采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力數(shù)值模擬分析

牛月君,李金偉

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力數(shù)值模擬分析

牛月君,李金偉

(河南理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 焦作 454003)

利用地表沉降規(guī)律和概率積分法對地表土體的沉陷預(yù)計(jì)，建立與理論相符合的有限元模型。對地表土體的沉陷模擬知，采動(dòng)樁基負(fù)摩阻力是由樁底土體首先發(fā)生沉降而引起的，這與天然地基土條件下樁基負(fù)摩阻力的產(chǎn)生機(jī)理不同；對樁頂進(jìn)行逐級加載分析表明，樁頂荷載對采動(dòng)區(qū)樁基中性點(diǎn)位置有較大影響，隨著樁頂荷載的增加，采動(dòng)區(qū)樁基中性點(diǎn)位置逐漸下移。

采動(dòng)區(qū)；負(fù)摩阻力；有限元；產(chǎn)生機(jī)理；中性點(diǎn)

我國地下煤炭資源儲藏豐富，尤其是建筑物下壓煤量巨大[1]，隨著煤炭資源的進(jìn)一步開發(fā)利用，建筑物下采煤將成為亟待解決的問題。由于受到地下開采的影響，地表土體會(huì)發(fā)生水平或者垂直的位移，當(dāng)土體的沉降量小于樁基沉降量時(shí)，樁側(cè)會(huì)產(chǎn)生正摩阻力。反之，當(dāng)土體的沉降量大于樁基的沉降量時(shí)，樁側(cè)就會(huì)產(chǎn)生負(fù)摩阻力。樁側(cè)負(fù)摩阻力不但不能為樁基分擔(dān)荷載，并且會(huì)對樁基產(chǎn)生一個(gè)下拽力，成為樁基的附加荷載，樁側(cè)摩阻力對建筑物的穩(wěn)定性有很大影響，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成基礎(chǔ)失穩(wěn)、上部結(jié)構(gòu)沉降不均勻、建筑物出現(xiàn)開裂等問題[2]。近年來，很多學(xué)者對負(fù)摩阻力進(jìn)行研究并取得了成果，如王蘭民等[3]通過開展爆破模擬震陷條件，分析研究樁基負(fù)摩阻力在地震時(shí)的基本特征?？拙V強(qiáng)[4]研究的出同等級地面堆載作用下，擴(kuò)底楔形樁的樁側(cè)負(fù)摩阻力引起的樁頂下拽力最小、樁身下拽力值介于常規(guī)楔形狀和擴(kuò)底樁兩者之間。黃雪峰[5]在分析黃土浸水試驗(yàn)以及其它樁基浸水試驗(yàn)的研究成果上，揭示了黃土濕陷下限深度與樁基中性點(diǎn)位置的確定關(guān)系。但這些研究都是基于天然地基土條件，而采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力的研究還較少，因此，本文針對采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力，研究采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力的產(chǎn)生原因，通過建立數(shù)值模型，對樁頂進(jìn)行逐級加載，分析樁土位移場的變化以及樁頂荷載大小對樁基中性點(diǎn)位置的影響。

1 采動(dòng)區(qū)地表沉降規(guī)律

圖1 采動(dòng)區(qū)地表沉陷示意圖

未經(jīng)采動(dòng)的巖層，在地殼內(nèi)受到各個(gè)方向力的約束，處于自然平衡狀態(tài)。煤層的開采過程中，對于周圍巖體產(chǎn)生擾動(dòng)，上覆巖層產(chǎn)生移動(dòng)變形，并連續(xù)向地表擴(kuò)展；當(dāng)采動(dòng)影響范圍擴(kuò)展至地表后，將在地表形成一個(gè)下沉盆地，如圖1所示。圖1(a)表示在沉降前的情況下地表土體和建筑物的相對位置關(guān)系，圖1(b)表示收到采動(dòng)影響地表形成一個(gè)下沉盆地，并且?guī)?dòng)上部建筑物隨著地表一起發(fā)生下沉，圓圈所示部分樁基會(huì)受到土體沉降的影響，產(chǎn)生樁側(cè)負(fù)摩阻力。

地表沉陷預(yù)方法有概率積分法、典型曲線法、剖面函數(shù)法等。目前，國內(nèi)運(yùn)用最為廣泛的是概率積分法。概率積分法假設(shè)由類似于砂礫或者相對來說很小塊的巖石介質(zhì)顆粒組成，顆粒之間失去聯(lián)系可以相對運(yùn)動(dòng)，顆粒介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)用顆粒的隨機(jī)移動(dòng)來表征，并把大量的顆粒介質(zhì)移動(dòng)看作一個(gè)隨機(jī)過程。當(dāng)采動(dòng)區(qū)達(dá)到充分開采或者超充分開采時(shí)，任一點(diǎn)的下沉量為：

(1)

W0=mqcosα

(2)

(3)

式中：W0為地表最大下沉值；r為主要影響半徑。

根據(jù)實(shí)際對應(yīng)時(shí)刻最大沉降量和主要影響半徑值可以繪制出概率積分法對于試驗(yàn)組表層土體預(yù)計(jì)的沉降曲線。

2 有限元模型

運(yùn)用ABAQUS有限元軟件，根據(jù)概率積分法，建立一個(gè)模型，通過提取沉降過程中樁土位移變化云圖，研究采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力產(chǎn)生原因；通過對樁頂進(jìn)行分步逐級加載，研究地表沉降的影響下樁頂荷載大小對樁基中性點(diǎn)位置的影響。

2.1 模型尺寸及參數(shù)確定

本模型將樁基位置定于沉降中心位置，采用軸對稱模型進(jìn)行分析。樁基采用鋼筋混凝土材料，其為直徑1 m、長度20 m的實(shí)心圓柱體。由于材料在豎向荷載作用下很少發(fā)生破壞，故將樁身設(shè)置為線彈性模型，E=20 GPa，v=0.2。由于土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系具有明顯的非線性特征，故將土體設(shè)置為彈塑性模型，本模型土體為砂土，E=20 MPa，v=0.35，c=0.1 kPa，φ=30°，ψ=0°。

2.2 網(wǎng)格劃分

有限元分析過程中，網(wǎng)格劃分影響計(jì)算準(zhǔn)確性。重點(diǎn)分析樁土接觸面上的應(yīng)力，為了提高計(jì)算的準(zhǔn)確性，將樁底土體的網(wǎng)格劃分的相對較小，樁側(cè)土體樁徑5倍長度范圍內(nèi)，土體網(wǎng)格劃分密集。模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖2 模型網(wǎng)格劃分 圖3 土體沉降曲線模擬與理論結(jié)果對比

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果與理論結(jié)果對比驗(yàn)證

提取模型沉降過程中表層土體的沉降量，繪制出表層土體沉降曲線，具體如圖3所示，所得結(jié)果符合概率積分法的理論規(guī)律[7]，因此，該模型可以用來模擬采動(dòng)區(qū)表層土體的沉降。

3.2 采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力產(chǎn)生原因

提取模擬過程中樁土相對位移變化的云圖，如圖4所示。從圖4可以看出，采動(dòng)區(qū)地表土體的沉陷是先從樁底土體開始，再逐漸向上方擴(kuò)展的。采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力的產(chǎn)生是由下部土體首先發(fā)生沉降引起的，之后依次帶動(dòng)上部土體逐漸沉降，這與天然地基土條件下樁基負(fù)摩阻力的產(chǎn)生明顯不同，如圖5所示。

圖4 樁土位移變化云圖

圖5 采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力產(chǎn)生機(jī)理示意圖

3.3 樁頂荷載對采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力中性點(diǎn)位置的影響

樁基荷載沉降曲線如圖6所示。樁基的極限承載力為(沉降量為40 mm)2413.67 kN，設(shè)計(jì)荷載約為1 200 kN。通過對樁頂荷載進(jìn)行逐級加載，提取樁側(cè)負(fù)摩阻力變化曲線，如圖7所示。從圖7可以看出，樁頂荷載對樁基中性點(diǎn)位置的影響較大，隨著樁頂荷載的逐級增大，樁基側(cè)摩阻力不斷增大，樁基中性點(diǎn)位置逐漸上移，樁側(cè)負(fù)摩阻力的產(chǎn)生范圍逐漸增大。由于受到樁端土體沉降的影響，在采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力始發(fā)于樁端。

圖6 荷載沉降曲線 圖7 采動(dòng)區(qū)不同樁頂荷載對樁側(cè)摩阻力的影響

4 結(jié) 語

根據(jù)概率積分法建立有限元模型，對采動(dòng)區(qū)地表土體沉陷進(jìn)行模擬，分析采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力的產(chǎn)生原因及樁頂荷載的大小對樁基中性點(diǎn)位置的影響后得到以下結(jié)論：

(1) 提取繪制有限元模型的表層土體沉降曲線，所得結(jié)果與概率積分法的理論規(guī)律相一致，因此模型可以用來模擬采動(dòng)區(qū)表層土體的沉陷，所得結(jié)論具有可靠性。

(2) 采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力是由于樁底土體首先發(fā)生沉降，依次帶動(dòng)上部樁基以及土體逐步沉降而引起的，這與天然地基土條件下樁基負(fù)摩阻力的產(chǎn)生原因不同。

(3) 樁頂荷載的大小對樁基中性點(diǎn)位置的影響較大。隨著樁頂荷載的增加，采動(dòng)區(qū)樁基側(cè)摩阻力不斷增大，樁基中性點(diǎn)位置逐漸升高，樁側(cè)負(fù)摩阻力的產(chǎn)生范圍不斷增大。采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力首先產(chǎn)生于樁端，這與采動(dòng)區(qū)樁基負(fù)摩阻力的產(chǎn)生原因相吻合。

[1] 孫文華.三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實(shí)用手冊[M].北京:中國煤炭出版社,2005:10-15.

[2] 朱彥鵬,趙天時(shí),陳長流.樁基負(fù)摩阻力沿樁長變化的試驗(yàn)[J].巖土力學(xué),2013,34(1):265-272.

[3] 孔綱強(qiáng).堆載條件下現(xiàn)澆擴(kuò)底楔形群樁負(fù)摩阻力特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011，33(s1):364-368.

[4] 黃挺,龔維明,戴國亮,等.樁基負(fù)摩阻力時(shí)間效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué),2013,34(10):2841-2846.

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[6] 孔綱強(qiáng),楊慶,楊綱,等.負(fù)摩阻力引起的樁身下拽力和樁頂下拽位移研究初探[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),2010,38(4):411-417.

[7] 何國清.礦山開采沉陷學(xué)[M].徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,1991:118-147.

Numerical Study on Negative Friction Resistance of Pile in Mining Area

NIU Yuejun,LI Jinwei

(Henan Polytechnic University,Jiaozuo 454003,China)

Finite element model is established on the basis of surface subsidence law rule and probability integral method. The surface soil subsidence simulation is done,and the simulation result shows that the negative friction resistance is caused by the subsidence of pile-end soil in mining area,which is different with that in traditional nature soil. Through exerting pressure on pile top step by step,the neutral point position on the pile affected by load on pile top. With increasing of the load on pile top,the position of neutral point of pile moves down.

mining area;negative friction resistance;Finite element;reason;neutral point

10.3969/i.issn.1674-5403.2017.03.005

TU473

A

1674-5403(2017)03-0016-04

2017-04-10

牛月君(1992-)，女，河南焦作人，在讀碩士研究生，主要從事巖土工程方面的研究.