粉土地区楔形群桩的水平承载特性分析.pdf

第 41 卷 第 4 期2023 年 8 月石河子大学学报(自然科学版)Journal of Shihezi University(Natural Science)Vol.41 No.4Aug.2023收稿日期:2022-02-10 基金项目:河南省重点研发与推广专项(科技攻关)(202102310247)作者简介:原华(1982),女,副教授,主要从事地下结构、岩土方面的研究,e-mail:yuanhuazzl 。DOI:10.13880/ki.65-1174/n.2022.21.033文章编号:1007-7383(2023)04-0455-06粉土地区楔形群桩的水平承载特性分析原华1,2,从文成1,谢俊南3(1 河南大学土木建筑学院,河南 开封 475004;2 河南省轨道交通智能建造工程研究中心,河南 开封 475004;3 郑州大学综合设计研究院有限公司,河南 郑州 450002)摘要:近年来异形桩逐渐引起国内外学者的广泛关注,但鲜有针对楔形群桩受水平力的研究。本文以开封周边的粉土为研究对象,进行楔形单桩的模型试验和数值模拟,在验证单桩模型的可行性后建立楔形群桩数值模型,并对楔形群桩水平承载特性进行数值分析,以桩体弹性模量和楔形角为变量,研究不同荷载下桩身水平位移、桩身弯矩等的变化特征。结果表明:在水平荷载作用下,群桩的水平位移整体变化趋势一致,排桩之间的弯矩差别较大;桩体弹性模量的变化对群桩水平位移的影响并不明显,群桩位移效应系数约为 25%30%;在小角度范围内,群桩水平承载力随楔形角的增加而逐渐增大。本文研究成果对楔形群桩水平承载特性的认识具有重要意义。关键词:粉土;水平荷载;楔形桩;群桩;模型试验中图分类号:TU473.1文献标志码:AThe horizontal bearing characteristics of wedge-shaped pile group in silt areaYUAN Hua1,2,CONG Wencheng1,XIE Junnan3(1 School of Civil Engineering and Architecture,Henan University,Kaifeng,Henan 475004,China;2 Henan Rail Transit Intelligent Construction Engineering Research Center,Kaifeng,Henan 475004,China;3 Zhengzhou University Multi-Functional Design and Research Academy Co.Ltd.,Zhengzhou,Henan 450002,China)Abstract:In recent years,special-shaped piles have gradually attracted extensive attention of scholars at home and abroad,but there are few studies on the horizontal force of wedge piles.This paper takes the silt around Kaifeng as the research object,conducts the model test and the numerical simulation of the wedge single pile,after verifying the feasibility of the single pile model,the wedge group pile numerical model is established.The horizontal bearing characteristics of wedge-shaped pile group were numerically analyzed,and the elastic modulus and wedge angle of the pile were used as variables to study the variation characteristics of the horizontal displacement and the bending moment of the pile under different loads.The results show that under the action of horizontal load,the overall change trend of the horizontal displacement of the pile group is the same,the bending moment between row piles is quite different.The change of the pile elastic modulus has no obvious influence on the horizontal displacement of the pile group and the displacement effect coefficient of pile group is about 25%30%.In the small angle range,the horizontal bearing capacity of pile group increases with the enlargement of wedge angle.The results are of great significance to the understanding of the horizontal bearing characteristics of wedge-shaped pile group.Key words:silt;horizontal load;wedge-shaped pile;pile group;model test随着现代工业建筑的快速发展,大型桩基础工程得到广泛应用,工程上对桩基承载性能的要求越来越高。由于传统桩基础对水平荷载传递的有限性,创新型异形桩逐渐引起广泛关注1,如孔纲强等2对水平荷载下异形桩的承载特性进行了相关试验,任连伟等3对扩底楔形桩的承载特性进行了模型试验,胡文韬等4研究了阶梯形变截面桩水平受荷时的内力与变形,XIONG L X 等5对阶梯锥形桩的水平承载性能进行了数值分析。异形桩总体上可分两类6:一类是以改变桩身纵向截面形状得到的变截面异形桩;另一类是改变桩截面几何形状得到的异形截面桩。在众多变截面异形桩中,楔形桩具有节省材料、单位承载力高等优势。刘杰等7-8将理论分析与室456 石河子大学学报(自然科学版)第 41 卷内静载试验相结合,研究了楔角等因素对承载力的影响,发现适度增大楔形角能有效提高楔形桩的竖向承载力;周航9、KONG G Q 等10提出水平荷载下楔形桩桩身变形和内力的简化理论计算方法;VALI R 等11基于楔形桩和扩底桩承载力与沉降特性的三维数值比较,发现楔形桩的沉降小于扩底桩;陈浩华等12揭示了楔形桩极限承载力提高的机理;WANG N 等13建立了阶梯桩环形区与垂直动力特性的新相互作用模型;GUAN W J 等14对楔形桩在挤土效应和应力扩散效应时的扭转动力进行分析;LI Y N 等15提出一种评估楔形单桩和群桩在静态轴向压缩荷载下荷载-位移响应的简化方法。至今鲜有针对水平荷载下楔形群桩承载特性方面研究的文献。本文以粉土地区水平受荷的楔形群桩为研究对象,研究水平荷载作用下楔形群桩桩身位移、桩身弯矩等的变化规律,分析楔形角和基桩弹性模量对楔形群桩承载特性的影响,着重阐述楔形角和桩身弹性模量对群桩位移效应系数及群桩效率的影响。1 数值计算模型首先进行水平荷载下的楔形单桩室内模型试验,基于单桩模型试验参数用数值方法重现水平荷载下楔形单桩水平承载试验;之后对比单桩试验数据与数值计算的结果,分析所建单桩水平受荷数值模型的准确性,并以单桩数值模型为基础建立群桩水平受荷数值模型。1.1单桩模型试验试验用土为开封市黄泛区土样,土体的基本物理参数见表 1,经颗粒分析试验得到土体颗粒级配曲线(图 1)。土体均匀系数 Cu=7.48,曲率系数 Cc=1.20,满足 Cu5、Cc=1 3,表明土体颗粒级配较好。土粒径小于 0.075 mm 的颗粒质量占总质量的54.5%,塑性指数 Ip10,依据 GB 500072011建筑地基基础设计规范此土体属于粉土。表 1土体基本物理参数液限/%塑限/%塑性指数/Ip天然含水率/%天然密度/(g cm-3)干密度/(g cm-3)26.07 16.119.9615.151.941.68按某实际工程设计缩尺模型试验,模型桩几何相似比为 1 10,经试验测得的桩周土体与桩身参数见表 2,桩身弹性模量为 3.0104 MPa。楔形桩底端直径和桩长保持不变,改变顶端直径,分别进行 3 种不同楔角的楔形单桩水平(表 3)承载模型试验,d 为桩身平均直径。图 1土颗粒级配曲线表 2桩周土及桩体参数材料类型重度/(kN m-3)厚度h/m泊松比v弹性模量Es/MPa/c/kPa桩周土19.0100.258.0234.5楔形桩25.00.171.51043.0104表 3楔形桩尺寸桩型桩顶直径d1/m桩底直径d2/m桩长l/m楔形角/l/d0.680.50100.517.00.860.50101.014.71.020.50101.513.2模型箱为直径 1.3 m、高 1.5 m 的圆形铁筒,箱侧壁铺贴涂有凡士林,以消除箱壁摩擦力的影响。桩中心放置单根 6 HPB300 钢筋作为纵筋,桩身均匀粘贴高精度应变片。由滑轮和型钢组成水平加载装置,通过螺栓和钢丝绳固定在一起,借助定滑轮实现水平加载(图 2)。试验时,先将桩身竖直固定,然后分层填土,每层约厚 20 cm,待土体充分固结后,在桩顶分级施加水平荷载。借助 CM-2B 型静态电阻应变仪实时采集数据。、型楔形桩桩顶施加的最大水平荷载依次为 1.60、1.80、2.00 kN。图 2楔形单桩水平受荷模型试验第 4 期原华,等:粉土地区楔形群桩水平承载特性分析457 1.2对数值模型的验证借助有限元软件 ABAQUS 建立一系列数值计算模型,重现缩尺模型试验的过程,验证楔形单桩水平承载特性数值模型的准确性。土体与桩基分别采用弹塑性(Mohr-Coulomb)和弹性本构模型,桩、土选用 C3D4 实体单元,约束模型侧边界水平位移、底部边界水平及竖向位移。由试验和数值模拟方法分别得到楔形角为 0.5、1.0和 1.5时楔形单桩桩顶水平荷载 H 与桩顶水平位移 Y 的关系(图 3)显示:试验时不同楔形角下单桩桩顶施加水平荷载增大到1.48、1.67、1.84 kN 之后,桩顶水平位移迅速增大,桩周土体出现较大的裂缝。按 JGJ 942008建筑桩基技术规范中“对于水平位移敏感的建筑,取其位移为 6 mm 时对应水平荷载的 75%为水平承载力特征值”方法,当楔形角为 0.5、1.0和 1.5时,单桩试验的水平承载力特征值 Rha分别为 1.11、1.25、1.38 kN;由数值方法得到的 3 种楔形单桩水平承载力特征值依次为 1.20、1.43、1.58 kN。可见:试验和数值模拟得到的 H-Y 曲线形态上基本一致,在位移 6 mm 时水平承载力特征值最小误差仅为 9%。图 3桩顶水平荷载-位移曲线为进一步验证模型试验的可靠性,对比模型试验与数值模拟分析楔形角为 0.5、单桩桩顶水平荷载分别为 1.0、1.3 kN 时桩身弯矩,结果见图 4。图 4不同水平荷载下桩身弯矩分布图 4 显示:两种方法得到的弯矩沿桩身长度方向变化基本一致,桩身最大弯矩均位于距桩顶 0.4倍的桩长附近,仅在桩顶水平荷载 1.3 kN、桩身最大弯矩 处 相 差 较 大,但 整 体 弯 矩 误 差 较 小,约 为10%。说明本数值模型基本合理。1.3群桩数值模型实际工程中桩基础常以群桩形式出现,利用有限元分析软件建立楔形群桩水平承载数值模型(图 5)。所建数值模型为 20 m20 m20 m(XYZ),基桩 33 布置,承台长、宽、高依次为 8 d、8 d、0.5 m,土体、桩身参数及楔形桩尺寸与表 1 至表 3 中相同。图 5群桩布置群桩承台上沿 Y 轴方向依次施加 47.4、117.0、273.7、467.5、665.7、825.0 kN 的水平荷载。首先分析所有基桩均为型楔形桩(楔形角为 0.5)、桩身弹性模量为 30 GPa 时群桩的水平承载特性;之后分别改变基桩的楔形角和弹性模量,研究基桩楔形角分别为 1.0 和 1.5,桩身弹性模量分别为 15、20 GPa 时群桩的水平承载能力;共分析 5 种工况。2 群桩数值模拟结果与分析图 6水平荷载下群桩位移曲线图2.1群桩水平位移假定承台为刚性,定义楔形群桩承台边缘中心的水平位移为群桩水平位移。群桩的水平荷载-位移曲线见图 6。由图 6 可知:楔形群桩的水平位移随水平荷载的增大而不断增加,且该曲线无明显拐点。沿曲线始末端各做一条切线,两切线交点为 A,458 石河子大学学报(自然科学版)第 41 卷可得群桩水平极限承载力约为 450.0 kN。与单桩承载力特征值确定方法类似,按 JGJ 942008建筑桩基技术规范,对水平位移不敏感的建筑,取位移为 10 mm 时对应水平荷载的 75%作为其水平承载力特征值,可得楔形群桩基础水平承载力特征值约为 521.3 kN。为保证桩基安全,取二者中的较小值,即群桩水平承载力为 450.0 kN。2.2桩身水平位移群桩水平荷载为 825.0 kN 时 6 根基桩桩身长度与水平位移关系如图 7 所示,可以看出:桩身位移沿桩埋深方向上逐步减小,在距离桩顶约 0.35 倍桩长处,桩身位移已小于 6 mm。两组桩均在 0.8 倍桩长附近水平位移趋近于零且桩端底部有较小的负向位移,原因是与楔形桩的构造及受力特点有关。纵向中排桩 1#、2#和 3#桩沿桩埋置深度方向上水平位移规律一致,且与纵向外排桩中 4#、5#和6#桩桩身水平位移相差不大。楔形群桩中的各排桩在水平荷载作用下沿桩身长度方向的位移变化整体一致。纵向中排桩为 1#、2#和 3#桩,纵向外排桩为 4#、5#和 6 桩。图 7桩身水平位移2.3桩身弯矩加载过程中不同水平荷载下各基桩的桩身弯矩沿桩身长度分布如图 8、图 9 所示。图 8纵向中排桩桩身弯矩图 9纵向外排桩桩身弯矩由图 8 可见,水平荷载作用下纵向中排桩各基桩桩身弯矩变化总体相似,即沿桩深方向上先增加后减小,最后趋近于 0。基桩最大正弯矩出现在距桩顶约 0.1 倍桩长处,最大负弯矩在距桩顶 0.5 倍桩长附近,在距桩顶约 0.3 倍桩长附近弯矩为 0,且桩底处的弯矩值也趋近于 0。在图 9 中,外侧 3 根基桩由于受桩间土体、承台及承台外侧土体的相互作用,4#、5#、6#桩的弯矩值差别较大,逐渐由负弯矩过渡到正弯矩。4#桩的 2个弯矩峰值分别距桩顶约 0.3 倍和 0.7 倍桩长处;5#桩有 1 个峰值点,最大负弯矩在距桩顶约 0.3 倍桩长附近,且显著高于 4#桩弯矩峰值;6#桩的峰值点在距桩顶约 0.5 倍桩长附近,且其弯矩均为正值。对比图 8、图 9,楔形群桩的纵向中排桩与纵向外排桩的弯矩分布有一定差距。纵向中排桩受到两侧排桩的相互影响较一致,其数值模拟结果与文献9中楔形单桩受力特征更为相似。与纵向中排桩相比,纵向外排桩各桩身弯矩相差偏大,纵向外排桩弯矩沿受力方向逐步由负值过度到正值,主要由于群桩受力过程中纵向外排桩所承受边界土体传来的第 4 期原华,等:粉土地区楔形群桩水平承载特性分析459 水平剪应力较大,且桩间土拱效应差异较大。3 影响因素分析3.1桩身弹性模量的影响在楔形角为 0.5时改变桩身弹性模量(15、20、30 GPa),得到楔形群桩水平荷载-位移曲线如图 10所示。取群桩承台中心水平位移 10 mm 时的水平荷载进行分析,在增大桩身弹性模量时,其对应的水平荷载值与前一荷载相比,分别提高了 1.86%和2.63%,可见桩身弹性模量对水平承载力的提高效果微弱。图 10群桩水平荷载-位移曲线表 4 列出不同桩身弹性模量时楔形群桩各基桩的水平位移,可以看出:当桩身弹性模量增大,各基桩水平位移变化不大,说明弹性模量对群桩水平位移的抑制作用并不显著。可综合考虑经济性等要求,依据工程实际需求确定合适的桩身材料。表 4各基桩桩顶水平位移单位:mm桩号桩体弹性模量/GPa152030桩号桩体弹性模量/GPa1520301#12.729 12.345 11.8964#11.934 11.585 11.1742#12.735 12.352 11.9045#12.000 11.641 11.2183#12.696 12.322 11.8836#11.881 11.545 11.147为评估楔形群桩水平承载下的位移群桩效应,定义相同水平荷载和工况下群桩位移值与群桩桩数和单桩位移的比值为群桩位移效应系数 dg:dg=yinnyn,(1)式(1)中 yin为楔形群桩基础中心水平位移,yn为楔形单桩水平位移,n 为基桩个数。改变桩身弹性模量,分别施加 825.0 kN 水平荷载于单桩和群桩,得到单桩和群桩水平位移于表 5中。由式(1)可得:楔形群桩的群桩位移效应系数随着桩 身 弹 性 模 量 的 增 加 而 逐 步 提 高,依 次 为25.24%、27.77%和 31.80%;桩身弹性模量提高对群桩位移效应系数的增大是很有限的。表 5楔形群桩位移效应系数布桩方式桩身弹性模量/GPa152030单桩5.6064.9434.15933 群桩12.73512.35211.904群桩位移效应系数25.24%27.77%31.80%3.2楔形角的影响不同楔形角(0.5、1.0和 1.5)下群桩水平位移为 10 mm 时的水平位移云图(图 11)。由图 11 可知:群 桩 所 对 应 的 水 平 荷 载 依 次 是 6 954.0、21 871.0、25 189.0 kN,比前一荷载提高了 69.8%和13.2%,可见楔形群桩受楔形角的影响很大,且群桩的水平承载能力随楔形角的增大而增加。当楔形角从 0.5变化到 1.0时,群桩水平承载力显著提高;楔形角由 1.0增加至 1.5时,群桩水平承载力的提高效果并不明显。将普通桩基的群桩效率公式延伸至楔形群桩,楔形群桩的群桩效率 lg可表示为:lg=HinnHn,(2)式(2)中 Hin为位移 10 mm 时的群桩荷载,Hn为位移 10 mm 时的单桩荷载。图 11水平荷载下群桩位移云图由式(2)求得不同楔形角下单桩、群桩水平荷载值及其群桩效率,见表 6。可以看出:随着楔形角的增大,楔形群桩的群桩效率显著提高。楔形角从0.5提 高 到 1.0 时,群 桩 效 率 由 45.4%增 加 至460 石河子大学学报(自然科学版)第 41 卷99.0%,提升效果较明显;当楔形角由 1.0增大到1.5时,群桩效率仅提高约 4%。楔形角为 1.5时,桩身材料消耗较大,因此该楔形角并非最佳选择。表 6水平承载力及楔形群桩的群桩效率布桩方式楔形角/0.51.01.5单桩1 701.3 kN2 455.3 kN2 720.0 kN33 群桩6 954.0 kN21 871.0 kN25 189.0 kN群桩效率45.4%99.0%103%4 结论(1)楔形群桩的纵向中排桩与外排桩桩身位移大小沿桩身长度方向整体变化一致,且弯矩值较接近。(2)在楔形群桩中,纵向中排桩的桩身最大弯矩值所对应的桩身长度较单桩有所提高;纵向中排桩中各基桩弯矩整体变化较为一致且与单桩类似。纵向外排桩中各基桩弯矩值沿水平力方向逐渐增大,并从负弯矩逐步过渡到正弯矩,各基桩弯矩变化较为明显,这大概是由于边界土体对纵向外排桩的反向作用力较大。(3)楔形角为 0.5时,桩身弹性模量增大对楔形群桩的水平位移抑制效果并不明显;楔形群桩的位移群桩效应系数约为 25%30%。(4)在小角度范围内(0.51.5),楔形群桩的水平承载力和群桩效率均随楔形角的增大而提高。但考虑到整体成本等因素,在楔形角为 1.0时,群桩水平承载力和群桩效率综合提高效果最佳。参考文献(References)1 SHAFAGHAT A,KHABBAZ H.Recent advances and past discoveries on tapered pile foundations:a reviewJ.Geomechanics and Geoengineering,2022,17(2):455-484.2 孔纲强,彭怀凤,朱希,等.水平荷载下纵截面异性桩承载特性实验J.岩土力学,2018,39(1):229-236.KONG G Q,PENG H F,ZHU X,et al.Model tests on bearing capacity of longitudinal section 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