岩土质边坡水平受荷嵌岩桩受力性能研究

张建忠　樊梅影

(贵阳建筑勘察设计有限公司,贵州 贵阳　550081)



岩土质边坡水平受荷嵌岩桩受力性能研究

张建忠樊梅影

(贵阳建筑勘察设计有限公司,贵州 贵阳550081)

以贵州某一边坡支护中的桩基挡墙为例，采用ANSYS有限元软件，对水平受荷嵌岩桩的受力性能进行了数值模拟计算，将所得有限元解与传统解作了对比研究，在此基础上，分析了桩端约束情况、桩径等因素对基桩内力和变形的影响，以期为同类地区水平受荷桩的设计提供参考。

水平受荷嵌岩桩，基桩，正交试验，有限元模型

0　引言

关于水平受荷桩的研究主要局限于设计规范[1]的线弹性m法，但桩在水平荷载作用下的受力是一个比较复杂的桩土共同作用过程，该法不能很好地描述水平荷载作用下的桩土共同工作机理[2]。近年来，随着数值计算的迅速发展并考虑到土体工程性质的复杂性、桩—土的非线性与蠕变等问题[3]，数值方法被广泛地运用于水平荷载桩的计算中。

本文以贵州某一边坡桩基挡墙为背景，采用数值法来探究水平受荷嵌岩桩的受力性能，并与桩基受力分析的传统解法进行对比，同时探究桩端约束、桩径、土层厚度对基桩内力和变形的影响，以期为同类地区水平受荷桩的设计和理论研究提供参考。

1　水平受荷嵌岩桩数值模拟

结合水平受荷桩的特点，选用ANSYS平台，可以实现参数化建模、施加参数化载荷与求解、参数化后处理结构显示及实现参数化有限元分析的全过程[4]。

1.1模型选取

这里采用钢筋混凝土圆桩，为了简化计算，假定桩—承台—土体耦合连续变形[5]，由于水平受荷桩侧面与土体不发生错动，故不考虑桩和土接触、摩擦及两者间的相对滑动现象。

1)选取几何参数。通过查阅大量的地质勘察报告、工程资料，这里选取比较常见的尺寸，桩径d=1.5 m，嵌岩段长3 m，桩的自由段长为1 m，鉴于后续桩基传统解涉及到的地基土水平抗力系数的比例系数m为地面以下2(d+1)m深度内各土层的综合值[1]，桩长取为12 m，见图1。为确保试验桩的影响范围，根据工程经验可把土体、基岩平面尺寸在桩周各外扩2倍桩长，桩底基岩向下延伸1倍桩长。

2)材料特性及参数。这里假设同一种材料为均质、各向同性体；承台和桩为线弹性体；土体(可塑红粘土)、基岩为Drucker—Prager弹性—理想塑性模型；桩—土间无相对滑动[6]。根据相关工程资料及工程地质手册[7]，桩基各参数选取见表1。

表1　桩基采用的物理力学参数

3)有限元模型。有限元计算采用ANSYS软件，桩、土体和基岩单元为Solid45。桩身本构关系采用线弹性E-μ模型，而土体本构关系采用非线性D-P模型[6]。水平受荷桩采用的计算模型如图1所示，该模型的4个侧面及底部均被固定，在桩顶施加500 kN的水平荷载。

1.2基桩有限元解

在本模型中，桩体任意截面上的内力可通过在该面上对相应的应力进行积分求得[8]，水平受荷嵌岩桩的弯矩、剪力有限元解见图2,图3。

由此可知，基桩弯矩沿桩身呈抛物线变化，弯矩峰值出现在桩体中部；剪力自桩顶向下逐步减小直至土岩结合面处，接着开始增大。

1.3与传统解作比较

1)确定参数m。根据《建筑桩基技术规范》[1]第5.7.5条第2款，地基土水平抗力系数的比例系数m，宜通过单桩水平静载试验来确定，可用数值试验来模拟进行。基于ANSYS平台可计算出给定荷载下的桩顶水平位移，利用数值法和“m”法算出的桩顶水平位移相等，结合土体物理力学参数等信息及《建筑边坡工程技术规范》表G.0.1-2土质地基系数[9]，通过构造方程进行数值分析可反算出参数m=11.097 MN/m4。2)基桩内力。利用上述求得的参数m，可由“m”法求得水平受荷桩的内力传统解，据此可作出基桩弯矩图、剪力图，分别如图2，图3中所示的传统解。3)两种解的比较。结合图2和图3可知：水平受荷嵌岩桩弯矩的有限元解、传统解沿桩身的变化趋势基本一致，都呈抛物线型变化，其中峰值弯矩的有限元解、传统解分别为1 183.201 kN·m，1 564.501 kN·m，后者较前者大32.23%，原因在于传统解的做法是比较保守的，在一定程度上浪费材料；剪力的有限元解、传统解沿桩身的变化趋势在桩身上部基本一致，但在桩身下部两者的变化趋势相差较大，其中有限元解变化的比较客观而传统解的取值偏大。有限元解要比传统解更合理些，今后做桩基设计时，可结合桩基的有限元解对设计进行优化，在一定程度上可以节约材料，提高工程质量。

2　不同因素影响研究

2.1桩底约束情况对基桩内力的影响

在上述模型的基础上，即保持土层厚度8 m、桩径1.5 m等参数不变条件下，这里采用3种不同的嵌岩深度(这里取嵌岩深度d，2d，3d分别代表桩底端铰接、半固接、固接)来研究桩底约束对基桩内力的影响。

基于ANSYS软件平台进行单因素数值试验，桩底不同约束下的试验结果分别如下：

1)弯矩。不同嵌岩深度的桩身弯矩分布见图4。

由图4可知，随着桩端约束的增强，桩身弯矩呈非线性变化，土体中的桩段承受绝大部分弯矩。在土体中，桩端约束对基桩弯矩几乎无影响，嵌岩中的桩段弯矩与桩端约束正相关。

2)剪力。不同嵌岩深度的剪力分布见图5。

由图5可知，在基桩非嵌岩段剪力基本不受桩端约束影响而桩底剪力随桩端约束增强而增大。

2.2桩径对基桩内力的影响

在上述模型的基础上，即保持土层厚度8 m、嵌岩深度3 m等参数不变条件下，这里采用3种不同的桩径(分别取1.5 m，1.75 m，2 m)来研究桩径对基桩内力的影响，试验结果如下：

1)弯矩。不同桩径下的桩身弯矩分布见图6。

由图6可知，水平受荷桩两端弯矩基本为0，弯矩主要分布在2 m～10 m范围内，在此范围内弯矩随桩径增大而减小，弯矩峰值出现在桩身中部附近，与分布荷载下的简支梁弯矩图近似。

2)剪力。不同桩径下的剪力分布见图7。

由图7可见，在土体水平受荷桩剪力与桩径正相关，在基岩中与桩径负相关。

2.3土层厚度对基桩内力的影响

根据《建筑桩基技术规范》[1]第5.7.5条第1款可计算出桩的水平变形系数α=0.329 2 m-1，进而求出桩的换算埋深αh，结合桩长H来认识桩的刚柔性，即判断是刚性桩还是柔性桩，各桩的换算埋深见表2，其中h为桩的入土深度。据此，可认为桩长在10 m以内的为刚性桩，其他的为柔性桩。

表2　桩的换算深度

1)弯矩。不同土层厚度下的桩身弯矩分布见图8。

由图8可知，刚性桩弯矩峰值随土层厚度增大而减小，柔性桩弯矩峰值随土层厚度增加而增大，但两类桩各自弯矩峰值的位置不受土层厚度影响。

2)剪力。不同土层厚度下的剪力分布见图9。

由图9可见，在土体上部土层厚度对水平受荷桩剪力影响微弱；刚性桩、柔性桩剪力峰值分别与土层厚度负相关、正相关，其峰值位置分别出现在自桩底向上1 m处、土岩交界区域，并随土层厚度增加而下移。

2.4各因素对基桩内力的影响力分析

为了探究嵌岩深度、桩径、土层厚度对水平受荷嵌岩桩内力的影响力，这里采用正交试验[10]来研究这三个因素对基桩的影响程度。根据《材料力学》[11]知桩身挠度y(x)与桩身弯矩M(x)满足关系式EIy″(x)=-M(x)，剪力Q(x)=M′(x)，其中，EI为桩刚度；x为桩身变形前轴线上截面位置坐标。由此可选桩顶水平位移y作为正交试验考察指标，该数值越小越好，该试验有3个因素——嵌岩深度、桩径、土层厚度，这些因素都是3水平的，具体数值见表3。

表3　试验参数　m

假定各因素之间无交互作用，则可采用3因素的正交表L9(34)来安排正交试验，试验方案及计算结果见表4。通过各个水平的最大值减去相应的最小值可求得极差，极差可反映相应因素水平改变对桩顶水平位移影响的大小，进而找出影响试验的主次因素。由表4知这3个因素影响力大小排序B>C>A，即桩径>土层厚度>嵌岩深度，最优试验方案A3B3C1，桩径、土层厚度是主要因素并且桩径大于土层厚度的影响，嵌岩深度是次要因素，几乎可忽略。

表4　极差分析

为探究3因素的影响程度可进行方差分析，见表5。对置信度1-α=0.95有F0.05(2,2)=19，结合表5知B(桩径)、C(土层厚度)作用显著，A(嵌岩深度)不够显著，仅有影响。

表5　方差分析

3　结语

1)基桩弯矩抛物线形变化，近似于分布荷载下简支梁的弯矩图，两端小(几乎为0)，中间大；弯矩峰值的数值解与传统解相差较大；桩底约束对处在土体中的基桩弯矩几乎无影响，但嵌岩段与桩端约束负相关；弯矩峰值与桩径负相关；刚性桩、柔性桩弯矩峰值分别与土层厚度负相关、正相关，这两类桩的各自弯矩峰值位置不受土层厚度影响。

2)基桩剪力自桩顶向下逐步减小直至土岩结合面，然后开始变大；与传统解在土体中大致相同，但在嵌岩段两者差别较大；在土体中基桩剪力几乎不受桩端约束、土层厚度的影响，与桩径呈正相关变化；在基岩中剪力与桩径负相关，剪力峰值与桩底约束强弱正相关；刚性桩、柔性桩剪力峰值分别与土层厚度负相关、正相关，其峰值位置分别出现在桩底、土岩交界区域。

3)桩径、土层厚度是影响基桩内力、位移的主要因素，并且作用显著；桩底约束是次要因素，有影响但不显著。

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[11]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学(Ⅰ)[M].北京：高等教育出版社,2009.

Numerical research of behavior about laterally loaded pile embeded in rock in red clay region

Zhang JianzhongFan Meiying

(GuiyangBuildingSurveyandDesignCo.,Ltd,Guiyang550081,China)

Taking the slope bearing pile retaining wall in Guizhou as an example, applying ANSYS finite element software, the paper carries out numerical simulation computation of stress performance of horizontal loading rock-socketed pile, comparatively studies the obtained finite element solution and traditional solution, and analyzes the impact of pile end restraining conditions and pile diameter upon internal pile foundation stress and deformation, so as to provide some guidance for horizontal loading pile design in similar region.

horizontal loading rock-socketed pile, foundation pile, interchange test, finite element model

1009-6825(2016)08-0085-03

2016-01-04

张建忠(1971- )，男，高级工程师，注册土木工程师(岩土)

TU473

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