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摘要：锥形桩是一种既节省材料，施工简单，又提高桩的单位承载力的优良桩型。本文的目的是要通过有限元软件ANSYS对锥形桩的工作机理和承载性能进行模拟分析，研究锥形桩承载力提高的原因。
關键词：锥形桩；单位承载力；承载性能；工作机理
引言
锥形桩是楔形桩的一种，是一种既节省材料，施工简单，又提高桩的单位承载力的优良桩型。它巧妙地利用桩楔形侧面，充分发挥了桩与土体间的相互作用，犹如楔子楔入地基土中。除摩阻力（切向抗力）外，土体对楔形侧面产生一法向抗力，即支承力，从而提高了锥形桩的承载力。本文的目的是要通过有限元软件ANSYS对锥形桩的工作机理和承载性状进行模拟分析，研究锥形桩承载力提高的原因。
1 计算模型
1.1 建模要点
在锥形桩的数值模型中，充分考虑了桩-土之间的相互作用以及土体的非线性，建模要点如下：
1）桩、土均用PLANE42单元建模；
2）通过更改ANSYS中的PLANE42单元的关键词，将桩、土简化为轴对称问题；
3）土体的本构模型采用Drucker-Prager模型以考虑土的非线性行为；
4）在桩身和土之间设无厚度的接触单元以模拟其相对变形特性；
5）为突出研究重点，本文不考虑土体的分层；
6）桩侧与桩底土的计算范围足够大，接近实际情况，以保证计算的准确性；
7）设置边界条件，最外层的土约束住径向自由度，最底层的土约束住所有自由度，对称轴处的土与桩身约束住径向自由度。
1.2 材料参数及网格划分
本文模拟的锥形桩尺寸为：D=1.5m，d=0.6m，L=10m，。桩身弹性模量E=25Gpa，泊松比 =0.2，桩顶施加6000kN的竖向荷载，分10级加载。为突出方法的重点，不考虑土体的分层，土体参数如表1所示。
表1 土体的参数
参数名称 E/MPa /kg/m3 c/kPa
参数值 100 0.3 1800 30 25 0
2 荷载传递规律
2.1 锥形桩Q-S曲线
在提取Q-S曲线时，桩顶位移取对称轴处桩顶节点的竖向位移。在第一个荷载步中，通过施加重力加速度计算土体自重下的应力状态，并提出重力影响下桩顶的位移S0，其他各步荷载作用下的位移均扣除S0，即各级荷载作用下的位移均扣除自重的影响，模拟分析所得Q-S曲线如图3所示。由该曲线可以看出，锥形桩的Q-S曲线呈缓变型，极限承载力应根据变形控制原则，即桩顶沉降量确定。
图3 Q-S曲线
2.2 桩身轴力
本文计算了在桩顶荷载1500kN、3000kN、4500kN 及6000kN四种情况下轴力沿桩身的分布。
计算轴力时采用ANSYS后处理POST1中映射路径的方法，首先定义一个路径L：取对称轴上沿桩顶的1点到桩底的2点，然后将桩单元Y向应力SY映射到路径L上，最后提取路径上的SY数值再乘以桩身横截面面积即得到桩身轴力的分布，如图4所示。由图可见，随着荷载的增加，桩身各截面轴力都呈递增趋势；随截面深度的增加，轴力大小呈递减趋势。因本文模拟的土体是均质的，所以轴力曲线较为平缓。
图4 轴力分布
2.3 侧摩阻力分布
对于普通的直身桩侧摩阻的计算是基于轴力计算的结果，利用侧摩阻与轴力的关系 。
提取某一直身桩顶2800kN、4200kN及5600kN 三级荷载作用下的侧摩阻力，可以看出：
1）侧摩阻在各级荷载作用下的分布规律基本相同，随着荷载的增加侧摩阻力逐渐发挥；
2）就单级荷载来看，侧摩阻与理想的“单驼峰”状较为吻合。就多级荷载看，随着荷载的增加，侧摩阻峰值逐步向下移动，原因在于均质土层中的单桩在竖向荷载作用下越靠近桩身上部的桩身压缩量及位移量越大，相应的桩-土间相对位移越大，随着桩顶荷载的增加逐渐调动下层土侧摩阻的发挥；
3）接近桩底时，摩阻力显著减小。一方面原因应在于桩底土的泊松效应导致靠近桩底的桩侧法向应力减小，从而导致切向应力降低。另一方面原因在于桩端部桩-土间相对位移较小。
2.4 锥形桩作用机理分析
锥形桩在垂直荷载作用下，通过桩周将荷载传递给土层，绝大部分作用力变为对土层侧压力，其作用力方向向四周扩散，扩散范围更宽。所以锥形桩具有较高承载力。
锥形桩在外部荷载作用下，被挤密的桩周土体通过锥形面承受大部荷载，桩端土体支承作用甚小。所以锥形短桩单桩承载力主要受锥形面对土体挤密的影响，是土体变形的一个函数，法向力和摩阻力的合力是主要的支承力。成桩过程中形成的土体挤密区，形似一倒放的桃子，其大小与土体物理力学性质、桩的尺寸、体积及锥角有关，且成正比例关系。其中锥形桩的锥角是影响挤密区大小的主要因素。
锥形桩沉降时挤压土层，土对桩周产生被动土压力，与上部荷载平衡。当桩上部荷载超过极限平衡时，土体发生破坏。
3 结论
1）锥形桩的受力机理不同于一般桩基，锥形桩的楔型构造改变了桩周土的天然结构状态，改善了土的物理力学性质，有利于提高锥形桩的承载力；
2）桩的楔形截面有利于发挥桩土的共同作用。打桩过程中锥形桩起物理楔的作用，打桩能量的大部分通过桩侧传给了桩周土，在桩周形成挤密区，承担了大部分荷载，其平均单位承载力与等截面桩相比约提高80%；
3）锥形桩的技术经济效果显著，平均单位承载力相同的条件下比等截面桩节省材料约80%。
参考文献
[1]刘杰，王忠海. 楔形桩承载力的试验研究[J]. 天津大学学报，2002，35（2）：257-260
[2]叶良. 楔形桩的工作性状分析和应用研究. 浙江大学硕士学位论文，2008.5
[3]蒋建平. 楔形桩的研究与应用综述，施工技术，2006，36（1）：37-40
關键词：锥形桩；单位承载力；承载性能；工作机理
引言
锥形桩是楔形桩的一种，是一种既节省材料，施工简单，又提高桩的单位承载力的优良桩型。它巧妙地利用桩楔形侧面，充分发挥了桩与土体间的相互作用，犹如楔子楔入地基土中。除摩阻力（切向抗力）外，土体对楔形侧面产生一法向抗力，即支承力，从而提高了锥形桩的承载力。本文的目的是要通过有限元软件ANSYS对锥形桩的工作机理和承载性状进行模拟分析，研究锥形桩承载力提高的原因。
1 计算模型
1.1 建模要点
在锥形桩的数值模型中，充分考虑了桩-土之间的相互作用以及土体的非线性，建模要点如下：
1）桩、土均用PLANE42单元建模；
2）通过更改ANSYS中的PLANE42单元的关键词，将桩、土简化为轴对称问题；
3）土体的本构模型采用Drucker-Prager模型以考虑土的非线性行为；
4）在桩身和土之间设无厚度的接触单元以模拟其相对变形特性；
5）为突出研究重点，本文不考虑土体的分层；
6）桩侧与桩底土的计算范围足够大，接近实际情况，以保证计算的准确性；
7）设置边界条件，最外层的土约束住径向自由度，最底层的土约束住所有自由度，对称轴处的土与桩身约束住径向自由度。
1.2 材料参数及网格划分
本文模拟的锥形桩尺寸为：D=1.5m，d=0.6m，L=10m，。桩身弹性模量E=25Gpa，泊松比 =0.2，桩顶施加6000kN的竖向荷载，分10级加载。为突出方法的重点，不考虑土体的分层，土体参数如表1所示。
表1 土体的参数
参数名称 E/MPa /kg/m3 c/kPa
参数值 100 0.3 1800 30 25 0
2 荷载传递规律
2.1 锥形桩Q-S曲线
在提取Q-S曲线时，桩顶位移取对称轴处桩顶节点的竖向位移。在第一个荷载步中，通过施加重力加速度计算土体自重下的应力状态，并提出重力影响下桩顶的位移S0，其他各步荷载作用下的位移均扣除S0，即各级荷载作用下的位移均扣除自重的影响，模拟分析所得Q-S曲线如图3所示。由该曲线可以看出，锥形桩的Q-S曲线呈缓变型，极限承载力应根据变形控制原则，即桩顶沉降量确定。
图3 Q-S曲线
2.2 桩身轴力
本文计算了在桩顶荷载1500kN、3000kN、4500kN 及6000kN四种情况下轴力沿桩身的分布。
计算轴力时采用ANSYS后处理POST1中映射路径的方法，首先定义一个路径L：取对称轴上沿桩顶的1点到桩底的2点，然后将桩单元Y向应力SY映射到路径L上，最后提取路径上的SY数值再乘以桩身横截面面积即得到桩身轴力的分布，如图4所示。由图可见，随着荷载的增加，桩身各截面轴力都呈递增趋势；随截面深度的增加，轴力大小呈递减趋势。因本文模拟的土体是均质的，所以轴力曲线较为平缓。
图4 轴力分布
2.3 侧摩阻力分布
对于普通的直身桩侧摩阻的计算是基于轴力计算的结果，利用侧摩阻与轴力的关系 。
提取某一直身桩顶2800kN、4200kN及5600kN 三级荷载作用下的侧摩阻力，可以看出：
1）侧摩阻在各级荷载作用下的分布规律基本相同，随着荷载的增加侧摩阻力逐渐发挥；
2）就单级荷载来看，侧摩阻与理想的“单驼峰”状较为吻合。就多级荷载看，随着荷载的增加，侧摩阻峰值逐步向下移动，原因在于均质土层中的单桩在竖向荷载作用下越靠近桩身上部的桩身压缩量及位移量越大，相应的桩-土间相对位移越大，随着桩顶荷载的增加逐渐调动下层土侧摩阻的发挥；
3）接近桩底时，摩阻力显著减小。一方面原因应在于桩底土的泊松效应导致靠近桩底的桩侧法向应力减小，从而导致切向应力降低。另一方面原因在于桩端部桩-土间相对位移较小。
2.4 锥形桩作用机理分析
锥形桩在垂直荷载作用下，通过桩周将荷载传递给土层，绝大部分作用力变为对土层侧压力，其作用力方向向四周扩散，扩散范围更宽。所以锥形桩具有较高承载力。
锥形桩在外部荷载作用下，被挤密的桩周土体通过锥形面承受大部荷载，桩端土体支承作用甚小。所以锥形短桩单桩承载力主要受锥形面对土体挤密的影响，是土体变形的一个函数，法向力和摩阻力的合力是主要的支承力。成桩过程中形成的土体挤密区，形似一倒放的桃子，其大小与土体物理力学性质、桩的尺寸、体积及锥角有关，且成正比例关系。其中锥形桩的锥角是影响挤密区大小的主要因素。
锥形桩沉降时挤压土层，土对桩周产生被动土压力，与上部荷载平衡。当桩上部荷载超过极限平衡时，土体发生破坏。
3 结论
1）锥形桩的受力机理不同于一般桩基，锥形桩的楔型构造改变了桩周土的天然结构状态，改善了土的物理力学性质，有利于提高锥形桩的承载力；
2）桩的楔形截面有利于发挥桩土的共同作用。打桩过程中锥形桩起物理楔的作用，打桩能量的大部分通过桩侧传给了桩周土，在桩周形成挤密区，承担了大部分荷载，其平均单位承载力与等截面桩相比约提高80%；
3）锥形桩的技术经济效果显著，平均单位承载力相同的条件下比等截面桩节省材料约80%。
参考文献
[1]刘杰，王忠海. 楔形桩承载力的试验研究[J]. 天津大学学报，2002，35（2）：257-260
[2]叶良. 楔形桩的工作性状分析和应用研究. 浙江大学硕士学位论文，2008.5
[3]蒋建平. 楔形桩的研究与应用综述，施工技术，2006，36（1）：37-40