受上部结构传递的风荷载、地震作用、波浪力、船舶撞击力等形式的水平荷载[1]，因此，水平荷载作用下桩的力学响应研究显得尤为必要。水平承载桩的工作性能是桩与土相互作用的问题。桩是利用其周围土的抗力来承担水平荷载，当水平荷载较小时，这一抗力是由靠近地面的土提供的，土的变形主要表现为弹性，随着水平荷载的增大，桩的变形加大，表层土逐渐产生塑性屈服，从而使水平荷载向更深处的土层传递，当变形增大到桩所不能容许的程度或桩周土失去稳定时，桩土体系便趋于破坏[2]。由此可见，对于承受水平荷载的桩基础来说，土抗力研究极为重要。

国内外对于水平受荷桩的研究较多，大多集中于桩基础的荷载、侧摩阻力、内力、变形研究，Ashour 等[3]采用有限元方法模拟了桩身抗弯刚度，截面形状，桩头约束条件对p-y曲线的影响。Youngho[4]等人通过实验和数值分析发现p-y曲线对柔性桩的影响比刚性桩要大。Shivani等[5]对水平受荷桩在不同土体中的承载机理进行了理论分析，提出了土体等效侧向应变的概念。赵明华等[6]利用非线性有限元方法研究成层土中倾斜荷载作用下桩侧土压力分布，指出倾斜荷载的竖向分量在土中的扩散可增加桩周土的竖向应力。截止目前，对桩基础桩周土抗力的研究较少，且大多是将桩周土压力分布作为研究算例中的分支，针对特定土体展开说明。基于上述研究现状，本文针对水平受荷桩，研究了土体参数对桩周土抗力分布的影响。

2　有限元模型

2.1模型建立

本文采用有限元软件ABAQUS进行模拟分析。土体采用单层土，采用摩尔-库伦模型（Mohr-Coulumbmodel）模拟土体的弹塑性行为。模型基桩桩径为0.6m，桩长24m，土层厚度48m。桩头自由与土体表面齐平，置于土中。桩身材料为混凝土，故选用理想弹性材料，桩土参数见表1。根据摩尔库伦模型要求，桩土单元类型均为C3D8R单元[7]。桩侧土体宽度取30倍桩径，桩端下土体取1倍桩长。桩土模型网格划分如图1所示。

桩土参数　表1

2.2桩土接触及边界条件

为了真实地模拟桩土之间的相对滑动，在桩土界面处设置主-从接触，定义桩为主面，土为从面，采用库伦摩擦模型来描述接触面间的摩擦行为。综合考虑土层特性，取摩擦系数μ=0.3。土体两侧边界分别约束其水平位移，对土体底部边界同时施加水平和竖向约束。

2.3模型加载

为了研究水平荷载作用下，土体参数变化对单桩桩周土抗力分布的影响。本文取水平荷载大小为F=200kN（X轴正向），以集中力形式作用于桩顶，以0°～180°范围为研究对象，另一半圆周的土抗力关于X轴对称分布。通过控制变量，分别改变土体的弹性模量、摩擦角、粘聚力进行计算分析。水平荷载施加示意图见图2。

图1　模型网格划分

图2　荷载载施加示意图

3　计算结果与分析

3.1水平荷载作用下桩周土抗力分布规律分析

图3　桩周土抗力沿深度分布曲线

图4　桩周土抗力沿桩环向分布曲线

以水平荷载200kN、土体弹性模量30MPa、摩擦角21°、粘聚力20kPa为例，模拟得到桩周土抗力（平行于桩轴线方向）沿深度和环向的变化情况见图3和图4。

由图3和图4知，在水平荷载作用下，由桩身侧移引起的土抗力主要分布在桩身0～9m范围内，9m以下由于桩身几乎没有侧移，此时土抗力接近于静止土压力，土抗力最大值出现在桩顶处。在主动侧（桩后侧）0～2m桩长范围内，135°和180°位置的土抗力接近于 0，明显小于静止土压力。

对转移羞耻组的控制条件与羞耻条件下的亲社会行为评分进行配对样本t检验(见表2)，结果显示，羞耻条件下的评分显著高于控制条件下的评分，t(30)=2.41，p <0.05，Cohen’d=0.44，说明羞耻情绪的诱发促进了亲社会倾向。转移性羞耻情绪的产生与重要他人、关系亲密的人的联系十分紧密。当母亲做出羞耻的行为时，个体仍旧会被诱发、体会到羞耻情绪，尝试通过帮助他人的方式调节自身的负性体验。

在桩前侧0°和45°位置的土抗力沿分布曲线呈现明显的被动土压力特征，90°位置的土抗力分布曲线近似等于静止土压力，而桩后侧135°和180°位置的土抗力分布则呈现明显的主动土压力特征。

3.2土体粘聚力的改变对桩周土抗力的影响分析

保持荷载、土体的弹性模量、摩擦角、膨胀角不变，改变土体的粘聚力从20kPa增加到40kPa，模拟研究各种情况下的桩周土抗力分布规律，同样由于对称性，仅以0°和180°范围为研究对象。

由图5～图9知，在水平荷载作用下，由土体粘聚力改变引起的桩周土抗力变化主要分布于桩前侧0°～45°范围内，沿深度方向影响区域为桩身上部0～9m范围内。9m以下由于桩身几乎没有侧移，土体粘聚力的变化对桩身土抗力没有影响，土抗力接近于静止土压力。

图5　不同粘聚力下桩周土抗力沿桩环向不同深度分布曲线

图6　0°位置桩周土抗力沿深度分布曲线

图7　45°位置桩周土抗力沿桩深度分布曲线

图8　180°位置桩周土抗力沿桩深度分布曲线

图9　桩周最大土抗力随粘聚力变化曲线

由图6、图7知，随着粘聚力的增加，在0～1m范围内，桩前侧（被动侧）0°和45°位置的土抗力明显增加，粘聚力由20kPa增加到30kPa，桩身最大土抗力增加了10.4%，粘聚力由30kPa增加到40kPa，桩身最大土抗力增加了4.8%。而在1～4m范围内，随着土体粘聚力的增加，0°和45°位置的土抗力有所减小，但减小的幅度并不明显。

由图8知，土体粘聚力的增加，对桩后侧（主动侧）土抗力的分布几乎没有影响。

由此可见，土体粘聚力的改变，对桩周环向土抗力的影响主要集中于桩前侧0°～45°范围内，而对于桩后侧土抗力的几乎没有影响；沿深度方向影响范围主要集中于土体表面的浅层区域内。

由图9知，桩周最大土抗力随着土体粘聚力的增大而增大，当c<25kPa时，曲线斜率较大，粘聚力增加对最大土抗力的提升明显。当c>25kPa时，曲线斜率变小，增长趋势近似直线。

4　结语

①水平荷载作用下，桩周土抗力在桩顶处最大，沿桩周环向分别呈不同的曲线分布规律。达到一定深度后，土中横向土抗力主要是侧向静止土压力，而由荷载引起横向土抗力很小。

桩周土抗力在桩前侧呈现被动土压力特征，后侧呈现主动土压力特征，在垂直于荷载作用方向上近似等于静止土压力。

②土体粘聚力的增大对桩周环向土抗力的影响则主要集中在桩前侧0°～45°范围内，对桩后侧土抗力几乎没有影响。由土体粘聚力的增加所引起的桩周土抗力的增加主要集中在桩身上部反弯点以上的浅层区域内，在此深度以下，对土抗力的变化影响并不明显。

③随着粘聚力的增大，桩周最大土抗力在前期增长较快，后期增长趋势减缓，近似直线。

[1]袁志林，段梦兰，陈祥余，钟超，王建国.水平荷载下导管架平台桩基础的非线性有限元分析[J].岩土力学，2012，33（8）：2552-2559.

[2]蔡亮，鲁子爱，韩洁.横向荷载群桩效应分析[J].水运工程，2003，48 （1）：4-7.

[3]AshourM，NorrisG.Modeling lateral soil-pile responsebased on soil-pile interaction[J].Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2000，126（5）:420-428.

[4]YounghoKim，SangseomJeongandJinohWon.Effect ofLateral Rigidity of Offshore Piles Using Proposed p-y Curves in Marine Clay.[J].Marine GeoresourcesandGeotechnology，2009，27：53-77.

[5]Shivani Rani，AmitPrashant.Estimationof theLinear SpringConstantfora Laterally Loaded Monopile Embedded in Nonlinear Soil[J].International Journal ofGeomechanics，2014（8）：1-13.

[6]邹新军，赵明华，邬宝林.成层地基中倾斜受荷群桩的非线性有限元分析[J].中南大学学报（自然科学版），2006，37（4）：820-825.

[7]费康，张建伟.ABAQUS在岩土工程中的应用[M].北京：中国水利水电出版社，2013.

TU473.1+1

A

1007-7359(2016)03-0132-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.03.048

汪杰（1991-），男，安徽安庆人，上海大学在读硕士，研究方向：建筑与土木工程。