承台下摩擦倾斜桩工作性状分析_朱进军.pdf

第 44 卷 第 6 期煤田地质与勘探Vol. 44 No.6 2016 年 12 月COALGEOLOGY Science and Technology Project of Housing and Urban Ministry2015-K3-023; Science and Technology Project of Jiangsu Construction Systems2015ZD37 第一作者简介 朱进军1981，男，江苏连云港人，硕士，高级工程师，从事岩土工程方面的教学及科研工作. E-mail664649736 引用格式 朱进军，邵勇，马庆华. 承台下摩擦倾斜桩工作性状分析[J]. 煤田地质与勘探，2016，446119–123. ZHU Jinjun, SHAO Yong, MA Qinghua. Analysis on bearing capacity behavior of cap-inclined pile[J]. Coal Geology inclined pile group; cap; bearing capacity; numerical simulation 由于软土的工程性质较差，桩基础是最为常用 的基础形式，但是由于软土的特殊性及施工扰动， 桩体倾斜事故时有发生[1-3]，而对于倾斜事故的处理 每年均造成大量的经济损失， 仅以连云港地区为例， 每年约有上万米的倾斜桩出现，给工程建设带来了 极大的困扰。因此倾斜桩的利用与处理一直是工程 建设者比较关心的问题。 国内外一些学者对倾斜桩的工作性状已有研究， 并取得了一定成果，郑刚等[4]、王起龙等[5]、王新泉 等[6]采用模型试验、数值模拟等手段对单根倾斜桩的 承载力特性以及倾斜桩的加固措施进行了研究。 胡文 红等[7]结合现场试验和数值模拟研究桩侧土体加固 对桩基承载力的影响， 得到了加固范围对加固效果的 影响。Nikos Gerolymos 等[8-9]采用数值模拟手段对倾 斜群桩在地震荷载下的工作性状进行了研究。 梁发云 等[10]采用模型试验研究了土体侧移对单桩及双排桩 工作性状的影响。 前人的研究主要集中在倾斜单桩承 载力性状的研究， 而对倾斜桩未经处理直接加承台的 承载力特征尚无明确描述， 因此未经处理倾斜桩利用 的可能性是一个值得探讨的问题。 本文以连云港海相软土条件下桩基工程为例， 以现场调查及实测数据为依据，研究承台倾斜桩 ChaoXing 120煤田地质与勘探第 44 卷 的承载力性状，分析了承台下倾斜桩的数量、倾斜 桩倾斜角度等对桩基承载力的影响。 1现场调查及实测数据 连云港地区在大地构造上属中朝地台、鲁东 古隆起地块。岩土种类既有古老的变质岩，又有 近代沉积的海相淤泥，其软土呈压缩性大、孔隙 大、含水率高及承载力低等特点，在连云港地区 大部分的建筑均采用桩基础。典型土层物理力学 参数见表 1。 表 1地基物理力学参数 Table 1Physical and mechanical parameters of foundation soil 名称厚度/m孔隙比容重/kNm-3变形模量/MPa承载力/kPa黏聚力/kPa摩擦角/泊松比 黏土10.9618.23.440.3316120.31 淤泥81.4518.31.410.351180.34 粉质黏土40.9218.76.570.3317130.32 黏土80.8819.37.300.3220140.32 全风化片麻岩222.44500.3055270.29 强风化823.16400.2877310.28 中风化1823.53 2300.25153340.25 在施工过程中，桩体倾斜事故屡见不鲜，其根 本因素为海相软土的工程性质，外在因素为施工扰 动，如土方开挖、打桩施工、不平衡荷载等。图 1 为土体开挖导致的倾斜桩现场图片。 图 1桩体倾斜图片展示 Fig.1Photograph of inclined piles 从图 1 中可以看出，桩体倾斜方向基本一致， 现场情况图片右侧为基坑边坡，由于土方开挖导致 桩体两侧存在压力差，从而致使桩体倾斜。从位移 量来看，距离坑边越近的桩体偏移量越大，数值在 150 mm 左右，个别桩体达 200 mm 以上，而远离坑 边的桩体偏移量较小，一般在 80 mm 左右。 目前单桩承载力试验比较常见，而对承台加倾 斜桩体系的承载力试验，由于操作比较困难，因此 数据缺乏，本文利用单桩实测数据来验证数值模拟 的可行性，然后采用数值模拟手段分析承台倾斜 桩体系的承载力特征，图 2 为单桩试验数据与数值 模拟数据对比，从中可以看出，两者数据基本一致， 证明了数值模拟手段是可行的。数值模拟中土层参 数取自表 1 中数据。 图 2现场实测数据与数值模拟数据对比 Fig.2Comparison of field and numerical simulation data 2数值模型及计算条件 数值模拟软件采用有限差分软件 FLAC3D， 模型 尺寸根据文献[9]中建议，长宽均为 50 m，高 50 m， 承台采用实体单元模拟，管桩采用软件自带的结构 单元 pile 模拟，承台弹性模量为 33 GPa，管桩弹性 模量 29 GPa，桩长为 24 m，直径 500 mm，承载力 特征值为 3 400 kN，桩身设计弯矩为 274 kNm。数 值模型如图 3 所示， 计算时岩土体本构为摩尔–库伦 模型，物理力学参数采用表 1 中数据。数值模拟边 界条件为在模型底部施加全约束，模型四周约束其 水平向变形，模型顶部无约束。 模拟时取两根桩加承台为研究对象，根据现场 调查的情况显示，桩体大多沿着同一方向倾斜，故 数值模拟所取工况如图 4 所示，工况 1 为桩体沿水 平向倾斜，工况 2 为桩体岩垂直向倾斜，各工况下 桩体倾斜程度为 0、1、2、4、6、8、12 共 7 种情况。 ChaoXing 第 6 期朱进军等 承台下摩擦倾斜桩工作性状分析121 图 3数值模型 Fig.3Numerical model 图 4倾斜桩倾斜方向平面示意图 Fig.4Plan sketch of tilt direction of inclined pile 3计算结果分析 3.1水平向倾斜桩受力特征 图 5 为各级荷载下承台的沉降， 从中可以看出， 当桩身倾斜程度在 4以内时， 工况 1 即承台水平 图 5荷载与沉降的关系曲线 Fig.5Relationship between the load and the settlement 向倾斜桩体系的承载力并未降低，而当倾斜程度达 到 4之后，体系的承载力有所降低，表现为承台沉 降明显增大。 图 6 为在荷载 5 400 kN、6 300 kN、7 200 kN 及 8 100 kN 下承台的沉降，可以看出荷载为 5 400 kN 及 6 300 kN 时承台沉降随桩体倾斜程度变化不大， 而当荷载为 7 200 kN 及 8 100 kN 之后， 承台沉降显 著增大， 同样说明当倾斜程度达到 4之后体系承载 力逐渐下降。 图 6倾斜程度与沉降的关系曲线 Fig.6Relationship between the inclination and the settlement 图 7 为不同桩体倾斜程度下承台的水平位移， 从中也可以看出，当桩体倾斜程度达 4之后，承台 水平位移显著增大，在实际使用中即可能发生位移 过大而导致建筑物破坏。 图 7承台水平位移 Fig.7Horizontal displacement of cap 图 8 为不同倾斜程度桩在 8 100 kN 荷载下的桩 身弯矩分布情况，从中可以看出桩倾斜程度越大， 桩身弯矩就越大，且桩身最大弯矩位于桩顶，在桩 ChaoXing 122煤田地质与勘探第 44 卷 身存在明显的反弯点，即桩身下部承受反号弯矩， 而且反弯点随着倾斜程度的增加逐渐下移。当倾斜 程度达 12时，桩身已超过了设计值，将发生弯曲 破坏。 图 8桩身弯矩分布图 Fig.8Distribution of bending moment of pile 通过变形及内力分析可知，桩体倾斜会导致桩 身弯矩增大，倾斜过大时还将出现弯曲破坏，当倾 斜程度达 4时， 承台水平向倾斜桩体系的承载力 会有所下降。 3.2垂直向倾斜桩受力特征 图 9 为各级荷载下承台的沉降， 从中可以看出， 当桩身倾斜程度在 6以内时， 工况 2 即承台垂直 向倾斜桩体系的承载力并未降低，而当倾斜程度达 到 6之后，承台沉降明显增大，体系的承载力有所 降低。 图 9荷载与沉降的关系曲线 Fig.9Relationship between the load and the settlement 图 10 为在荷载 5 400 kN、6 300 kN、7 200 kN 及 8 100 kN 下承台的沉降，可以看出荷载为 5 400 kN 及 6 300 kN 时承台沉降随桩体倾斜程度变化不 大，而当荷载为 7 200 kN 及 8 100 kN 之后，承台沉 降显著增大， 与水平向倾斜桩的计算结果类似， 同样 说明当倾斜程度达到 6之后体系承载力逐渐下降。 图 10倾斜程度与沉降的关系曲线 Fig.10Relationship between the inclination and the settlement 图 11 为不同桩体倾斜程度下承台的水平位移， 从中也可以看出，当桩体倾斜程度达 6之后，承台 水平位移显著增大，在实际使用中即可能发生位移 过大而导致建筑物破坏。与水平向倾斜桩的弯矩进 行比较发现，当桩体发生垂直向倾斜时，桩身弯矩 要小于水平向倾斜， 桩身倾斜程度为 8、 10、 12 时，桩身弯矩分别为水平向倾斜桩的 0.51、0.72、 0.80 倍。 图 11承台水平位移 Fig.11Horizontal displacement of cap 图 12 为不同倾斜程度桩在 8 100 kN 荷载下的 桩身弯矩分布情况，从中可以看出与水平向倾斜的 规律类似，即桩倾斜程度越大，桩身弯矩就越大， 且桩身最大弯矩位于桩顶，在桩身存在明显的反弯 点，即桩身下部承受反号弯矩，而且反弯点随着倾 ChaoXing 第 6 期朱进军等 承台下摩擦倾斜桩工作性状分析123 斜程度的增加逐渐下移。但是当倾斜程度达到分析 的最大值 12时，桩身仍未达到弯矩设计值。与水 平向倾斜桩的弯矩进行比较发现，当桩体发生垂直 向倾斜时，桩身弯矩要小于水平向倾斜，桩身倾斜 程度为 8、10、12时，桩身弯矩分别为水平向 倾斜桩的 0.73、0.72、0.72 倍。 图 12桩身弯矩分布图 Fig.12Distribution of bending moment of pile 4结 论 通过对承台水平向倾斜桩及承台垂直向倾 斜桩两种体系的计算分析， 可以得到以下几点认识 a. 桩体倾斜程度对承台倾斜桩体系承载力 的影响存在阀值，且桩体倾斜方向不同时，其阀值 也不同。承台水平向倾斜桩体系的阀值为 4，即 当桩体倾斜达 4之后体系承载力有所降低， 而承台 垂直向倾斜桩体系的阀值则为 6。 b. 通过不同荷载下的承台位移可以发现，当荷 载较小时，承台倾斜桩体系的沉降无明显变化， 但是当荷载较大时，承台沉降显著增加，导致体系 承载力的降低。 c. 倾斜桩倾斜方向不同，承台的水平位移及桩 身弯矩也有所区别，桩体垂直向倾斜时，承台的水 平位移及桩身弯矩均小于水平向倾斜。说明垂直向 倾斜桩较水平向倾斜桩更利于承载。 参考文献 [1] KIM D，BICA A，SALGADO R，et al. 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