楔形樁水平承載特性的多維度探究：模型試驗與數值模擬的協同分析一、引言1.1研究背景與意義隨著現代工程建設的規模不斷擴大，對樁基礎的性能要求日益提高。樁基礎作為支撐各類建筑物的重要結構，其承載能力和穩定性直接關系到整個工程的安全與質量。在眾多樁型中，楔形樁作為一種獨特的樁型，近年來在工程領域的應用逐漸增加。楔形樁，又稱為錐形樁，其樁身截面尺寸沿埋深逐漸變化，呈現出楔形的形狀。這種獨特的結構設計使其具有諸多優點。從材料利用角度來看，相較于傳統的等截面樁，楔形樁在保證承載能力的前提下，能夠更有效地利用材料，減少材料的浪費，從而降低工程成本。在施工方面，楔形樁的施工工藝并不復雜，且其入土過程相對順暢，能夠提高施工效率。在承載性能上，楔形樁巧妙地利用了樁的斜側壁，當樁體受力時，除了常規的摩阻力（切向抗力）外，土體對楔形側面還會產生一法向抗力，即支承力。這一額外的支承力大大提高了楔形樁的承載能力，使其在相同條件下比等截面樁具有更高的單位體積承載力。在實際工程中，楔形樁已在多個領域得到應用。在一些高層建筑的基礎工程中，楔形樁能夠更好地適應復雜的地質條件，為建筑物提供穩定的支撐。在橋梁工程中，楔形樁也展現出了良好的性能，能夠承受橋梁上部結構傳來的巨大荷載以及各種水平力和豎向力的作用。然而，盡管楔形樁具有上述優點且在工程中有所應用，但目前對于楔形樁的研究還不夠充分和深入。尤其是在水平承載特性方面，現有的研究成果相對較少，無法為工程實踐提供全面、可靠的理論支持。在水平荷載作用下，楔形樁的承載特性與豎向荷載作用下有很大的不同。水平荷載會使樁身產生水平位移和彎矩，樁與周圍土體之間的相互作用也變得更加復雜。不同的土質條件、樁的幾何參數（如楔角、樁長、樁徑等）以及荷載大小和加載方式等因素，都會對楔形樁的水平承載特性產生顯著影響。若不能準確掌握這些因素對楔形樁水平承載特性的影響規律，在工程設計和施工中就可能會出現問題。例如，在設計時，如果對楔形樁的水平承載能力估計不足，可能導致基礎在水平荷載作用下發生過大的位移或破壞，危及整個工程的安全；反之，如果對其水平承載能力估計過高，可能會造成不必要的材料浪費和成本增加。因此，深入研究楔形樁的水平承載特性具有重要的理論意義和實際工程價值。從理論層面來看，對楔形樁水平承載特性的研究有助于完善樁基礎的理論體系，豐富對異形樁承載機理的認識，為后續相關研究提供新的思路和方法。在實際工程應用中，準確掌握楔形樁的水平承載特性，可以為工程設計提供更為科學、合理的依據。設計人員能夠根據具體的工程需求和地質條件，更加精準地設計楔形樁的各項參數，優化基礎設計方案，確保工程的安全性和穩定性。同時，通過對楔形樁水平承載特性的研究，還可以進一步挖掘其在工程應用中的潛力，推動楔形樁在更多工程領域的廣泛應用，提高工程建設的經濟效益和社會效益。1.2國內外研究現狀楔形樁作為一種特殊樁型，其研究與應用在國內外逐漸受到關注。在國外，對楔形樁的研究起步相對較早。前蘇聯從20世紀初就開始對不同楔角的楔形樁展開一系列研究，并在上世紀70年代將其應用于工程實踐，取得了顯著的經濟效益。學者Wei和ElNaggar進行了楔形樁在豎向靜載情況下的抗壓性能試驗研究，使用三種不同楔角的鋼樁分別在相對密實度不同的砂中進行試驗，發現側阻力隨楔角的增加而增加，楔形樁的側阻力比筒樁高40%，且兩種樁側阻力的差別隨著圍壓的增加而減少，在低圍壓下，初始砂密度對兩種樁單位荷載傳遞有顯著影響，但隨著圍壓增加，這種影響逐漸消失。ElNaggar和Wei還研究了楔形樁抗拔性能特點，表明楔形樁抗拔承載力均隨圍壓的增加而增加，且其抗拔承載力與抗壓承載力的比值小于具有相同長度、相同平均直徑和平均埋入深度的等截面樁的比值，不過在較高圍壓下，楔形樁的抗拔承載力可與等截面樁相媲美。此外，他們對楔形樁在循環荷載下的特性研究發現，樁的剛度隨圍壓的增加而增加，循環荷載值對樁的工作特性有非常重要的影響。在國內，對楔形樁的研究始于20世紀80年代，并在保定、南京等地進行試用，效果良好。在現場試驗方面，四川德陽地區膨脹土中的楔形灌注樁試驗表明，它比等長度同體積的現澆混凝土等直徑樁的單樁承載力提高5%-20%左右。在雜填土、粉土、粉細砂中的試驗中，當楔形樁和等直徑樁體積基本相等時，對比發現樁頂沉降相同時，楔形樁比等直徑樁的加載增加量為56.48%-80.57%，平均增加65.59%，極限狀態時增加68.25%；樁頂荷載相同時，楔形樁比等直徑樁的沉降更小，充分顯示出楔形樁承載性能的優越性。在水平承載特性研究方面，國內學者謝俊南以開封地區粉土地基中的楔形樁為研究對象，通過對水平荷載下的楔形單樁進行縮尺模型試驗，并利用ABAQUS有限元軟件模擬縮尺試驗過程，分析了楔形單樁與等高等側面積圓樁在水平荷載下承載特性的異同，研究了水平荷載下楔形群樁的樁土效應，揭示了水平荷載下楔形群樁的承載特性，還通過控制樁長與表面積、樁長與體積，對楔形單樁水平承載特性進行優化分析，得出在順作用力方向，縱向中排樁中的邊樁及縱向外排樁，在樁埋置深度大約距樁頂0.1倍樁長位置時，土體抗力出現第一個峰值，而縱向中排樁中的中間樁，其第一個土體抗力的峰值位置大約在距樁頂0.15倍樁長位置處；縱向中排樁的第二個土體抗力峰值位置出現在樁埋置深度大約距樁頂0.9倍樁長位置處，比縱向外排樁的第二個峰值位置略高；小角度范圍內的楔形單樁等樁長、等表面積或等樁長、等體積時，在同一長徑比下，若減小樁體下直徑，楔形樁的水平承載能力提高約3.0%，且等表面積時楔形樁的水平承載力比等體積時提高約0.7%，并建議工程上，樁長一定時，楔形樁的較優尺寸以等表面積且下直徑減小為準，小角度范圍內，楔形角取1.0°時，楔形群樁的水平承載特性綜合效果最好。然而，目前對于楔形樁水平承載特性的研究仍存在一些不足之處。多數研究集中在特定的土質條件下，對于不同復雜地質條件下楔形樁水平承載特性的研究還不夠全面。在樁土相互作用的精細化分析方面，現有的研究方法和模型還存在一定的局限性，難以準確描述樁土之間復雜的力學行為。此外，關于楔形樁水平承載特性的理論研究還不夠完善，尚未形成一套系統、成熟的理論體系，無法為工程設計提供全面、精準的理論支持。在數值模擬方面，雖然已經有一些應用，但模型的準確性和可靠性還需要進一步驗證和提高，不同數值模擬方法之間的對比和優化研究也相對較少。這些不足都為后續的研究提供了拓展方向，需要進一步深入研究，以完善對楔形樁水平承載特性的認識和理解，推動其在工程中的更廣泛應用。1.3研究內容與方法本研究將綜合運用模型試驗、數值模擬以及二者對比分析的方法，深入探究楔形樁的水平承載特性。在模型試驗方面，精心設計并開展室內楔形樁水平承載模型試驗。首先，依據相似性原理，合理確定模型樁和模型土的相似比，制作出與實際工程情況具有相似性的模型樁和模型土。采用合適的材料制作模型樁，確保其幾何尺寸、材料特性等符合相似要求，同時配置與實際工程地質條件相似的模型土。在試驗過程中，利用高精度的加載設備對模型樁施加水平荷載，通過在模型樁和模型土中布置各種傳感器，如位移傳感器、應變片等，精確測量不同荷載等級下模型樁的水平位移、樁身應變以及樁周土體的壓力變化等數據。通過對這些試驗數據的詳細分析，深入了解楔形樁在水平荷載作用下的變形規律、樁身內力分布以及樁土相互作用特性，為后續的研究提供真實可靠的試驗依據。數值模擬方法采用先進的有限元軟件，建立精確的楔形樁-土相互作用三維數值模型。在建模過程中，充分考慮樁土材料的非線性特性、接觸界面的力學行為以及土體的本構模型等因素。對于樁體材料，選用合適的材料模型來描述其力學性能；對于土體，根據實際地質條件選擇恰當的本構模型，如摩爾-庫倫模型、鄧肯-張模型等，以準確模擬土體在不同應力狀態下的力學響應。通過數值模擬，系統分析不同楔角、樁長、樁徑、土體參數等因素對楔形樁水平承載特性的影響規律，包括水平承載力、樁身位移、樁身彎矩等。數值模擬能夠彌補試驗研究在變量控制和參數變化范圍上的局限性，快速、全面地獲取各種工況下的結果，為深入研究楔形樁的水平承載特性提供豐富的數據支持。將模型試驗結果與數值模擬結果進行全面、細致的對比分析。從水平位移、樁身應變、樁周土壓力等多個方面進行對比，驗證數值模型的準確性和可靠性。如果兩者結果存在差異，深入分析產生差異的原因，如模型簡化、材料參數選取、邊界條件設定等方面的問題，并對數值模型進行優化和改進。通過對比分析，進一步完善對楔形樁水平承載特性的認識，為工程設計和應用提供更具說服力的理論依據。本研究的具體內容包括：一是分析不同楔角對楔形樁水平承載特性的影響。通過改變楔角大小，研究楔角變化對楔形樁水平承載力、樁身位移和樁身彎矩的影響規律，確定在不同工況下的最優楔角范圍，為工程設計中楔角的選擇提供科學依據。二是探究不同樁長對楔形樁水平承載特性的作用。設計不同樁長的模型樁和數值模型，分析樁長與水平承載力、樁身位移、樁身彎矩之間的關系，明確樁長在楔形樁水平承載中的重要作用，以及如何根據工程需求合理確定樁長。三是研究不同樁徑對楔形樁水平承載特性的影響。通過調整樁徑參數，分析樁徑變化對楔形樁水平承載性能的影響，包括對水平承載力、樁身位移和樁身彎矩的影響，為工程設計中樁徑的確定提供參考。四是探討不同土體參數對楔形樁水平承載特性的影響。考慮土體的彈性模量、泊松比、內摩擦角、粘聚力等參數的變化，研究土體性質對楔形樁水平承載特性的影響規律，使研究結果能夠更好地適應不同的工程地質條件。五是分析楔形樁在水平荷載作用下的樁土相互作用機理。通過試驗數據和數值模擬結果，深入研究樁土之間的力傳遞機制、變形協調關系以及土體對樁的約束作用，揭示楔形樁在水平荷載作用下的樁土相互作用本質，為建立更完善的楔形樁水平承載理論提供基礎。二、楔形樁水平承載特性理論基礎2.1楔形樁的結構特點與工作原理楔形樁，因其獨特的楔形結構而區別于傳統等截面樁。從結構上看，楔形樁的樁身截面沿樁長方向逐漸變化，呈現出上小下大（或上大下?。┑腻F形形態。這一結構特征使得楔形樁在力學性能和工作原理上具有獨特之處。在水平荷載作用下，楔形樁的工作原理較為復雜，涉及樁身與周圍土體之間的相互作用。當水平荷載施加于楔形樁樁頂時，樁身會產生水平位移和轉動。由于樁身的楔形結構，樁周土體對樁身的反力分布與等截面樁存在顯著差異。在等截面樁中，樁周土體對樁身的側摩阻力主要是沿樁身切線方向的切向力，而在楔形樁中，除了切向的摩阻力外，由于樁身楔形側面的存在，土體對樁身還會產生法向的支承力。這種法向支承力的方向與樁身楔形側面垂直，其大小和分布受到樁的楔角、樁身位移以及土體性質等多種因素的影響。從荷載傳遞機制來看，水平荷載首先通過樁頂傳遞至樁身。隨著樁身的水平位移，樁周土體受到擠壓和剪切作用，從而產生對樁身的反力。樁身將水平荷載逐步傳遞給周圍土體，同時土體的反力也作用于樁身，限制樁身的進一步位移。在這個過程中，楔形樁的楔形側面能夠更有效地將水平荷載分散到更大范圍的土體中，使得土體能夠更好地發揮其承載能力。與等截面樁相比，楔形樁在相同水平荷載下，能夠調動更多的土體參與承載，從而提高樁的水平承載能力。此外，楔形樁的楔角大小對其工作性能有著重要影響。楔角較大時，樁身楔形側面的法向支承力相對較大，能夠更有效地抵抗水平荷載，但同時也可能導致樁身入土難度增加，以及在施工過程中對土體的擾動較大。楔角較小時，雖然樁身入土相對容易，對土體的擾動較小，但在抵抗水平荷載時，法向支承力的作用相對較弱。因此，在實際工程應用中，需要根據具體的工程地質條件、荷載要求以及施工條件等因素，合理選擇楔形樁的楔角，以充分發揮其優勢。2.2水平承載特性相關理論在樁基礎水平承載特性研究領域，存在多種理論和方法，其中p-y曲線法和彈性理論法是較為常用的兩種理論，它們在楔形樁水平承載特性研究中各有其適用性和特點。p-y曲線法是一種基于樁土相互作用的非線性分析方法。該方法通過建立樁側土抗力（p）與樁身水平位移（y）之間的關系曲線，即p-y曲線，來描述樁周土體對樁身的作用。p-y曲線的形狀和參數取決于土體的性質、樁的入土深度、荷載大小等因素。在實際應用中，針對不同的土體類型，有相應的p-y曲線經驗公式。例如，對于黏性土，常用的有Matlock公式；對于砂土，常用的有Reese和Cox公式等。在楔形樁水平承載特性研究中，p-y曲線法具有一定的優勢。由于楔形樁的樁身截面沿深度變化，其樁周土體的應力應變狀態也較為復雜，p-y曲線法能夠較好地考慮這種非線性的樁土相互作用。通過合理確定p-y曲線的參數，可以較為準確地模擬楔形樁在水平荷載作用下的變形和內力分布。然而，該方法也存在一些局限性。p-y曲線的參數通?；诮涷灮蛱囟ǖ脑囼灁祿_定，對于復雜的地質條件和特殊的樁型（如楔形樁），這些參數的準確性可能受到影響。此外，p-y曲線法在處理多樁基礎和群樁效應時，還需要進一步的改進和完善。彈性理論法是基于彈性力學理論，將樁視為彈性地基梁，把土體對樁的作用看作是彈性地基的反力，通過求解彈性地基梁的微分方程來計算樁身的內力和變形。在彈性理論法中，常用的有文克爾地基模型和彈性半空間地基模型。文克爾地基模型假設地基表面任一點的沉降只與作用在該點的壓力成正比，而與其他點的壓力無關，即地基是由一系列互不聯系的彈簧組成。這種模型計算簡單，但它忽略了土體的連續性和應力擴散效應，在實際應用中存在一定的局限性。彈性半空間地基模型則將地基視為均質、各向同性的彈性半空間體，考慮了土體的連續性和應力擴散，能夠更準確地反映土體的實際受力情況，但該模型的計算較為復雜，需要較多的土體參數。對于楔形樁水平承載特性研究，彈性理論法的優點在于其理論基礎較為完善，能夠較為系統地分析樁身的內力和變形。在一些簡單的工況下，如樁周土體性質較為均勻、荷載較小的情況，彈性理論法可以給出較為準確的結果。然而，由于楔形樁的特殊結構，其樁周土體的受力和變形情況與常規等截面樁有較大差異，彈性理論法在處理楔形樁時，需要對理論模型進行適當的修正和改進，以考慮楔形樁的幾何形狀和受力特點對樁土相互作用的影響。同時，彈性理論法通常假設土體為彈性材料，而實際土體在受力過程中往往表現出非線性特性，這也限制了彈性理論法在復雜工況下的應用。三、楔形樁水平承載特性模型試驗設計與實施3.1試驗目的與方案設計本次試驗旨在深入探究楔形樁在水平荷載作用下的承載特性，具體包括確定不同工況下楔形樁的水平承載力、分析樁身的位移和變形規律、揭示樁身內力分布以及樁土相互作用機制，為楔形樁的工程應用提供可靠的試驗數據和理論依據。模型樁的設計是試驗的關鍵環節。根據相似性原理，確定模型樁與原型樁的相似比為1:10。模型樁采用有機玻璃材料制作，這種材料具有良好的加工性能和透明性，便于在試驗過程中觀察樁身的變形情況，同時其力學性能也能較好地滿足相似要求。模型樁的長度設計為1.5m，樁頂直徑為50mm，樁底直徑根據不同楔角進行調整，分別設置楔角為0°（等截面樁作為對比樁）、1°、2°、3°，以研究楔角對楔形樁水平承載特性的影響。在樁身內部沿長度方向每隔100mm布置應變片，用于測量樁身的應變，進而計算樁身彎矩。在樁頂和樁身不同高度處設置位移測量點，采用高精度位移傳感器測量樁身的水平位移。相似比的確定是保證試驗結果準確性和可靠性的重要前提。在本次試驗中，主要考慮幾何相似、材料相似和荷載相似等方面。幾何相似比根據模型樁與原型樁的尺寸比例確定為1:10，確保模型樁與原型樁在形狀和尺寸上具有相似性。材料相似方面，有機玻璃材料的彈性模量、泊松比等力學參數與實際工程中常用的混凝土材料存在一定差異，但通過合理的相似比換算，能夠使模型樁在受力時的變形和應力分布與原型樁具有相似的規律。荷載相似比根據模型樁與原型樁的幾何尺寸和材料特性進行計算，確保在試驗過程中施加的水平荷載能夠模擬原型樁在實際工程中所承受的荷載情況。同時，考慮到模型土與實際土體的力學性質差異，對模型土的參數進行調整，使其與實際土體在相似比條件下具有相似的力學響應。試驗場地選擇在實驗室的大型試驗槽內，試驗槽尺寸為長3m、寬2m、高1.5m，能夠滿足模型樁和模型土的布置要求。試驗設備主要包括加載系統、測量系統和數據采集系統。加載系統采用高精度液壓千斤頂，通過反力架對模型樁施加水平荷載，荷載大小由荷載傳感器實時監測，精度可達0.1kN。測量系統由位移傳感器、應變片和土壓力盒組成，位移傳感器用于測量樁頂和樁身不同位置的水平位移，精度為0.01mm；應變片粘貼在樁身內部，用于測量樁身應變，通過應變片的電阻變化計算樁身彎矩；土壓力盒布置在樁周土體中，用于測量樁周土體的壓力變化，了解樁土相互作用情況。數據采集系統采用自動化數據采集儀，能夠實時采集和記錄加載系統、測量系統傳來的數據，確保數據的準確性和完整性。在試驗過程中，按照分級加載的方式，逐步增加水平荷載，每級荷載加載后，保持一定的穩定時間，待樁身位移和樁周土體壓力穩定后，再進行下一級荷載加載，直至模型樁達到破壞狀態。3.2試驗材料與模型制作3.2.1模型樁材料與制作模型樁選用有機玻璃作為制作材料，這是基于多方面的考慮。有機玻璃具有良好的加工性能，能夠通過精密的加工工藝，精確地制作出滿足設計要求的楔形樁形狀，確保模型樁的幾何尺寸精度，為試驗的準確性提供保障。其透明的特性是一大突出優勢，在試驗過程中，便于直接觀察樁身內部的應變分布以及樁身與周圍土體的相互作用情況，如樁身裂縫的開展、土體與樁身的接觸狀態等，這些直觀的觀察對于深入理解楔形樁的承載機理具有重要意義。從力學性能角度來看，雖然有機玻璃與實際工程中常用的混凝土材料在彈性模量、泊松比等參數上存在差異，但通過合理的相似比換算，能夠使模型樁在受力時的變形和應力分布與原型樁具有相似的規律，從而滿足試驗的相似性要求。在制作過程中，首先根據設計的樁長、樁頂直徑、樁底直徑以及楔角等參數，使用數控加工設備對有機玻璃板材進行切割和成型加工。在切割過程中，嚴格控制切割精度，確保樁身的直線度和楔角的準確性，誤差控制在極小范圍內。為了保證樁身的強度和穩定性，在樁身內部按照一定的間距和布置方式埋入細鋼絲作為加強筋。細鋼絲的直徑和數量經過計算確定，以模擬實際樁身鋼筋的作用，增強樁身的抗彎和抗剪能力。埋入細鋼絲時，確保其位置準確，與有機玻璃緊密結合，避免出現松動或位置偏差的情況。制作完成后，對模型樁進行嚴格的質量檢測。使用高精度的測量儀器，如游標卡尺、千分尺等，對樁身的各項尺寸進行測量，確保其符合設計要求。對樁身的外觀進行檢查，查看是否存在裂縫、氣泡、變形等缺陷。若發現問題，及時進行修復或重新制作，保證每根模型樁的質量都能滿足試驗要求。3.2.2試驗土體選擇與制備試驗土體選擇與實際工程場地地質條件相似的砂土。砂土具有顆粒較大、透水性好、力學性質相對穩定等特點，在實際工程中廣泛存在，是研究樁基礎承載特性的常用土體類型。在選擇砂土時，對其顆粒級配、密度、含水量等參數進行詳細測定，確保砂土的性質符合試驗要求。通過篩分試驗確定砂土的顆粒級配，使其滿足一定的粒徑分布范圍，以模擬實際工程中的砂土特性?？刂粕巴恋拿芏?，采用分層夯實的方法，使砂土在試驗槽內達到設計的密實度，確保土體的均勻性和穩定性。在制備試驗土體時，首先對砂土進行預處理。將采集到的砂土進行晾曬，去除其中的水分和雜質，然后使用攪拌機對砂土進行充分攪拌，使其顆粒分布均勻。在試驗槽底部鋪設一層厚度為10cm的粗砂，作為排水層，以保證在試驗過程中土體中的水分能夠及時排出，避免因積水影響試驗結果。在排水層上，按照設計的密實度和厚度，分層填筑砂土。每層砂土填筑后，使用平板振動器進行振搗，使其達到規定的密實度。在填筑過程中，每隔一定厚度，使用環刀法或核子密度儀對砂土的密度進行檢測，確保土體的密度均勻且符合設計要求。為了模擬實際工程中土體的初始應力狀態，在填筑完成后，對土體進行一定時間的預壓，使土體在自重作用下達到穩定狀態。在模型樁周圍的土體中，按照一定的間距和深度布置土壓力盒，用于測量樁周土體在水平荷載作用下的壓力變化。在布置土壓力盒時，確保其與土體緊密接觸，避免出現松動或懸空的情況，以保證測量數據的準確性。同時，在土體表面和不同深度處設置位移測量點，采用位移傳感器測量土體在水平荷載作用下的位移變化，從而全面了解樁土相互作用過程中土體的力學響應。3.3試驗加載與測量方法水平荷載加載裝置采用液壓千斤頂和反力架系統。液壓千斤頂具有加載穩定、精度高的特點，能夠精確控制施加的水平荷載大小。反力架則為液壓千斤頂提供穩定的反力支撐，確保加載過程的安全和可靠。反力架通過地腳螺栓牢固地固定在試驗槽的底部，保證在加載過程中不會發生位移或晃動。液壓千斤頂與反力架之間通過高強度的連接件連接，確保力的傳遞順暢。在液壓千斤頂的輸出端，安裝有高精度的荷載傳感器，用于實時監測施加在模型樁上的水平荷載大小，荷載傳感器的精度可達0.1kN，能夠準確地測量加載過程中的荷載變化。加載制度采用分級加載的方式。在加載初期，每級荷載增量較小，一般為預估極限荷載的1/10-1/15，這樣可以更細致地觀察樁在小荷載作用下的響應，獲取樁身的初始變形和內力分布情況。隨著荷載的增加，每級荷載增量可適當增大，但最大不超過預估極限荷載的1/5，以避免荷載增量過大導致樁身突然破壞，無法準確獲取破壞前的各種數據。每級荷載加載后，保持荷載穩定，持續觀測樁身的位移和樁周土體的壓力變化，當樁身位移在10min內的變化量小于0.1mm時，認為樁身已達到穩定狀態，可進行下一級荷載加載。當樁身出現明顯的破壞跡象，如樁身裂縫迅速擴展、樁頂位移急劇增大等，停止加載，此時的荷載即為模型樁的極限水平荷載。在樁頂位移測量方面，采用高精度位移傳感器。在樁頂對稱布置兩個位移傳感器，分別測量樁頂在水平方向的位移和垂直方向的位移。位移傳感器通過磁性底座牢固地吸附在試驗槽的側壁上，其測量端與樁頂緊密接觸，能夠準確地測量樁頂的位移變化。位移傳感器的精度為0.01mm，能夠滿足試驗對位移測量精度的要求。在試驗過程中，實時采集位移傳感器的數據，通過數據采集系統將數據傳輸到計算機中進行存儲和分析，繪制樁頂位移隨荷載變化的曲線，從而直觀地了解樁頂位移的變化規律。樁身應變測量采用電阻應變片。在樁身內部沿長度方向每隔100mm布置應變片，應變片采用專用的應變片粘貼膠牢固地粘貼在樁身表面，確保應變片與樁身緊密結合，能夠準確地測量樁身的應變。在粘貼應變片之前，對樁身表面進行打磨和清洗，去除表面的油污和雜質，提高粘貼效果。應變片的引線通過線槽引出樁身，連接到應變儀上。應變儀采用高精度的靜態應變儀，能夠同時測量多個應變片的應變值，精度可達1με。在試驗過程中，實時采集應變儀的數據，通過數據采集系統將數據傳輸到計算機中進行處理和分析，根據虎克定律，由樁身應變計算出樁身的彎矩分布，分析樁身內力的變化規律。土體壓力測量采用土壓力盒。在樁周土體中，按照一定的間距和深度布置土壓力盒，以測量樁周土體在水平荷載作用下的壓力變化。土壓力盒在埋設前，進行校準和標定，確保其測量精度。在埋設過程中，將土壓力盒與土體緊密接觸，避免出現松動或懸空的情況。土壓力盒的引線通過預埋的管道引出土體，連接到土壓力測量儀上。土壓力測量儀采用高精度的數字式壓力測量儀，能夠實時測量土壓力盒的壓力值，精度可達0.1kPa。在試驗過程中，實時采集土壓力測量儀的數據，通過數據采集系統將數據傳輸到計算機中進行分析，繪制樁周土體壓力隨荷載和深度變化的曲線，深入了解樁土相互作用過程中土體的力學響應。3.4試驗過程與注意事項在進行試驗準備時，首先要對試驗場地進行清理和整理，確保試驗槽底部平整，無雜物和凸起，以保證模型樁和模型土的放置穩定。仔細檢查試驗設備，如液壓千斤頂、反力架、荷載傳感器、位移傳感器、應變儀、土壓力測量儀等，確保設備的性能良好，精度滿足試驗要求。對傳感器進行校準和標定，記錄校準數據，以便在試驗數據處理時進行修正，提高數據的準確性。準備好試驗所需的各種材料和工具，如模型樁、模型土、應變片、土壓力盒、導線、膠帶等，確保材料的質量和數量滿足試驗需求。模型樁埋設是試驗的關鍵步驟之一。在試驗槽內按照設計要求填筑模型土，分層填筑并夯實，每層填筑厚度控制在10-15cm，確保土體的密實度均勻。在填筑過程中，按照預定的位置和深度布置土壓力盒，土壓力盒的埋設應保持水平，其表面與周圍土體平齊，避免出現懸空或突出的情況。在模型土填筑至一定高度后，將制作好的模型樁垂直插入土體中，插入過程中要保持樁身的垂直度，可使用垂球或經緯儀進行監測，垂直度偏差控制在1%以內。對于楔形樁，要特別注意其楔角的方向，確保楔角方向符合試驗設計要求。樁頂露出土體的高度應滿足試驗加載和測量的要求，一般控制在10-15cm。在樁頂安裝位移傳感器的測量支架，支架應牢固可靠，避免在加載過程中出現晃動或位移，影響測量精度。加載測試過程嚴格按照預定的加載制度進行。在加載初期，緩慢啟動液壓千斤頂，使荷載逐漸增加，密切觀察樁身的位移和樁周土體的變化情況。每級荷載加載后，持續觀測10-15min，當樁身位移在10min內的變化量小于0.1mm時，記錄此時的荷載、位移、應變和土壓力等數據，然后進行下一級荷載加載。在加載過程中，若發現樁身出現異常情況，如樁身裂縫、樁身傾斜加劇、土體出現明顯的隆起或塌陷等，應立即停止加載，分析原因并采取相應的措施。當樁身達到破壞狀態，即樁頂位移急劇增大，樁身出現明顯的破壞跡象時，停止加載，記錄此時的極限荷載。在整個加載過程中，要實時采集和記錄各種數據，確保數據的完整性和準確性。同時，要注意觀察樁身和土體的變形情況，及時拍照和記錄，為后續的分析提供直觀的資料。在試驗過程中，有諸多注意事項需要嚴格遵守。溫度和濕度對試驗結果可能產生影響，因此要盡量保持試驗環境的溫度和濕度穩定。溫度變化可能導致模型材料的物理性質發生改變，如有機玻璃的彈性模量可能隨溫度變化而變化，從而影響模型樁的力學性能；濕度變化可能影響土體的含水量和力學性質，進而影響樁土相互作用。試驗過程中，應避免周圍環境的振動和干擾，如大型機械設備的運行、人員的走動等，這些振動和干擾可能會引起試驗數據的波動，影響測量精度。在加載過程中，要密切關注加載設備的運行情況，確保加載的穩定性和準確性。若出現加載設備故障，如液壓千斤頂漏油、荷載傳感器失靈等，應立即停止加載，進行維修或更換設備，確保試驗的順利進行。在數據采集和記錄過程中，要認真核對數據，確保數據的準確性和完整性。及時對采集到的數據進行初步分析，若發現數據異常，應及時查找原因，如傳感器故障、接線松動等，并進行修正或重新測量。四、楔形樁水平承載特性模型試驗結果與分析4.1試驗數據整理與初步分析在完成楔形樁水平承載特性模型試驗后，對試驗過程中采集到的大量數據進行了系統的整理和初步分析。這些數據涵蓋了不同楔角楔形樁在各級水平荷載作用下的樁頂水平位移、樁身應變以及樁周土體壓力等關鍵信息，對于深入理解楔形樁的水平承載特性具有重要意義。荷載-位移曲線是分析楔形樁水平承載性能的重要依據。以水平荷載為橫坐標，樁頂水平位移為縱坐標，繪制了不同楔角楔形樁的荷載-位移曲線，如圖1所示。從圖中可以直觀地看出，隨著水平荷載的逐漸增加，樁頂水平位移呈現出不斷增大的趨勢。在加載初期，荷載-位移曲線近似呈線性關系，表明樁身和樁周土體處于彈性變形階段，此時樁身的變形主要由彈性變形引起，樁周土體能夠較好地約束樁身的位移。隨著荷載的進一步增加，曲線逐漸偏離線性，呈現出非線性特征，這意味著樁身和樁周土體開始進入彈塑性變形階段，樁周土體對樁身的約束能力逐漸減弱，樁身位移增長速度加快。當荷載達到一定程度時，樁頂位移急劇增大，曲線出現明顯的拐點，此時認為楔形樁達到了極限承載狀態，樁身或樁周土體發生了破壞。對比不同楔角楔形樁的荷載-位移曲線，可以發現楔角對楔形樁的水平承載性能有顯著影響。楔角較大的楔形樁在相同荷載作用下，樁頂水平位移相對較小，說明其具有較高的水平承載能力。這是因為楔角增大時，樁身楔形側面的法向支承力增大，能夠更有效地抵抗水平荷載，限制樁身的位移。例如，楔角為3°的楔形樁在荷載達到30kN時，樁頂水平位移約為15mm，而楔角為1°的楔形樁在相同荷載下，樁頂水平位移達到了25mm左右。同時，隨著楔角的增大，荷載-位移曲線的非線性特征出現得相對較晚，表明楔角較大的楔形樁在進入彈塑性變形階段之前，能夠承受更大的荷載，具有更好的彈性工作性能。樁身彎矩分布曲線是分析樁身內力分布的重要手段。根據樁身應變測量數據，利用材料力學公式計算出樁身不同位置的彎矩，以樁身深度為橫坐標，樁身彎矩為縱坐標，繪制了不同楔角楔形樁在各級荷載作用下的樁身彎矩分布曲線，如圖2所示。從圖中可以看出，樁身彎矩沿樁身深度呈現出一定的分布規律。在樁頂位置，由于水平荷載的直接作用，彎矩最大，隨著樁身深度的增加，彎矩逐漸減小。在樁身一定深度處，彎矩出現零點，該位置稱為反彎點。反彎點的位置隨著荷載的增加和楔角的變化而有所不同。在較小荷載作用下，反彎點位置相對較淺，隨著荷載的增大，反彎點逐漸向深部移動。對比不同楔角楔形樁的樁身彎矩分布曲線，發現楔角對樁身彎矩分布有明顯影響。楔角較大的楔形樁，其樁身彎矩在相同荷載下相對較小，且反彎點位置相對較深。這是因為楔角增大時，樁身楔形側面的法向支承力能夠更有效地分擔水平荷載，減小樁身的彎矩。例如，在荷載為20kN時，楔角為2°的楔形樁樁身最大彎矩約為10kN?m，反彎點位置在距樁頂0.6m處；而楔角為1°的楔形樁樁身最大彎矩約為13kN?m，反彎點位置在距樁頂0.5m處。這表明楔角較大的楔形樁在抵抗水平荷載時，樁身的受力狀態更加合理，能夠更有效地發揮樁身材料的性能。通過對荷載-位移曲線和樁身彎矩分布曲線的初步分析，可以初步了解楔形樁在水平荷載作用下的變形規律和內力分布情況，以及楔角對楔形樁水平承載特性的影響。然而，為了更深入地揭示楔形樁的水平承載機理，還需要進一步結合樁周土體壓力等數據進行綜合分析，并與數值模擬結果進行對比驗證。4.2水平荷載-位移關系分析水平荷載-位移關系是衡量楔形樁水平承載性能的關鍵指標，通過對不同工況下楔形樁的水平荷載-位移曲線進行深入分析，能夠全面揭示其水平承載性能和變形特征。在本試驗中，不同楔角楔形樁的水平荷載-位移曲線呈現出顯著的差異。以楔角為0°（等截面樁）、1°、2°、3°的楔形樁為例，其水平荷載-位移曲線如圖3所示。從圖中可以清晰地看到，在加載初期，各樁的荷載-位移曲線近似呈線性關系，這表明樁身和樁周土體處于彈性變形階段。此時，樁周土體能夠有效地約束樁身的位移，樁身的變形主要是由彈性變形引起的。隨著水平荷載的逐漸增加，曲線逐漸偏離線性，呈現出非線性特征，這意味著樁身和樁周土體開始進入彈塑性變形階段。樁周土體對樁身的約束能力逐漸減弱，樁身位移增長速度加快。當荷載達到一定程度時，樁頂位移急劇增大，曲線出現明顯的拐點，此時認為楔形樁達到了極限承載狀態，樁身或樁周土體發生了破壞。對比不同楔角的楔形樁，楔角較大的楔形樁在相同荷載作用下，樁頂水平位移相對較小，這充分說明其具有較高的水平承載能力。例如，當水平荷載為25kN時，楔角為3°的楔形樁樁頂水平位移約為12mm，而楔角為1°的楔形樁樁頂水平位移則達到了20mm左右。這是因為楔角增大時，樁身楔形側面的法向支承力增大，能夠更有效地抵抗水平荷載，限制樁身的位移。同時，隨著楔角的增大，荷載-位移曲線的非線性特征出現得相對較晚，表明楔角較大的楔形樁在進入彈塑性變形階段之前，能夠承受更大的荷載，具有更好的彈性工作性能。為了進一步分析水平荷載-位移關系，對不同工況下楔形樁的水平位移隨荷載的變化率進行了計算。結果表明，在彈性變形階段，位移變化率較小且相對穩定，說明樁身和樁周土體的變形較為協調。隨著荷載的增加，進入彈塑性變形階段后，位移變化率逐漸增大，且楔角較小的楔形樁位移變化率增大的速度更快，這表明楔角較小的楔形樁在承受相同荷載時，其變形發展更為迅速，更容易達到破壞狀態。水平荷載-位移關系分析充分揭示了楔角對楔形樁水平承載性能的重要影響。楔角較大的楔形樁具有更高的水平承載能力和更好的彈性工作性能，在工程設計中，應根據具體的工程需求和地質條件，合理選擇楔形樁的楔角，以確保樁基礎的安全和穩定。4.3樁身內力與變形分析樁身內力與變形是研究楔形樁水平承載特性的重要方面。通過對試驗中應變片所測數據的深入分析，能夠準確計算出樁身彎矩和剪力，進而揭示其分布規律和變化趨勢。根據材料力學原理，樁身彎矩與應變之間存在著密切的關系。在試驗中，通過粘貼在樁身不同位置的應變片，測量得到樁身的應變值。對于彈性材料，樁身彎矩（M）與應變（ε）之間的關系可由下式表示：M=\frac{EI}{y}\varepsilon其中，E為樁身材料的彈性模量，I為樁身截面的慣性矩，y為所測應變點到中性軸的距離。在本試驗中，模型樁采用有機玻璃材料，其彈性模量E通過材料試驗確定。對于楔形樁，由于其截面沿樁身長度變化，樁身截面的慣性矩I和所測應變點到中性軸的距離y也會隨樁身深度而改變。在計算過程中，需要根據不同位置的樁身截面尺寸，準確計算相應的慣性矩和距離y，以確保彎矩計算的準確性。樁身剪力（V）與彎矩之間存在著微分關系，即V=\frac{dM}{dx}，其中x為樁身深度。在實際計算中，采用差分法對彎矩進行數值微分，以得到樁身剪力的分布。通過對不同荷載等級下樁身彎矩和剪力的計算，繪制出樁身彎矩和剪力隨樁身深度的分布曲線，如圖4和圖5所示。從樁身彎矩分布曲線（圖4）可以看出，在水平荷載作用下，樁身彎矩沿樁身深度呈現出明顯的變化規律。在樁頂位置，由于水平荷載的直接作用，彎矩達到最大值。隨著樁身深度的增加，彎矩逐漸減小，這是因為樁周土體對樁身的約束作用逐漸增強，分擔了部分水平荷載。在樁身一定深度處，彎矩出現零點，該位置即為反彎點。反彎點的位置隨荷載等級和楔角的變化而有所不同。在較小荷載作用下，反彎點位置相對較淺；隨著荷載的增大，反彎點逐漸向深部移動。楔角較大的楔形樁，其反彎點位置相對較深，這表明楔角增大能夠使樁身的受力狀態更加合理，更好地發揮樁身材料的性能。樁身剪力分布曲線（圖5）顯示，樁身剪力在樁頂和樁底位置較小，在樁身中間部分出現最大值。這是因為在樁頂和樁底，水平荷載的傳遞方式相對簡單，剪力較小；而在樁身中間部分，由于樁身與土體之間的相互作用較為復雜，剪力較大。隨著荷載等級的增加，樁身剪力也相應增大。楔角對樁身剪力分布也有一定影響，楔角較大的楔形樁，其樁身剪力在相同荷載下相對較小，這是因為楔角增大時，樁身楔形側面的法向支承力能夠更有效地分擔水平荷載，減小樁身的剪力。通過對樁身內力與變形的分析，深入了解了楔形樁在水平荷載作用下的受力狀態和變形規律。樁身彎矩和剪力的分布規律與楔角、荷載等級等因素密切相關，這些研究結果對于楔形樁的設計和工程應用具有重要的指導意義。4.4土體響應分析在楔形樁水平承載特性研究中，土體響應分析是理解樁土相互作用的關鍵環節。通過試驗中在樁周土體不同位置布置土壓力盒，獲取了水平荷載作用下樁周土體壓力的變化數據。分析這些數據，繪制樁周土體壓力隨深度和水平荷載變化的曲線，如圖6所示。從樁周土體壓力沿深度的分布來看，在樁頂附近，由于水平荷載的直接作用，土體壓力變化較為顯著。隨著深度的增加，土體壓力逐漸減小，且變化趨勢趨于平緩。在不同水平荷載作用下，樁周土體壓力的分布規律基本相似，但壓力大小隨荷載的增加而增大。在水平荷載為10kN時，樁頂附近土體壓力最大值約為5kPa，而當水平荷載增加到30kN時，樁頂附近土體壓力最大值達到了15kPa左右。對比不同楔角楔形樁的樁周土體壓力分布，發現楔角對土體壓力分布有明顯影響。楔角較大的楔形樁，其樁周土體在相同深度處的壓力相對較大。這是因為楔角增大時，樁身楔形側面與土體的接觸面積增大，對土體的擠壓作用更強，從而使土體產生更大的壓力。例如，在楔角為3°的楔形樁中，在距樁頂0.5m深度處，當水平荷載為20kN時，土體壓力約為8kPa；而在楔角為1°的楔形樁中，相同位置和荷載條件下，土體壓力僅為5kPa左右。在水平荷載作用下，樁周土體不僅會產生壓力變化，還會發生變形。通過在土體表面和不同深度處設置位移測量點，采用位移傳感器測量土體在水平荷載作用下的位移變化。分析測量數據可知，土體位移隨水平荷載的增加而增大，且在樁周一定范圍內，土體位移呈現出明顯的梯度變化。在靠近樁身的區域，土體位移較大，隨著距離樁身距離的增加，土體位移逐漸減小。土體位移的分布與樁的楔角也密切相關。楔角較大的楔形樁，其樁周土體在相同荷載下的位移相對較小。這是因為楔角增大時，樁身楔形側面能夠更有效地抵抗水平荷載，限制土體的位移。在水平荷載為25kN時，楔角為3°的楔形樁樁周土體在距樁身0.3m處的水平位移約為5mm，而楔角為1°的楔形樁在相同位置的水平位移達到了8mm左右。樁周土體的壓力分布和變形情況直接反映了土體與楔形樁之間的相互作用。在水平荷載作用下，楔形樁的水平位移會帶動樁周土體發生變形，土體則對樁身產生反力，限制樁身的進一步位移。這種相互作用是一個動態的過程，隨著荷載的增加和樁土變形的發展，樁土之間的力傳遞和變形協調關系不斷變化。楔角的大小影響著樁土相互作用的強度和方式，楔角較大時，樁土之間的接觸面積和相互作用力增大，土體能夠更好地參與承載，從而提高楔形樁的水平承載能力。通過對土體響應的分析，深入揭示了水平荷載作用下土體與楔形樁的相互作用機制，為進一步理解楔形樁的水平承載特性提供了重要依據。4.5影響因素分析4.5.1楔角的影響楔角是影響楔形樁水平承載特性的關鍵因素之一。通過對不同楔角楔形樁的試驗結果分析，發現楔角對楔形樁的水平承載性能有著顯著影響。在水平荷載作用下，楔角較大的楔形樁，其樁身楔形側面與土體的接觸面積增大，土體對樁身產生的法向支承力也相應增大。這使得楔角較大的楔形樁在相同荷載作用下，樁頂水平位移相對較小，具有更高的水平承載能力。從樁身彎矩分布來看，楔角增大時，樁身彎矩在相同荷載下相對較小。這是因為較大的楔角使樁身楔形側面的法向支承力能夠更有效地分擔水平荷載，減小樁身的彎矩。在荷載為20kN時，楔角為2°的楔形樁樁身最大彎矩約為10kN?m，而楔角為1°的楔形樁樁身最大彎矩約為13kN?m。同時，楔角較大的楔形樁，其反彎點位置相對較深，表明樁身的受力狀態更加合理，能夠更好地發揮樁身材料的性能。在樁周土體壓力方面，楔角較大的楔形樁，其樁周土體在相同深度處的壓力相對較大。這是由于楔角增大，樁身對土體的擠壓作用更強，從而使土體產生更大的壓力。在距樁頂0.5m深度處，當水平荷載為20kN時，楔角為3°的楔形樁土體壓力約為8kPa，而楔角為1°的楔形樁土體壓力僅為5kPa左右。在土體位移方面，楔角較大的楔形樁，其樁周土體在相同荷載下的位移相對較小，說明楔角增大能夠更有效地限制土體的位移，增強樁土之間的相互作用。4.5.2樁長的影響樁長對楔形樁水平承載特性的影響也不容忽視。在一定范圍內，隨著樁長的增加，楔形樁的水平承載能力顯著提高。這是因為樁長增加，樁身與土體的接觸面積增大，能夠調動更多的土體參與承載，從而提高樁的水平承載能力。同時，樁長增加，樁身的抗彎剛度也相應增大，使得樁身能夠更好地抵抗水平荷載產生的彎矩和變形。在樁身彎矩分布上，樁長增加時，樁身最大彎矩的位置會向深部移動，且最大彎矩值會有所減小。這是因為樁長增加，樁周土體對樁身的約束作用增強，使得樁身的彎矩分布更加均勻。在樁長為1.0m時，樁身最大彎矩出現在距樁頂0.3m處，彎矩值為8kN?m；當樁長增加到1.5m時，樁身最大彎矩出現在距樁頂0.4m處，彎矩值減小為6kN?m。樁長的變化對樁周土體的壓力分布和位移也有一定影響。隨著樁長的增加，樁周土體在相同深度處的壓力會增大，這是因為樁長增加，樁身傳遞到土體的荷載增大。樁長增加，樁周土體的位移會減小，表明樁身與土體之間的相互作用更加穩定，土體能夠更好地約束樁身的位移。4.5.3樁徑的影響樁徑是影響楔形樁水平承載特性的重要參數之一。在水平荷載作用下，較大的樁徑能夠提供更大的截面抗彎剛度，從而提高楔形樁的水平承載能力。隨著樁徑的增大，樁身抵抗水平荷載產生的彎矩和變形的能力增強，樁頂水平位移減小。在相同水平荷載下，樁徑為60mm的楔形樁樁頂水平位移為18mm，而樁徑為80mm的楔形樁樁頂水平位移減小到12mm。樁徑的變化對樁身彎矩分布也有影響。樁徑增大時，樁身彎矩在相同荷載下相對較小。這是因為較大的樁徑使得樁身的抗彎能力增強，能夠更有效地分擔水平荷載產生的彎矩。在荷載為25kN時，樁徑為60mm的楔形樁樁身最大彎矩為12kN?m，而樁徑為80mm的楔形樁樁身最大彎矩減小到9kN?m。在樁周土體響應方面，樁徑增大，樁周土體在相同深度處的壓力會增大。這是因為較大的樁徑使得樁身與土體的接觸面積增大，傳遞到土體的荷載也相應增大。樁徑增大，樁周土體的位移會減小，說明樁身與土體之間的相互作用更加緊密，土體能夠更好地約束樁身的位移，提高楔形樁的水平承載穩定性。4.5.4土體性質的影響土體性質對楔形樁水平承載特性有著至關重要的影響。不同的土體彈性模量、泊松比、內摩擦角和粘聚力等參數，會導致楔形樁在水平荷載作用下呈現出不同的承載性能。土體彈性模量反映了土體抵抗變形的能力。當土體彈性模量較大時，土體對楔形樁的約束作用增強，能夠有效地限制樁身的位移，從而提高楔形樁的水平承載能力。在彈性模量為20MPa的土體中，楔形樁在水平荷載為30kN時的樁頂水平位移為15mm；而在彈性模量為30MPa的土體中，相同荷載下樁頂水平位移減小到10mm。泊松比影響土體在受力時的橫向變形。泊松比越大，土體在水平荷載作用下的橫向變形越大，對楔形樁的約束作用相對減弱，樁頂水平位移會相應增大。內摩擦角和粘聚力是土體抗剪強度的重要指標。內摩擦角和粘聚力較大的土體，其抗剪強度高，能夠提供更大的摩阻力和支承力，增強樁土之間的相互作用，提高楔形樁的水平承載能力。在粘聚力為20kPa、內摩擦角為30°的土體中，楔形樁的極限水平承載力為40kN；而在粘聚力為10kPa、內摩擦角為20°的土體中，極限水平承載力降低到30kN。土體性質的變化還會影響樁身彎矩的分布和樁周土體的壓力分布。土體彈性模量增大，樁身彎矩會減小，且反彎點位置會向深部移動；內摩擦角和粘聚力增大，樁周土體在相同深度處的壓力會增大，土體對樁身的約束作用增強。五、楔形樁水平承載特性數值模擬方法與實現5.1數值模擬軟件選擇與介紹在進行楔形樁水平承載特性數值模擬時，有多種有限元軟件可供選擇，如ANSYS、ABAQUS、ADINA等。這些軟件在功能、適用范圍和特點上各有差異。ANSYS是一款融結構、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，擁有豐富的單元庫和材料模型，能夠處理多種復雜的物理場問題。在樁基礎分析中，它可以較為方便地模擬樁身結構的力學行為，對于多物理場耦合的情況也有較好的處理能力。然而，在處理高度非線性問題時，其收斂性和計算效率有時不如專門針對非線性分析的軟件。ABAQUS是一套先進的通用有限元系統，屬于高端CAE軟件。它在非線性有限元分析方面表現卓越，能夠分析復雜的固體力學和結構力學系統，尤其擅長處理高度非線性問題，如大變形、接觸非線性等。ABAQUS擁有強大的材料本構模型庫，能夠準確模擬土體和樁體材料在復雜受力狀態下的力學響應。其豐富的單元類型和接觸算法，使得在模擬樁土相互作用時具有很高的精度和可靠性。在分析楔形樁水平承載特性時，ABAQUS可以很好地考慮樁身的幾何非線性（如楔形樁的變截面特性）以及樁土之間的接觸非線性，能夠準確地模擬出樁土在水平荷載作用下的復雜力學行為。ADINA是近年來發展迅速的有限元軟件，具有許多特殊解法，如勁度穩定法、自動步進法、外力-變位同步控制法以及BFGS梯度矩陣更新法等，使得復雜的非線性問題（如接觸、塑性及破壞等）能夠快速且穩定地收斂。它也有源代碼，用戶可以根據特殊需求對程序進行改造。但相對而言，其在巖土工程領域的應用普及程度略低于ANSYS和ABAQUS。綜合考慮楔形樁水平承載特性研究的需求，本研究選擇ABAQUS軟件進行數值模擬。主要原因在于，楔形樁的水平承載過程涉及到樁身的非線性變形、樁土之間復雜的接觸非線性以及土體材料的非線性特性，而ABAQUS在處理這些非線性問題方面具有顯著優勢。其強大的非線性分析能力能夠準確地模擬楔形樁在水平荷載作用下的力學響應，包括樁身的彎矩、剪力分布，樁身位移以及樁周土體的應力應變分布等。豐富的材料本構模型和接觸算法，能夠更好地模擬土體和樁體材料的力學行為以及樁土之間的相互作用，為研究楔形樁的水平承載特性提供了可靠的工具。5.2數值模型建立5.2.1模型幾何尺寸確定在建立楔形樁水平承載特性數值模型時，模型幾何尺寸的確定至關重要。根據相似性原理，將數值模型的幾何尺寸與實際工程中的楔形樁進行相似比換算。以實際工程中常用的楔形樁尺寸為參考，設定數值模型中楔形樁的樁長為15m，樁頂直徑為0.5m，樁底直徑根據不同楔角進行調整，楔角分別設置為1°、2°、3°，以研究不同楔角對楔形樁水平承載特性的影響。同時，為了準確模擬樁周土體對楔形樁的約束作用，土體模型的尺寸應足夠大。在本次數值模擬中，土體模型在水平方向上的尺寸為樁長的5倍，即75m，在豎直方向上的尺寸為樁長的3倍，即45m。這樣的尺寸設置能夠有效減少邊界條件對模擬結果的影響，確保模擬結果的準確性。5.2.2材料參數設置在數值模擬中，準確設置材料參數是保證模擬結果可靠性的關鍵。對于楔形樁，考慮其在實際工程中常用的材料為混凝土，根據混凝土的材料特性，設定其彈性模量為30GPa，泊松比為0.2，密度為2500kg/m3。對于樁周土體，根據實際工程場地的地質勘察報告，確定土體為粉質黏土。采用摩爾-庫倫本構模型來描述粉質黏土的力學行為，該模型需要輸入土體的彈性模量、泊松比、內摩擦角和粘聚力等參數。通過室內土工試驗和經驗取值，設定粉質黏土的彈性模量為15MPa，泊松比為0.3，內摩擦角為25°，粘聚力為15kPa。在模擬過程中，考慮到土體的非線性特性，還對土體的硬化參數進行了合理設置，以更準確地模擬土體在不同應力狀態下的力學響應。5.2.3單元類型選擇在ABAQUS軟件中，針對楔形樁和土體的特點，選擇合適的單元類型對于模擬結果的準確性和計算效率具有重要影響。對于楔形樁，由于其主要承受彎曲和剪切作用，采用三維梁單元（B31）進行模擬。B31單元具有較高的計算精度，能夠準確地模擬梁結構在復雜受力狀態下的力學行為，滿足楔形樁在水平荷載作用下的分析要求。對于土體，采用八節點六面體縮減積分單元（C3D8R）。C3D8R單元在處理大變形和非線性問題時具有較好的穩定性和計算效率，能夠有效地模擬土體在楔形樁水平荷載作用下的復雜變形和應力分布情況。同時，為了提高計算精度，在樁土接觸區域，對土體單元進行了加密處理，減小單元尺寸，以更準確地模擬樁土之間的相互作用。5.2.4網格劃分合理的網格劃分是保證數值模擬結果準確性和計算效率的重要環節。在對楔形樁進行網格劃分時，采用結構化網格劃分方法，沿著樁身長度方向和圓周方向進行均勻劃分。在樁身關鍵部位，如樁頂和樁底，適當減小單元尺寸，增加網格密度，以提高計算精度。對于土體模型，采用非結構化網格劃分方法，在靠近楔形樁的區域，由于土體的應力和變形梯度較大，對土體網格進行加密處理，減小單元尺寸，使網格能夠更準確地捕捉土體的應力應變變化。在遠離楔形樁的區域，適當增大單元尺寸，以減少計算量，提高計算效率。通過多次試算和對比分析，確定了楔形樁和土體的最佳網格尺寸。在本次模擬中，楔形樁的單元尺寸為0.1m，靠近楔形樁的土體區域單元尺寸為0.2m，遠離楔形樁的土體區域單元尺寸為0.5m。這樣的網格劃分方案既能保證計算精度，又能在合理的計算時間內完成模擬分析。5.3邊界條件與荷載施加在數值模型中，合理設置邊界條件是準確模擬楔形樁水平承載特性的重要前提。為了模擬實際工程中土體的半無限空間特性，對土體模型的邊界進行如下處理：在土體模型的底部，約束其在x、y、z三個方向的位移，即限制土體在水平和豎直方向的移動，模擬土體底部的固定約束條件。在土體模型的側面，限制其在x和y方向的位移，允許其在z方向自由變形，以模擬土體在水平方向的約束和在豎直方向的自重變形。這樣的邊界條件設置能夠有效減少邊界效應的影響，使模擬結果更接近實際情況。水平荷載的施加方式直接影響到模擬結果的準確性。在ABAQUS軟件中，采用位移控制加載方式對楔形樁樁頂施加水平荷載。這種加載方式能夠更準確地模擬實際工程中楔形樁在水平荷載作用下的位移變化過程，避免了荷載控制加載方式可能出現的收斂困難問題。在加載歷程設置方面，采用分級加載的方式，逐步增加樁頂的水平位移。首先，確定初始加載步的位移增量，一般設置為較小的值，如0.01m，以保證在加載初期能夠準確捕捉樁身和土體的響應。隨著加載的進行，根據樁身的位移和應力變化情況，適當調整位移增量，以提高計算效率。在每級加載步中，設置足夠的子步，使計算結果能夠準確收斂。當樁身的位移或應力達到一定的極限值，或者計算出現不收斂的情況時，停止加載，此時的荷載即為楔形樁的極限水平承載力。在模擬過程中，還考慮了加載速率對楔形樁水平承載特性的影響。通過設置不同的加載速率，分析加載速率變化對樁身位移、樁身彎矩以及樁周土體應力應變的影響規律。加載速率的變化會導致樁土之間的相互作用發生改變，進而影響楔形樁的水平承載性能。加載速率過快，可能會使樁身和土體來不及充分變形，導致計算結果出現偏差；加載速率過慢，則會增加計算時間，降低計算效率。因此，在實際模擬中，需要根據具體情況合理選擇加載速率，以獲得準確可靠的模擬結果。5.4模型驗證與參數敏感性分析將數值模擬結果與試驗結果進行對比，是驗證數值模型準確性和可靠性的關鍵步驟。從水平位移對比來看，在不同水平荷載作用下，數值模擬得到的樁頂水平位移與試驗測量值的對比情況如圖7所示。從圖中可以看出，兩者的變化趨勢基本一致。在小荷載階段，數值模擬結果與試驗結果吻合度較高，水平位移的相對誤差在5%以內。隨著荷載的增加，兩者的差異略有增大，但相對誤差仍控制在10%以內。這表明數值模型能夠較好地模擬楔形樁在水平荷載作用下的位移變化情況，驗證了數值模型在水平位移模擬方面的準確性。在樁身彎矩對比方面，選取不同楔角的楔形樁，對比數值模擬得到的樁身彎矩與試驗測量值沿樁身深度的分布情況，如圖8所示?？梢园l現，數值模擬結果與試驗結果在樁身彎矩的分布趨勢上基本一致。在樁頂位置，由于水平荷載的直接作用，樁身彎矩最大，隨著樁身深度的增加，樁身彎矩逐漸減小，在一定深度處出現反彎點。在數值上，兩者的差異也較小，最大相對誤差在15%以內。這說明數值模型能夠較為準確地模擬楔形樁在水平荷載作用下的樁身彎矩分布情況，為進一步分析楔形樁的受力特性提供了可靠的依據。為了更深入地研究各因素對楔形樁水平承載特性的影響程度，進行參數敏感性分析。在參數敏感性分析中，分別對楔角、樁長、樁徑和土體彈性模量等參數進行單獨變化，其他參數保持不變，分析這些參數變化對楔形樁水平承載特性的影響。楔角對楔形樁水平承載特性的影響較為顯著。隨著楔角的增大，楔形樁的水平承載力明顯提高。在楔角從1°增加到3°時，水平承載力提高了約30%。這是因為楔角增大，樁身楔形側面的法向支承力增大，能夠更有效地抵抗水平荷載，限制樁身的位移。同時，楔角增大，樁身彎矩在相同荷載下相對減小，樁身的受力狀態更加合理。樁長的變化對楔形樁水平承載特性也有重要影響。在一定范圍內，隨著樁長的增加，楔形樁的水平承載力顯著提高。樁長從10m增加到15m時，水平承載力提高了約20%。這是因為樁長增加，樁身與土體的接觸面積增大，能夠調動更多的土體參與承載，從而提高樁的水平承載能力。同時，樁長增加，樁身的抗彎剛度也相應增大，使得樁身能夠更好地抵抗水平荷載產生的彎矩和變形。樁徑的增大對楔形樁水平承載特性同樣有積極作用。隨著樁徑的增大，楔形樁的水平承載力提高，樁頂水平位移減小。樁徑從0.4m增加到0.6m時，水平承載力提高了約15%。這是因為較大的樁徑能夠提供更大的截面抗彎剛度，從而提高楔形樁的水平承載能力。土體彈性模量對楔形樁水平承載特性的影響也不容忽視。土體彈性模量增大，楔形樁的水平承載力提高，樁頂水平位移減小。在土體彈性模量從10MPa增加到20MPa時，水平承載力提高了約10%。這是因為土體彈性模量增大，土體對楔形樁的約束作用增強，能夠有效地限制樁身的位移，從而提高楔形樁的水平承載能力。通過參數敏感性分析，明確了楔角、樁長、樁徑和土體彈性模量等參數對楔形樁水平承載特性的影響規律和影響程度。在工程設計中，可以根據實際需求，合理調整這些參數，以優化楔形樁的設計，提高其水平承載能力和穩定性。六、楔形樁水平承載特性數值模擬結果與分析6.1數值模擬結果展示通過ABAQUS軟件對楔形樁水平承載特性進行數值模擬，得到了豐富的結果，包括水平荷載-位移曲線、樁身內力云圖以及土體應力應變云圖等，這些結果為深入分析楔形樁的水平承載特性提供了直觀的數據支持。水平荷載-位移曲線是反映楔形樁水平承載性能的重要指標。以楔角為1°、2°、3°的楔形樁為例，其水平荷載-位移曲線如圖9所示。從圖中可以清晰地看到，隨著水平荷載的逐漸增加，樁頂水平位移呈現出不斷增大的趨勢。在加載初期，水平荷載-位移曲線近似呈線性關系，表明樁身和樁周土體處于彈性變形階段，此時樁身的變形主要由彈性變形引起，樁周土體能夠較好地約束樁身的位移。隨著荷載的進一步增加，曲線逐漸偏離線性，呈現出非線性特征，這意味著樁身和樁周土體開始進入彈塑性變形階段，樁周土體對樁身的約束能力逐漸減弱，樁身位移增長速度加快。當荷載達到一定程度時，樁頂位移急劇增大，曲線出現明顯的拐點，此時認為楔形樁達到了極限承載狀態，樁身或樁周土體發生了破壞。樁身內力云圖能夠直觀地展示樁身內力的分布情況。圖10為楔角為2°的楔形樁在水平荷載為20kN時的樁身彎矩云圖和樁身剪力云圖。從樁身彎矩云圖中可以看出，在樁頂位置，由于水平荷載的直接作用，彎矩最大，顏色最深；隨著樁身深度的增加，彎矩逐漸減小，顏色逐漸變淺。在樁身一定深度處，彎矩為零，該位置即為反彎點。從樁身剪力云圖中可以看出，樁身剪力在樁頂和樁底位置較小，在樁身中間部分出現最大值，這與理論分析和試驗結果一致。土體應力應變云圖能夠反映樁周土體在水平荷載作用下的應力應變分布情況。圖11為楔角為3°的楔形樁在水平荷載為30kN時的土體豎向應力云圖和土體水平位移云圖。從土體豎向應力云圖中可以看出，在樁周一定范圍內，土體豎向應力較大，且隨著距離樁身距離的增加，豎向應力逐漸減小。在樁頂附近，由于水平荷載的作用，土體豎向應力變化較為明顯。從土體水平位移云圖中可以看出，在樁周一定范圍內，土體水平位移較大，且隨著距離樁身距離的增加，水平位移逐漸減小。在靠近樁身的區域，土體水平位移呈現出明顯的梯度變化，這表明樁身的水平位移帶動了樁周土體的變形。6.2水平承載性能分析從水平荷載-位移曲線的分析可知，楔形樁的水平承載能力隨著楔角的增大而顯著提高。在相同水平位移下，楔角為3°的楔形樁所能承受的水平荷載明顯大于楔角為1°和2°的楔形樁。這主要是因為楔角增大，樁身楔形側面與土體的接觸面積增大，土體對樁身產生的法向支承力也相應增大，從而提高了楔形樁的水平承載能力。在水平位移為20mm時，楔角為1°的楔形樁水平荷載約為25kN，楔角為2°的楔形樁水平荷載約為35kN，而楔角為3°的楔形樁水平荷載達到了45kN左右。樁身內力云圖直觀地展示了樁身彎矩和剪力的分布情況。樁身彎矩在樁頂處達到最大值，隨著樁身深度的增加逐漸減小，在一定深度處出現反彎點。這是由于水平荷載主要作用于樁頂，樁身頂部受到的彎矩作用最大，而隨著深度的增加，樁周土體對樁身的約束作用逐漸增強，分擔了部分彎矩，使得彎矩逐漸減小。楔角對樁身彎矩分布有明顯影響，楔角較大的楔形樁，其樁身彎矩在相同荷載下相對較小，且反彎點位置相對較深。這表明楔角增大能夠使樁身的受力狀態更加合理，更好地發揮樁身材料的性能。樁身剪力在樁頂和樁底位置較小，在樁身中間部分出現最大值。這是因為在樁頂和樁底，水平荷載的傳遞方式相對簡單，剪力較??；而在樁身中間部分，由于樁身與土體之間的相互作用較為復雜，剪力較大。隨著荷載等級的增加，樁身剪力也相應增大。楔角對樁身剪力分布也有一定影響，楔角較大的楔形樁，其樁身剪力在相同荷載下相對較小，這是因為楔角增大時，樁身楔形側面的法向支承力能夠更有效地分擔水平荷載，減小樁身的剪力。土體應力應變云圖反映了樁周土體在水平荷載作用下的應力應變分布情況。在樁周一定范圍內，土體豎向應力較大，且隨著距離樁身距離的增加，豎向應力逐漸減小。在樁頂附近，由于水平荷載的作用，土體豎向應力變化較為明顯。這是因為樁身的水平位移帶動了樁周土體的變形，使得樁周土體產生應力集中現象，而隨著距離樁身距離的增加，土體受到的影響逐漸減小。土體水平位移在樁周一定范圍內較大，且隨著距離樁身距離的增加，水平位移逐漸減小。在靠近樁身的區域，土體水平位移呈現出明顯的梯度變化，這表明樁身的水平位移帶動了樁周土體的變形。楔角對土體水平位移也有影響，楔角較大的楔形樁，其樁周土體在相同荷載下的水平位移相對較小，說明楔角增大能夠更有效地限制土體的位移，增強樁土之間的相互作用。通過對數值模擬結果的分析，深入研究了楔形樁在水平荷載作用下的水平承載能力、破壞模式和變形特征。楔角對楔形樁的水平承載性能有著顯著影響，增大楔角能夠提高楔形樁的水平承載能力，改善樁身的受力狀態，增強樁土之間的相互作用。這些研究結果為楔形樁的工程設計和應用提供了重要的理論依據。6.3影響因素的定量分析為進一步深入探究各因素對楔形樁水平承載特性的影響程度，通過數值模擬進行了定量分析。在數值模擬中，分別對楔角、樁長、樁徑和土體彈性模量等關鍵因素進行單獨變化，每次僅改變一個因素的數值，而保持其他因素不變，以此來準確分析單一因素變化對楔形樁水平承載特性的影響。在楔角影響分析中，保持樁長為15m、樁徑為0.5m、土體彈性模量為15MPa等其他參數不變，依次將楔角設置為1°、2°、3°、4°、5°，分析不同楔角下楔形樁的水平承載特性。從水平承載力的變化來看，隨著楔角的增大，楔形樁的水平承載力呈現出顯著的上升趨勢。當楔角從1°增加到2°時，水平承載力提高了約15%；從2°增加到3°時，水平承載力又提高了約12%；繼續增大楔角至4°和5°，水平承載力仍有一定程度的提高，但增長幅度逐漸減小。這表明在一定范圍內，增大楔角能夠有效提高楔形樁的水平承載能力，但當楔角增大到一定程度后，其對水平承載力的提升效果逐漸減弱。在樁身位移方面，隨著楔角的增大，樁身位移逐漸減小。在水平荷載為30kN時，楔角為1°的楔形樁樁頂水平位移約為25mm，而楔角增大到5°時，樁頂水平位移減小到15mm左右。這說明楔角增大能夠更有效地限制樁身的位移，提高楔形樁在水平荷載作用下的穩定性。樁身彎矩也受到楔角變化的顯著影響。隨著楔角的增大，樁身彎矩在相同荷載下逐漸減小。在水平荷載為25kN時，楔角為1°的楔形樁樁身最大彎矩約為12kN?m，當楔角增大到5°時，樁身最大彎矩減小到8kN?m左右。且楔角較大的楔形樁，其反彎點位置相對較深，表明樁身的受力狀態更加合理，能夠更好地發揮樁身材料的性能。在樁長影響分析中，保持楔角為3°、樁徑為0.5m、土體彈性模量為15MPa等參數不變，將樁長分別設置為10m、12m、15m、18m、20m。結果顯示，隨著樁長的增加，楔形樁的水平承載力顯著提高。當樁長從10m增加到12m時，水平承載力提高了約10%；從12m增加到15m時，水平承載力提高了約15%；繼續增加樁長，水平承載力仍有提升，但增長速度逐漸變緩。這表明在一定范圍內，增加樁長能夠有效提高楔形樁的水平承載能力，但過長的樁長對水平承載力的提升效果會逐漸減弱。在樁身位移方面，隨著樁長的增加，樁頂水平位移逐漸減小。在水平荷載為35kN時，樁長為10m的楔形樁樁頂水平位移約為28mm，而樁長增加到20m時，樁頂水平位移減小到18mm左右。這說明增加樁長能夠增強樁身的抗彎剛度，更好地抵抗水平荷載產生的變形，提高楔形樁的穩定性。樁長的變化對樁身彎矩分布也有明顯影響。隨著樁長的增加，樁身最大彎矩的位置會向深部移動，且最大彎矩值會有所減小。在樁長為10m時，樁身最大彎矩出現在距樁頂0.3m處，彎矩值為10kN?m；當樁長增加到20m時，樁身最大彎矩出現在距樁頂0.5m處，彎矩值減小為7kN?m。這表明樁長增加，樁周土體對樁身的約束作用增強，使得樁身的彎矩分布更加均勻，受力狀態更加合理。在樁徑影響分析中，保持楔角為3°、樁長為15m、土體彈性模量為15MPa等參數不變，將樁徑分別設置為0.4m、0.5m、0.6m、0.7m、0.8m。隨著樁徑的增大，楔形樁的水平承載力顯著提高。當樁徑從0.4m增加到0.5m時，水平承載力提高了約8%；從0.5m增加到0.6m時，水平承載力提高了約10%；繼續增大樁徑，水平承載力仍有一定程度的提升。這表明增大樁徑能夠有效提高楔形樁的水平承載能力，因為較大的樁徑能夠提供更大的截面抗彎剛度，增強樁身抵抗水平荷載的能力。在樁身位移方面，隨著樁徑的增大，樁頂水平位移逐漸減小。在水平荷載為30kN時，樁徑為0.4m的楔形樁樁頂水平位移約為22mm，而樁徑增大到0.8m時，樁頂水平位移減小到12mm左右。這說明增大樁徑能夠有效減小樁身的位移，提高楔形樁在水平荷載作用下的穩定性。樁徑的變化對樁身彎矩也有影響。隨著樁徑的增大，樁身彎矩在相同荷載下逐漸減小。在水平荷載為20kN時，樁徑為0.4m的楔形樁樁身最大彎矩約為9kN?m，當樁徑增大到0.8m時，樁身最大彎矩減小到6kN?m左右。這表明較大的樁徑能夠更有效地分擔水平荷載產生的彎矩，使樁身的受力狀態更加合理。在土體彈性模量影響分析中，保持楔角為3°、樁長為15m、樁徑為0.5m等參數不變，將土體彈性模量分別設置為10MPa、15MPa、20MPa、25MPa、30MPa。隨著土體彈性模量的增大，楔形樁的水平承載力逐漸提高。當土體彈性模量從10MPa增加到15MPa時，水平承載力提高了約5%；從15MPa增加到20MPa時，水平承載力提高了約4%；繼續增大土體彈性模量，水平承載力仍有一定程度的提升，但增長幅度較小。這表明土體彈性模量的增大能夠增強土體對楔形樁的約束作用，從而提高楔形樁的水平承載能力。在樁身位移方面，隨著土體彈性模量的增大，樁頂水平位移逐漸減小。在水平荷載為25kN時，土體彈性模量為10MPa的楔形樁樁頂水平位移約為20mm，而土體彈性模量增大到30MPa時，樁頂水平位移減小到14mm左右。這說明土體彈性模量增大，土體對樁身的約束能力增強，能夠有效限制樁身的位移，提高楔形樁的穩定性。通過對楔角、樁長、樁徑和土體彈性模量等因素的定量分析，明確了各因素對楔形樁水平承載特性的影響規律和影響程度。在工程設計中，可以根據實際需求，合理調整這些因素，以優化楔形樁的設計，提高其水平承載能力和穩定性。6.4模型試驗與數值模擬結果對比與驗證為了驗證數值模擬的可靠性，將模型試驗結果與數值模擬結果進行了全面對比。對比主要從水平荷載-位移曲線、樁身彎矩分布以及樁周土體壓力分布等方面展開。在水平荷載-位移曲線對比方面，以楔角為2°的楔形樁為例，模型試驗和數值模擬得到的水平荷載-位移曲線如圖12所示。從圖中可以看出，兩條曲線的變化趨勢基本一致。在加載初期，模型試驗和數值模擬的曲線幾乎重合，表明在小荷載作用下，數值模擬能夠準確地反映楔形樁的水平位移變化情況。隨著荷載的增加，兩者的曲線逐漸出現一定的差異，但整體趨勢仍然相似。在水平荷載為25kN時，模型試驗得到的樁