刚性桩复合地基桩间土拱效应试验研究与数值模拟＊

科技与创新┃Science and Technology &Innovation
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2023年第14期
文章编号：
2095-6835（2023）14-0064-03刚性桩复合地基桩间土拱效应试验研究与数值模拟
＊
江思卿，刘晓红，王宇鑫，刘昱辰，龚悦
（湖南理工学院，湖南岳阳414006）
摘要：利用自主研发的装置系统，对桩间黏性土的土拱效应进行模型试验研究，探讨了刚性桩复合地基桩间距对土拱效应的影响规律。

试验结果表明，随着桩间距的增大，土拱效应逐渐减弱，直至最后完全消失，当桩间距在4～8倍桩径时，桩间土拱效应明显。

利用OPTUM G22021软件，对刚性桩复合地基不同桩间距土拱效应进行数值模拟，计算结果与试验结果基本吻合。

关键词：刚性桩；复合地基；土拱效应；模型试验中图分类号：TU473.1
文献标志码：A
DOI ：10.15913/ki.kjycx.2023.14.018
近年来，随着城市化进程的加速以及建筑结构的日益复杂，刚性桩复合地基作为一种新型地基处理技术，被广泛应用于建筑和土木工程中。

在刚性桩复合地基设计工作中，桩间距的取值非常重要，而研究桩间土拱效应能为桩间距的取值优化提供依据。

国内外学者从不同角度对土拱效应的发展过程进行了广泛研究，取得了丰富的成果。

1936年，TERZAGHI [1]
通过活动门试验验证了土力学领域中土
拱效应的存在。

蒋良潍等[2]
利用合理拱轴线几何特征与受压破裂角方位，将黏性土土拱计算的平衡条件和强度条件综合简化为拱脚轴向压应力表达，为土拱效应的估算提供了简便清晰的计算方法。

周剑波等[3]分析了土拱拱脚处的受力特征，建立了拱脚在极限平衡状态下土拱极限跨度表达式。

李怀鑫[4]基于FLAC3D 数值计算软件，模拟热力耦合作用对桩体以及桩间土拱效应的影响，建立出土拱整体稳定和局部稳定两种模型，提出了两种力学模型下的抗滑桩桩间距公式。

陈洋等[5]通过现场试验，研究了桩间距和桩帽宽度对桩承式加筋路堤土拱效应的影响，实测了路堤荷载下不同桩间距和桩帽宽度下桩帽及桩间土表面的竖向土压力，据此获得土拱高度与桩帽净距的关系。

综上所述，刚性桩复合地基桩间土拱效应的研究仍然存在许多问题，尤其是桩间距对土拱效应的影响规律及机理研究仍不太深入。

本文采用模型试验和数值模拟两种方法，针对桩间距这一影响因素，展开桩间土拱效应研究，为刚性桩
复合地基优化设计提供参考，具有一定的工程指导意义。

1研究方法与材料
1.1
试验装置
模型试验装置如图1所示，由敞口式钢结构地基模型箱、竖向加载系统、图像采集与处理系统组成，装置详细介绍见文献[6]。

图1模型装置系统
1.2试验土样参数及模型试验方案
模型试验所用填料取自岳阳地区典型黏性土，通
过常规土工试验，获得了其基本物理力学指标，具体如表1所示。

表1试验土样参数
孔隙比
e 天然含水率ω/（%）重度γ/（kN·m -3）
内摩擦角φ/（°）黏聚力c /kPa 0.86
27
19
16
25
模型箱内填筑土体宽度B 为600mm ，高度H 为
——————————————————————————
＊［基金项目］湖南理工学院研究生创新创业训练计划项目（校研通〔2022〕47号，编号：YCX2022A42）；全国大学生创新创业训练计划项目（编号：202210543054）；湖南省大学生创新创业训练计划项目（编号：202210543057）刚性桩
相机
计算机
千斤顶
压力传感器
承压板无影灯
反力梁
无影灯
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400mm 。

采用直径为10mm 的圆钢模拟刚性桩，前排设置5根桩，每根桩径均为10mm ，桩长均为180mm 。

进行桩间距分为2d 、4d 、6d 、8d 、10d （d 为桩径）5组模型试验。

1.3
试验步骤
试验步骤如下：①按试验方案设定的桩间距离布置排桩。

模型桩采用双面胶固定箱底。

②分层压实填筑土体，每一分层厚度为100mm ，填至400mm 高后，在填土表面放置承压板，在承压板中心竖向放置千斤顶，千斤顶与桩承台之间竖向放置压力传感器。

③关闭室内灯光，在模型箱左右两侧各安置一台LED 照明灯，正前方放置高清相机，分级竖向加载与高清相机同步启动，相机同步拍照，数显压力传感器准确控制分级荷载大小。

④试验结束判断。

压力传感器显示数值在某时间点发生骤降时，说明箱内土体的应力状态已由塑性变形阶段发展到塑性流动阶段，此时土体已发生整体剪切破坏，可终止试验。

2试验结果及分析
通过一系列不同桩间距的模型试验，得到不同桩间距复合地基位移云图，如图2所示。

从图2可以看出：①桩间距为2d 时，土拱效应不明显。

在荷载作用下，桩与桩之间形成一个连续的整体，增强了桩基础的承载能力。

同时，桩之间的相互作用也比较显著，会对桩的变形特性产生一定的影响。

②桩间距为4d 、6d 、8d 时，土拱效应较为显著。

在荷载作用下，土体会在桩之间形成一个拱形结构，但随着桩间距离的增加，土拱效应逐渐减弱，桩基础的承载能力也随之减小。

③桩间距为10d 时，土拱效应几乎不存在，桩之间的相互作用也非常小，桩的变形特
性基本上只受到单桩的影响。

（a ）桩间距2d （b ）桩间距4
d
（c ）桩间距6d （d ）桩间距8d
（e ）桩间距10d
图2
不同桩间距复合地基位移云图
3有限元数值模拟
为进行对比分析，采用有限元软件OPTUM G22021建立试验模型的二维有限元分析模型。

有限元模型的尺寸与试验模型相同，土体与桩基础离散为四边形单元。

在桩基础与土体之间设置标准接触，建立二维计算模型如图3所示，土样尺寸长度为600mm ，高度为400mm ；承压板采用钢材板，计算模型采用标准
边界条件。

图3
有限元计算模型
本文选用Mohr-Coulomb 本构模型来描述土的塑性特性。

该模型能够模拟单调加载下颗粒材料的塑性破坏。

模拟其物理力学特性，这些参数能够借助传统的土工试验确定。

相关土体参数借助实测并参考相关文献确定。

其中黏聚力为25kPa ，弹性模量为25MPa ，泊松比为0.3，内摩擦角为16°。

刚性桩的弹性模量和泊松比分别设置为20000MPa 、0.3。

数值模拟结果如图4
所示。

（a ）桩间距2d
（b ）桩间距4
d
（c ）桩间距6d （d ）桩间距8d
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（e）桩间距10d
图4不同桩间距复合地基数值模拟结果
在数值模拟中，通过改变刚性桩复合地基桩间的距离，可以研究不同桩间距对土拱效应的影响。

根据模拟结果，不同桩间距下的刚性桩复合地基桩间土拱效应特点如下：①桩间距为较小值时（如桩间距为2d），桩之间形成的土拱结构不明显，同时，桩之间的相互作用也比较显著，会对桩的变形特性产生一定的影响。

②桩间距为中等值时（如桩间距为4d、6d），土拱效应较为显著，地基的承载能力也相应增大。

③桩间距离为较大值时（如桩间距为8d、10d），土拱效应逐渐减弱直至完全消失，此时，地基的承载能力仅由桩和土壤的共同作用决定。

④随着荷载的增加，刚性桩复合地基的变形和应力分布也会发生变化。

在桩间距离为较小值时，地基的变形和应力分布相对均匀；在桩间距离为中等值和较大值时，地基的变形和应力分布会出现不均匀的情况，尤其是在桩周附近。

4结论
通过刚性桩复合地基桩间土拱效应的模型试验与数值模拟研究，获得的主要结论如下：①模型试验结果表明，随着桩间距的增大，土拱效应逐渐减弱，直至最后完全消失，当桩间距在4～8倍桩径时，桩间土拱效应明显。

②对不同桩间距的刚性桩复合地基进行数值模拟，计算结果与试验结果基本一致。

证明本次数值模型可以较好地预测刚性桩复合地基桩间土拱效应的变化趋势和规律。

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作者简介：江思卿（2000—），男，安徽六安人，硕士研究生在读，研究方向为岩土工程。

（编辑：王霞）
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作者简介：张维波（1974—），男，本科，机械工程高级工程师，深圳市优秀工程师，主要从事非标设备的研发和技术管理工作。

（编辑：严丽琴）
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