偏心距對(duì)水平受荷雙樁基礎(chǔ)響應(yīng)影響

1、偏心距對(duì)水平受荷雙樁基礎(chǔ)響應(yīng)影響孔令剛 1，2，顧明 1，2，陳仁朋 1，2，陳云敏 1，2(1. 浙江大學(xué) 巖土工程研究所，浙江 杭州 310058；2. 浙江大學(xué) 軟弱土與環(huán)境土工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310058)摘要：通過雙樁基礎(chǔ)的大比尺模型試驗(yàn)研究水平偏心荷載下基樁的受力變形性狀；采用 ABAQUS 數(shù)值模型分析荷載偏心對(duì)雙樁基礎(chǔ)工作性狀的影響。研究表明，雙樁基礎(chǔ)水平荷載承臺(tái)水平位移曲線與水平單樁曲線變化規(guī)律 相同，荷載偏心對(duì)雙樁基礎(chǔ)水平變形有一定影響，水平剛度隨偏心距增加而降低；水平偏心荷載導(dǎo)致雙樁基礎(chǔ)中 基樁樁頭剪力不均勻，接近加載點(diǎn)的基樁樁頭剪力最大，隨偏心距增加基樁樁

2、頭剪力與運(yùn)動(dòng)方向出現(xiàn)相反的情況； 水平和扭轉(zhuǎn)荷載耦合使基樁扭轉(zhuǎn)剛度較單樁明顯增加，但偏心距增加使該耦合效應(yīng)影響減??；基樁扭轉(zhuǎn)反力對(duì)抵 抗外加扭矩的貢獻(xiàn)隨著水平荷載增加減小。關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)；水平偏心荷載；大尺寸模型試驗(yàn)；數(shù)值模擬中圖分類號(hào)：TU 473文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：10006915(2013)增 2417409INFLUENCE OF ECCENTRICITY ON TWO-PILE FOUNDATIONSUBJECTED TO LATERAL LOADINGKONG Linggang1，2，GU Ming1，2，CHEN Renpeng1，2，CHEN Yunmin1，2(1. In

3、stitute of Geotechnical Engineering，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang 310058，China；2. Key Laboratory of Soft Soils and Geoenvironmental Engineering of Ministry of Education，Zhejiang University，Hangzhou，Zhejiang 310058，China)Abstract：A large scale model test of two-pile foundation in saturated si

4、lt is carried out to investigate the responseunder eccentric lateral loading. An ABAQUS numerical model is built and validated by the model test result. The effect of eccentricity of applied lateral loading on the behavior of the foundation is further studied using the validated model. It is found t

5、hat the applied load-horizontal displacement curves of the pile cap of the two-pile foundation are close to a laterally loaded single pile curve in shape. The lateral stiffness decreases with the increasing eccentricity of the applied load. Eccentricity can induce significant difference in pile-head

6、 shearing between the two piles. The pile next to the load point undertakes more shear force and the pile-head shear resistance of another pile can be opposite to its displacement in direction under a certain eccentricity. The torsional rigidity of the individual piles is far greater than that of a

7、corresponding single pile subjected to torsion because ofthe deflection-torque coupling effect in the piles，but the influence of the coupling effect decreases with theincreasing eccentricity. Both torsional and lateral resistances of the individual piles contribute to resist the applied torque；and t

8、he contribution of torsional resistances of the individual piles to the applied torque significantlydecreases with the increasing applied load.Key words：pile foundations；eccentric lateral load；large-scale model test；numerical simulation收稿日期：20120517；修回日期：20120702基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50809060)；中央高?；究蒲袠I(yè)

9、務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2011QNA4013)；浙江省重點(diǎn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)支持計(jì)劃項(xiàng)目(2011R09050)作者簡介：孔令剛(1974)，男，2006 年于香港科技大學(xué)土木系巖土工程專業(yè)獲博士學(xué)位，現(xiàn)任副研究員，主要從事樁土相互作用方面的研究 工作。E-mail：klg第 32 卷 增 2孔令剛等：偏心距對(duì)水平受荷雙樁基礎(chǔ)響應(yīng)影響 4175 100引言180海上橋梁、水上平臺(tái)及輸電塔等大型結(jié)構(gòu)長期受到風(fēng)、浪、波流等荷載的作用，服役期內(nèi)甚至遭 受船舶撞擊。實(shí)際上，對(duì)于這些主要受到水平荷載 作用的結(jié)構(gòu)，會(huì)因所受荷載存在偏心而受到扭矩作 用，這就使結(jié)構(gòu)下部的群樁基礎(chǔ)受到水平荷載和扭 矩的聯(lián)合作用。B. J.

10、Vickery1對(duì)偏心荷載導(dǎo)致群樁 基礎(chǔ)產(chǎn)生了永久性扭轉(zhuǎn)變形進(jìn)行報(bào)道；我國 2007 年發(fā)生的廣東九江大橋事件也是偏心荷載導(dǎo)致基礎(chǔ) 破壞的案例。目前人們對(duì)水平偏心荷載下群樁響應(yīng) 的認(rèn)識(shí)仍十分有限，因此，深入認(rèn)識(shí)不同荷載偏心 對(duì)群樁基礎(chǔ)工作性狀的影響具有理論研究和工程應(yīng) 用價(jià)值。陳仁朋等2針對(duì)水平偏心受荷 3×3 群樁基礎(chǔ)研 究和 L. G. Kong 等3-5群樁扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)研究表明：群樁 所受水平荷載和扭轉(zhuǎn)荷載之間存在顯著的耦合效 應(yīng)，外加扭矩顯著降低群樁水平承載能力；群樁中 各基樁內(nèi)力也表現(xiàn)出明顯的差異，且隨著偏心距增 加，差別更加明顯；樁頭水平剪力與扭轉(zhuǎn)反對(duì)抵抗 外加扭矩都發(fā)揮了重

11、要作用。本文的研究是上述研究工作的繼續(xù)和深入。通 過雙樁基礎(chǔ)的水平偏心加載大尺寸模型試驗(yàn)，進(jìn)一 步驗(yàn)證和揭示荷載偏心條件下樁基的受力和變形規(guī) 律；采用 ABAQUS 有限元數(shù)值對(duì)該雙樁試驗(yàn)結(jié)果 進(jìn)行模擬，并通過進(jìn)一步分析揭示不同偏心距對(duì)雙 樁基樁受力和變形特性的影響。6040200100103102101土粒直徑/mm圖 1 模型土樣的顆粒級(jí)配曲線Fig.1 Particle size distribution curve of model soil給出了試驗(yàn)土樣的顆粒級(jí)配曲線，由圖可見，試驗(yàn)土體顆粒較均勻，不均勻系數(shù)為 2.56。土體的主要13指標(biāo)見表 1。表 1 地基土主要性質(zhì)參數(shù)13Ta

12、ble 1 Main properties of model soil13最大干密度/有效土粒相對(duì)密度最優(yōu)含水量/%有效內(nèi)摩擦角/(°)塑性黏聚力/ 液限/% 塑限/%指數(shù)kPa3(g·cm )2.691.571830132239模型土體采用分層振實(shí)法填筑，每層填土質(zhì)量和振實(shí)過程保持一致，保證制備土體有較好均勻度， 土體填筑到預(yù)定標(biāo)高后通過水位控制系統(tǒng)飽和。振 實(shí)機(jī)械采用 NZH 型振實(shí)機(jī)，振實(shí)力 2 0 kN，振動(dòng)頻 率 22 Hz，總質(zhì)量 190 kg。填土前控制土體含水量14%16%；采用分區(qū)方式控制放土量，使每區(qū)塊 土體達(dá)到控制質(zhì)量，平整各區(qū)域土體使土體均勻分 布。

13、振實(shí)機(jī)械蛇行前進(jìn)往復(fù)振實(shí)，振實(shí)過程中機(jī)械 行走路線與已振實(shí)部分重疊 1/2，經(jīng) 3 次振實(shí)該層填 土厚度達(dá)到 20 cm。土體填筑到預(yù)定標(biāo)高后，通過 試驗(yàn)槽底部設(shè)置的進(jìn)水網(wǎng)路向土層中緩慢注水，使 粉土層達(dá)到飽和。土體填筑過程中，采用環(huán)刀法測(cè)量每層土體密 度，采用烘干法測(cè)量土體含水量，從而計(jì)算得到土 體的平均飽和密度為 1.78 g/m3。最后選擇 9 個(gè)不同 位置進(jìn)行靜力觸探試驗(yàn)，測(cè)得平均側(cè)摩阻力和錐尖 阻力分別為 8 和 1 200 kPa。地基土的制備方法和測(cè) 試結(jié)果可參考王書行等6，8的研究。2.3 模型樁基本試驗(yàn)?zāi)Ｐ蜆恫捎?2 根長 6 m、外徑 0.114 m、2試驗(yàn)概況2.1 試驗(yàn)

14、模型槽本試驗(yàn)在浙江大學(xué)軟弱土與環(huán)境土工教育部重 點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的大型土工物理模型試驗(yàn)槽中進(jìn)行。該試 驗(yàn)槽尺寸為 15 m×5 m×6 m(長×寬×深)，主體采用鋼 結(jié)構(gòu)，梁柱上通過卡扣安裝反力橫梁，各種加載及 量測(cè)裝置可以安裝于反力梁上。試驗(yàn)槽安裝有一套 水位控制系統(tǒng)用于飽和土體和調(diào)節(jié)水位。該系統(tǒng)由 試驗(yàn)槽底部管網(wǎng)、水箱和上水壓力泵組成。該試驗(yàn) 槽已用于模擬多種復(fù)雜條件下的巖土工程問題6-12。2.2 試驗(yàn)土樣制備模型試驗(yàn)用地基土為錢塘江邊采集的粉土。圖 1小于某粒徑土累計(jì)質(zhì)量百分比/% 4176 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2013 年壁厚 4.5 mm 的無縫鋼管，

15、在樁端焊接高 0.11 m 的錐形樁尖形成閉口樁。承臺(tái)利用 2 根工字鋼焊接而 成，尺寸為 0.57 m×0.26 m×0.30 m(長×寬×高)。2 樁 間距為 3 倍樁徑，即 0.342 m，模型樁頂高出承臺(tái)上 表面 50 mm，如圖 2 所示。力。土面以下也布置了 8 道應(yīng)變片測(cè)量彎矩及扭矩沿樁身分布。2.4 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)過程本試驗(yàn)設(shè)計(jì)了一套壓樁裝置來完成模型樁的壓 入。該裝置由鋼框架和液壓油缸組成。鋼框架固定 于模型槽反力梁上，液壓油缸安裝在鋼框架頂端的 橫梁上。打樁時(shí)，先將單根鋼管模型樁放入壓樁架， 調(diào)整液壓油缸與鋼管模型樁在同一鉛垂線上；然

16、后 控制液壓油缸將模型樁勻速壓入土中；當(dāng)液壓油缸 達(dá)到最大行程后，縮回油缸作動(dòng)桿，在樁頭連接套 延長筒，然后繼續(xù)壓樁；重復(fù)上述過程直到將單樁 壓到設(shè)定深度。采用上述裝置，按照先樁 P2、后樁 P1 的順序 (基樁編號(hào)見圖 3)將 2 根樁壓入土體中 3.52 m 深度， 然后現(xiàn)場拼裝工字鋼，將工字鋼翼緣與鋼樁焊接牢 固，在工字鋼與模型樁之間的空隙填筑混凝土。另 在承臺(tái)側(cè)邊焊接一延長臂作為水平加載臂，荷載偏 心距為 320 mm，如圖 3 所示。圖 3 還給出了試驗(yàn)加載及測(cè)量裝置的布置情 況。水平荷載通過鋼絲繩繞過固定滑輪懸掛重物的 方式施加，水平荷載大小由連接在鋼絲繩前端的軸力計(jì)測(cè)量。為獲得承

17、臺(tái)位移，在 y 向布置了 4 支LVDT 測(cè)量水平位移及轉(zhuǎn)角，在承臺(tái)上方布置 3 支 激光傳感器監(jiān)測(cè)承臺(tái)豎向位移及傾覆角。從完成壓樁工作到開始加載試驗(yàn)通常需要 3 d時(shí)間。加載過程采用快速維持荷載法加載，即在每 級(jí)荷載加載后維持 1 h，按 5，10，15，30，45，60min 測(cè)讀樁頭扭轉(zhuǎn)角，然后施加下一級(jí)荷載。為進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，本文在同一場地還開展了單 樁水平靜載試驗(yàn)和扭轉(zhuǎn)加載試驗(yàn)。其中，單樁扭轉(zhuǎn)加載試驗(yàn)采用樁頭反對(duì)稱連接鋼絲繩懸掛重物的方式實(shí)現(xiàn)加載，該單樁試驗(yàn)詳細(xì)介紹參見王書行6的 研究。P2P1第 10 道第 9 道第 8 道第 7 道道MM N MM N M第 6 道第 5 道9 道

18、 MM T MM T M第 4 道x'y'x'y'x'第 3 道彎矩應(yīng)變片軸力應(yīng)變片第 2 道扭矩應(yīng)變片第 1 道圖 2 模型樁應(yīng)變片布置(單位：mm)Fig.2 Layout of strain gauges along model piles(unit：mm)為測(cè)量樁頭內(nèi)力，在承臺(tái)下 1.0 和 1.3 m 位置樁身布置 2 道應(yīng)變片，如圖 2 所示。每道彎矩應(yīng)變片 沿 y 和 x 水平 2 個(gè)方向(見圖 3)各布置 1 組橋路，即 樁身同一高度設(shè)置互成 90°的 2 組橋路。根據(jù)實(shí)測(cè) 的 2 道彎矩值即可計(jì)算得到相應(yīng)方向上的樁頭剪水平荷載

19、3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1 承臺(tái)荷載位移曲線圖 4 給出了水平荷載承臺(tái)水平位移曲線。承 臺(tái)水平位移指承臺(tái)中心點(diǎn)(圖 3 中點(diǎn) O)在 y 向的位 移。在 110 mm 的水平位移范圍內(nèi)，水平荷載隨位 移呈近似線性增加。圖 4 中也給出了單樁水平靜載試 驗(yàn)曲線，雙樁基礎(chǔ)水平荷載承臺(tái)水平位移曲線與水平受荷單樁變形規(guī)律相似。圖 5 給出了外加扭矩 與承臺(tái)扭轉(zhuǎn)角曲線。在 1°左右位置存在明顯的拐點(diǎn)。加載臂激光計(jì)yy'O(O¢)圖 3 試驗(yàn)加載及測(cè)量裝置(單位：mm)Fig.3 Loading and measuring devices for the model test(un

20、it：mm)300260600500500400 400 400 400 940 300 1 000 350LVDTLVDT位移計(jì)位移計(jì)570342P2OP1320x' xLVDTLVDT位移計(jì)位移計(jì)TNM承臺(tái)350地基表面1 000300940400第 10第 1400400400500500600第 32 卷 增 2孔令剛等：偏心距對(duì)水平受荷雙樁基礎(chǔ)響應(yīng)影響 4177 3.2 基樁樁頭內(nèi)力受水平偏心荷載的雙樁基礎(chǔ)，由于荷載垂直于2 樁連線，水平力和扭矩產(chǎn)生的基樁樁頭剪力和樁 頭位移在同一方向，因此可以得到基樁樁頭剪力 水平位移曲線，如圖 7 所示。圖中，基樁樁頭水平 位移是通過承臺(tái)

21、水平位移和承臺(tái)扭轉(zhuǎn)角度計(jì)算得到 的。實(shí)測(cè)承臺(tái)存在 x 向位移，但僅為 y 向位移的 1/11， 在基樁樁頭水平位移計(jì)算時(shí)忽略該影響。圖中樁頭 剪力采用 y 向應(yīng)變片實(shí)測(cè)值。在加載過程中，樁身 應(yīng)變片會(huì)隨基樁一起旋轉(zhuǎn)，如圖 3 所示，由 y 軸至 y¢軸，最大轉(zhuǎn)動(dòng)了 6°(見圖 5)，因此在 x 向應(yīng)變片測(cè) 到樁頭剪力，約為 y 向的 1/10。雖然應(yīng)變片所測(cè)剪 力不是 y 向樁頭剪力，由于轉(zhuǎn)動(dòng)角度下，應(yīng)變片實(shí) 測(cè)值與樁頭 y 向的剪力值相差小于 1%，因此可以采 用實(shí)測(cè)值作為樁頭 y 向剪力。65單樁水平靜載數(shù)值結(jié)果43210020406080100120承臺(tái)水平位移/mm

22、圖 4水平荷載承臺(tái)水平位移曲線Fig.4 Applied load-horizontal displacement curves of pile cap2 0001 6001 2006試驗(yàn)結(jié)果5數(shù)值結(jié)果8004數(shù)值結(jié)果400數(shù)值結(jié)果30012345672承臺(tái)扭轉(zhuǎn)角/(°)圖 5 外加扭矩承臺(tái)扭轉(zhuǎn)角曲線Fig.5 Applied torque-twist angle curves of pile cap10020406080100 120 140 160樁頭水平位移/mm當(dāng)轉(zhuǎn)角小于 1°時(shí)，扭轉(zhuǎn)剛度較大；當(dāng)超過 1°，扭矩的增長明顯減緩但仍呈線性變化。該規(guī)律與陳仁朋

23、 等2，5的試驗(yàn)結(jié)果相似。圖 6 給出了 y 向承臺(tái)傾覆 角隨水平荷載的變化關(guān)系。試驗(yàn)測(cè)得承臺(tái)最大傾覆 角為 2°，且傾覆角隨水平荷載近似呈線性變化。圖 7 基樁樁頭剪力水平位移曲線Fig.7 Pile-head shear force-horizontal displacement curves由圖 7 可見，靠近加載點(diǎn)的 P1 隨著樁頭位移增加，其剪力近似線性增大；而遠(yuǎn)離加載點(diǎn)的 P2 剪力 則增加緩慢，當(dāng)位移大于 50 mm 后，剪力出現(xiàn)下降。 圖 7 也給出了單樁水平加載下的樁頭荷載水平位 移曲線。對(duì)比單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，P1 的水平承載能力增強(qiáng)明顯，而 P2 則明

24、顯減弱。上述 現(xiàn)象可結(jié)合樁頭彎矩變化規(guī)律加以分析。圖 8 給出了基樁樁頭彎矩隨水平荷載的變化規(guī) 律。樁頭彎矩由土面上 2 道應(yīng)變片(第 9 和第 10 道) 數(shù)據(jù)外推到加載點(diǎn)高度得到。由圖 8 可見，P1，P2 樁頭彎矩在加載過程中大小基本相等，而方向相反。 在水平偏心受荷的雙樁基樁中，與 2 樁連線垂直的 水平力不會(huì)在樁頭產(chǎn)生彎矩，而由于偏心產(chǎn)生的扭 矩則會(huì)在樁頭產(chǎn)生大小相等、方向相反的彎矩。P165432數(shù)值結(jié)果100.00.51.01.52.02.5承臺(tái)傾覆角/(°)圖 6 水平荷載承臺(tái)傾覆角曲線Fig.6 Applied horizontal load-rotation an

25、gle curves of pile cap扭矩/(N·m)水平荷載/kN水平荷載/kN樁頭剪力/kN 試驗(yàn)結(jié)果P1 P2單樁 單樁 P1P2水平靜載試驗(yàn)結(jié)果 水平靜載數(shù)值結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果 數(shù)值結(jié)果 雙樁試驗(yàn)結(jié)果 雙樁數(shù)值結(jié)果 單樁水平靜載試驗(yàn)結(jié)果 4178 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2013 年這一規(guī)律與 L. G. Kong 等3-5在群樁扭轉(zhuǎn)加載試驗(yàn)及陳仁朋等2在 3×3 群樁偏心加載試驗(yàn)結(jié)果較一 致。對(duì)于 P1，水平向位移和荷載較大，因此耦合作 用更為明顯，表現(xiàn)為承擔(dān)的扭矩隨轉(zhuǎn)角持續(xù)增加， 且達(dá)到一定轉(zhuǎn)角后大于 P2。由于 P2 樁頭剪力和彎 矩均促進(jìn)樁頭水平位移沿同一方向發(fā)展

26、，因此小扭 轉(zhuǎn)角下樁身頭扭轉(zhuǎn)反力大于 P1；隨著荷載增加，樁 頭剪力下降(見圖 7)和樁頭彎矩增加(見圖 8)同時(shí)出 現(xiàn)，P2 樁頭扭轉(zhuǎn)反力不再增長。3.3 荷載分配規(guī)律圖 10 給出了 2 根樁在加載過程中承擔(dān)水平外荷 載的比例關(guān)系。總體而言，P2 在加載過程中所承擔(dān) 的剪力小于 P1，并且 2 樁之間的差異隨加載不斷增 大。圖 11 給出了群樁偏心加載過程中樁頭扭矩占總 扭矩的比例變化，該比例從開始的 97%下降至 70% 左右。實(shí)際上，各基樁的樁頭扭矩及樁頭剪力形成 的力矩都對(duì)抵抗扭轉(zhuǎn)荷載有貢獻(xiàn)。圖 11 說明，加載 初期，當(dāng)群樁水平位移和轉(zhuǎn)角較小時(shí)，外加扭矩主 要由各基樁的扭轉(zhuǎn)反力來承

27、擔(dān)；隨著荷載增加，水 平變形引起的土體反力對(duì)群樁抗扭的貢獻(xiàn)不斷增 大。該規(guī)律同群樁扭轉(zhuǎn)離心機(jī)試驗(yàn)3-5和 3×3 模型試 驗(yàn)2得到的規(guī)律一致。54321012345P2 試驗(yàn)結(jié)果0123水平荷載/kN456圖 8基樁樁頭彎矩水平荷載曲線Fig.8 Pile-head bending moment-horizontal displacementcurves樁頭彎矩抑制了樁頭水平荷載方向上的水平位移，而 P2 樁頭頂彎矩促進(jìn)了樁頭水平位移的發(fā)展，因 此圖 7 中 P2 樁頭剪力在位移相等的情況下，剪力 明顯小于 P1，且隨著樁頭彎矩的增加，2 樁剪力差 異不斷增大。圖 8 中，當(dāng)荷載大于

28、 3 kN 時(shí)，樁頭彎 矩隨荷載增加明顯，這能解釋當(dāng) P2 樁頭位移大于50 mm 時(shí)，剪力隨位移出現(xiàn)下降的規(guī)律。圖 9 給出了 P1 和 P2 的樁頭扭矩扭轉(zhuǎn)角曲線。 可以看出，在水平偏心荷載下，群樁中 2 基樁的扭 轉(zhuǎn)性狀明顯不同。在初始階段，2 樁承擔(dān)扭矩均隨 轉(zhuǎn)角增大而迅速增大，其中 P2 增長更快，當(dāng)扭轉(zhuǎn)角 達(dá)到 1°后，P1 扭矩繼續(xù)隨轉(zhuǎn)角增加，而 P2 扭矩則 緩慢增加趨于恒定值(550 N·m)。圖 9 還給出了單樁 扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)的樁頭扭矩扭轉(zhuǎn)角曲線，可以看出，單樁 在扭轉(zhuǎn)角約等于 1°時(shí)達(dá)到 270 N·m 的極限扭矩。 相比單樁，雙樁基礎(chǔ)

29、中的基樁抗扭承載能力均顯著 提高。這說明樁頭剪力和彎矩對(duì)樁頭扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生影響， 即群樁中水平與扭轉(zhuǎn)荷載之間存在耦合效應(yīng)。10080604020P1 數(shù)值結(jié)果700001 0002 0003 0004 0005 0006 000水平荷載/N600500圖 10基樁剪力分配曲線Fig.10 Pile-head shear force contribution to applied loads400300數(shù)值分析4200P1 數(shù)值結(jié)果P2 數(shù)值結(jié)果單樁扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果100為了進(jìn)一步研究不同偏心距對(duì)雙樁基礎(chǔ)受荷性狀的影響，本文采用大型有限元程序 ABAQUS 對(duì) 雙樁基礎(chǔ)進(jìn)行了模擬。ABAQUS 建模過程中

30、，樁身材料采用線彈性模001234567樁頭扭轉(zhuǎn)角/(°)圖 9 基樁樁頭扭矩扭轉(zhuǎn)角曲線Fig.9 Pile-head torsion-twist angle curves樁頭扭矩/(N·m)樁頭彎矩/(kN·m)樁頭剪力占水平外荷載比例/%P1 試驗(yàn)結(jié)果P2 試驗(yàn)結(jié)果單樁扭轉(zhuǎn)數(shù)值結(jié)果P1 試驗(yàn)結(jié)果 P2 試驗(yàn)結(jié)果P2 數(shù)值結(jié)果P1 試驗(yàn)結(jié)果 P1 數(shù)值結(jié)果P2 數(shù)值結(jié)果第 32 卷 增 2孔令剛等：偏心距對(duì)水平受荷雙樁基礎(chǔ)響應(yīng)影響 4179 6100580460基樁扭矩承擔(dān)試驗(yàn)結(jié)果3基樁剪力承擔(dān)試驗(yàn)結(jié)果基樁扭矩承擔(dān)數(shù)值結(jié)果40基樁剪力承擔(dān)數(shù)值結(jié)果2偏心加載 e

31、= 2.8D120002040608010012000400800120016002000承臺(tái)水平位移/mm扭矩/(N·m)圖 12 不同荷載偏心下雙樁承臺(tái)荷載水平位移曲線Fig.12 Applied load-horizontal displacement curves of two-pile subjected to lateral loading with different eccentricities圖 11樁頭剪力和扭矩對(duì)總扭矩的貢獻(xiàn)Fig.11 Contributions of pile-head shear forces and torques toapplied t

32、orque2 0001 7501 500型，土體采用莫爾庫侖模型，樁土單元均采用C3D8R(8 節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分)單元，在樁土接 觸面處設(shè)置 3 節(jié)點(diǎn)接觸單元，法向采用“硬接觸” 允許樁土脫開分離，切向采用彈性庫侖摩擦模型。 根據(jù)孔令剛等14的方法，由雙橋靜力觸探結(jié)果計(jì)算 確定土體的彈性模量值為 8 MPa。圖 4 對(duì)比了單樁 水平加載的數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果，兩者吻合較好。 根據(jù)單樁扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)結(jié)果，經(jīng)過試算確定樁土接觸單 元摩擦因數(shù)為 0.6，圖 9 表明計(jì)算結(jié)果和單樁扭轉(zhuǎn)試 驗(yàn)結(jié)果吻合。但采用 0.6 的摩擦因數(shù)并未得到與雙 樁試驗(yàn)結(jié)果相吻合的計(jì)算結(jié)果。可能是由于壓樁施 工產(chǎn)生的 2 樁之

33、間相互影響增加了樁身正壓力，從 而提高了樁身側(cè)摩阻力。為獲得與試驗(yàn)接近的數(shù)值 結(jié)果，采用提高摩擦因數(shù)的方法，經(jīng)試算確定摩擦 因數(shù)為 0.7。圖 9 中給出了數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì) 比。計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)曲線的差異可能與壓樁順序和 施工擾動(dòng)等因素有關(guān)。后壓入土中的 P1 會(huì)增加 P2 樁周的土壓力，從而提高 P2 的抗扭能力。圖 411 給出了數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比情 況。對(duì)于雙樁基礎(chǔ)的整體變形，數(shù)值分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。圖 10，11 中數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)曲線 的差異主要來源于圖 9 中樁頭扭轉(zhuǎn)反力的差異。圖 411 的對(duì)比說明建立的 ABAQUS 模型能夠模 擬水平偏心加載雙樁基礎(chǔ)的基本規(guī)律。

34、1 2501 000750500偏心加載 e = 2.8D2500012345678承臺(tái)轉(zhuǎn)角/(°)圖 13 不同荷載偏心下雙樁承臺(tái)扭矩轉(zhuǎn)角曲線Fig.13 Applied torque-twist angle curves of two-pile group subjected to lateral loading with different eccentricities載承臺(tái)水平位移曲線及外加扭矩扭轉(zhuǎn)角曲線。由圖 12 可見，群樁水平剛度隨偏心距的增大有所降 低，說明偏心距對(duì)雙樁基礎(chǔ)的水平變形性狀有影響。 圖 13 顯示偏心距對(duì)承臺(tái)抗扭能力的影響較小。上述 規(guī)律同陳仁朋等2的研

35、究一致，但其研究中 3×3 群 樁中偏心距對(duì)群樁水平承載能力影響較大，其主要 原因可能在于雙樁基礎(chǔ)中的樁周土應(yīng)力疊加效應(yīng)與3×3 群樁相比不明顯，即群樁效應(yīng)較弱。上述偏心距 引起的承臺(tái)水平位移增加應(yīng)主要由土的非線性導(dǎo)致。 圖 14(a)給出了不同工況下群樁基樁的樁頭剪 力水平位移關(guān)系。隨著偏心距的增加，相同位移 下 P1 承擔(dān)的剪力不斷增加；而 P2 出現(xiàn)了從樁頭剪 力隨位移下降到樁頭剪力與位移反向再到樁頭剪力 與位移同向(如雙樁受純扭)的變化過程。 3×3 群樁 試驗(yàn)2同樣發(fā)現(xiàn)，當(dāng)荷載偏心距較大時(shí)，不同位置 基樁樁頭剪力無論方向和大小都存在巨大的差異。利用該模型

36、又分別計(jì)算了偏心距為4.2D(480mm)和 5.6D(640 mm)、純扭轉(zhuǎn)加載及水平加載 4 種工況，其中 D 為樁徑。圖 12，13 分別給出了不同加載條件下水平荷分擔(dān)比例/%扭矩/(N·m)水平荷載/kN 扭轉(zhuǎn)加載 偏心加載 e = 4.2D偏心加載 e = 5.6D 水平加載 偏心加載 e = 4.2D偏心加載 e = 5.6D 4180 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2013 年10700860065004004P2：扭轉(zhuǎn)加載 水平加載P1：e = 2.8D23002000 P1：e = 2.8D P2：e = 2.8D2100P1：e = 5.6DP2：e = 5.6D404004

37、080水平位移/mm12016020001234扭轉(zhuǎn)角/(°)5678(a) 樁頭剪力水平位移曲線圖 15 不同荷載偏心下雙樁基樁扭矩扭轉(zhuǎn)角曲線Fig.15 Pile-head torque-twist angle curves of two piles under different load eccentricities1083 000 N，P13 000 N，P2616124284002481216401D2D3D偏心距4D5D6DP1：e= 5.6D(b) 樁頭剪力隨偏心距變化規(guī)律圖 14 偏心距對(duì)基樁樁頭剪力的影響Fig.14 Effect of eccentricity

38、on pile-head shear forces01 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000水平荷載/N圖 16 不同荷載偏心下基樁樁頭彎矩Fig.16 Variation of pile-head bending moments under different load eccentricities圖 14 (b) 給出了基樁樁頭剪力隨偏心距變化規(guī)律。當(dāng)水平荷載無偏心時(shí)，2 樁樁頭水平反力相同，隨 著偏心距增加，2 樁樁頭剪力出現(xiàn)明顯差異；在一 定偏心距下，P2 樁頭剪力反向，而 P1 樁頭剪力數(shù) 值仍為最大；當(dāng)受到純扭荷載時(shí)，2 樁樁頭剪力大 小再次相等，但方

39、向相反(見圖 14(a)。從圖 14 中還 可以發(fā)現(xiàn)，樁頭剪力出現(xiàn)反向的情況不但受偏心距 的影響還與所受荷載大小有關(guān)。圖 15 給出了不同偏心距下各基樁扭矩隨扭轉(zhuǎn) 角的發(fā)展情況。不同偏心距下，P1 承擔(dān)的扭矩均大 于 P2；相同扭轉(zhuǎn)角條件下，偏心距越大，2 基樁的 扭轉(zhuǎn)反力越小，說明荷載耦合效應(yīng)影響隨偏心距增 加有所減弱。圖 16 給出了不同偏心距下基樁樁頭彎矩隨荷 載的發(fā)展情況，由圖可知，2 基樁始終承擔(dān)大小相 等、方向相反的樁頭彎矩。相同荷載下，偏心距增 大，承臺(tái)約束引起的樁頭彎矩也增加。當(dāng)水平荷載 為 5 kN 時(shí)，偏心距由 2.8D 增加到 5.6D，P2 樁頭彎 矩由 3.6 kN&

40、#183;m 增加為 11.1 kN·m，即偏心距增大 1倍，樁頭彎矩增加 2.1 倍。綜上所述，偏心距增加會(huì)顯著增大雙樁基礎(chǔ)中 基樁樁頭剪力和彎矩，因此荷載偏心會(huì)導(dǎo)致基礎(chǔ)在 較小的荷載下出現(xiàn)樁頭彎曲或剪切破壞。圖 17 給出了不同偏心距條件下 P1 樁頭剪力占 水平荷載的比例情況。圖 17 說明，荷載偏心距越大， P1 承擔(dān)的比例越高；偏心距較大時(shí)，P1 樁頭剪力 大小可能大于水平外荷載，P2 相應(yīng)產(chǎn)生反方向的剪 力。圖 18 給出了不同偏心距條件下基樁樁頭扭矩 反力占外加扭矩的比例情況，由圖可見，隨著偏心 距的增大，基樁扭矩所占外加扭矩的比例有所減小， 但均大于雙樁基礎(chǔ)僅受到扭矩

41、的情況。值得注意的是，圖 17，18 中曲線在起始階段均 較為平緩，該階段基樁樁頭剪力與外加水平荷載同 步增加，基樁扭轉(zhuǎn)反力對(duì)抵抗外加扭矩荷載主導(dǎo)作 用；而當(dāng)承臺(tái)扭轉(zhuǎn)角達(dá)到 1°時(shí)，基樁扭轉(zhuǎn)剛度減小樁頭剪力/kN樁頂剪力/kN樁頂彎矩/(103 N·m)扭矩/(N·m)P1：e = 2.8D P2：e = 2.8D P1：e = 4.2D P2：e = 4.2DP2：e = 5.6D1 000 N，P1 1 000 N，P25 000 N，P15 000 N，P2 P1，P2 扭轉(zhuǎn)加載 P1：e = 4.2D P2：e = 4.2DP1：扭轉(zhuǎn)加載P1，P2 P2：

42、e = 2.8D P1：e = 4.2DP2：e = 4.2DP1：e = 5.6DP2：e = 5.6D第 32 卷 增 2孔令剛等：偏心距對(duì)水平受荷雙樁基礎(chǔ)響應(yīng)影響 4181 異，且隨水平荷載增加不斷加大，試驗(yàn)結(jié)果中樁頭剪力相差達(dá) 4.5 倍，數(shù)值分析表明，隨偏心距增加，2 基樁樁頭剪力出現(xiàn)方向不一致情況，基樁樁頭剪 力與位移出現(xiàn)反向。(3) 水平和扭轉(zhuǎn)荷載的耦合作用使基樁扭轉(zhuǎn)剛 度較單樁明顯增加；數(shù)值結(jié)果表明，偏心距增加使 該耦合效應(yīng)影響減少。(4) 基樁扭轉(zhuǎn)反力對(duì)抵抗外加扭矩的貢獻(xiàn)隨著 水平荷載增加減小，樁頭剪力所占總扭矩的比例越 來越大，數(shù)值分析表明，偏心距增大，基樁扭轉(zhuǎn)反 力的貢獻(xiàn)

43、下降，最大降幅為 10%。200150P1:e = 4.2D10050001 0002 0003 0004 0005 0006 000水平荷載/N圖 17 不同荷載偏心距下 P1 樁頭剪力占水平外荷載比例Fig.17 Variation of pile-head shear force contribution of P1 with load eccentricity參考文獻(xiàn)(References)：1001VICKERY B J. Wind effects on building and structure-critical80unsolved problemsC/ Proceedings

44、of the IAHR/IUTAM Practical60Experiences with Flow-induced Vibrations Symposium. Karlsruhe，40Germany：s. n.，1979：823828.陳仁朋，王書行，孔令剛，等. 不同水平偏心距下群樁內(nèi)力變化規(guī)220律試驗(yàn)研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011，30(3) ：603609.0(CHEN Renpeng，WANG Shuhang，KONG Linggang. Test investigation04008001 2001 6002 000扭矩/(N·m)圖 18 不同荷載偏心距下基樁

45、樁頭扭矩占外加扭矩比例Fig.18 Variation of percent of pile-head torsques to applied torque with load eccentricityon distribution of internal forces in pile groups under different lateraleccentricitiesJ. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2011，30(3)：603609.(in Chinese)KONG L G，ZHANG L M. Centrifug

46、e modeling of torsionally loaded pile3(見圖 15)，樁頭剪力開始更多地參與抵抗外加扭矩，因此圖 17 中曲線開始迅速上升，相應(yīng)地，圖 18 中 基樁扭轉(zhuǎn)反力占外加扭矩比例逐漸降低。groupsJ. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering，2007，133(11)：1 3741 384.KONG L G，ZHANG L M. Experimental study of interaction and4coupling effects in pile groups subjected

47、to torsionJ. Canadian5結(jié)論Geotechnical Journal，2008，45(7)：1 0061 017.ZHANG L M，KONG L G. Centrifuge modeling of torsional response5本文通過雙樁基礎(chǔ)的大比尺模型試驗(yàn)研究了水平偏心荷載下基樁的受力變形性狀，采用 ABAQUS 模型分析了荷載偏心對(duì)雙樁基礎(chǔ)工作性狀的影響， 得到了以下結(jié)論：(1) 荷載偏心對(duì)雙樁基礎(chǔ)水平變形有一定影 響，水平剛度隨偏心距的增加而降低；數(shù)值分析表 明，基樁中存在的水平與扭轉(zhuǎn)荷載的耦合作用影響 不同偏心矩下雙樁基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)變形，但影響較小。(2) 水

48、平偏心荷載導(dǎo)致雙樁基礎(chǔ)中基樁的不均 勻受力，基樁樁頭剪力及扭矩等內(nèi)力存在較大的差of piles in sandJ. Canadian Geotechnical Journal，2006，43(5)：500515.王書行. 水平偏心荷載下群樁受荷性狀模型試驗(yàn)及設(shè)計(jì)方法研究6碩士學(xué)位論文D. 杭州：浙江大學(xué)，2011.(WANG Shuhang. Modeltests investigation and design method of the behavior of the pile groupunder eccentrically lateral loadingM. S. ThesisD.

49、Hangzhou ：Zhejiang University，2011.(in Chinese)陳仁朋，張革強(qiáng)，孔令剛，等. 飽和及非飽和粉土中擴(kuò)底樁極限上7拔承載力大尺寸模型試驗(yàn)研究J. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2010，分擔(dān)比例/%樁頭剪力占水平外荷載比例/% 扭轉(zhuǎn)加載e = 2.8D e = 4.2De = 5.6DP1:水平加載P1:e = 2.8DP1:e = 5.6D 4182 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)2013 年29(5)：1 0681 074.(CHEN Renpeng，ZHANG Geqiang，KONGJournal of Geotechnical Engineering，2010，32(4)：521530.(in Chinese)Linggang，et al. Large-scale tests on uplift ultimate bearing capacities羅 軍. 船舶撞擊作用下高樁的水平大變形性狀及柔性護(hù)墩樁式11防撞系統(tǒng)研究碩士學(xué)位論文D. 杭州：浙江大學(xué)，2008.(LUO Jun.of enlarged base piles in saturated and unsaturated silty soilsJ.Chinese Journal of Rock Mechanics