軸向荷載作用下灌注樁數(shù)值模擬

陳 立,趙 敏,方俊林

(1.西安工業(yè)大學 建筑工程系,陜西 西安 710032;2.河南工業(yè)大學 土木建筑學院,河南 鄭州 450052)

近年來，大直徑灌注樁由于成樁質量好、單樁承載力高，能較好地適應復雜地質條件以及各種荷載情況，在高層建筑物及公路建設中逐漸被廣泛采用.在現(xiàn)有規(guī)范中[1]，鉆孔灌注樁承載力計算由樁側阻力和樁端阻力兩部分組成，樁側阻力和樁端阻力為定值，計算簡單明了.但在工程實踐中發(fā)現(xiàn)，它們并非為定值，樁端阻力和樁側摩阻力相互協(xié)調發(fā)揮問題成為樁基礎設計中不可避免的問題[2-10].本文運用數(shù)值分析方法對灌注樁的樁—土相互作用進行模擬，在分析中采用彈塑性模型，引入了接觸面單元，并且考慮了土體的材料非線性，正確的模擬了樁的受力機理，樁側摩阻力和樁端阻力，并進行了分析與探討.

1 模型的建立

1.1 模型參數(shù)

樁長16 m，樁徑0.8 m，樁身為彈性體，樁頭自由并與土體表面齊平.采用FLAC3D建立有限元模型，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性本構模型，材料參數(shù)見表1，模型見圖1.

表 1 土體及樁體參數(shù)Tab.1 Parameters of soil and pile

圖1 有限元模型Fig.1 FEM model

1.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

樁身左右土體取20 m，樁端以下土體取3 m土體左右，兩側邊界分別約束其水平位移，固定土體底部邊界三個方向的位移，單元尺寸、節(jié)點和單元體個數(shù)通過多次試分析并優(yōu)化產生.

1.3 接觸面設置及參數(shù)取值

2 計算結果及分析

在本次模擬中，首先，建立的模型全部采用土體參數(shù)，施加初始地應力，計算平衡后，將所有土體沉降和應變歸0，加入樁、接觸面，設置正確的樁體和土體模型的參數(shù)，計算平衡，將所有應力和應變再次歸0，在樁頂上逐級應力加載，計算結束后提取每級荷載下的樁頂位移、樁身軸力及樁端阻力.

2.1 P-S曲線

樁的荷載—沉降曲線的線型是樁身材料或樁周土破壞機理和破壞模式的宏觀反映[9，10].圖2給出了荷載—沉降關系曲線，從圖中可以看到，樁在荷載作用下，試樁荷載—沉降曲線近似呈拋物線.

圖2 樁長8 m的P-S曲線Fig.2 P-S curve of 8 m pile

2.2 軸力及側摩阻力曲線圖

各級荷載下的樁軸力沿樁身分布曲線如圖3 所示.由圖3可知， 樁軸力沿樁身呈非均勻分布狀態(tài)，樁頂至樁底軸力逐漸減??； 但各個位置上的軸力隨樁頂荷載的增大而增大，樁軸力分布自上而下逐漸減小，在樁頂荷載較小時，樁底軸力幾乎為0，荷載全部由側摩阻力承擔.隨著荷載的增大，側摩阻力發(fā)揮到一定程度后不能再完全承擔起樁頂荷載，于是樁底段軸力的增大，即樁端阻力逐漸發(fā)揮作用.如圖4所示.從圖4還可以看出：樁側摩阻力的分布形式在樁頂荷載較小的情況下略有區(qū)別，隨著樁頂荷載的增加，樁側摩阻力的分布形式趨于相似.

圖3 各級荷載下沿樁身的軸力曲線 Fig.3 Axial force curve along the pile with different loads

圖4 各級荷載下沿樁身的樁側摩阻力曲線Fig.4 Side resistance curve along the pile with different loads

2.3 荷載分擔曲線

對于本次模擬的樁的情況，在1 750 kN樁頂荷載之前，樁頂荷載大部分由樁側摩阻力來承擔，隨著荷載的增加，樁側摩阻力不能夠承擔荷載的時候，樁端阻力開始發(fā)揮主要作用.樁端阻力與樁側阻力荷載分擔情況見圖5.從圖5可以看出，樁頂荷載超出側摩阻力總和部分將由樁端阻力承擔， 樁側摩阻力和樁端阻力共同承擔起樁頂荷載.

圖5 樁端阻力與樁側阻力荷載分擔情況Fig.5 Distribution of the load between pile tip resistance and side resistance

4 結 論

本文從樁體受力分析出發(fā)，運用數(shù)值分析手段，分析研究了單樁荷載傳遞機理，分析了樁身軸力、樁側摩阻力及樁端阻力的變化情況，得到以下結論：

(1)通過樁頂沉降、軸力和側摩阻力的曲線圖可以發(fā)現(xiàn)，數(shù)值模擬值與理論計算和已有的實際工程得出的曲線變化趨勢基本一致.說明本次數(shù)值模擬參數(shù)的取值的正確性.

(2)樁軸力沿樁身呈非均勻分布狀態(tài)， 自樁頂至樁底軸力逐漸減?。坏鱾€位置上的軸力隨樁頂荷載的增大而增大.

(3)樁頂荷載超出側摩阻力總和部分將由樁端阻力承擔， 樁側摩阻力和樁端阻力共同承擔起樁頂荷載.

(4)本文建立的計算模型基本反映了樁土的共同作用，并有效模擬了在豎向荷載作用下單樁的受力情況，從而為群樁基礎的設計提供了理論依據(jù).

參考文獻:

[1] JGJ 94-94, 建筑樁基技術規(guī)范[S]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 1995.

[2] 董金榮.灌注樁側阻力強化弱化效應研究[J]. 巖土工程學報，2009,31(5):658-662.

[3] 杜 芳.大直徑灌注樁荷載傳遞試驗研究和數(shù)值分析[J]. 土工基礎， 2008,22(1):40-43.

[4] 戴志成,崔樹琴.大直徑鉆孔灌注樁的數(shù)值模擬研究[J]. 工程科技， 2008,(5):69-71.

[5] 王 明.超長鉆孔灌注單樁承載力計算研究[J]. 黑龍江交通科技， 2009,(5):110-112.

[6] Itasca. FLAC3D version 2.0. user’s manual[S]. Minneapolis: ICG, 1997.

[7] POTYONDY J G. Skin friction between various soils and construction materials [J].Geotechnique，1961,11(4):339-353.

[8] 陳育民 ,徐鼎平.FLAC / FLAC 3D基礎與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社， 2008.

[9] 劉 波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應用指南[M].北京:人民交通出版社, 2005.

[10] 鄧友生, 龔維明, 李卓球. 超長大直徑單樁荷載傳遞特性研究[J].公路,2007,(4):73-76.