原 华 谢俊南 张红忠 周 哲

（1河南大学土木建筑学院，河南 开封 475004；2.河南大学循环与功能建材实验室，河南 开封 475004）

楔形单桩水平承载特性研究

原 华1，2谢俊南1张红忠1周 哲1

（1河南大学土木建筑学院，河南 开封 475004；2.河南大学循环与功能建材实验室，河南 开封 475004）

通过对粉土中水平荷载作用下楔形桩的承载特性进行数值模拟，并与同等条件下等体积圆桩的承载特性进行对比，发现与同等条件下等体积圆桩相比，楔形桩水平承载力较之提高近10%，楔形桩身最大正弯距出现位置与同体积圆桩位置基本吻合，最大负弯矩出现位置比圆桩上升了12.5%，楔形桩桩周土体位移比圆桩减小约8.2%。这说明在水平荷载作用下楔形桩较等体积圆桩有更好的承载特性。

楔形桩；水平位移；桩身弯矩；水平承载

1 研究背景

楔形桩由于其特殊的楔形侧面，与等截面桩相比，单位承载力能显著提高，且节省材料。在楔形桩竖向承载力和侧摩阻力问题方面，孔纲强等［1-3］得出楔形角能有效降低桩顶下拽位移，楔形桩中性点位置随着地面堆载等级的增加而降低。刘杰［4］等对楔形桩和圆柱形桩复合地基进行了模型对比试验，证明圆柱形桩在复合地基中的承载力明显低于楔形桩的承载力。在楔形桩单桩水平承载力方面，周航、孔纲强、曹兆虎［5］分析基桩形式、桩体性质及水平荷载等级等因素对楔形桩水平向承载力特性的影响规律。这些研究多集中在普通地基及复合地基中楔形桩的竖向承载力和侧摩阻力方面，而楔形桩与等体积圆桩在水平荷载作用下对比研究并未涉及。本文以开封市粉土地基中的楔形单桩为研究对象，借助数值模拟的方法研究楔形单桩的水平承载特性，并从桩体受力、桩身弯矩和桩周土体位移三个方面与等体积（等截面等长度）的圆桩进行对比。

2 数值模型

用ABAQUS软件建立楔形及等体积圆形单桩模型。楔形桩上桩径D1取0.75m，下桩径D2取0.5m，长度h取10m，楔形角是0.7°。圆桩直径取0.625m，与楔形桩等侧面积等长度。土体边长取20D1，深度取2h。依次选用弹性和Mohr-Coulomb模型模拟桩、土。其中，桩体材质为钢筋混凝土，弹性模量取30GPa，天然密度为2 500kg/m3,泊松比取0.16；参照开封地区粉土特性，土体弹性模量取8MPa，粘聚力取5kPa，内摩擦角21°，密度为1 900kg/m3，泊松比为0.25，摩擦系数设成0.3。

3 计算结果分析

3.1 桩体水平方向承载特性

图1显示了楔形桩及圆桩桩顶的荷载位移曲线。对比两条曲线可得：在水平荷载作用下，两条曲线的变化趋势基本一致，随着水平荷载的增大，桩顶处水平位移逐渐增大。两条变形曲线基本呈现三个阶段的变化：直线、弹塑性变形、破坏阶段。模型中桩顶水平位移未能达到10mm，若依据桩基规范，取水平位移6mm所对应的荷载的75%作为单桩水平承载力特征值，则楔形桩的单桩水平承载力特征值约为51.25kN，比圆桩提高了近10%。

图1 荷载位移曲线

3.2 桩身弯矩

图2、图3为楔形桩及圆桩的桩身弯矩曲线。由图可得，桩体未破坏前，随着荷载等级的增加，楔形桩和圆桩的桩身弯矩沿着桩深方向均呈先增大后减小的近似变化趋势。楔形桩的桩身最大正弯矩值出现位置同圆桩，弯矩为零位置出现在约0.6倍桩身处，比圆桩上升了33%，最大负弯矩值出现在约0.8倍桩长处，比圆桩上升了12.5%，楔形桩总体弯矩变化范围较圆桩广。

图2 楔形桩桩身弯矩曲线图

图3 圆桩桩身弯矩曲线

3.3 土体位移

相同水平荷载作用下，圆桩周围土体最大位移约是9.25mm，楔形桩周围土体最大位移约是8.58mm，楔形桩比圆桩周围土体位移变形小约8.2%，且圆桩土体出现明显的隆起现象。同等水平荷载作用下，楔形桩比常规等直径桩能承受更大荷载，桩体能分担较多水平荷载，减小传递到土层中的力，对周围土体产生小的扰动，桩周土不易丧失稳定性。

4 结论

①水平荷载作用下，楔形桩比等体积圆桩能承受更大的荷载，相比圆桩水平承载力提高近10%。

②楔形桩的最大正弯距与等体积圆桩的位置相同，均在0.2倍桩长左右，最大负弯矩约位于距桩顶0.6倍桩长处，出现位置较圆桩上升了12.5%。

③同等水平荷载作用下，楔形桩周围土体的水平位移变化比等体积圆桩小约8.2%，说明在水平荷载作用下楔形桩较等体积圆桩有更好的承载特性。

［1］孔纲强.堆载条件下现浇扩底楔形群桩负摩阻力特性研究［J］.岩土工程学报，2011（1）：364-368.

［2］孔纲强，孙学谨，曹兆虎，等.楔形桩与等截面桩中性点位置可视化对比模型试验［C］//中国土木工程学会全国土力学及岩土工程学术大会.中国土木工程学会第十二届全国土力学及岩土工程学术大会论文摘要集.2015.

［3］孔纲强，顾红伟，周立朵，等.低承台扩底楔形桩群桩效应系数研究［J］.岩土力学，2016（2）：461-468.

［4］刘杰，何杰，闵长青.夯实水泥土楔形桩复合地基中桩的合理楔角范围研究［J］.土木工程学报，2010（7）：2202-2206.

［5］周航，孔纲强，曹兆虎.水平荷载下楔形桩桩-土相互作用理论分析［J］.中南大学学报，2016（3）：897-904.

Numerical Simulation of Horizontal Bearing Capacity of Wedge Single Pile

Yuan Hua1,2Xie Junnan1Zhang Hongzhong1Zhou Zhe1
（1.College of Civil Engineering and Architecture,Henan University，Kaifeng Henan 475004；2.Laboratory for Recycled and Functional Building Materials,Henan University，Kaifeng Henan 475004）

Based on the numerical simulation of the bearing characteristics of horizontal silt loading wedge pile,and compared with the same conditions under the bearing characteristics of the equal volume round pile,It is found that the horizontal bearing capacity of the wedge pile is nearly 10%higher than that of the equal volume pile under the same condition,the maximum positive bending distance of the wedge pile is in good agreement with the position of the same volume,and the maximum negative moment position was 12.5%higher than the circular pile,and the soil displacement of the wedge pile is about 8.2%lower than that of the round pile.It is shown that the wedge pile has better bearing characteristics than the equal volume pile under the horizontal load.

wedge pile；horizontal displacement；pile moment；horizontal bearing

TU473

A

1003-5168（2017）12-0100-02

2017-11-01

国家自然科学基金项目（51508163）；河南省教育厅科学技术研究重点项目（14A560018）资助。

原华（1982-），女，博士，副教授，研究方向：结构工程与岩土工程研究。

谢俊南（1991-），女，硕士在读，研究方向：岩土工程。