荷载倾角对抗拔桩极限承载力的影响分析

【摘 要】本文针对抗拔桩在倾斜荷载作用下变形复杂的特性，采用非线性接触面单元建立了能考虑桩土相互作用的有限元模型。通过分析荷载倾角对斜向抗拔桩极限承载力的影响，探讨了倾斜荷载的传递机理，并研究了荷载倾角对桩体应力及周围土体应力应变的影响。结果表明，斜向抗拔桩的极限承载力与荷载的倾角有密切关系，大小随角度变化大致呈抛物线形状；随着荷载倾角的增大，桩的竖向承载力和桩顶竖向位移增大，而水平承载力基本相同；桩体受倾斜荷载作用时，受压侧土体与桩体间的摩擦力增大；桩周土体最大剪应力出现在桩上部受压侧和桩受拉弯曲段所接触的受压土体处。

【关键词】抗拔桩；接触面单元；承载机理；极限承载力

随着海洋工程的开发与发展，如海上风力发电、海洋石油平台、智能化海洋观测平台、海上勘探，在不同地质条件下的承受上拔荷载的基础将有大量的应用。而海岸和海洋工程的荷载条件和环境条件十分复杂，需要地基基础能够承受很大的上拔荷载，同时也要承受水平与下压荷载及斜向抗弯荷载的作用。

基桩在倾斜荷载作用下，其荷载传递机理和基桩的破坏模式要复杂的多，其与基桩的本身材料强度、抗弯刚度、桩侧土体的弹性抗力、摩阻力、桩端土体的承载能力以及所施加荷载的倾角等一系列因素有关。国内外学者对竖向荷载作用下桩的抗拔机理进行了广泛的研究[1-4]，取得了一定的成果，完善了桩基础的设计理论。而抗拔桩在倾斜荷载作用下的变形及承载机理较为复杂，目前对单桩及群桩的斜向抗拔性能研究总体较少[5-8]，对其理论研究落后于工程实践。因此，研究荷载倾角对桩的影响、倾斜荷载的传递机理，有助于了解斜向荷载作用下桩的承载能力及承载机理，为斜向抗拔桩的设计及工程应用提供理论依据和参考。

1 桩土界面及初始应力的模拟

土与结构材料的界面上常有较大的剪应力，主要是因两种材料的物理力学特性相差较大，从而出现变形不一致。正确地分析接触面上的受力变形机理，剪切破坏的发展，荷载传递过程，并在计算中正确地模拟，是十分重要的。Goodman单元在一定程度上考虑了接触面上的非线性，能很好地模拟接触面上的错动滑移和开裂。本文分析时桩土界面采用大变形无厚度Goodman接触单元和库仑摩擦变形原理。

对于土体中的桩基础，土体初始应力对桩侧面产生正应力，从而产生侧摩阻力。因此，在桩土有限元计算中，土体初始应力场的实现是一个关键问题。本文先使土体在侧限条件下固结，生成初始应力文件。为消除边界约束的影响，生成初始应力时包括了桩体单元，只是桩体的材料与土体一样。考虑到桩体没有受到初始应力的作用，在读入初始应力文件之前，删除后续计算中属于桩单元的那部分土单元的初始应力。

2 桩土有限元模型

考虑到桩基础结构和荷载的对称性，采取如表1所示的整体结构与计算区域的一半建立有限元计算模型。假设研究范围内的土层和桩为均质材料。模型尺寸为：桩长L=10m，直径D=0.6m，周围土体横向取30倍桩径10m，纵向深度取3倍桩长30m。土体边界，底面采用纵向约束，侧面水平约束。

3 斜向抗拔桩承载特性分析

3.1 荷载倾角对桩的极限承载力影响

图2给出了单桩在不同倾角：90度、60度、45度、30度、0度情况下竖向和水平向的荷载-位移曲线。从图中可以看出，随着荷载倾角的增大，桩的竖向承载力和桩顶竖向位移增大；在荷载大小相同时，桩体竖向位移随着荷载倾角的增大而减小。荷载倾角的变化对桩的水平荷载-位移曲线的增长趋势影响不大，在选用的土体参数情况下，荷载倾角为30度时，斜向抗拔桩的水平承载能力最大。

（a）竖向荷载-竖向位移曲线

（b）水平荷载-水平位移曲线

3.2 荷载倾角对桩周土体应力的影响

倾斜荷载情况下，桩周土体的应力应变特性与单纯的竖向及水平的变化不同，与倾斜荷载的角度、大小以及其它因素是密切相关并相互影响的。

图3给出了不同倾角荷载条件下，桩周土体的剪应力分布云图。从图中可以看出：当荷载角度为0度和30度时，桩周土体最大剪应力出现在桩上部受压侧，荷载作用产生剪应力的范围约为桩径的15倍左右；当荷载角度为45度和60度时，最大剪应力则出现在桩底土体处，同时受压侧也出现较大的剪应力，荷载作用产生剪应力的范围约为桩径的5倍左右；当荷载角度为90度时，剪应力最大值出现在桩底土体处，桩两侧由于荷载而引起的剪应力很小。

3.3 倾斜荷载下桩周土体变形特性

不同荷载倾角对桩周土体的水平向位移具有较大的影响，90度即竖直上拔荷载时，水平位移非常小，最大水平位移约为3mm。当荷载倾角为0度、30度、45度和60度时，只有桩体上部周围的土体有向荷载倾斜方向的水平位移，距桩顶的距离越近，水平位移越大，而且随着荷载的增大和倾角的减小，最大水平位移也呈增大趋势。

而对于土体的竖向位移，当荷载倾角为0度时，受压侧土体由于受到桩体挤压而隆起，竖向最大位移出现在受压侧的土层上表面处。其他荷载角度时，土体最大竖向位移出现在桩底端，主要是因为桩体在受到斜向拉力作用时，桩底端的土体对桩体有吸力作用。荷载倾角为0度到60度，向右倾斜时，桩体左侧的土体都有向上的位移，这表明桩体受倾斜荷载作用时，受压侧土体与桩体间的相互作用和摩擦力增大。

4 结论

斜向荷载作用抗拔桩的变形及承载力分析是一个十分复杂的问题，本文采用非线性接触面单元建立了能考虑桩土相互作用的有限元模型，分析荷载倾角对斜向抗拔桩极限承载力的影响，得到如下结论：

1）抗拔桩极限承载力大小随荷载角度变化，大致呈抛物线形状，本文模型在荷载倾角为30度时，斜向抗拔桩的水平承载能力最大。因此，在考虑最大极限承载力时，存在最佳倾斜角度，应根据实际工程地质情况及施工事项，尽量选择合适的荷载倾斜角度。

2）当桩体受水平和斜向拉力作用时，桩周土体最大剪应力出现在桩上部受压侧和桩受拉弯曲段所接触的受压土体处，荷载作用产生剪应力的范围约为桩径的10倍左右。

3）随着荷载倾角的增大，受压侧土体与桩体间的相互作用和摩擦力增大。

【参考文献】

[1]王幼青，张磊.抗拔桩的承载性能研究[J].哈尔滨工业大学学报，2006，38（3）：389-391.

[2]黄茂松，任青，王卫东，等.深层开挖条件下抗拔桩极限承载力分析[J].岩土工程学报，2007，29（11）：1689-1695.

[3]吴江斌，王卫东，黄绍铭.等截面桩与扩底桩抗拔承载特性数值分析研究[J].岩土力学，2008，29（9）：2583-2588.

[4]BIRCH A J， DICKIN E A. The response to uplift loading of pyramid foundations in cohesionless backfill[J]. Computers and Structures， 1998， 68： 261-270.

[5]谢涛，蒋泽中，马庭林，等.组合荷载下超大群桩受力变形模型试验研究[J].工程地质学报，2004，12（2）：171-176.

[6]龚健，陈仁朋，陈云敏，等.微型桩原型水平荷载试验研究[J].岩石力学与工程学报，2004，23（4）：3541-3546.

[7]赵明华，李微哲，单远铭.DX桩抗拔承载机理及设计计算方法研究[J].岩土力学，2006，27（2）：199-203.

[8]PATRA N R， PISE P J. Model pile groups under oblique pullout loads aninvestigation[J]. Geotechnical and Geological and Engineering， 2006， 24： 265-282.

[责任编辑：王迎迎]

推荐访问:承载力 倾角 荷载 对抗 极限