第２９卷第１期 ２０１３年１月 森林工程 Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．１ Ｆ０ＲＥＳＴ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｊａｎ．，２０１３ 施工荷载作用下桩基竖向受力试验分析与研究 闵兆兴，贾艳敏 ，吴 春 （东北林业大学土木工程学院，哈尔滨１５００４０） 摘要：根据某实际桥梁工程桩基础布置形式和桩周土层分布情况制定现场试验方案，进行现场试验，实测各施工阶 段桩身、桩端受力变化情况。基于Ａｎｓｙｓ有限元软件平台，建立该单桩的三维仿真模型，将模型数据与试验数据对比，验 证模型的正确性。分析各施工阶段桩身轴力、桩侧摩阻力和桩端反力的分布规律。研究结果表明：在以亚粘土和砂土为主 的地质条件下，钻孔灌注桩基础主要由桩侧摩阻力来承担桥梁各施工阶段竖向荷载，桩端反力所占比例很小；桥梁各施工 阶段荷载作用下，试验桩桩身轴力、侧摩阻力沿桩身呈非线性分布，桩身轴力、侧摩阻力主要集中在中上部。 关键词：摩擦桩；竖向受力性能；ＡＮＳＹＳ；施工阶段 中图分类号：Ｓ ７７３．６；ＴＵ ４７３．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００１—００５Ｘ（２０１３）０１—００８３—０３ Ｔｅｓｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｆｏｒｃｅ ｏｆ Ｐｉｌｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｌｏａｄ Ｍｉｎ Ｚｈａｏｘｉｎｇ，Ｊｉａ Ｙａｎｍｉｎ ，Ｗｕ Ｃｈｕｎ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ｆｏｒｅｓｔｒｙ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００４０） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｌａｙｏｕｔ ｆｏｒｍｓ ｏｆ ｐｉｌｅｓ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｕｒｒｏｕｎｄｉｎｇ ｓｏｉｌ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｂｒｉｄｇｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｓｃｈｅｍｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｉｅｌｄ ｔｅｓｔ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ｆｏｒｃｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ｂｏｄｙ ａｎｄ ｐｉｌｅ ｔｉｐ ｄｕｒｉｎｇ ｅａｃｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ｗｅｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌｌｙ ａｖａｉｌａｂｌｅ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｐｒｏｇｒａｍ ＡＮＳＹＳ，ａ ｔｈｒｅｅ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｐｉｌｅ ｗａｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ．Ｂｙ ｃｏｍｐａｒｉｎｇ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｄａｔａ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｄａｔａ，ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｖｅｒｉｉｆｅｄ．Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉ— ｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｌｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ，ｐｉｌｅ ｓｉｄｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｎｄ ｔｉｐ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｅａｃｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖｅｒｔｉｃａｌ ｌｏａｄ ｏｆ ｂｏｒｅｄ ｐｉｌｅ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｄｕｒｉｎｇ ｅａｃｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ｉｓ ｍａｉｎｌｙ ｕｎｄｅｒｔａｋｅｎ ｂｙ ｐｉｌｅ ｓｉｄｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｅ ｇｅｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｄｏｍｉｎａｔｅｄ ｂｙ ｌｏａｍ ａｎｄ ｓａｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｉｐ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ａｃｃｏｕｎｔｅｄ ｆｏｒ ｖｅｒｙ ｓｍａｌｌ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ．Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｅｆｆｅｃｔ ｄｕｒ－ ｉｎｇ ｅａｃｈ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ，ｐｉｌｅ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｐｉｌｅ ｓｉｄｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｓｈｏｗｅｄ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ａｎｄ ｍａｉｎｌｙ ｃｏｎｅｅｎｔｒａｔ— ｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｏｐ ｈａｌｆ ｏｆｔｈｅ ｐｉｌｅ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｆｒｉｃｔｉｏｎ ｐｉｌｅ；ｖｅｒｔｉｃａｌ ｆｏｒｃｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ；ＡＮＳＹＳ；ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ 近年来国家大力开展基础设施建设，各种建筑 承载特性和受力机理等有了一定研究，但主要是通 对基础承载能力要求越来越高。桩基础以其优越的 过室内模型试验或现在静载试验，并没有针对实际 工作性能，良好的适应性，在大中桥梁、高层建筑 桥梁工程各施工阶段荷载作用下桩基础的受力特性 中日益受到青睐。目前，国内外学者已对桩基础的 进行研究。本文以某实际桥梁工程项目为依托，对 该桥桩基础进行现场试验，并应用ＡＮＳＹＳ软件建 收稿日期：２０１２—０９—１０ 基金项目：东北林业大学研究生论文资助（ＳＴ１ＰＩＯ） 立三维仿真模型，研究该桥桩基础在各施工阶段荷 第一作者简介：闵兆兴（１９８７一），男，辽宁沈阳人，硕士。研 载作用下的竖向受力特性，检验设计的正确性，为 究方向：桥梁与隧道工程。 相似气候和地质条件下桩基础的设计提供依据。 通讯作者：贾艳敏（１９６２一），女，内蒙古牙克石人，博士， 教授。研究方向：桥梁结构设计理论、桥梁景观设计和桥梁健康 ｌ试验桥概况 监控。 引文格式：闵兆兴，贾艳敏，吴 春．施工荷载作用下桩基竖 桥梁全长７１．２８ ｉｎ，上部采用三跨预应力混凝 向受力试验分析与研究［Ｊ］．森林工程，２０１３，２９（１）：８３—８５． 土连续箱梁结构（１７．５＋３２＋１６ ｉｎ），两端斜度不 森林工程 第２９卷 等（１５。与３０。）；下部采用柱式墩台，钻孔灌注桩 基础，桩长３５ ｍ，直径１．５ ｍ。 桥位处地层属第四纪冲、淤积作用形成的粘性 土层和砂性土层，主要由亚粘土、中砂、粗砂和砾 砂若干层组成。 根据桥梁结构形式及工序，将全桥分为５个施 工阶段，４种荷载工况组合，详见表１。试验选取 ２号墩下的４＃桩为试验桩，实测４种荷载工况作用 下桩身应变，桩端反力情况。桩周土层分布情况及 试验仪器布置如图１所示。 表１ 施工阶段划分及荷载工况组合 Ｔａｂ．１ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｓｔａｇｅ ｄｉｖｉｓｉｏｎ ａｎｄ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｌｏａｄ ａｎｄ ｓｔａｔｅｓ ｜ ．承台 Ｖ ｜ — 一 ● Ｉ亚粘土ｆ软塑） １Ｉ １／／７／／／．／） Ｉｌ Ｉ 应变计 粗砂（中密） 、 ＿ Ｉ × ， ． ／，，，， ，ｌ Ｉｌ ｌ 砾砂（中密１ ｌｌ Ｉ 粗砂（中密） 中砂（中密） ｌ １ × 粗砂（中密） Ｉ 中砂（巾密） 压力盒－＼ １．５ 图１ 土层分布及桩身应变计布置 Ｆｉｇ．１ Ｓｏｉｌ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔｒｅｓｓ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ ｏｆ ｐｉｌｅ ２有限元模型 基于Ａｎｓｙｓ软件平台，建立单桩基础三维仿真 模型，分析单桩在各施工阶段荷载作用下的受力情 况。桩基础在上部结构恒载作用下桩体主要表现其 弹性变形，采用８节点Ｓｏｌｉｄ４５单元建立桩体线弹性 本构模型，可以大幅减少运算时间，且不影响模型 准确性。桩周土体采用Ｓｏｌｉｄ４５单元，以Ｄ—Ｐ材料 建立其弹塑性模型，模拟土体的高度非线性…，并 考虑初始地应力场的影响 。屈服准则为Ｄｒｕｃｋｅｒ— Ｐｒａｇｅｒ屈服准则，该准则适用于土体等颗粒状材料。 本试验区域土体弹性模量远小于混凝土弹性模量， 两者接触面上变形不能满足变形协调条件，采用面 面接触模拟桩土接触。桩体采用Ｔａｒｇｅ１７０模拟，土 体采用Ｃｏｎｔａ１７３模拟 Ｊ。强制接触协调采用增广 Ｌａｇｒａｎｃｅ法 Ｊ，可以更好地控制接触体互相穿透。 单桩有限元模型如图２所示。 图２桩一承台一土数值模型 Ｆｉｇ．２ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｐｉｌｅ—ｃａｐ—ｓｏｉｌ ３试验及模型结果分析 ３．１桩身轴力分布 摩擦型钻孔灌注桩在竖向荷载作用下将产生两 种位移，一是桩身轴向压缩变形，二是桩整体向下 移动。由于桩一土发生相对位移，桩一土的接触面 上将产生较强的侧摩阻力，桩的位移。在桩顶 竖向荷载沿桩身向下传递的过程中，部分荷载被桩 侧摩阻力抵消，轴力沿桩身向下逐渐减小 叫］。这 是典型的摩擦桩荷载传递特性。根据试验数据和模 型数据分析，得到试验桩在荷载工况Ｉ～Ⅳ作用下 桩身轴力沿深度方向分布曲线，如图３所示。 第１期 闵兆兴等：施工荷载作用下桩基竖向受力试验分析与研究 ８５ Ｉ实测值 ∞∞∞∞∞∞∞∞ 姗 姗 Ⅱ实测值 Ⅲ实测值 Ｚ Ⅳ实测值 Ｉ模拟值 撂 Ⅱ模拟值 亦 Ⅲ模拟值 Ⅳ模拟值 ——．－一Ｔ况Ｉ实测值 实测值 实测值 日 实测值 模拟值 岛 模拟值 心 模拟值 模拟值 图４桩侧摩阻力分布曲线 Ｆｉｇ．４ Ｔｈｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｐｉｌｅ ｓｉｄｅ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ４结论 通过现场试验及有限元计算结果分析，得到如 下结论： （１）在以亚粘土和砂土为主的地质条件下，桩 端反力占施工阶段荷载的比例小于１％，桩基础主 要由桩侧摩阻力来承担桥梁各施工阶段竖向荷载。 （２）在各施工阶段荷载作用下，桩身轴力和 侧摩阻力沿桩身呈非线性分布，轴力和摩阻力主要 集中在０～２０ｍ深度范围内。桩顶附近０～５ｍ土层 受到承台作用压缩，摩阻力有所降低。 （３）有限元模型计算结果与现场试验结果基 本相同，两者变化规律一致，说明模型较好的模拟 了承台一桩一土实际体系。 【参考文献】 ［１］章根德．土的本构模型及其工程应用［Ｍ］．北京：科学出版社， １９９５． ［２］王新敏．ＡＮＳＹＳ工程结构数值分析［Ｍ］．北京：人民交通出版 社，２０１１． ［３］丁晓华，郭红雨．桩一冻土结构的有限元接触分析［Ｊ］．现代交 通技术，２００７，４（３）：４５—４８． ［４］郝文化，叶裕明，刘春山，等．ＡＮＳＹＳ土木工程应用实例［Ｍ］．北 京：中国水利水电出版社，２００５． ［５］刘玲．侧向撞击荷载下桥墩动力响应有限分析［Ｊ］．公路工 程，２０１０（５）：６７—７Ｏ． ［６］贾艳敏，郭红雨，郭启臣．多年冻土区灌注桩桩一冻土相互作用 有限元分析［Ｊ］．岩石力学与工程学报，２００７，２６（Ｓ１）：３１３４— ３１４０． ［７］欧碧峰，杨明辉，张小威，等．竖向荷载下超长群桩承载性状的 模型试验研究［Ｊ］．公路工程，２０１２（４）：１４—１９． ［８］林天健，熊厚金，王立群．桩基础设计指南［Ｍ］．北京：中国建筑 工业出版社，１９９９． ［９］刘秀，贾艳敏．多年冻土地区钻孔灌注桩回冻初期承载力的 计算［Ｊ］．森林工程，２００７，２３（３）：４５—４７． ［责任编辑：李洋］
