單樁與群樁加固軟土地基的有限元分析

賈 洪 濤

(中車沈陽機車車輛有限公司，遼寧 沈陽 110036)

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單樁與群樁加固軟土地基的有限元分析

賈 洪 濤

(中車沈陽機車車輛有限公司，遼寧 沈陽 110036)

利用大型有限元分析軟件，對豎向荷載作用下單樁和群樁性狀進行數(shù)值分析，給出了有限元計算中土體和樁體本構(gòu)關(guān)系模型，分析樁長、樁身直徑對單樁基礎(chǔ)和群樁基礎(chǔ)的荷載—位移曲線的影響規(guī)律，為軟土地基的設(shè)計提供參考依據(jù)。

單樁，群樁，有限元分析，承載力，荷載

0 引言

樁基礎(chǔ)具有承載力高，穩(wěn)定性能好，基礎(chǔ)沉降小而且比較均勻，抗震性能好以及能適應各種復雜地質(zhì)條件等特點。對于樁基礎(chǔ)的研究已經(jīng)從應用推廣轉(zhuǎn)向提高技術(shù)水平的方面，針對不同地質(zhì)狀況的建筑物形式采用與之相適應類型的樁體。由于現(xiàn)場的試驗周期長，費用高及試驗條件的限制，工程技術(shù)人員及研究者嘗試采用各種方法。李穎[2]、湯斌[3]等學者開始利用數(shù)值分析的方法對樁基礎(chǔ)問題進行求解，并取得了許多成果；但大多沒有考慮樁和土之間的接觸問題[4-12]，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，利用有限元分析軟件進行數(shù)值模擬，分析采用接觸單元時樁長和樁身直徑對柱基礎(chǔ)承載力的影響因素，以期得出一些有實際意義的結(jié)論。

1 材料的本構(gòu)關(guān)系

模型彈塑性有限元單元模型中采用Drucker-Prager模型。D-P模型的屈服與破壞準則考慮了土中主應力對屈服與破壞的影響,是理想彈塑性屈服準則。

其屈服函數(shù)為：

式中：I1——第一應力不變量；

J2——第二偏應力不變量；

α，k——材料常數(shù)，認為樁體為彈性體。

2 有限元模型的建立與網(wǎng)格劃分

2.1 單樁與土體的模型與有限元網(wǎng)格劃分

利用有限元分析軟件建立樁土的三維有限元接觸單元的數(shù)值模擬。在建立有限元模型時利用對稱性原理，樁和土體取1/4模型計算。對計算模型施加合理的約束。上表面自由無約束，底面邊界面為固定約束，側(cè)面邊界約束水平位移。為更好的符合工程實際，加載過程采用逐級加載，每級加載量為試驗荷載的1/12～1/15，加載位置在樁體表面。

2.2 群樁與土體的模型與有限元網(wǎng)格劃分

群樁與土體相互作用分析采用二維有限元接觸單元的數(shù)值模擬。在建立有限元模型時在樁體與樁間土，樁體與墊層設(shè)置接觸單元。

3 有限元結(jié)果與分析討論

3.1 單樁加固軟土地基的有限元分析

當樁徑d=100 mm時，取樁長分別為L=2 m，5 m，8 m即長徑比L/d=20,50,80，在豎向荷載作用下，從不同樁長下單樁加固軟土地基的荷載—沉降關(guān)系曲線可以看出，荷載—沉降關(guān)系曲線越平緩，承載力隨樁長增加的速度變緩，樁長越長，在同荷載下，相應的單樁承載力越高，沉降趨于減小。

當樁長L=5 m時，取樁身直徑分別為d=200 mm，100 mm，50 mm，在豎向荷載作用下，從不同樁身直徑下單樁加固軟土地基的荷載—沉降關(guān)系曲線可以看出，樁長不變，樁徑增加時，荷載—沉降曲線并不是線性變化的，長徑比L/d=25，樁徑d=200 mm 變化到長徑比L/d=50，樁徑d=100 mm時，荷載—沉降曲線趨于平緩，單樁承載力提高明顯，長徑比L/d=50時承載效果最好。

3.2 群樁加固軟土地基的有限元分析

樁數(shù)為4根群樁基礎(chǔ)，當樁徑d=100 mm時，取樁長分別為L=3.5 m,5 m,6 m，在豎向荷載作用下，得到不同樁長下群樁加固軟土地基的荷載—沉降關(guān)系曲線。

由結(jié)果可知，當樁長等于3.5 m時，隨著樁長的增加沉降量急劇增大，樁長等于5 m時，隨著樁長的增加沉降量逐漸的增大，當樁長等于6 m時，隨著樁長的增加沉降增加的趨勢開始平緩。

樁數(shù)為4根群樁基礎(chǔ)，當樁長L=5 m時，取樁身直徑分別為d=200 mm，100 mm，50 mm，在豎向荷載作用下，得到不同樁身直徑下群樁加固軟土地基的荷載—沉降關(guān)系曲線。

由結(jié)果可知，隨著樁徑的增加，對應的荷載—沉降曲線呈線性變化趨勢，當樁徑等于200時和50時的沉降曲線基本是重合的，說明隨著樁身直徑的增加對沉降影響不明顯。

4 結(jié)語

1)在樁長不變時，單樁軟土地基的沉降量不是隨著樁身直徑的增加而增加的，當L/d=50，d=100 mm時，相應的單樁承載力是最大的；在樁徑不變時，樁長的影響較小。

2)在樁長不變時，樁徑增加到一定的情況下沉降量基本不變，說明隨著樁身直徑的增加沉降是趨于穩(wěn)定的。在樁徑不變時，隨著樁長的增長，群樁軟土地基的沉降量越來越小，但減少的趨勢是逐漸平緩的。

[1] 王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2] 李 穎.超長單樁豎向承載力影響因素有限元分析[J].巖土力學，2011,25(3)：287-290.

[3] 湯 斌，陳曉平.群樁效應有限元分析[J].巖土力學，2005,26(2)：299-302.

[4] 王幼青，張克緒.豎向荷載作用下單樁工作性能模擬分析[J].哈爾濱工業(yè)大學學報，2002,34(5):667-670.

[5] 奇良鋒，簡 浩，唐麗云.引入接觸單元模擬樁土共同作用[J].巖土力學，2005,26(1)：127-130.

[6] 張朝暉.ANSYS熱分析教程與實例解析[M].北京：中國鐵道出版社，2007.

[7] 徐芝綸.彈性力學[M].北京:高等教育出版社,2004.

[8] 辛公鋒.高荷載水平下超長樁承載性狀試驗研究[J].巖土力學與工程學報，2005,24(13)：227-231.

[9] 任德斌,蘇 博.瀝青路面溫度應力的有限元分析[J].沈陽建筑大學學報(自然科學版)，2010,26(4)：699-703.

[10] Valliappan S, Tandjiria V.Design of raft-pile foundation using combined optimization and finite element approach[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,1999,23(10):1043-1065.

[11] Desai C S,Zaman M M.Thin-layer element for interfaces and joints[J].International Journal for Numerical and Analytical Methods in Geomechanics,1984,8(1):19-43.

[12] WANG Xinquan,CHEN Yonghui,LIN Fei,et al.Eva-luation of ultimate bearing capacity of Y-shaped vibro-pile[J].Journal of Central South University of Technology,2008,15(2):186-194.

The finite element analysis on single pile and group pile reinforcement soft soil foundation

Jia Hongtao

(CRRCShenyangLocomotiveVehicleLimitedCompany,Shenyang110036,China)

Using the large-scale finite element analysis software, this paper made numerical analysis on the single pile and group pile behavior under vertical load, gave the soil body and pile body constitutive relation model in finite element calculation, analyzed the influence law of load-displacement curve of pile length, pile diameter to single pile foundation and group piles technology, provided reference for the design of soft soil foundation.

single pile, group pile, finite element analysis, bearing capacity, load

1009-6825(2016)11-0056-02

2016-02-02

賈洪濤(1961- )，男，高級工程師

TU447

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