豎向荷載下鉆孔灌注樁單樁的數(shù)值模擬分析

秦 力，王麗歡，陳柄君，陳 浩

(1.東北電力大學 建筑工程學院，吉林 吉林132012;2.長春供電公司，吉林長春130041;3.中國航空港建設(shè)第十工程總隊，河北保定071051)

樁基是建筑物和高聳構(gòu)筑物的一種重要基礎(chǔ)形式，在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，近50年來，樁基礎(chǔ)一直是地基基礎(chǔ)或巖土工程中研究的熱點問題之一，目前，關(guān)于單樁豎向荷載下的工作性狀的理論分析方法主要有:荷載傳遞法、彈性理論法、剪切位移法及各種數(shù)值分析方法［1］。數(shù)值模擬方法主要是將整體進行離散，然后通過模擬樁-土本構(gòu)關(guān)系進行計算，所得到的結(jié)果一般比較合理，此方法也存在一些問題，如目前樁-土的本構(gòu)理論還不夠完善，樁-土接觸面處理具有很大的近似性，并且需要獲取合理的計算參數(shù)［2］。但與其他幾種方法相比具有易操作性，且結(jié)果也較準確。雖然多年來對其進行了大量的研究，但由于樁土共同作用的復(fù)雜性，需要多方面考慮，深入分析［3］。本文利用有限元軟件模擬樁土之間的相互作用，通過對數(shù)值結(jié)果和試驗數(shù)據(jù)的對比分析，確保模擬的正確性，從而合理的解決單樁豎向荷載作用下的樁側(cè)摩阻力、樁端摩阻力和沉降，以及其相關(guān)關(guān)系。

1 數(shù)值分析

1.1 本構(gòu)關(guān)系的選取

本文采用的Mohr-Coulomb模型，本模型參數(shù)較少，使用比較方便，能夠較好地描述巖土類材料的材料性質(zhì)，同時也可以將材料等向應(yīng)變軟化和硬化特性考慮在內(nèi)。Mohr-Coulomb屈服準則表示為:

其中:σ1，σ2與σ3分別代表第一、第二與第三主應(yīng)力;φ與c分別代表內(nèi)摩擦角與粘聚力。在σ-τ坐標系下，屈服線見圖1。

圖1 Mohr-Coulomb屈服模型

圖2 偏應(yīng)力平面上屈服面的形狀

而摩擦角φ控制著材料在π平面上的屈服形狀，見圖2。當摩擦角的取值范圍不同時，Mohr-Coulomb模型也會表現(xiàn)出不同的性狀［4］。

1.2 樁基試驗概況與有限元模型的建立

試驗時，由電動高壓油泵給置于試樁面的油壓千斤頂逐級加、卸載，其情況見表1，千斤頂作用線通過試樁中心。并取5個不同的樁基截面進行內(nèi)力測試。

表1 試驗加載值與受荷歷時

模擬時，將土體視為彈塑性體，其屈服準則采用Mohr-Coulomb模型，樁體假設(shè)為線彈性體。在有限元分析中，樁體和土體均采用實體單元，由樁-土相對滑動的規(guī)律可知:用小滑移公式來模擬接觸關(guān)系是合理的，通過定義接觸對實現(xiàn)的，樁體面為剛性面定義為接觸面中的主控面，相對而言，土體定義為接觸面中的從屬面，從屬面節(jié)點不可以穿透主控面［7］。

從力學分析的角度來講，考慮到軸對稱性，采用軸對稱模型進行分析［5，6］。分析區(qū)域樁端向下擴展1.2倍樁長，水平方向取為25倍的樁徑。計算模型的物理力學指標見表2。

表2 計算模型物理力學參數(shù)

針對以上內(nèi)容建立軸對稱模型見圖3。

2 算例計算結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)對比分析

對運用有限元分析軟件建立的有限元模型進行計算，現(xiàn)取當荷載加至最大值11 000 kN時所對應(yīng)的樁-土體系應(yīng)力圖與x、y方向的位移圖見圖5。

由以上圖表可知，Mises應(yīng)力的最大值發(fā)生在樁頂?shù)闹行奈恢?。樁端在Y方向的位移小于樁頂位移，同樣在X方向的位移，也為樁端位移值小于樁頂位移值。通過對單樁的位移場的分析估算單樁的影響半徑，對于非均質(zhì)土層而言，單樁樁徑與其影響半徑有密切的關(guān)系，一般單樁的影響半徑隨著樁徑的增大而增大。

為了驗證數(shù)值模擬的有效性，將數(shù)值計算結(jié)果與單樁豎向抗壓靜載試驗數(shù)據(jù)進行對比，其結(jié)果如圖8、圖9所示:

由以上圖表可以得知:數(shù)值模擬的結(jié)果比試驗數(shù)據(jù)要大，比如:隨著豎向荷載的逐級增加，沉降也隨之增加，在樁頂荷載施加至11 000 kN時，試驗得到的樁頂沉降為14.78 mm，而數(shù)值模擬計算得到的沉降要比試驗大25.01%，沉降值為19.71 mm。樁側(cè)阻力占36%，端阻力占樁頂荷載的64%，屬于摩擦-端承樁，但以端承為主。

表3 樁身各斷面軸力對比表kN

數(shù)值分析的結(jié)果與試驗值有著一定的差別這主要是由建立樁基模型的方式不同所造成的。在數(shù)值模擬成樁時，模型是通過坐標定位及其相互間的約束將各部分組裝成型，并在相應(yīng)模塊中定義樁-土面接觸屬性從而建立二者之間的接觸，但在此過程中并沒有考慮樁側(cè)土體對樁身的擠壓作用。因此，數(shù)值模型中的豎向荷載主要有樁端阻力承擔。其次，樁定義為線彈性體，土體采用摩爾-庫倫模型，和樁土接觸的復(fù)雜的實際情況有所不同，也會造成數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果有一定的差異。由表7可知:樁身軸力符合樁的受力規(guī)律，沿樁的軸向自上向下逐級減小，與靜載試驗數(shù)據(jù)規(guī)律相符。

3 結(jié) 論

通過運用有限元分析軟件對鉆孔灌注樁單樁進行數(shù)值模擬分析，雖然模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但總的發(fā)展趨勢是相同的，從而得出這種模擬方法是可靠的。此方法為群樁基礎(chǔ)的模擬打下基礎(chǔ)，同時也為單樁設(shè)計提供一定的參考。

［1］何思明，郭強，盧國勝.單樁沉降計算理論研究［J］.巖土力學與工程學報，2004，23(4):688-694.

［2］張公略.鉆孔灌注樁單樁豎向承載特性數(shù)值模擬研究［D］.河海大學.2006.

［3］王先軍，周文宇，蔣鑫.ANSYS在模擬樁土接觸中的應(yīng)用［J］.森林工程，2006，22(3):49-51.

［4］黃晉.斜向受荷樁工作性狀試驗與數(shù)值模擬分析研究［D］.浙江:浙江工業(yè)大學.2009.

［5］蔣建平，高廣運，汪明武.大直徑超長樁有效樁長的數(shù)值模擬［J］.建筑科學，2003，19(3):27-29.

［6］建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB50007-2003)［S］.廣東:中國建筑工業(yè)出版社，2003:23-27.

［7］費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.