張浩瀚，張楊龍

（1長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南長沙 410114；2中國建筑第五工程局有限公司，湖南長沙 450000）

0 引言

路堤加固形式多樣，通常采用多排直樁形式。但斜樁在控制水平位移時(shí)效果要優(yōu)于直樁，目前對(duì)于斜樁的研究還處于起步階段，沒有形成完整的理論體系。本文采用數(shù)值模擬的方法對(duì)三種不同組合結(jié)構(gòu)在單側(cè)荷載作用下的受力變形特征進(jìn)行研究，從而找出控制變形和受力性能最好的結(jié)構(gòu)體系，為工程實(shí)踐提供依據(jù)。

曹衛(wèi)平[1]構(gòu)建了水平受荷斜樁的雙曲線型p-y曲線，分析得出，斜樁樁頂固支可以有效減少樁頂橫向位移、樁身最大彎矩及最大剪力，但對(duì)于被動(dòng)樁受荷時(shí)的承載力及變形規(guī)律尚未明確。梁發(fā)云[2]采用室內(nèi)模型試驗(yàn)的方法研究了土體側(cè)移作用下既有軸向受荷樁性狀，發(fā)現(xiàn)前樁對(duì)后樁具有遮攔效應(yīng)，前樁的存在使得后樁的彎矩和變形明顯減小。申永江[3]對(duì)比分析了雙排長短組合樁與常見雙排樁前、后排樁的受力變形特征，認(rèn)為雙排長短樁組合結(jié)構(gòu)能夠有效調(diào)節(jié)前后排樁的內(nèi)力與變形。研究證明，不同位置樁受力變形特征是不一致的，因此有必要對(duì)不同組合形式樁結(jié)構(gòu)在荷載作用下的受力變形進(jìn)行系統(tǒng)研究，從而獲得最優(yōu)形式，為工程實(shí)踐提供參考。鄭剛[4]將傾斜樁用于基坑支護(hù)，得出斜直交替內(nèi)斜傾斜樁支護(hù)可以很好地控制變形。周德泉[5-7]對(duì)于傾斜樁和組合樁進(jìn)行了系列研究，得出一些重要規(guī)律，為本文研究提供了重要參考。周德培[8]研究了微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)在滑坡治理中的作用，發(fā)現(xiàn)含有傾斜樁的組合結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)滑動(dòng)面的抗剪強(qiáng)度，樁與土形成的抗滑體的抗滑機(jī)制不同于一般的抗滑樁。本文利用有限元軟件建立模型，并對(duì)比驗(yàn)證室內(nèi)模型試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果。在此基礎(chǔ)上，對(duì)比研究不同組合形式樁結(jié)構(gòu)在單側(cè)荷載作用下的樁身水平位移和受力特征。

1 數(shù)值分析模型的建立及可靠性驗(yàn)證

1.1 模型建立

采用PLAXIS有限元軟件進(jìn)行建模[9]分析，為了和室內(nèi)模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，按照試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽缃?。模型?420mm，高1100mm。根據(jù)平面應(yīng)變模型，土體采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元模擬。土體本構(gòu)采用摩爾-庫倫模型，土體參數(shù)：重度為18.2kN/m3，飽和重度為20kN/m3，彈性模量為 20MPa，泊松比為 0.22，有效內(nèi)摩擦角取30°，剪脹角為5°。樁體采用PLAXIS自帶的Embedded樁建立。模型生成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，為更好地反應(yīng)結(jié)構(gòu)受力和變形，對(duì)組合結(jié)構(gòu)周圍的網(wǎng)格進(jìn)行4倍加密。建立模型如圖1所示。

圖1 斜直樁數(shù)值計(jì)算模型圖

圖2 斜直樁布置形式圖

圖3 模型樁平面布置圖

圖4 加載示意圖

為了檢驗(yàn)?zāi)Ｐ偷恼_性，將數(shù)值計(jì)算得到的斜直樁組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁樁身位移、樁身彎矩結(jié)果與試驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。試驗(yàn)在 1420mm×720mm×1100mm（長×寬×高）的模型槽[10]中進(jìn)行，在模型槽內(nèi)設(shè)置斜直組合樁結(jié)構(gòu)，斜樁和直樁均為預(yù)制水泥砂漿方樁，樁長800mm，截面邊長為30mm，長徑比約為27，斜樁和直樁樁頂用連梁連接。模型樁示意圖見圖2，模型樁參數(shù)見表1。圖3為模型樁布置平面圖，圖4為加載裝置示意圖。

表1 模型樁參數(shù)

1.2 數(shù)值分析與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為檢驗(yàn)建立模型的正確可靠，將數(shù)值分析計(jì)算得到的斜直樁組合結(jié)構(gòu)外側(cè)斜樁水平位移、樁身彎矩與模型試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。對(duì)比結(jié)果如圖5所示。

圖5 斜樁水平位移、樁身彎矩實(shí)測數(shù)據(jù)和數(shù)值分析結(jié)果對(duì)比

由圖5可得：數(shù)值模擬計(jì)算的斜直樁組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)斜樁樁身水平位移與模型試驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)非常接近，證明該數(shù)值分析方法可靠，且適用于進(jìn)一步建立其他組合結(jié)構(gòu)來進(jìn)行不同組合形式樁結(jié)構(gòu)的受力變形特性研究。

1.3 不同組合形式樁結(jié)構(gòu)模型建立

在斜直樁組合結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，建立其他不同組合結(jié)構(gòu)的數(shù)值分析模型，分別為“門架式”組合結(jié)構(gòu)和“八”字形組合結(jié)構(gòu)。不同組合結(jié)構(gòu)具體形式如圖6所示。

圖6 不同組合結(jié)構(gòu)模型圖

2 不同組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁受力變形對(duì)比分析

2.1 不同組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁水平位移對(duì)比分析

基于已經(jīng)建立的數(shù)值分析模型（圖6），對(duì)比不同形式組合樁結(jié)構(gòu)外側(cè)樁樁身水平位移變化曲線。由圖7可得：“門架式”組合結(jié)構(gòu)、“八”字形組合結(jié)構(gòu)和斜直樁組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁在不同等級(jí)荷載作用下樁身水平位移變化規(guī)律基本相同，外側(cè)樁樁身水平位移最大值均出現(xiàn)在樁身中部附近，最小值出現(xiàn)在樁底附近。隨著荷載增大，樁身水平位移逐漸增大，樁身水平位移隨深度增加，先逐漸增至最大值后再隨深度增大而逐漸減小。相同荷載作用下，“門架式”組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)斜樁樁身水平位移要大于“八”字形組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)斜樁樁身水平位移，大于斜直樁組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)斜樁樁身水平位移，分析可知是由于“八”字形組合結(jié)構(gòu)和斜直樁組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)斜樁在荷載傳遞時(shí)較“門架式”組合結(jié)構(gòu)外側(cè)直樁來說相當(dāng)于負(fù)斜樁，荷載對(duì)于斜樁來說具有扶正作用，此現(xiàn)象也證實(shí)了相同荷載條件下，斜樁較直樁來說具有更好的控制變形能力。

圖7 不同荷載作用下各組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁水平位移對(duì)比

2.2 不同組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁樁身彎矩對(duì)比分析

本節(jié)對(duì)各級(jí)荷載作用下不同組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁樁身彎矩進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果見圖8?？梢缘贸觯簩?duì)于三種不同的組合結(jié)構(gòu)，外側(cè)樁在各級(jí)荷載作用下，樁身彎矩最大值均出現(xiàn)在樁身中部，隨著埋深增加，樁身彎矩隨深度增大。先逐漸增大至最大值，后隨深度增大而逐漸減小。三種結(jié)構(gòu)體系隨著荷載增大，外側(cè)直樁樁身各處彎矩值均逐漸增大。三種組合結(jié)構(gòu)中樁底和樁頂處會(huì)出現(xiàn)負(fù)彎矩。

通過對(duì)三種組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)樁樁身彎矩在各級(jí)荷載作用下的對(duì)比可知：在相同荷載作用下，“門架式”組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)樁樁身彎矩最大，“八字形”組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)樁樁身彎矩值次之，斜直樁組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)樁樁身彎矩值最小，說明斜直樁組合結(jié)構(gòu)有更好的抗彎承載能力，而傳統(tǒng)的“雙直樁”組合結(jié)構(gòu)在各級(jí)荷載作用下的樁身彎矩值都最大，說明此種結(jié)構(gòu)受力沒有其他兩種結(jié)構(gòu)合理。

圖8 相同荷載作用下不同組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁樁身彎矩對(duì)比

2.3 不同組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁樁身剪力對(duì)比分析

圖9為不同組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁樁身剪力隨加載過程的變化曲線。圖9顯示：在不同等級(jí)荷載作用下，“門架式”組合結(jié)構(gòu)外側(cè)直樁樁身剪力均表現(xiàn)為樁頂處剪力值最大，樁底處剪力值最小，隨著深度的增大，外側(cè)直樁樁身剪力值先逐漸減小為零，然后再反向增大至極大值，最后再隨著深度的增加而逐漸減小。“八字形”組合結(jié)構(gòu)外側(cè)斜樁樁身剪力隨著埋深增大先減小到零，后隨著埋深增加反向增大至極大值，再隨深度增大而逐漸減小，不同荷載作用下極值點(diǎn)出現(xiàn)位置都在樁身中部附近。

斜直樁組合結(jié)構(gòu)在不同荷載等級(jí)作用下，斜樁樁身剪力最大值出現(xiàn)在樁頂和樁身中部附近，樁身剪力最小值出現(xiàn)在樁底。在較小荷載（15kN）作用下，斜樁樁身剪力隨著深度增加而逐漸減小至零，然后反向增大至極大值，達(dá)到極大值時(shí)，斜樁樁身剪力隨著深度增加逐漸減小。隨著荷載逐漸增大，外側(cè)斜樁樁身剪力值呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢。

圖9 相同荷載作用下不同組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁樁身剪力對(duì)比

3 結(jié)語

對(duì)比三種不同形式組合樁結(jié)構(gòu)數(shù)值分析結(jié)果可得：

（1）相同荷載條件下，“門架式”組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)樁樁身水平位移最大，“八字形”組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)樁樁身水平位移次之，斜直樁組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)樁樁身位移最小。說明在控制水平變形方面，斜直樁組合結(jié)構(gòu)效果最佳。

（2）在各級(jí)相同荷載作用下，各組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)樁樁身彎矩最大值出現(xiàn)在樁身中部，樁頂和樁底處會(huì)出現(xiàn)負(fù)彎矩，“門架式”組合結(jié)構(gòu)外側(cè)樁樁身彎矩值最大，“八字形”次之，斜直樁最小。說明斜直樁相比于其他兩種結(jié)構(gòu)具有更好的抗彎承載能力。

（3）在各級(jí)相同荷載作用下，“門架式”組合結(jié)構(gòu)和斜直樁組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)樁樁身剪力分布基本一致，“八字形”組合結(jié)構(gòu)中外側(cè)樁樁身剪力分布更為復(fù)雜，且剪力值明顯大于其他兩種結(jié)構(gòu)。