坡地条件下水平受荷桩p-y曲线试验与数值模拟研究

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水平受荷分析是桩基设计计算的重要内容之一。以往的水平受荷桩的研究大多针对于平地桩基,而随着我国西部山区基础设施建设的高速发展,为了满足公路平纵线性及保护自然环境的要求,出现了大量位于坡地条件下的桩基础,与平地上基桩相比,坡地条件桩基由于临空面一侧土体缺失,该侧土体对桩基抗力将明显减弱,从而与平地段桩土体系呈现不同的承载机理,如何合理考虑坡体侧临空面对桩基水平承载性能的影响,已成为坡地条件下桩基设计计算亟待解决的问题。针对该问题,本文采用室内模型试验与数值分析等手段,对坡地条件水平受荷桩的承载特性、破坏模式等进行了深入分析,建立了考虑坡度效应的水平受荷桩的p-y曲线法,并对影响其受荷性能的诸多因素进行了探讨,具体工作如下:(1)针对坡地条件与平地段两种不同工况,开展了 45°粘性土坡地与平地条件下基桩的水平静力承载对比室内模型试验,对试验得到的桩顶荷载-位移关系、桩身弯矩以及不同深度下的p-y曲线进行了对比分析。结果表明:平地基桩桩顶荷载-位移曲线相对平滑,而坡地基桩的桩顶荷载-位移曲线在荷载达到600N时,荷载增幅较小的情况下,桩顶位移出现急剧增大的现象;同时浅层区域内坡地基桩的桩身弯矩较平地基桩的偏大,且坡地基桩弯矩趋于零值的深度也相对更大;2D、4D、6D深度处的p-y曲线对比表明,坡地基桩的p-y曲线,在桩侧位移相同时,土体抗力p明显较平地基桩偏小。由以上现象可知,坡地条件下的水平受荷桩,其桩身受到的土体抗力减弱,即边坡侧土体的缺失消弱了基桩的水平承载性能。(2)为模拟坡地条件下边坡侧土体抗力的折减效应,基于ABAQUS数值分析软件建立了不同边坡角度下水平受荷桩的计算模型,获取了相应坡度条件下单桩不同深度处的p-y曲线,并对初始刚度和极限抗力等关键参数进行了分析。计算结果表明:p-y曲线的初始刚度和极限抗力的折减现象随着深度的增大而逐渐消失,当达到一个和坡角有关的临界深度后折减现象已可忽略不计。在此基础上:建立了水平极限抗力的关键参数Np和初始刚度ki的修正函数表达式,进而导得了适用于坡地条件下水平受荷桩的静力p-y曲线。(3)根据有限差分法的基本理论,将桩视为弹性地基梁,土视为弹性变形体,桩和桩周土离散为若干微元段,桩-土之间的相互作用由非线性弹簧来代替,导得了坡地条件下基桩内力和位移的有限差分公式。利用修正后适用于坡地的p-y曲线,并根据迭代原理,编写了 Matlab计算程序进行了求解,由此获得了坡地条件下的基桩内力位移表达式。通过与本文实验数据及已有文献计算方法的对比,验证了该方法的合理性,其计算误差可控制在15%以内,因此可较好的预测坡地条件基桩的水平受荷性能,进而为坡地条件下水平受荷桩的设计提供参考。
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