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摘 要：為研究水平荷載作用下嵌巖樁的受力特性，本文以貴州某一邊坡支護(hù)中的樁基擋墻為背景，基于有限元ANSYS軟件平臺，對水平受荷嵌巖樁進(jìn)行數(shù)值模擬及正交試驗(yàn)。介紹了該數(shù)值試驗(yàn)分析思路，給出了水平受荷影響較微弱。嵌巖樁彎矩、剪力的數(shù)值試驗(yàn)結(jié)果，并與其傳統(tǒng)解進(jìn)行比較研究。試驗(yàn)結(jié)果明：基樁彎矩呈拋物線型變化，有限元解和傳統(tǒng)解的峰值彎矩相差較大，基巖中樁段彎矩與樁底約束負(fù)相關(guān)，彎矩峰值與樁徑負(fù)相關(guān)，剛性樁、柔性樁彎矩峰值分別與土層厚度負(fù)相關(guān)、正相關(guān)且彎矩峰值位置不受土層厚度影響；土體中樁段剪力與樁徑正相關(guān)，剪力峰值與樁底約束正相關(guān)，剛、柔性樁剪力峰值分別與土層厚度負(fù)、正相關(guān)且其峰值位置分別出現(xiàn)在樁底、土巖交界區(qū)域；樁徑、土層厚度顯著地影響樁身位移、內(nèi)力，樁底約束的影響較微弱。
關(guān)鍵詞：紅粘土；水平受荷嵌巖樁；數(shù)值模擬；傳統(tǒng)解；正交試驗(yàn)
　　0 引 言
　　近年來，隨著我國公路、鐵路、港口、近海等工程的發(fā)展，水平受荷樁得到越來越廣泛的應(yīng)用。例如，公路邊坡、滑坡工程中的抗滑樁，基坑支護(hù)樁等均要承受土體的水平推力作用。貴州地區(qū)基巖埋深較淺，土層厚度變化大，水平受荷樁廣泛用于紅粘土基坑工程、邊坡工程及樁基承臺擋墻（見圖1），土巖組合地基下水平受荷樁研究很少。 　　目前關(guān)于水平受荷樁的研究主要局限于設(shè)計(jì)規(guī)范[1]而采用比較簡便、線彈性的m法。由于樁在水平荷載作用下的受力是一個(gè)比較復(fù)雜的樁土共同作用過程，該法不能很好地描述水平荷載作用下的樁土共同工作機(jī)理[2]。近年來，隨著數(shù)值計(jì)算的迅速發(fā)展并考慮到土體工程性質(zhì)的復(fù)雜性、樁-土的非線性與蠕變等問題[3]，數(shù)值方法被廣泛地運(yùn)用于水平荷載樁的計(jì)算中。
　　本文以貴州地區(qū)某一邊坡支護(hù)中的樁基擋墻為背景，基于大型通用有限元ANSYS軟件，采用數(shù)值分析法來探究水平受荷嵌巖樁的受力性能，并與樁基受力分析的傳統(tǒng)解法進(jìn)行對比，同時(shí)探究樁端約束、樁徑、土層厚度對基樁內(nèi)力和變形的影響，以期今后對同類地區(qū)水平受荷樁的設(shè)計(jì)和理論研究提供參考。
　　1 研究思路
　　本文基于有限元ANSYS軟件采用數(shù)值分析的方法來探究水平受荷嵌巖樁的受力特性并與其傳統(tǒng)解進(jìn)行比較。根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[1]第5.7.5條第2款，地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m可通過單樁靜載數(shù)值試驗(yàn)來確定，這里采用數(shù)值試驗(yàn)來模擬進(jìn)行，利用數(shù)值法和“m”法算出的樁頂水平位移相等反算出參數(shù)m，進(jìn)而通過“m”法計(jì)算出水平受荷樁的內(nèi)力。同時(shí)對影響基樁內(nèi)力的樁端約束、樁徑、土層厚度進(jìn)行參數(shù)分析，探究基樁彎矩、剪力的分布規(guī)律。
　　2 數(shù)值模擬
　　鑒于ANSYS具有強(qiáng)大的三維分析功能，本文選用ANSY軟件來進(jìn)行分析?；贏NSYS平臺，結(jié)合水平受荷樁所具有的特點(diǎn)、各參數(shù)及假設(shè)來編輯相關(guān)的APDL (ANSYS Parametric Design Language)，通過編制的程序可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模、施加參數(shù)化載荷與求解、參數(shù)化后處理結(jié)構(gòu)顯示及實(shí)現(xiàn)參數(shù)化有限元分析的全過程[4]。
　　2.1 模型選取
　　這里采用鋼筋混凝土圓樁，鑒于樁土問題研究的復(fù)雜性，同時(shí)為了簡化計(jì)算，在此假定樁-承臺-土體耦合連續(xù)變形[5]，由于水平受荷樁側(cè)面與土體不發(fā)生錯(cuò)動(dòng)，故不考慮樁和土接觸、摩擦及兩者間的相對滑動(dòng)現(xiàn)象。
　?。?）選取幾何參數(shù)：通過查閱大量的地質(zhì)勘察報(bào)告、工程資料，這里選取比較常見的尺寸，樁徑d=1.5m，嵌巖段長3m，樁的自由段長為1m，鑒于后續(xù)樁基傳統(tǒng)解涉及到的地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m為地面以下2(d+1) m深度內(nèi)各土層的綜合值[1]，樁長取為12m，見圖2。為確保試驗(yàn)樁的影響范圍，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)可把土體、基巖平面尺寸在樁周各外擴(kuò)2倍樁長，樁底基巖向下延伸1倍樁長。
　?。?）材料特性及參數(shù)
　　這里假設(shè)同一種材料為均質(zhì)、各向同性體；承臺和樁為線彈性體；土體(可塑紅粘土)、基巖為Drucker-Prager彈性-理想塑性模型；樁-土間無相對滑動(dòng)[6]。根據(jù)相關(guān)工程資料及工程地質(zhì)手冊[7]，樁基各參數(shù)選取見表1。 　?。?）有限元模型
　　有限元計(jì)算采用ANSYS軟件，樁、土體和基巖單元為SOLID45。樁身本構(gòu)關(guān)系采用線彈性E-µ模型，而土體本構(gòu)關(guān)系采用非線性D-P模型[6]。水平受荷樁采用的計(jì)算模型如圖2所示，該模型的4個(gè)側(cè)面及底部均被固定，計(jì)算工況為在樁頂施加F=500kN的水平荷載。
　　2.2 基樁有限元解
　　在本模型中，樁體任意截面上的內(nèi)力可通過在該面上對相應(yīng)的應(yīng)力進(jìn)行積分求得[8]，水平受荷嵌巖樁的彎矩、剪力有限元解分別見圖3、圖4。
　　由此可知：基樁彎矩沿樁身呈拋物線變化，彎矩峰值出現(xiàn)在樁體中部；剪力自樁頂向下逐步減小直至土巖結(jié)合面處，接著開始增大。
　　2.3 與傳統(tǒng)解作比較
　　（1）確定參數(shù)m
　　基于ANSYS平臺可計(jì)算出在樁頂施加F=500kN水平荷載下的樁頂水平位移，利用數(shù)值法和“m”法算出的樁頂水平位移相等，結(jié)合土體物理力學(xué)參數(shù)等信息及《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》表G.0.1-2 土質(zhì)地基系數(shù)[9]，通過構(gòu)造方程進(jìn)行數(shù)值分析可反算出參數(shù)m=11.097MN/m4。
　?。?）基樁彎矩、剪力
　　利用上述求得的參數(shù)m，可由“m”法求得水平受荷樁的內(nèi)力傳統(tǒng)解，據(jù)此可作出基樁彎矩圖、剪力圖，分別見圖3、4中的傳統(tǒng)解。
　?。?）兩種解的比較
　　結(jié)合圖3和圖4知：水平受荷嵌巖樁彎矩的有限元解、傳統(tǒng)解沿樁身的變化趨勢基本一致，都呈拋物線型變化，其中峰值彎矩的有限元解、傳統(tǒng)解分別為1183.201kN m、1564.501kN m，后者較前者大32.23%，原因在于傳統(tǒng)解的做法是比較保守的，在一定程度上浪費(fèi)材料；剪力的有限元解、傳統(tǒng)解沿樁身的變化趨勢在樁身上部基本一致，但在樁身下部兩者的變化趨勢相差較大，其中有限元解變化的比較客觀而傳統(tǒng)解的取值偏大。有限元解要比傳統(tǒng)解更合理些，今后做樁基設(shè)計(jì)時(shí)，可結(jié)合樁基的有限元解對設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，在一定程度上可以節(jié)約材料、提高工程質(zhì)量。
　　3 因素分析
　　影響基樁受力的因素比較多，其中最主要的因素有樁底約束情況、樁徑、土層厚度。
　　3.1 樁底約束情況
　　在上述模型的基礎(chǔ)上，即保持土層厚度8m、樁徑1.5m等參數(shù)不變條件下，這里采用3種不同的嵌巖深度（這里取嵌巖深度d、2d、3d分別代表樁底端鉸接、半固接、固接）來研究樁底約束對基樁內(nèi)力的影響?；贏NSYS軟件平臺進(jìn)行單因素?cái)?shù)值試驗(yàn)，樁底不同約束下的試驗(yàn)結(jié)果分別如下。
　?。?）彎矩
　　不同嵌巖深度的樁身彎矩分布見圖5。
　　由圖5知，隨著樁端約束的增強(qiáng)，樁身彎矩呈非線性變化，土體中的樁段承受絕大部分彎矩。在土體中，樁端約束對基樁彎矩幾乎無影響，嵌巖中的樁段彎矩與樁端約束正相關(guān)。
　　（2）剪力
　　不同嵌巖深度的剪力分布見圖6。 　　由圖6知，在基樁非嵌巖段剪力基本不受樁端約束影響而樁底剪力隨樁端約束增強(qiáng)而增大。
　　3.2 樁徑
　　在上述模型的基礎(chǔ)上，即保持土層厚度8m、嵌巖深度3m等參數(shù)不變條件下，這里采用3種不同的樁徑（分別取1.5m、1.75m、2m）來研究樁徑對基樁內(nèi)力的影響，試驗(yàn)結(jié)果如下。
　?。?）彎矩
　　不同樁徑下的樁身彎矩分布見圖7。
　　由圖7知，水平受荷樁兩端彎矩基本為0，彎矩主要分布在2~10m范圍內(nèi)，在此范圍內(nèi)彎矩隨樁徑增大而減小，彎矩峰值出現(xiàn)在樁身中部附近，與分布荷載下的簡支梁彎矩圖近似。
　?。?）剪力
　　不同樁徑下的剪力分布見圖8。
　　由圖8可見，在土體水平受荷樁剪力與樁徑正相關(guān)，在基巖中與樁徑負(fù)相關(guān)。
　　3.3 土層厚度
　　根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》[3]第5.7.5條第1款可計(jì)算出樁的水平變形系數(shù)，進(jìn)而求出樁的換算埋深，結(jié)合樁長H來認(rèn)識樁的剛?cè)嵝?，即判斷是剛性樁還是柔性樁，各樁的換算埋深見表2，其中為樁的入土深度。據(jù)此，可認(rèn)為樁長在10m以內(nèi)的為剛性樁，其它的為柔性樁。