第 1 章 绪论
1.1 本课题研究背景和意义
桩基础作为深基础的一种是建筑结构中重要的组成部分，对工程的结构质量和安全起着非常重要的作用，它是建筑物的基础，一旦基础失稳，必然造成整体建筑物破坏。长久以来，人们一直把桩基础当作单一的受压构件用来承受上部建筑传递下来的竖向荷载而忽视了桩基础在水平荷载作用下的承载性能，且桩基础的水平承载特性比其竖向承载特性复杂的多，因此研究学者们对桩基础竖向承载力展开了大量的研究并取得一系列丰硕的研究成果，而对桩基础水平承载特性的研究相对较少[1]。但在实际工程中，桩基础不但承受较大的竖向荷载（如结构的自重），也会承受较大的水平荷载（如波浪荷载、风荷载、地震荷载等），一旦桩基础的水平承载力不满足设计要求将会给人类财产安全带来不可挽回的灾难，对桩基础水平承载特性的研究是确定桩基础工作性能必不可少的一步。
而随着我国社会经济的持续发展，社会对电力的需求越来越大，近年来超高压和特高压输电线路建设步伐持续加快，输送电压等级及输电塔架的高度不断提高，所需电线型号越高，电线重量越大，这无疑对输电塔架结构的安全性和稳定性要求更加严格[2][3]；而塔架基础作为输电塔架结构中重要组成部分之一是保证高压电力输送塔架系统整体稳定性的重要结构部件。由于输电塔架基础需要承受较大的电线水平张力、电线水平风荷载及塔架身部风荷载等水平荷载，尤其冬季中电线积雪结冰大大增加了塔架基础所承受的水平荷载，因此输电塔架基础对水平承载能力要求较高，对高压输电塔架基础水平承载性能的研究课题也逐渐得到重视。
高压电力输送塔架有多种基础形式，主要有混凝土台阶式基础、钢筋混凝土板式基础、斜柱式基础、半掏挖基础及桩基础等[4]，桩基础属于深基础，其主要工作机理是将上部结构的荷载通过桩体传递到土体中，承受上部结构的竖向荷载及风荷载、波浪荷载或者地震荷载等水平荷载。与浅基础相比，桩基础具有承载力高、稳定性强等优点，因此在土木工程领域中的应用较为广泛。大直径预制空心方桩基础作为输电塔架基础的一种是一种新型的空心方桩基础，由于现场不存在混凝土浇筑及养护、桩身组装及沉井施工完成后即可进行输电塔架安装和电线铺架工作，
大大减小施工工期，施工质量易得到保证[2][3]。
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1.2 水平荷载作用下桩的受力性能研究现状
1.2.1 室内模型试验研究
在进行结构的试验研究过程中，往往由于结构构件的体积及重量较大、试验过程复杂困难、试验成本高等因素，使得研究学者更倾向于采取室内模型试验的方法进行科学研究。结构的室内模型试验是将体积尺寸较大的结构原型按照一定的几何相似关系缩小为尺寸较小的结构模型，将施加在结构原型上的力学现象，按照一定的相似关系缩小重演到模型上，并采用应力、应变及位移等电子测量装备对模型在试验过程中的力学特性进行量测记录，最后将试验数据通过相似理论推算到原型结构中。实际工程中大多建筑物基础桩的尺寸很大、施工工艺复杂以及施工周期长，给现场原型试验带来了较大的困难，而且现场原型试验会耗费巨大的人力财力，造成大量的资源浪费，同时在自然环境中进行试验，受各种自然条件的影响、干扰较大，影响试验结果精度的因素较多，甚至有可能因为各种外界因素而无法进行现场足尺试验，这时通过室内模型试验的研究方法对桩基础的水平承载性能进行研究就显得尤为重要[1]。因此，国内外众多研究学者对桩基础的水平承载性能开展了广泛的室内模型试验研究。
武汉理工大学胡丹等[5]根据相似理论开展了冲刷作用下海洋平台桩基水平承载力室内模型试验研究，并采用FLAC3D数值模拟软件分析了单桩在水平荷载作用下的承载性能，探讨了不同冲刷深度下桩身的受力状态及冲刷对桩身弯矩及土抗力的影响，并进行了各冲刷因素对桩基水平承载性能影响的敏感性分析。试验结果表明，桩基水平极限承载力随着冲刷深度的增加呈减小趋势，桩身最大弯矩随冲刷深度的增加而减小，软件模拟的结果与模型试验结果较为接近，FLAC3D数值模拟软件具有较高的精度。
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第 2 章 单桩水平承载特性理论研究
2.1 单桩水平承载特性
2.1.1 单桩水平承载力简介
单桩水平承载力是指单桩在水平方向（与桩轴线垂直方向）受力时的承载力。实践表明，单桩水平承载力远低于其竖向承载力，而单桩在水平荷载作用下的工作性状却比单桩在竖向荷载作用下时的工作性状要复杂的多，因此在对单桩水平承载力进行分析时不单要考虑桩身属性，还需要从桩周土质强度及上部结构允许水平位移值等方面来确定单桩的水平承载力。
2.1.2 单桩水平受荷作用机理
当单桩受到较小的水平荷载时，桩土之间主要处于理想的弹性变形阶段，即桩体及土体只产生轻微的弹性变形，其工作机理主要为：在水平荷载作用下，桩身受弯首先出现挠曲变形，并向受力方向一侧挤压桩周土体，土体则对桩身产生相应的水平抵抗力，此时土的水平抵抗力主要由桩周的表层土所提供的。
当单桩所承受的水平荷载不断增大时，桩身的挠曲变形也继续增大，桩周土体由上至下逐渐发生屈服，水平荷载向更深层土体传递，当桩身的变形量超出桩体所能容许的范围，或者桩周土体丧失稳定性时，此时就达到了桩的水平极限承载力[21]。因此，对于抗弯性能较差的桩体，通常是桩身首先出现裂缝，然后桩身断裂破坏，达到桩的水平极限承载力；对于抗弯性能较好的桩体，通常出现由于桩周土体强度不够导致土体明显开裂隆起，达到桩的水平极限承载力。
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2.2 单桩水平承载力计算理论
水平荷载作用下桩身的位移和内力计算的方法主要分为两大类：一类沿用类似于主动土压力、被动土压力的概念，要使被动土压力能充分激发，必须要有足够大的位移，这种方法计算的是极限承载力；另一种方法是弹性地基梁的方法，这种方法适用于变形较小的场合，是计算桩顶抗水平位移的抵抗刚度的方法[23]。
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3.1 试验目的 .................................. 21
3.2 工程地质概况 ............................. 21
第 4 章 大直径预制空心方桩水平承载性能有限元分析 ........................ 45
4.1 概述 .............................. 45
4.2 ABAQUS 简介 ................................. 45
第 5 章 结论与展望 ................................... 64
5.1 结论 ................................ 64
5.2 展望 ................................. 64
第 4 章 大直径预制空心方桩水平承载性能有限元分析
4.1 概述
桩基础在水平荷载作用下的工作性状较为复杂，与桩身材料、桩身尺寸、地基土质条件、桩的入土深度、桩顶嵌固程度以及上部结构的水平位移允许值等因素密切相关。对水平受荷桩承载性能的细致且全面试验研究难免会耗费大量的人力物力，给整个研究工作带来较多困难。现场原型试验能较为真实的反应实际情况，但试验成本较高，而且受各种自然条件的影响、干扰较大，影响试验结果精度的因素较多，试验效率较低。室内模型试验能一定的减小试验成本，提高试验效率，但所选比例尺较小，土体多选均质土层，与实际不符，局限性较大。这时寻求一种能较为真实的反应实际试验情况的研究方法尤为重要。
随着计算机和计算方法的飞速发展，数值模拟已与理论分析和科学试验鼎力为现代科学研究的三大手段。作为科学计算方法的一种，数值模拟依靠计算机，结合有限元或有限容积的概念，通过数值计算和图像显示的方法，较为精确高效的解决了实际工程问题，为科学研究工作提供较大便利。
鉴于此，本章利用有限元分析软件 ABAQUS 对大直径预制空心方桩基础水平承载性能进行模拟分析，研究试桩在水平荷载作用下桩-土体系的工作性状，并将模拟结果与试验结果进行对比，验证 ABAQUS 有限元模拟分析的准确性，并对试桩水平承载性能进行进一步的分析研究。
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第 5 章 结论与展望
5.1 结论
大直径预制空心方桩是一种新型分节组装式桩基础，本文通过两根试桩足尺水平静载试验，绘制出各试桩水平力-位移（H-Y0）曲线及水平力-位移梯度（H-ΔY0/ΔH）曲线，并得到 1#试桩水平临界荷载 Hcr、水平极限承载力 Hu 以及对应的极限倾覆力矩。通过 ABAQUS 有限元软件对该试桩水平承载性能进行了有限元模拟分析，得到 2#试桩水平极限承载力，并进一步分析了大直径预制空心方桩基础在水平荷载作用下的工作机理及承载性能，得到主要结论如下：
（1）6m 桩长的大直径预制空心方桩基础水平承载特性与刚性短桩的水平承载特性相符，桩身具有较高的抗弯刚度，远大于周围土体刚度，桩身受水平力作用时挠曲变形不明显，如同刚体一样围绕桩轴某一点转动，继续增大水平荷载，由于桩顶水平位移超出建筑容许值而达到基桩水平极限承载力；
（2）ABAQUS 有限元分析结果与现场试验结果基本一致，ABAQUS 有限元模拟软件能较为精确的模拟大直径预制空心方桩的水平承载性能，为实际工程提供理论支撑；
（3）6m 桩长的大直径预制空心方桩基础能用来承受 500kV 开关站输电塔架上部水平设计荷载值 190kN，桩身具有较高的承载性能，但桩顶水平位移较大，建议通过对桩周土体进行压实以及增加桩长的方式提升大直径预制空心方桩基础水平承载性能；
参考文献（略）