楔形樁水平承載特性的多維度探究：模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的協(xié)同分析

楔形樁水平承載特性的多維度探究：模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬的協(xié)同分析一、引言1.1研究背景與意義隨著現(xiàn)代工程建設(shè)的規(guī)模不斷擴(kuò)大，對(duì)樁基礎(chǔ)的性能要求日益提高。樁基礎(chǔ)作為支撐各類建筑物的重要結(jié)構(gòu)，其承載能力和穩(wěn)定性直接關(guān)系到整個(gè)工程的安全與質(zhì)量。在眾多樁型中，楔形樁作為一種獨(dú)特的樁型，近年來(lái)在工程領(lǐng)域的應(yīng)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(xiàn)出楔形的形狀。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使其具有諸多優(yōu)點(diǎn)。從材料利用角度來(lái)看，相較于傳統(tǒng)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(fèi)，從而降低工程成本。在施工方面，楔形樁的施工工藝并不復(fù)雜，且其入土過程相對(duì)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(cè)壁，當(dāng)樁體受力時(shí)，除了常規(guī)的摩阻力（切向抗力）外，土體對(duì)楔形側(cè)面還會(huì)產(chǎn)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(shí)際工程中，楔形樁已在多個(gè)領(lǐng)域得到應(yīng)用。在一些高層建筑的基礎(chǔ)工程中，楔形樁能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的地質(zhì)條件，為建筑物提供穩(wěn)定的支撐。在橋梁工程中，楔形樁也展現(xiàn)出了良好的性能，能夠承受橋梁上部結(jié)構(gòu)傳來(lái)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(yōu)點(diǎn)且在工程中有所應(yīng)用，但目前對(duì)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(xiàn)有的研究成果相對(duì)較少，無(wú)法為工程實(shí)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(huì)使樁身產(chǎn)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(fù)雜。不同的土質(zhì)條件、樁的幾何參數(shù)（如楔角、樁長(zhǎng)、樁徑等）以及荷載大小和加載方式等因素，都會(huì)對(duì)楔形樁的水平承載特性產(chǎn)生顯著影響。若不能準(zhǔn)確掌握這些因素對(duì)楔形樁水平承載特性的影響規(guī)律，在工程設(shè)計(jì)和施工中就可能會(huì)出現(xiàn)問題。例如，在設(shè)計(jì)時(shí)，如果對(duì)楔形樁的水平承載能力估計(jì)不足，可能導(dǎo)致基礎(chǔ)在水平荷載作用下發(fā)生過大的位移或破壞，危及整個(gè)工程的安全；反之，如果對(duì)其水平承載能力估計(jì)過高，可能會(huì)造成不必要的材料浪費(fèi)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(shí)際工程價(jià)值。從理論層面來(lái)看，對(duì)楔形樁水平承載特性的研究有助于完善樁基礎(chǔ)的理論體系，豐富對(duì)異形樁承載機(jī)理的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)相關(guān)研究提供新的思路和方法。在實(shí)際工程應(yīng)用中，準(zhǔn)確掌握楔形樁的水平承載特性，可以為工程設(shè)計(jì)提供更為科學(xué)、合理的依據(jù)。設(shè)計(jì)人員能夠根據(jù)具體的工程需求和地質(zhì)條件，更加精準(zhǔn)地設(shè)計(jì)楔形樁的各項(xiàng)參數(shù)，優(yōu)化基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，確保工程的安全性和穩(wěn)定性。同時(shí)，通過對(duì)楔形樁水平承載特性的研究，還可以進(jìn)一步挖掘其在工程應(yīng)用中的潛力，推動(dòng)楔形樁在更多工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，提高工程建設(shè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀楔形樁作為一種特殊樁型，其研究與應(yīng)用在國(guó)內(nèi)外逐漸受到關(guān)注。在國(guó)外，對(duì)楔形樁的研究起步相對(duì)較早。前蘇聯(lián)從20世紀(jì)初就開始對(duì)不同楔角的楔形樁展開一系列研究，并在上世紀(jì)70年代將其應(yīng)用于工程實(shí)踐，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。學(xué)者Wei和ElNaggar進(jìn)行了楔形樁在豎向靜載情況下的抗壓性能試驗(yàn)研究，使用三種不同楔角的鋼樁分別在相對(duì)密實(shí)度不同的砂中進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)側(cè)阻力隨楔角的增加而增加，楔形樁的側(cè)阻力比筒樁高40%，且兩種樁側(cè)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(duì)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(diǎn)，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(zhǎng)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(duì)楔形樁在循環(huán)荷載下的特性研究發(fā)現(xiàn)，樁的剛度隨圍壓的增加而增加，循環(huán)荷載值對(duì)樁的工作特性有非常重要的影響。在國(guó)內(nèi)，對(duì)楔形樁的研究始于20世紀(jì)80年代，并在保定、南京等地進(jìn)行試用，效果良好。在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)方面，四川德陽(yáng)地區(qū)膨脹土中的楔形灌注樁試驗(yàn)表明，它比等長(zhǎng)度同體積的現(xiàn)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(xì)砂中的試驗(yàn)中，當(dāng)楔形樁和等直徑樁體積基本相等時(shí)，對(duì)比發(fā)現(xiàn)樁頂沉降相同時(shí)，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(tài)時(shí)增加68.25%；樁頂荷載相同時(shí)，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(yōu)越性。在水平承載特性研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者謝俊南以開封地區(qū)粉土地基中的楔形樁為研究對(duì)象，通過對(duì)水平荷載下的楔形單樁進(jìn)行縮尺模型試驗(yàn)，并利用ABAQUS有限元軟件模擬縮尺試驗(yàn)過程，分析了楔形單樁與等高等側(cè)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(yīng)，揭示了水平荷載下楔形群樁的承載特性，還通過控制樁長(zhǎng)與表面積、樁長(zhǎng)與體積，對(duì)楔形單樁水平承載特性進(jìn)行優(yōu)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(zhǎng)位置時(shí)，土體抗力出現(xiàn)第一個(gè)峰值，而縱向中排樁中的中間樁，其第一個(gè)土體抗力的峰值位置大約在距樁頂0.15倍樁長(zhǎng)位置處；縱向中排樁的第二個(gè)土體抗力峰值位置出現(xiàn)在樁埋置深度大約距樁頂0.9倍樁長(zhǎng)位置處，比縱向外排樁的第二個(gè)峰值位置略高；小角度范圍內(nèi)的楔形單樁等樁長(zhǎng)、等表面積或等樁長(zhǎng)、等體積時(shí)，在同一長(zhǎng)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(shí)楔形樁的水平承載力比等體積時(shí)提高約0.7%，并建議工程上，樁長(zhǎng)一定時(shí)，楔形樁的較優(yōu)尺寸以等表面積且下直徑減小為準(zhǔn)，小角度范圍內(nèi)，楔形角取1.0°時(shí)，楔形群樁的水平承載特性綜合效果最好。然而，目前對(duì)于楔形樁水平承載特性的研究仍存在一些不足之處。多數(shù)研究集中在特定的土質(zhì)條件下，對(duì)于不同復(fù)雜地質(zhì)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(xì)化分析方面，現(xiàn)有的研究方法和模型還存在一定的局限性，難以準(zhǔn)確描述樁土之間復(fù)雜的力學(xué)行為。此外，關(guān)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(tǒng)、成熟的理論體系，無(wú)法為工程設(shè)計(jì)提供全面、精準(zhǔn)的理論支持。在數(shù)值模擬方面，雖然已經(jīng)有一些應(yīng)用，但模型的準(zhǔn)確性和可靠性還需要進(jìn)一步驗(yàn)證和提高，不同數(shù)值模擬方法之間的對(duì)比和優(yōu)化研究也相對(duì)較少。這些不足都為后續(xù)的研究提供了拓展方向，需要進(jìn)一步深入研究，以完善對(duì)楔形樁水平承載特性的認(rèn)識(shí)和理解，推動(dòng)其在工程中的更廣泛應(yīng)用。1.3研究?jī)?nèi)容與方法本研究將綜合運(yùn)用模型試驗(yàn)、數(shù)值模擬以及二者對(duì)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(yàn)方面，精心設(shè)計(jì)并開展室內(nèi)楔形樁水平承載模型試驗(yàn)。首先，依據(jù)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(shí)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(shí)配置與實(shí)際工程地質(zhì)條件相似的模型土。在試驗(yàn)過程中，利用高精度的加載設(shè)備對(duì)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(yīng)變片等，精確測(cè)量不同荷載等級(jí)下模型樁的水平位移、樁身應(yīng)變以及樁周土體的壓力變化等數(shù)據(jù)。通過對(duì)這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)的詳細(xì)分析，深入了解楔形樁在水平荷載作用下的變形規(guī)律、樁身內(nèi)力分布以及樁土相互作用特性，為后續(xù)的研究提供真實(shí)可靠的試驗(yàn)依據(jù)。數(shù)值模擬方法采用先進(jìn)的有限元軟件，建立精確的楔形樁-土相互作用三維數(shù)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(xué)行為以及土體的本構(gòu)模型等因素。對(duì)于樁體材料，選用合適的材料模型來(lái)描述其力學(xué)性能；對(duì)于土體，根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件選擇恰當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型，如摩爾-庫(kù)倫模型、鄧肯-張模型等，以準(zhǔn)確模擬土體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)。通過數(shù)值模擬，系統(tǒng)分析不同楔角、樁長(zhǎng)、樁徑、土體參數(shù)等因素對(duì)楔形樁水平承載特性的影響規(guī)律，包括水平承載力、樁身位移、樁身彎矩等。數(shù)值模擬能夠彌補(bǔ)試驗(yàn)研究在變量控制和參數(shù)變化范圍上的局限性，快速、全面地獲取各種工況下的結(jié)果，為深入研究楔形樁的水平承載特性提供豐富的數(shù)據(jù)支持。將模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行全面、細(xì)致的對(duì)比分析。從水平位移、樁身應(yīng)變、樁周土壓力等多個(gè)方面進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值模型的準(zhǔn)確性和可靠性。如果兩者結(jié)果存在差異，深入分析產(chǎn)生差異的原因，如模型簡(jiǎn)化、材料參數(shù)選取、邊界條件設(shè)定等方面的問題，并對(duì)數(shù)值模型進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)。通過對(duì)比分析，進(jìn)一步完善對(duì)楔形樁水平承載特性的認(rèn)識(shí)，為工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供更具說服力的理論依據(jù)。本研究的具體內(nèi)容包括：一是分析不同楔角對(duì)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(duì)楔形樁水平承載力、樁身位移和樁身彎矩的影響規(guī)律，確定在不同工況下的最優(yōu)楔角范圍，為工程設(shè)計(jì)中楔角的選擇提供科學(xué)依據(jù)。二是探究不同樁長(zhǎng)對(duì)楔形樁水平承載特性的作用。設(shè)計(jì)不同樁長(zhǎng)的模型樁和數(shù)值模型，分析樁長(zhǎng)與水平承載力、樁身位移、樁身彎矩之間的關(guān)系，明確樁長(zhǎng)在楔形樁水平承載中的重要作用，以及如何根據(jù)工程需求合理確定樁長(zhǎng)。三是研究不同樁徑對(duì)楔形樁水平承載特性的影響。通過調(diào)整樁徑參數(shù)，分析樁徑變化對(duì)楔形樁水平承載性能的影響，包括對(duì)水平承載力、樁身位移和樁身彎矩的影響，為工程設(shè)計(jì)中樁徑的確定提供參考。四是探討不同土體參數(shù)對(duì)楔形樁水平承載特性的影響?？紤]土體的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、粘聚力等參數(shù)的變化，研究土體性質(zhì)對(duì)楔形樁水平承載特性的影響規(guī)律，使研究結(jié)果能夠更好地適應(yīng)不同的工程地質(zhì)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(jī)理。通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結(jié)果，深入研究樁土之間的力傳遞機(jī)制、變形協(xié)調(diào)關(guān)系以及土體對(duì)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(zhì)，為建立更完善的楔形樁水平承載理論提供基礎(chǔ)。二、楔形樁水平承載特性理論基礎(chǔ)2.1楔形樁的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工作原理楔形樁，因其獨(dú)特的楔形結(jié)構(gòu)而區(qū)別于傳統(tǒng)等截面樁。從結(jié)構(gòu)上看，楔形樁的樁身截面沿樁長(zhǎng)方向逐漸變化，呈現(xiàn)出上小下大（或上大下?。┑腻F形形態(tài)。這一結(jié)構(gòu)特征使得楔形樁在力學(xué)性能和工作原理上具有獨(dú)特之處。在水平荷載作用下，楔形樁的工作原理較為復(fù)雜，涉及樁身與周圍土體之間的相互作用。當(dāng)水平荷載施加于楔形樁樁頂時(shí)，樁身會(huì)產(chǎn)生水平位移和轉(zhuǎn)動(dòng)。由于樁身的楔形結(jié)構(gòu)，樁周土體對(duì)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(duì)樁身的側(cè)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(cè)面的存在，土體對(duì)樁身還會(huì)產(chǎn)生法向的支承力。這種法向支承力的方向與樁身楔形側(cè)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(zhì)等多種因素的影響。從荷載傳遞機(jī)制來(lái)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(chǎn)生對(duì)樁身的反力。樁身將水平荷載逐步傳遞給周圍土體，同時(shí)土體的反力也作用于樁身，限制樁身的進(jìn)一步位移。在這個(gè)過程中，楔形樁的楔形側(cè)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(fā)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(diào)動(dòng)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(duì)其工作性能有著重要影響。楔角較大時(shí)，樁身楔形側(cè)面的法向支承力相對(duì)較大，能夠更有效地抵抗水平荷載，但同時(shí)也可能導(dǎo)致樁身入土難度增加，以及在施工過程中對(duì)土體的擾動(dòng)較大。楔角較小時(shí)，雖然樁身入土相對(duì)容易，對(duì)土體的擾動(dòng)較小，但在抵抗水平荷載時(shí)，法向支承力的作用相對(duì)較弱。因此，在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的工程地質(zhì)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(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。2.2水平承載特性相關(guān)理論在樁基礎(chǔ)水平承載特性研究領(lǐng)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?cè)谛ㄐ螛端匠休d特性研究中各有其適用性和特點(diǎn)。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(cè)土抗力（p）與樁身水平位移（y）之間的關(guān)系曲線，即p-y曲線，來(lái)描述樁周土體對(duì)樁身的作用。p-y曲線的形狀和參數(shù)取決于土體的性質(zhì)、樁的入土深度、荷載大小等因素。在實(shí)際應(yīng)用中，針對(duì)不同的土體類型，有相應(yīng)的p-y曲線經(jīng)驗(yàn)公式。例如，對(duì)于黏性土，常用的有Matlock公式；對(duì)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(yōu)勢(shì)。由于楔形樁的樁身截面沿深度變化，其樁周土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)也較為復(fù)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(shù)，可以較為準(zhǔn)確地模擬楔形樁在水平荷載作用下的變形和內(nèi)力分布。然而，該方法也存在一些局限性。p-y曲線的參數(shù)通?；诮?jīng)驗(yàn)或特定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)確定，對(duì)于復(fù)雜的地質(zhì)條件和特殊的樁型（如楔形樁），這些參數(shù)的準(zhǔn)確性可能受到影響。此外，p-y曲線法在處理多樁基礎(chǔ)和群樁效應(yīng)時(shí)，還需要進(jìn)一步的改進(jìn)和完善。彈性理論法是基于彈性力學(xué)理論，將樁視為彈性地基梁，把土體對(duì)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(lái)計(jì)算樁身的內(nèi)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(shè)地基表面任一點(diǎn)的沉降只與作用在該點(diǎn)的壓力成正比，而與其他點(diǎn)的壓力無(wú)關(guān)，即地基是由一系列互不聯(lián)系的彈簧組成。這種模型計(jì)算簡(jiǎn)單，但它忽略了土體的連續(xù)性和應(yīng)力擴(kuò)散效應(yīng)，在實(shí)際應(yīng)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(zhì)、各向同性的彈性半空間體，考慮了土體的連續(xù)性和應(yīng)力擴(kuò)散，能夠更準(zhǔn)確地反映土體的實(shí)際受力情況，但該模型的計(jì)算較為復(fù)雜，需要較多的土體參數(shù)。對(duì)于楔形樁水平承載特性研究，彈性理論法的優(yōu)點(diǎn)在于其理論基礎(chǔ)較為完善，能夠較為系統(tǒng)地分析樁身的內(nèi)力和變形。在一些簡(jiǎn)單的工況下，如樁周土體性質(zhì)較為均勻、荷載較小的情況，彈性理論法可以給出較為準(zhǔn)確的結(jié)果。然而，由于楔形樁的特殊結(jié)構(gòu)，其樁周土體的受力和變形情況與常規(guī)等截面樁有較大差異，彈性理論法在處理楔形樁時(shí)，需要對(duì)理論模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)男拚透倪M(jìn)，以考慮楔形樁的幾何形狀和受力特點(diǎn)對(duì)樁土相互作用的影響。同時(shí)，彈性理論法通常假設(shè)土體為彈性材料，而實(shí)際土體在受力過程中往往表現(xiàn)出非線性特性，這也限制了彈性理論法在復(fù)雜工況下的應(yīng)用。三、楔形樁水平承載特性模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與實(shí)施3.1試驗(yàn)?zāi)康呐c方案設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)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(guī)律、揭示樁身內(nèi)力分布以及樁土相互作用機(jī)制，為楔形樁的工程應(yīng)用提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。模型樁的設(shè)計(jì)是試驗(yàn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)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(jī)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(yàn)過程中觀察樁身的變形情況，同時(shí)其力學(xué)性能也能較好地滿足相似要求。模型樁的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為1.5m，樁頂直徑為50mm，樁底直徑根據(jù)不同楔角進(jìn)行調(diào)整，分別設(shè)置楔角為0°（等截面樁作為對(duì)比樁）、1°、2°、3°，以研究楔角對(duì)楔形樁水平承載特性的影響。在樁身內(nèi)部沿長(zhǎng)度方向每隔100mm布置應(yīng)變片，用于測(cè)量樁身的應(yīng)變，進(jìn)而計(jì)算樁身彎矩。在樁頂和樁身不同高度處設(shè)置位移測(cè)量點(diǎn)，采用高精度位移傳感器測(cè)量樁身的水平位移。相似比的確定是保證試驗(yàn)結(jié)果準(zhǔn)確性和可靠性的重要前提。在本次試驗(yàn)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(jù)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(jī)玻璃材料的彈性模量、泊松比等力學(xué)參數(shù)與實(shí)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(shí)的變形和應(yīng)力分布與原型樁具有相似的規(guī)律。荷載相似比根據(jù)模型樁與原型樁的幾何尺寸和材料特性進(jìn)行計(jì)算，確保在試驗(yàn)過程中施加的水平荷載能夠模擬原型樁在實(shí)際工程中所承受的荷載情況。同時(shí)，考慮到模型土與實(shí)際土體的力學(xué)性質(zhì)差異，對(duì)模型土的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，使其與實(shí)際土體在相似比條件下具有相似的力學(xué)響應(yīng)。試驗(yàn)場(chǎng)地選擇在實(shí)驗(yàn)室的大型試驗(yàn)槽內(nèi)，試驗(yàn)槽尺寸為長(zhǎng)3m、寬2m、高1.5m，能夠滿足模型樁和模型土的布置要求。試驗(yàn)設(shè)備主要包括加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。加載系統(tǒng)采用高精度液壓千斤頂，通過反力架對(duì)模型樁施加水平荷載，荷載大小由荷載傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，精度可達(dá)0.1kN。測(cè)量系統(tǒng)由位移傳感器、應(yīng)變片和土壓力盒組成，位移傳感器用于測(cè)量樁頂和樁身不同位置的水平位移，精度為0.01mm；應(yīng)變片粘貼在樁身內(nèi)部，用于測(cè)量樁身應(yīng)變，通過應(yīng)變片的電阻變化計(jì)算樁身彎矩；土壓力盒布置在樁周土體中，用于測(cè)量樁周土體的壓力變化，了解樁土相互作用情況。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集儀，能夠?qū)崟r(shí)采集和記錄加載系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。在試驗(yàn)過程中，按照分級(jí)加載的方式，逐步增加水平荷載，每級(jí)荷載加載后，保持一定的穩(wěn)定時(shí)間，待樁身位移和樁周土體壓力穩(wěn)定后，再進(jìn)行下一級(jí)荷載加載，直至模型樁達(dá)到破壞狀態(tài)。3.2試驗(yàn)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(jī)玻璃作為制作材料，這是基于多方面的考慮。有機(jī)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(shè)計(jì)要求的楔形樁形狀，確保模型樁的幾何尺寸精度，為試驗(yàn)的準(zhǔn)確性提供保障。其透明的特性是一大突出優(yōu)勢(shì)，在試驗(yàn)過程中，便于直接觀察樁身內(nèi)部的應(yīng)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(tài)等，這些直觀的觀察對(duì)于深入理解楔形樁的承載機(jī)理具有重要意義。從力學(xué)性能角度來(lái)看，雖然有機(jī)玻璃與實(shí)際工程中常用的混凝土材料在彈性模量、泊松比等參數(shù)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(shí)的變形和應(yīng)力分布與原型樁具有相似的規(guī)律，從而滿足試驗(yàn)的相似性要求。在制作過程中，首先根據(jù)設(shè)計(jì)的樁長(zhǎng)、樁頂直徑、樁底直徑以及楔角等參數(shù)，使用數(shù)控加工設(shè)備對(duì)有機(jī)玻璃板材進(jìn)行切割和成型加工。在切割過程中，嚴(yán)格控制切割精度，確保樁身的直線度和楔角的準(zhǔn)確性，誤差控制在極小范圍內(nèi)。為了保證樁身的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，在樁身內(nèi)部按照一定的間距和布置方式埋入細(xì)鋼絲作為加強(qiáng)筋。細(xì)鋼絲的直徑和數(shù)量經(jīng)過計(jì)算確定，以模擬實(shí)際樁身鋼筋的作用，增強(qiáng)樁身的抗彎和抗剪能力。埋入細(xì)鋼絲時(shí)，確保其位置準(zhǔn)確，與有機(jī)玻璃緊密結(jié)合，避免出現(xiàn)松動(dòng)或位置偏差的情況。制作完成后，對(duì)模型樁進(jìn)行嚴(yán)格的質(zhì)量檢測(cè)。使用高精度的測(cè)量?jī)x器，如游標(biāo)卡尺、千分尺等，對(duì)樁身的各項(xiàng)尺寸進(jìn)行測(cè)量，確保其符合設(shè)計(jì)要求。對(duì)樁身的外觀進(jìn)行檢查，查看是否存在裂縫、氣泡、變形等缺陷。若發(fā)現(xiàn)問題，及時(shí)進(jìn)行修復(fù)或重新制作，保證每根模型樁的質(zhì)量都能滿足試驗(yàn)要求。3.2.2試驗(yàn)土體選擇與制備試驗(yàn)土體選擇與實(shí)際工程場(chǎng)地地質(zhì)條件相似的砂土。砂土具有顆粒較大、透水性好、力學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定等特點(diǎn)，在實(shí)際工程中廣泛存在，是研究樁基礎(chǔ)承載特性的常用土體類型。在選擇砂土?xí)r，對(duì)其顆粒級(jí)配、密度、含水量等參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)測(cè)定，確保砂土的性質(zhì)符合試驗(yàn)要求。通過篩分試驗(yàn)確定砂土的顆粒級(jí)配，使其滿足一定的粒徑分布范圍，以模擬實(shí)際工程中的砂土特性?？刂粕巴恋拿芏?，采用分層夯實(shí)的方法，使砂土在試驗(yàn)槽內(nèi)達(dá)到設(shè)計(jì)的密實(shí)度，確保土體的均勻性和穩(wěn)定性。在制備試驗(yàn)土體時(shí)，首先對(duì)砂土進(jìn)行預(yù)處理。將采集到的砂土進(jìn)行晾曬，去除其中的水分和雜質(zhì)，然后使用攪拌機(jī)對(duì)砂土進(jìn)行充分?jǐn)嚢?，使其顆粒分布均勻。在試驗(yàn)槽底部鋪設(shè)一層厚度為10cm的粗砂，作為排水層，以保證在試驗(yàn)過程中土體中的水分能夠及時(shí)排出，避免因積水影響試驗(yàn)結(jié)果。在排水層上，按照設(shè)計(jì)的密實(shí)度和厚度，分層填筑砂土。每層砂土填筑后，使用平板振動(dòng)器進(jìn)行振搗，使其達(dá)到規(guī)定的密實(shí)度。在填筑過程中，每隔一定厚度，使用環(huán)刀法或核子密度儀對(duì)砂土的密度進(jìn)行檢測(cè)，確保土體的密度均勻且符合設(shè)計(jì)要求。為了模擬實(shí)際工程中土體的初始應(yīng)力狀態(tài)，在填筑完成后，對(duì)土體進(jìn)行一定時(shí)間的預(yù)壓，使土體在自重作用下達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。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(cè)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(shí)，確保其與土體緊密接觸，避免出現(xiàn)松動(dòng)或懸空的情況，以保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。同時(shí)，在土體表面和不同深度處設(shè)置位移測(cè)量點(diǎn)，采用位移傳感器測(cè)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(xué)響應(yīng)。3.3試驗(yàn)加載與測(cè)量方法水平荷載加載裝置采用液壓千斤頂和反力架系統(tǒng)。液壓千斤頂具有加載穩(wěn)定、精度高的特點(diǎn)，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(wěn)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(yàn)槽的底部，保證在加載過程中不會(huì)發(fā)生位移或晃動(dòng)。液壓千斤頂與反力架之間通過高強(qiáng)度的連接件連接，確保力的傳遞順暢。在液壓千斤頂?shù)妮敵龆?，安裝有高精度的荷載傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施加在模型樁上的水平荷載大小，荷載傳感器的精度可達(dá)0.1kN，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量加載過程中的荷載變化。加載制度采用分級(jí)加載的方式。在加載初期，每級(jí)荷載增量較小，一般為預(yù)估極限荷載的1/10-1/15，這樣可以更細(xì)致地觀察樁在小荷載作用下的響應(yīng)，獲取樁身的初始變形和內(nèi)力分布情況。隨著荷載的增加，每級(jí)荷載增量可適當(dāng)增大，但最大不超過預(yù)估極限荷載的1/5，以避免荷載增量過大導(dǎo)致樁身突然破壞，無(wú)法準(zhǔn)確獲取破壞前的各種數(shù)據(jù)。每級(jí)荷載加載后，保持荷載穩(wěn)定，持續(xù)觀測(cè)樁身的位移和樁周土體的壓力變化，當(dāng)樁身位移在10min內(nèi)的變化量小于0.1mm時(shí)，認(rèn)為樁身已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，可進(jìn)行下一級(jí)荷載加載。當(dāng)樁身出現(xiàn)明顯的破壞跡象，如樁身裂縫迅速擴(kuò)展、樁頂位移急劇增大等，停止加載，此時(shí)的荷載即為模型樁的極限水平荷載。在樁頂位移測(cè)量方面，采用高精度位移傳感器。在樁頂對(duì)稱布置兩個(gè)位移傳感器，分別測(cè)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(yàn)槽的側(cè)壁上，其測(cè)量端與樁頂緊密接觸，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量樁頂?shù)奈灰谱兓?。位移傳感器的精度?.01mm，能夠滿足試驗(yàn)對(duì)位移測(cè)量精度的要求。在試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)采集位移傳感器的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行存儲(chǔ)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(guī)律。樁身應(yīng)變測(cè)量采用電阻應(yīng)變片。在樁身內(nèi)部沿長(zhǎng)度方向每隔100mm布置應(yīng)變片，應(yīng)變片采用專用的應(yīng)變片粘貼膠牢固地粘貼在樁身表面，確保應(yīng)變片與樁身緊密結(jié)合，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量樁身的應(yīng)變。在粘貼應(yīng)變片之前，對(duì)樁身表面進(jìn)行打磨和清洗，去除表面的油污和雜質(zhì)，提高粘貼效果。應(yīng)變片的引線通過線槽引出樁身，連接到應(yīng)變儀上。應(yīng)變儀采用高精度的靜態(tài)應(yīng)變儀，能夠同時(shí)測(cè)量多個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變值，精度可達(dá)1με。在試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)采集應(yīng)變儀的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理和分析，根據(jù)虎克定律，由樁身應(yīng)變計(jì)算出樁身的彎矩分布，分析樁身內(nèi)力的變化規(guī)律。土體壓力測(cè)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(cè)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(shè)前，進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，確保其測(cè)量精度。在埋設(shè)過程中，將土壓力盒與土體緊密接觸，避免出現(xiàn)松動(dòng)或懸空的情況。土壓力盒的引線通過預(yù)埋的管道引出土體，連接到土壓力測(cè)量?jī)x上。土壓力測(cè)量?jī)x采用高精度的數(shù)字式壓力測(cè)量?jī)x，能夠?qū)崟r(shí)測(cè)量土壓力盒的壓力值，精度可達(dá)0.1kPa。在試驗(yàn)過程中，實(shí)時(shí)采集土壓力測(cè)量?jī)x的數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)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(xué)響應(yīng)。3.4試驗(yàn)過程與注意事項(xiàng)在進(jìn)行試驗(yàn)準(zhǔn)備時(shí)，首先要對(duì)試驗(yàn)場(chǎng)地進(jìn)行清理和整理，確保試驗(yàn)槽底部平整，無(wú)雜物和凸起，以保證模型樁和模型土的放置穩(wěn)定。仔細(xì)檢查試驗(yàn)設(shè)備，如液壓千斤頂、反力架、荷載傳感器、位移傳感器、應(yīng)變儀、土壓力測(cè)量?jī)x等，確保設(shè)備的性能良好，精度滿足試驗(yàn)要求。對(duì)傳感器進(jìn)行校準(zhǔn)和標(biāo)定，記錄校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，以便在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理時(shí)進(jìn)行修正，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。準(zhǔn)備好試驗(yàn)所需的各種材料和工具，如模型樁、模型土、應(yīng)變片、土壓力盒、導(dǎo)線、膠帶等，確保材料的質(zhì)量和數(shù)量滿足試驗(yàn)需求。模型樁埋設(shè)是試驗(yàn)的關(guān)鍵步驟之一。在試驗(yàn)槽內(nèi)按照設(shè)計(jì)要求填筑模型土，分層填筑并夯實(shí)，每層填筑厚度控制在10-15cm，確保土體的密實(shí)度均勻。在填筑過程中，按照預(yù)定的位置和深度布置土壓力盒，土壓力盒的埋設(shè)應(yīng)保持水平，其表面與周圍土體平齊，避免出現(xiàn)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(jīng)緯儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)，垂直度偏差控制在1%以內(nèi)。對(duì)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(yàn)設(shè)計(jì)要求。樁頂露出土體的高度應(yīng)滿足試驗(yàn)加載和測(cè)量的要求，一般控制在10-15cm。在樁頂安裝位移傳感器的測(cè)量支架，支架應(yīng)牢固可靠，避免在加載過程中出現(xiàn)晃動(dòng)或位移，影響測(cè)量精度。加載測(cè)試過程嚴(yán)格按照預(yù)定的加載制度進(jìn)行。在加載初期，緩慢啟動(dòng)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(jí)荷載加載后，持續(xù)觀測(cè)10-15min，當(dāng)樁身位移在10min內(nèi)的變化量小于0.1mm時(shí)，記錄此時(shí)的荷載、位移、應(yīng)變和土壓力等數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行下一級(jí)荷載加載。在加載過程中，若發(fā)現(xiàn)樁身出現(xiàn)異常情況，如樁身裂縫、樁身傾斜加劇、土體出現(xiàn)明顯的隆起或塌陷等，應(yīng)立即停止加載，分析原因并采取相應(yīng)的措施。當(dāng)樁身達(dá)到破壞狀態(tài)，即樁頂位移急劇增大，樁身出現(xiàn)明顯的破壞跡象時(shí)，停止加載，記錄此時(shí)的極限荷載。在整個(gè)加載過程中，要實(shí)時(shí)采集和記錄各種數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。同時(shí)，要注意觀察樁身和土體的變形情況，及時(shí)拍照和記錄，為后續(xù)的分析提供直觀的資料。在試驗(yàn)過程中，有諸多注意事項(xiàng)需要嚴(yán)格遵守。溫度和濕度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果可能產(chǎn)生影響，因此要盡量保持試驗(yàn)環(huán)境的溫度和濕度穩(wěn)定。溫度變化可能導(dǎo)致模型材料的物理性質(zhì)發(fā)生改變，如有機(jī)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(xué)性能；濕度變化可能影響土體的含水量和力學(xué)性質(zhì)，進(jìn)而影響樁土相互作用。試驗(yàn)過程中，應(yīng)避免周圍環(huán)境的振動(dòng)和干擾，如大型機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行、人員的走動(dòng)等，這些振動(dòng)和干擾可能會(huì)引起試驗(yàn)數(shù)據(jù)的波動(dòng)，影響測(cè)量精度。在加載過程中，要密切關(guān)注加載設(shè)備的運(yùn)行情況，確保加載的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。若出現(xiàn)加載設(shè)備故障，如液壓千斤頂漏油、荷載傳感器失靈等，應(yīng)立即停止加載，進(jìn)行維修或更換設(shè)備，確保試驗(yàn)的順利進(jìn)行。在數(shù)據(jù)采集和記錄過程中，要認(rèn)真核對(duì)數(shù)據(jù)，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性。及時(shí)對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步分析，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，應(yīng)及時(shí)查找原因，如傳感器故障、接線松動(dòng)等，并進(jìn)行修正或重新測(cè)量。四、楔形樁水平承載特性模型試驗(yàn)結(jié)果與分析4.1試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與初步分析在完成楔形樁水平承載特性模型試驗(yàn)后，對(duì)試驗(yàn)過程中采集到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)的整理和初步分析。這些數(shù)據(jù)涵蓋了不同楔角楔形樁在各級(jí)水平荷載作用下的樁頂水平位移、樁身應(yīng)變以及樁周土體壓力等關(guān)鍵信息，對(duì)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(jù)。以水平荷載為橫坐標(biāo)，樁頂水平位移為縱坐標(biāo)，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(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)。在加載初期，荷載-位移曲線近似呈線性關(guān)系，表明樁身和樁周土體處于彈性變形階段，此時(shí)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(jìn)一步增加，曲線逐漸偏離線性，呈現(xiàn)出非線性特征，這意味著樁身和樁周土體開始進(jìn)入彈塑性變形階段，樁周土體對(duì)樁身的約束能力逐漸減弱，樁身位移增長(zhǎng)速度加快。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，樁頂位移急劇增大，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，此時(shí)認(rèn)為楔形樁達(dá)到了極限承載狀態(tài)，樁身或樁周土體發(fā)生了破壞。對(duì)比不同楔角楔形樁的荷載-位移曲線，可以發(fā)現(xiàn)楔角對(duì)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(duì)較小，說明其具有較高的水平承載能力。這是因?yàn)樾ń窃龃髸r(shí)，樁身楔形側(cè)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(dá)到30kN時(shí)，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(dá)到了25mm左右。同時(shí)，隨著楔角的增大，荷載-位移曲線的非線性特征出現(xiàn)得相對(duì)較晚，表明楔角較大的楔形樁在進(jìn)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(nèi)力分布的重要手段。根據(jù)樁身應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)，利用材料力學(xué)公式計(jì)算出樁身不同位置的彎矩，以樁身深度為橫坐標(biāo)，樁身彎矩為縱坐標(biāo)，繪制了不同楔角楔形樁在各級(jí)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(xiàn)出一定的分布規(guī)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(xiàn)零點(diǎn)，該位置稱為反彎點(diǎn)。反彎點(diǎn)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(diǎn)位置相對(duì)較淺，隨著荷載的增大，反彎點(diǎn)逐漸向深部移動(dòng)。對(duì)比不同楔角楔形樁的樁身彎矩分布曲線，發(fā)現(xiàn)楔角對(duì)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(duì)較小，且反彎點(diǎn)位置相對(duì)較深。這是因?yàn)樾ń窃龃髸r(shí)，樁身楔形側(cè)面的法向支承力能夠更有效地分擔(dān)水平荷載，減小樁身的彎矩。例如，在荷載為20kN時(shí)，楔角為2°的楔形樁樁身最大彎矩約為10kN?m，反彎點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，樁身的受力狀態(tài)更加合理，能夠更有效地發(fā)揮樁身材料的性能。通過對(duì)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(guī)律和內(nèi)力分布情況，以及楔角對(duì)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(jī)理，還需要進(jìn)一步結(jié)合樁周土體壓力等數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，并與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。4.2水平荷載-位移關(guān)系分析水平荷載-位移關(guān)系是衡量楔形樁水平承載性能的關(guān)鍵指標(biāo)，通過對(duì)不同工況下楔形樁的水平荷載-位移曲線進(jìn)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(yàn)中，不同楔角楔形樁的水平荷載-位移曲線呈現(xiàn)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(guān)系，這表明樁身和樁周土體處于彈性變形階段。此時(shí)，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(xiàn)出非線性特征，這意味著樁身和樁周土體開始進(jìn)入彈塑性變形階段。樁周土體對(duì)樁身的約束能力逐漸減弱，樁身位移增長(zhǎng)速度加快。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，樁頂位移急劇增大，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，此時(shí)認(rèn)為楔形樁達(dá)到了極限承載狀態(tài)，樁身或樁周土體發(fā)生了破壞。對(duì)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(duì)較小，這充分說明其具有較高的水平承載能力。例如，當(dāng)水平荷載為25kN時(shí)，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(dá)到了20mm左右。這是因?yàn)樾ń窃龃髸r(shí)，樁身楔形側(cè)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(shí)，隨著楔角的增大，荷載-位移曲線的非線性特征出現(xiàn)得相對(duì)較晚，表明楔角較大的楔形樁在進(jìn)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(jìn)一步分析水平荷載-位移關(guān)系，對(duì)不同工況下楔形樁的水平位移隨荷載的變化率進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，在彈性變形階段，位移變化率較小且相對(duì)穩(wěn)定，說明樁身和樁周土體的變形較為協(xié)調(diào)。隨著荷載的增加，進(jìn)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(shí)，其變形發(fā)展更為迅速，更容易達(dá)到破壞狀態(tài)。水平荷載-位移關(guān)系分析充分揭示了楔角對(duì)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(shè)計(jì)中，應(yīng)根據(jù)具體的工程需求和地質(zhì)條件，合理選擇楔形樁的楔角，以確保樁基礎(chǔ)的安全和穩(wěn)定。4.3樁身內(nèi)力與變形分析樁身內(nèi)力與變形是研究楔形樁水平承載特性的重要方面。通過對(duì)試驗(yàn)中應(yīng)變片所測(cè)數(shù)據(jù)的深入分析，能夠準(zhǔn)確計(jì)算出樁身彎矩和剪力，進(jìn)而揭示其分布規(guī)律和變化趨勢(shì)。根據(jù)材料力學(xué)原理，樁身彎矩與應(yīng)變之間存在著密切的關(guān)系。在試驗(yàn)中，通過粘貼在樁身不同位置的應(yīng)變片，測(cè)量得到樁身的應(yīng)變值。對(duì)于彈性材料，樁身彎矩（M）與應(yīng)變（ε）之間的關(guān)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(cè)應(yīng)變點(diǎn)到中性軸的距離。在本試驗(yàn)中，模型樁采用有機(jī)玻璃材料，其彈性模量E通過材料試驗(yàn)確定。對(duì)于楔形樁，由于其截面沿樁身長(zhǎng)度變化，樁身截面的慣性矩I和所測(cè)應(yīng)變點(diǎn)到中性軸的距離y也會(huì)隨樁身深度而改變。在計(jì)算過程中，需要根據(jù)不同位置的樁身截面尺寸，準(zhǔn)確計(jì)算相應(yīng)的慣性矩和距離y，以確保彎矩計(jì)算的準(zhǔn)確性。樁身剪力（V）與彎矩之間存在著微分關(guān)系，即V=\frac{dM}{dx}，其中x為樁身深度。在實(shí)際計(jì)算中，采用差分法對(duì)彎矩進(jìn)行數(shù)值微分，以得到樁身剪力的分布。通過對(duì)不同荷載等級(jí)下樁身彎矩和剪力的計(jì)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(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。在樁頂位置，由于水平荷載的直接作用，彎矩達(dá)到最大值。隨著樁身深度的增加，彎矩逐漸減小，這是因?yàn)闃吨芡馏w對(duì)樁身的約束作用逐漸增強(qiáng)，分擔(dān)了部分水平荷載。在樁身一定深度處，彎矩出現(xiàn)零點(diǎn)，該位置即為反彎點(diǎn)。反彎點(diǎn)的位置隨荷載等級(jí)和楔角的變化而有所不同。在較小荷載作用下，反彎點(diǎn)位置相對(duì)較淺；隨著荷載的增大，反彎點(diǎn)逐漸向深部移動(dòng)。楔角較大的楔形樁，其反彎點(diǎn)位置相對(duì)較深，這表明楔角增大能夠使樁身的受力狀態(tài)更加合理，更好地發(fā)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(xiàn)最大值。這是因?yàn)樵跇俄敽蜆兜?，水平荷載的傳遞方式相對(duì)簡(jiǎn)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(fù)雜，剪力較大。隨著荷載等級(jí)的增加，樁身剪力也相應(yīng)增大。楔角對(duì)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(duì)較小，這是因?yàn)樾ń窃龃髸r(shí)，樁身楔形側(cè)面的法向支承力能夠更有效地分擔(dān)水平荷載，減小樁身的剪力。通過對(duì)樁身內(nèi)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(tài)和變形規(guī)律。樁身彎矩和剪力的分布規(guī)律與楔角、荷載等級(jí)等因素密切相關(guān)，這些研究結(jié)果對(duì)于楔形樁的設(shè)計(jì)和工程應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。4.4土體響應(yīng)分析在楔形樁水平承載特性研究中，土體響應(yīng)分析是理解樁土相互作用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過試驗(yàn)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(shù)據(jù)。分析這些數(shù)據(jù)，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(lái)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(shì)趨于平緩。在不同水平荷載作用下，樁周土體壓力的分布規(guī)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(shí)，樁頂附近土體壓力最大值約為5kPa，而當(dāng)水平荷載增加到30kN時(shí)，樁頂附近土體壓力最大值達(dá)到了15kPa左右。對(duì)比不同楔角楔形樁的樁周土體壓力分布，發(fā)現(xiàn)楔角對(duì)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(duì)較大。這是因?yàn)樾ń窃龃髸r(shí)，樁身楔形側(cè)面與土體的接觸面積增大，對(duì)土體的擠壓作用更強(qiáng)，從而使土體產(chǎn)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(dāng)水平荷載為20kN時(shí)，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(huì)產(chǎn)生壓力變化，還會(huì)發(fā)生變形。通過在土體表面和不同深度處設(shè)置位移測(cè)量點(diǎn)，采用位移傳感器測(cè)量土體在水平荷載作用下的位移變化。分析測(cè)量數(shù)據(jù)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(nèi)，土體位移呈現(xiàn)出明顯的梯度變化。在靠近樁身的區(qū)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(guān)。楔角較大的楔形樁，其樁周土體在相同荷載下的位移相對(duì)較小。這是因?yàn)樾ń窃龃髸r(shí)，樁身楔形側(cè)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(shí)，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(dá)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(huì)帶動(dòng)樁周土體發(fā)生變形，土體則對(duì)樁身產(chǎn)生反力，限制樁身的進(jìn)一步位移。這種相互作用是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過程，隨著荷載的增加和樁土變形的發(fā)展，樁土之間的力傳遞和變形協(xié)調(diào)關(guān)系不斷變化。楔角的大小影響著樁土相互作用的強(qiáng)度和方式，楔角較大時(shí)，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(duì)土體響應(yīng)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(jī)制，為進(jìn)一步理解楔形樁的水平承載特性提供了重要依據(jù)。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(guān)鍵因素之一。通過對(duì)不同楔角楔形樁的試驗(yàn)結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)楔角對(duì)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(cè)面與土體的接觸面積增大，土體對(duì)樁身產(chǎn)生的法向支承力也相應(yīng)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(duì)較小，具有更高的水平承載能力。從樁身彎矩分布來(lái)看，楔角增大時(shí)，樁身彎矩在相同荷載下相對(duì)較小。這是因?yàn)檩^大的楔角使樁身楔形側(cè)面的法向支承力能夠更有效地分擔(dān)水平荷載，減小樁身的彎矩。在荷載為20kN時(shí)，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(shí)，楔角較大的楔形樁，其反彎點(diǎn)位置相對(duì)較深，表明樁身的受力狀態(tài)更加合理，能夠更好地發(fā)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(duì)較大。這是由于楔角增大，樁身對(duì)土體的擠壓作用更強(qiáng)，從而使土體產(chǎn)生更大的壓力。在距樁頂0.5m深度處，當(dāng)水平荷載為20kN時(shí)，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(duì)較小，說明楔角增大能夠更有效地限制土體的位移，增強(qiáng)樁土之間的相互作用。4.5.2樁長(zhǎng)的影響樁長(zhǎng)對(duì)楔形樁水平承載特性的影響也不容忽視。在一定范圍內(nèi)，隨著樁長(zhǎng)的增加，楔形樁的水平承載能力顯著提高。這是因?yàn)闃堕L(zhǎng)增加，樁身與土體的接觸面積增大，能夠調(diào)動(dòng)更多的土體參與承載，從而提高樁的水平承載能力。同時(shí)，樁長(zhǎng)增加，樁身的抗彎剛度也相應(yīng)增大，使得樁身能夠更好地抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩和變形。在樁身彎矩分布上，樁長(zhǎng)增加時(shí)，樁身最大彎矩的位置會(huì)向深部移動(dòng)，且最大彎矩值會(huì)有所減小。這是因?yàn)闃堕L(zhǎng)增加，樁周土體對(duì)樁身的約束作用增強(qiáng)，使得樁身的彎矩分布更加均勻。在樁長(zhǎng)為1.0m時(shí)，樁身最大彎矩出現(xiàn)在距樁頂0.3m處，彎矩值為8kN?m；當(dāng)樁長(zhǎng)增加到1.5m時(shí)，樁身最大彎矩出現(xiàn)在距樁頂0.4m處，彎矩值減小為6kN?m。樁長(zhǎng)的變化對(duì)樁周土體的壓力分布和位移也有一定影響。隨著樁長(zhǎng)的增加，樁周土體在相同深度處的壓力會(huì)增大，這是因?yàn)闃堕L(zhǎng)增加，樁身傳遞到土體的荷載增大。樁長(zhǎng)增加，樁周土體的位移會(huì)減小，表明樁身與土體之間的相互作用更加穩(wěn)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(shù)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(chǎn)生的彎矩和變形的能力增強(qiáng)，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(duì)樁身彎矩分布也有影響。樁徑增大時(shí)，樁身彎矩在相同荷載下相對(duì)較小。這是因?yàn)檩^大的樁徑使得樁身的抗彎能力增強(qiáng)，能夠更有效地分擔(dān)水平荷載產(chǎn)生的彎矩。在荷載為25kN時(shí)，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(yīng)方面，樁徑增大，樁周土體在相同深度處的壓力會(huì)增大。這是因?yàn)檩^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(yīng)增大。樁徑增大，樁周土體的位移會(huì)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(wěn)定性。4.5.4土體性質(zhì)的影響土體性質(zhì)對(duì)楔形樁水平承載特性有著至關(guān)重要的影響。不同的土體彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角和粘聚力等參數(shù)，會(huì)導(dǎo)致楔形樁在水平荷載作用下呈現(xiàn)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(dāng)土體彈性模量較大時(shí)，土體對(duì)楔形樁的約束作用增強(qiáng)，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(shí)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(shí)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(duì)楔形樁的約束作用相對(duì)減弱，樁頂水平位移會(huì)相應(yīng)增大。內(nèi)摩擦角和粘聚力是土體抗剪強(qiáng)度的重要指標(biāo)。內(nèi)摩擦角和粘聚力較大的土體，其抗剪強(qiáng)度高，能夠提供更大的摩阻力和支承力，增強(qiáng)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(nèi)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(nèi)摩擦角為20°的土體中，極限水平承載力降低到30kN。土體性質(zhì)的變化還會(huì)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(huì)減小，且反彎點(diǎn)位置會(huì)向深部移動(dòng)；內(nèi)摩擦角和粘聚力增大，樁周土體在相同深度處的壓力會(huì)增大，土體對(duì)樁身的約束作用增強(qiáng)。五、楔形樁水平承載特性數(shù)值模擬方法與實(shí)現(xiàn)5.1數(shù)值模擬軟件選擇與介紹在進(jìn)行楔形樁水平承載特性數(shù)值模擬時(shí)，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(diǎn)上各有差異。ANSYS是一款融結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)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(kù)和材料模型，能夠處理多種復(fù)雜的物理場(chǎng)問題。在樁基礎(chǔ)分析中，它可以較為方便地模擬樁身結(jié)構(gòu)的力學(xué)行為，對(duì)于多物理場(chǎng)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(shí)，其收斂性和計(jì)算效率有時(shí)不如專門針對(duì)非線性分析的軟件。ABAQUS是一套先進(jìn)的通用有限元系統(tǒng)，屬于高端CAE軟件。它在非線性有限元分析方面表現(xiàn)卓越，能夠分析復(fù)雜的固體力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)系統(tǒng)，尤其擅長(zhǎng)處理高度非線性問題，如大變形、接觸非線性等。ABAQUS擁有強(qiáng)大的材料本構(gòu)模型庫(kù)，能夠準(zhǔn)確模擬土體和樁體材料在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)。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(shí)具有很高的精度和可靠性。在分析楔形樁水平承載特性時(shí)，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(zhǔn)確地模擬出樁土在水平荷載作用下的復(fù)雜力學(xué)行為。ADINA是近年來(lái)發(fā)展迅速的有限元軟件，具有許多特殊解法，如勁度穩(wěn)定法、自動(dòng)步進(jìn)法、外力-變位同步控制法以及BFGS梯度矩陣更新法等，使得復(fù)雜的非線性問題（如接觸、塑性及破壞等）能夠快速且穩(wěn)定地收斂。它也有源代碼，用戶可以根據(jù)特殊需求對(duì)程序進(jìn)行改造。但相對(duì)而言，其在巖土工程領(lǐng)域的應(yīng)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(jìn)行數(shù)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(fù)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(yōu)勢(shì)。其強(qiáng)大的非線性分析能力能夠準(zhǔn)確地模擬楔形樁在水平荷載作用下的力學(xué)響應(yīng)，包括樁身的彎矩、剪力分布，樁身位移以及樁周土體的應(yīng)力應(yīng)變分布等。豐富的材料本構(gòu)模型和接觸算法，能夠更好地模擬土體和樁體材料的力學(xué)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(shù)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(shù)值模型時(shí)，模型幾何尺寸的確定至關(guān)重要。根據(jù)相似性原理，將數(shù)值模型的幾何尺寸與實(shí)際工程中的楔形樁進(jìn)行相似比換算。以實(shí)際工程中常用的楔形樁尺寸為參考，設(shè)定數(shù)值模型中楔形樁的樁長(zhǎng)為15m，樁頂直徑為0.5m，樁底直徑根據(jù)不同楔角進(jìn)行調(diào)整，楔角分別設(shè)置為1°、2°、3°，以研究不同楔角對(duì)楔形樁水平承載特性的影響。同時(shí)，為了準(zhǔn)確模擬樁周土體對(duì)楔形樁的約束作用，土體模型的尺寸應(yīng)足夠大。在本次數(shù)值模擬中，土體模型在水平方向上的尺寸為樁長(zhǎng)的5倍，即75m，在豎直方向上的尺寸為樁長(zhǎng)的3倍，即45m。這樣的尺寸設(shè)置能夠有效減少邊界條件對(duì)模擬結(jié)果的影響，確保模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。5.2.2材料參數(shù)設(shè)置在數(shù)值模擬中，準(zhǔn)確設(shè)置材料參數(shù)是保證模擬結(jié)果可靠性的關(guān)鍵。對(duì)于楔形樁，考慮其在實(shí)際工程中常用的材料為混凝土，根據(jù)混凝土的材料特性，設(shè)定其彈性模量為30GPa，泊松比為0.2，密度為2500kg/m3。對(duì)于樁周土體，根據(jù)實(shí)際工程場(chǎng)地的地質(zhì)勘察報(bào)告，確定土體為粉質(zhì)黏土。采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型來(lái)描述粉質(zhì)黏土的力學(xué)行為，該模型需要輸入土體的彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角和粘聚力等參數(shù)。通過室內(nèi)土工試驗(yàn)和經(jīng)驗(yàn)取值，設(shè)定粉質(zhì)黏土的彈性模量為15MPa，泊松比為0.3，內(nèi)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(duì)土體的硬化參數(shù)進(jìn)行了合理設(shè)置，以更準(zhǔn)確地模擬土體在不同應(yīng)力狀態(tài)下的力學(xué)響應(yīng)。5.2.3單元類型選擇在ABAQUS軟件中，針對(duì)楔形樁和土體的特點(diǎn)，選擇合適的單元類型對(duì)于模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算效率具有重要影響。對(duì)于楔形樁，由于其主要承受彎曲和剪切作用，采用三維梁?jiǎn)卧˙31）進(jìn)行模擬。B31單元具有較高的計(jì)算精度，能夠準(zhǔn)確地模擬梁結(jié)構(gòu)在復(fù)雜受力狀態(tài)下的力學(xué)行為，滿足楔形樁在水平荷載作用下的分析要求。對(duì)于土體，采用八節(jié)點(diǎn)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(shí)具有較好的穩(wěn)定性和計(jì)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(fù)雜變形和應(yīng)力分布情況。同時(shí)，為了提高計(jì)算精度，在樁土接觸區(qū)域，對(duì)土體單元進(jìn)行了加密處理，減小單元尺寸，以更準(zhǔn)確地模擬樁土之間的相互作用。5.2.4網(wǎng)格劃分合理的網(wǎng)格劃分是保證數(shù)值模擬結(jié)果準(zhǔn)確性和計(jì)算效率的重要環(huán)節(jié)。在對(duì)楔形樁進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，沿著樁身長(zhǎng)度方向和圓周方向進(jìn)行均勻劃分。在樁身關(guān)鍵部位，如樁頂和樁底，適當(dāng)減小單元尺寸，增加網(wǎng)格密度，以提高計(jì)算精度。對(duì)于土體模型，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法，在靠近楔形樁的區(qū)域，由于土體的應(yīng)力和變形梯度較大，對(duì)土體網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，減小單元尺寸，使網(wǎng)格能夠更準(zhǔn)確地捕捉土體的應(yīng)力應(yīng)變變化。在遠(yuǎn)離楔形樁的區(qū)域，適當(dāng)增大單元尺寸，以減少計(jì)算量，提高計(jì)算效率。通過多次試算和對(duì)比分析，確定了楔形樁和土體的最佳網(wǎng)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(qū)域單元尺寸為0.2m，遠(yuǎn)離楔形樁的土體區(qū)域單元尺寸為0.5m。這樣的網(wǎng)格劃分方案既能保證計(jì)算精度，又能在合理的計(jì)算時(shí)間內(nèi)完成模擬分析。5.3邊界條件與荷載施加在數(shù)值模型中，合理設(shè)置邊界條件是準(zhǔn)確模擬楔形樁水平承載特性的重要前提。為了模擬實(shí)際工程中土體的半無(wú)限空間特性，對(duì)土體模型的邊界進(jìn)行如下處理：在土體模型的底部，約束其在x、y、z三個(gè)方向的位移，即限制土體在水平和豎直方向的移動(dòng)，模擬土體底部的固定約束條件。在土體模型的側(cè)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(shè)置能夠有效減少邊界效應(yīng)的影響，使模擬結(jié)果更接近實(shí)際情況。水平荷載的施加方式直接影響到模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性。在ABAQUS軟件中，采用位移控制加載方式對(duì)楔形樁樁頂施加水平荷載。這種加載方式能夠更準(zhǔn)確地模擬實(shí)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(xiàn)的收斂困難問題。在加載歷程設(shè)置方面，采用分級(jí)加載的方式，逐步增加樁頂?shù)乃轿灰啤Ｊ紫龋_定初始加載步的位移增量，一般設(shè)置為較小的值，如0.01m，以保證在加載初期能夠準(zhǔn)確捕捉樁身和土體的響應(yīng)。隨著加載的進(jìn)行，根據(jù)樁身的位移和應(yīng)力變化情況，適當(dāng)調(diào)整位移增量，以提高計(jì)算效率。在每級(jí)加載步中，設(shè)置足夠的子步，使計(jì)算結(jié)果能夠準(zhǔn)確收斂。當(dāng)樁身的位移或應(yīng)力達(dá)到一定的極限值，或者計(jì)算出現(xiàn)不收斂的情況時(shí)，停止加載，此時(shí)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(duì)楔形樁水平承載特性的影響。通過設(shè)置不同的加載速率，分析加載速率變化對(duì)樁身位移、樁身彎矩以及樁周土體應(yīng)力應(yīng)變的影響規(guī)律。加載速率的變化會(huì)導(dǎo)致樁土之間的相互作用發(fā)生改變，進(jìn)而影響楔形樁的水平承載性能。加載速率過快，可能會(huì)使樁身和土體來(lái)不及充分變形，導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)偏差；加載速率過慢，則會(huì)增加計(jì)算時(shí)間，降低計(jì)算效率。因此，在實(shí)際模擬中，需要根據(jù)具體情況合理選擇加載速率，以獲得準(zhǔn)確可靠的模擬結(jié)果。5.4模型驗(yàn)證與參數(shù)敏感性分析將數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，是驗(yàn)證數(shù)值模型準(zhǔn)確性和可靠性的關(guān)鍵步驟。從水平位移對(duì)比來(lái)看，在不同水平荷載作用下，數(shù)值模擬得到的樁頂水平位移與試驗(yàn)測(cè)量值的對(duì)比情況如圖7所示。從圖中可以看出，兩者的變化趨勢(shì)基本一致。在小荷載階段，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合度較高，水平位移的相對(duì)誤差在5%以內(nèi)。隨著荷載的增加，兩者的差異略有增大，但相對(duì)誤差仍控制在10%以內(nèi)。這表明數(shù)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(yàn)證了數(shù)值模型在水平位移模擬方面的準(zhǔn)確性。在樁身彎矩對(duì)比方面，選取不同楔角的楔形樁，對(duì)比數(shù)值模擬得到的樁身彎矩與試驗(yàn)測(cè)量值沿樁身深度的分布情況，如圖8所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在樁身彎矩的分布趨勢(shì)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(xiàn)反彎點(diǎn)。在數(shù)值上，兩者的差異也較小，最大相對(duì)誤差在15%以內(nèi)。這說明數(shù)值模型能夠較為準(zhǔn)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(jìn)一步分析楔形樁的受力特性提供了可靠的依據(jù)。為了更深入地研究各因素對(duì)楔形樁水平承載特性的影響程度，進(jìn)行參數(shù)敏感性分析。在參數(shù)敏感性分析中，分別對(duì)楔角、樁長(zhǎng)、樁徑和土體彈性模量等參數(shù)進(jìn)行單獨(dú)變化，其他參數(shù)保持不變，分析這些參數(shù)變化對(duì)楔形樁水平承載特性的影響。楔角對(duì)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(shí)，水平承載力提高了約30%。這是因?yàn)樾ń窃龃?，樁身楔形?cè)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(shí)，楔角增大，樁身彎矩在相同荷載下相對(duì)減小，樁身的受力狀態(tài)更加合理。樁長(zhǎng)的變化對(duì)楔形樁水平承載特性也有重要影響。在一定范圍內(nèi)，隨著樁長(zhǎng)的增加，楔形樁的水平承載力顯著提高。樁長(zhǎng)從10m增加到15m時(shí)，水平承載力提高了約20%。這是因?yàn)闃堕L(zhǎng)增加，樁身與土體的接觸面積增大，能夠調(diào)動(dòng)更多的土體參與承載，從而提高樁的水平承載能力。同時(shí)，樁長(zhǎng)增加，樁身的抗彎剛度也相應(yīng)增大，使得樁身能夠更好地抵抗水平荷載產(chǎn)生的彎矩和變形。樁徑的增大對(duì)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(shí)，水平承載力提高了約15%。這是因?yàn)檩^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(duì)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(shí)，水平承載力提高了約10%。這是因?yàn)橥馏w彈性模量增大，土體對(duì)楔形樁的約束作用增強(qiáng)，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(shù)敏感性分析，明確了楔角、樁長(zhǎng)、樁徑和土體彈性模量等參數(shù)對(duì)楔形樁水平承載特性的影響規(guī)律和影響程度。在工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)實(shí)際需求，合理調(diào)整這些參數(shù)，以優(yōu)化楔形樁的設(shè)計(jì)，提高其水平承載能力和穩(wěn)定性。六、楔形樁水平承載特性數(shù)值模擬結(jié)果與分析6.1數(shù)值模擬結(jié)果展示通過ABAQUS軟件對(duì)楔形樁水平承載特性進(jìn)行數(shù)值模擬，得到了豐富的結(jié)果，包括水平荷載-位移曲線、樁身內(nèi)力云圖以及土體應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D等，這些結(jié)果為深入分析楔形樁的水平承載特性提供了直觀的數(shù)據(jù)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(biāo)。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(xiàn)出不斷增大的趨勢(shì)。在加載初期，水平荷載-位移曲線近似呈線性關(guān)系，表明樁身和樁周土體處于彈性變形階段，此時(shí)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(jìn)一步增加，曲線逐漸偏離線性，呈現(xiàn)出非線性特征，這意味著樁身和樁周土體開始進(jìn)入彈塑性變形階段，樁周土體對(duì)樁身的約束能力逐漸減弱，樁身位移增長(zhǎng)速度加快。當(dāng)荷載達(dá)到一定程度時(shí)，樁頂位移急劇增大，曲線出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，此時(shí)認(rèn)為楔形樁達(dá)到了極限承載狀態(tài)，樁身或樁周土體發(fā)生了破壞。樁身內(nèi)力云圖能夠直觀地展示樁身內(nèi)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(shí)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(diǎn)。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(xiàn)最大值，這與理論分析和試驗(yàn)結(jié)果一致。土體應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D能夠反映樁周土體在水平荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。圖11為楔角為3°的楔形樁在水平荷載為30kN時(shí)的土體豎向應(yīng)力云圖和土體水平位移云圖。從土體豎向應(yīng)力云圖中可以看出，在樁周一定范圍內(nèi)，土體豎向應(yīng)力較大，且隨著距離樁身距離的增加，豎向應(yīng)力逐漸減小。在樁頂附近，由于水平荷載的作用，土體豎向應(yīng)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(nèi)，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(qū)域，土體水平位移呈現(xiàn)出明顯的梯度變化，這表明樁身的水平位移帶動(dòng)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?yàn)樾ń窃龃?，樁身楔形?cè)面與土體的接觸面積增大，土體對(duì)樁身產(chǎn)生的法向支承力也相應(yīng)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(shí)，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(dá)到了45kN左右。樁身內(nèi)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(dá)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(xiàn)反彎點(diǎn)。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(duì)樁身的約束作用逐漸增強(qiáng)，分擔(dān)了部分彎矩，使得彎矩逐漸減小。楔角對(duì)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(duì)較小，且反彎點(diǎn)位置相對(duì)較深。這表明楔角增大能夠使樁身的受力狀態(tài)更加合理，更好地發(fā)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(xiàn)最大值。這是因?yàn)樵跇俄敽蜆兜祝胶奢d的傳遞方式相對(duì)簡(jiǎn)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(fù)雜，剪力較大。隨著荷載等級(jí)的增加，樁身剪力也相應(yīng)增大。楔角對(duì)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(duì)較小，這是因?yàn)樾ń窃龃髸r(shí)，樁身楔形側(cè)面的法向支承力能夠更有效地分擔(dān)水平荷載，減小樁身的剪力。土體應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D反映了樁周土體在水平荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變分布情況。在樁周一定范圍內(nèi)，土體豎向應(yīng)力較大，且隨著距離樁身距離的增加，豎向應(yīng)力逐漸減小。在樁頂附近，由于水平荷載的作用，土體豎向應(yīng)力變化較為明顯。這是因?yàn)闃渡淼乃轿灰茙?dòng)了樁周土體的變形，使得樁周土體產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)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(nèi)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(qū)域，土體水平位移呈現(xiàn)出明顯的梯度變化，這表明樁身的水平位移帶動(dòng)了樁周土體的變形。楔角對(duì)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(duì)較小，說明楔角增大能夠更有效地限制土體的位移，增強(qiáng)樁土之間的相互作用。通過對(duì)數(shù)值模擬結(jié)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(duì)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(tài)，增強(qiáng)樁土之間的相互作用。這些研究結(jié)果為楔形樁的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。6.3影響因素的定量分析為進(jìn)一步深入探究各因素對(duì)楔形樁水平承載特性的影響程度，通過數(shù)值模擬進(jìn)行了定量分析。在數(shù)值模擬中，分別對(duì)楔角、樁長(zhǎng)、樁徑和土體彈性模量等關(guān)鍵因素進(jìn)行單獨(dú)變化，每次僅改變一個(gè)因素的數(shù)值，而保持其他因素不變，以此來(lái)準(zhǔn)確分析單一因素變化對(duì)楔形樁水平承載特性的影響。在楔角影響分析中，保持樁長(zhǎng)為15m、樁徑為0.5m、土體彈性模量為15MPa等其他參數(shù)不變，依次將楔角設(shè)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(lái)看，隨著楔角的增大，楔形樁的水平承載力呈現(xiàn)出顯著的上升趨勢(shì)。當(dāng)楔角從1°增加到2°時(shí)，水平承載力提高了約15%；從2°增加到3°時(shí)，水平承載力又提高了約12%；繼續(xù)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(zhǎng)幅度逐漸減小。這表明在一定范圍內(nèi)，增大楔角能夠有效提高楔形樁的水平承載能力，但當(dāng)楔角增大到一定程度后，其對(duì)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(shí)，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(shí)，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(wěn)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(shí)，楔角為1°的楔形樁樁身最大彎矩約為12kN?m，當(dāng)楔角增大到5°時(shí)，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(diǎn)位置相對(duì)較深，表明樁身的受力狀態(tài)更加合理，能夠更好地發(fā)揮樁身材料的性能。在樁長(zhǎng)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(shù)不變，將樁長(zhǎng)分別設(shè)置為10m、12m、15m、18m、20m。結(jié)果顯示，隨著樁長(zhǎng)的增加，楔形樁的水平承載力顯著提高。當(dāng)樁長(zhǎng)從10m增加到12m時(shí)，水平承載力提高了約10%；從12m增加到15m時(shí)，水平承載力提高了約15%；繼續(xù)增加樁長(zhǎng)，水平承載力仍有提升，但增長(zhǎng)速度逐漸變緩。這表明在一定范圍內(nèi)，增加樁長(zhǎng)能夠有效提高楔形樁的水平承載能力，但過長(zhǎng)的樁長(zhǎng)對(duì)水平承載力的提升效果會(huì)逐漸減弱。在樁身位移方面，隨著樁長(zhǎng)的增加，樁頂水平位移逐漸減小。在水平荷載為35kN時(shí)，樁長(zhǎng)為10m的楔形樁樁頂水平位移約為28mm，而樁長(zhǎng)增加到20m時(shí)，樁頂水平位移減小到18mm左右。這說明增加樁長(zhǎng)能夠增強(qiáng)樁身的抗彎剛度，更好地抵抗水平荷載產(chǎn)生的變形，提高楔形樁的穩(wěn)定性。樁長(zhǎng)的變化對(duì)樁身彎矩分布也有明顯影響。隨著樁長(zhǎng)的增加，樁身最大彎矩的位置會(huì)向深部移動(dòng)，且最大彎矩值會(huì)有所減小。在樁長(zhǎng)為10m時(shí)，樁身最大彎矩出現(xiàn)在距樁頂0.3m處，彎矩值為10kN?m；當(dāng)樁長(zhǎng)增加到20m時(shí)，樁身最大彎矩出現(xiàn)在距樁頂0.5m處，彎矩值減小為7kN?m。這表明樁長(zhǎng)增加，樁周土體對(duì)樁身的約束作用增強(qiáng)，使得樁身的彎矩分布更加均勻，受力狀態(tài)更加合理。在樁徑影響分析中，保持楔角為3°、樁長(zhǎng)為15m、土體彈性模量為15MPa等參數(shù)不變，將樁徑分別設(shè)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(dāng)樁徑從0.4m增加到0.5m時(shí)，水平承載力提高了約8%；從0.5m增加到0.6m時(shí)，水平承載力提高了約10%；繼續(xù)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?yàn)檩^大的樁徑能夠提供更大的截面抗彎剛度，增強(qiáng)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(shí)，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(shí)，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(wěn)定性。樁徑的變化對(duì)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(shí)，樁徑為0.4m的楔形樁樁身最大彎矩約為9kN?m，當(dāng)樁徑增大到0.8m時(shí)，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(dān)水平荷載產(chǎn)生的彎矩，使樁身的受力狀態(tài)更加合理。在土體彈性模量影響分析中，保持楔角為3°、樁長(zhǎng)為15m、樁徑為0.5m等參數(shù)不變，將土體彈性模量分別設(shè)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(dāng)土體彈性模量從10MPa增加到15MPa時(shí)，水平承載力提高了約5%；從15MPa增加到20MPa時(shí)，水平承載力提高了約4%；繼續(xù)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(zhǎng)幅度較小。這表明土體彈性模量的增大能夠增強(qiáng)土體對(duì)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(shí)，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(shí)，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(duì)樁身的約束能力增強(qiáng)，能夠有效限制樁身的位移，提高楔形樁的穩(wěn)定性。通過對(duì)楔角、樁長(zhǎng)、樁徑和土體彈性模量等因素的定量分析，明確了各因素對(duì)楔形樁水平承載特性的影響規(guī)律和影響程度。在工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)實(shí)際需求，合理調(diào)整這些因素，以優(yōu)化楔形樁的設(shè)計(jì)，提高其水平承載能力和穩(wěn)定性。6.4模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比與驗(yàn)證為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的可靠性，將模型試驗(yàn)結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了全面對(duì)比。對(duì)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(duì)比方面，以楔角為2°的楔形樁為例，模型試驗(yàn)和數(shù)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(shì)基本一致。在加載初期，模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的曲線幾乎重合，表明在小荷載作用下，數(shù)值模擬能夠準(zhǔn)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(xiàn)一定的差異，但整體趨勢(shì)仍然相似。在水平荷載為25kN時(shí)，模型試驗(yàn)得到的樁