螺旋樁應力有限元分析

馮惠明 （山西煤炭運銷集團鴻泰煤業有限公司，山西 陽泉 045000）

0 引 言

長螺旋鉆孔鋼筋籠技術與我們接觸到的普通鉆孔樁不同，它采用專用長螺旋鉆孔機首先鉆至預定深度，通過鉆頭活門向孔內連續泵注超流態混凝土，直接注入到樁頂。然后插入鋼筋籠而形成的樁體，是一種新型的樁基礎施工手段。螺旋鉆孔的超流態混凝土灌注樁應用廣泛，不受地下水位限制，所用混凝土流動性強，骨料分散性好。

1 基本參數及有限元模型的建立

長螺旋鉆孔形成的新型的樁基礎參數如表1所示[1-2]。

長螺旋鉆孔形成的新型的樁基礎參數 表1

1.1 基本假定

為了在有限元分析中使問題既得以簡化又能反映問題的主要特征，本文只考慮豎向受荷情況下的基本假定[3]：

①模型采用空間軸對稱進行分析；

②土層為均質、各向同性；

③樁與土體的變形相協調，即交界面無滑移，為考慮樁土接觸面單元特性，樁土界面設置接觸面單元；

④由于土體自重產生的變形在成樁前已基本完成，故計算中不計入土體自重引起的應變[4]。

1.2 樁體與土體相互作用

因為電腦配置所限，所以我們需要對模型進行簡化，簡化以后將鋼筋簡化為截面為正多邊形的結構，同時因為機器內存所限，我們截取5m長的樁的部分進行研究。

主要參數有彈性模量E、泊松比μ、粘聚力c 和摩擦角φ。樁身材料由混凝土澆筑制成，其受荷變形遠小于土體，在荷載作用下基本處于彈性工作狀態，故其材料定義為彈性材料。其各參數數據選擇如表2所示。

材料性能參數 表2

1.3 網格劃分

我們劃分網格的類型為部件中Tetra4，整體的單元總數量17402；在整個部件中的單元總數量17402；部件中節點總數量8533。其劃好的網格如圖1所示[5]。

圖1 有限元網格劃分

2 加載和求解結果

圖2 約束及載荷加載圖

各方向位移匯總 表3

圖3 Y方向位移圖

2.1 載荷

在樁體表面施加面載，考慮土體的自重。荷載直接施加于實體模型上，在NASTRAN程序中，求解時程序自動將所加荷載轉換到節點和單元上。加載過程中模擬樁靜載試驗逐級加載，一般每級加載量為最大試驗荷載的1/10到1/15，根據試算結果，取最大試算荷載(5MN)的1/10，每級加載量為0.5MN。最終加載后如圖2所示。

2.2 計算結果分析

單樁的P-S曲線特征是樁體受力特征宏觀外在的表現。研究樁體在不同荷載作用下的P-S曲線特征是揭示樁體受力機理的主要途徑。其位移匯總如表3所示[6]。

通過表3可以看出，分布曲線大致可以分為3個階段：第1階段基本持平還會略有增加；第2階段出現下降的趨勢，下降較緩慢；第3個階段急劇下降階段。Y方向的有限元分析結果如圖3所示。最大軸力為121MPa，隨著樁深度的增加，樁底部軸力為3.997MPa。

3 結 論

①在豎向荷載作用下，從垂向方向的位移圖可以得出，造成這樣的結果的原因是側壁出現摩阻力的作用，在逐級荷載作用下，土質及鋼結構的沉降效果不一樣。從而導致最大應力是在樁身中部偏下的位置，并且在下部分位置是呈逐級跳躍的上升的。

②為進一步驗證，我們需要參考實際的沉降現象以及進行試驗。

[1]董天文,梁力,王明恕,等.極限荷載條件下螺旋樁的螺距設計與承載力計算[J].巖土工程學報,2006（11）.

[2]董天文,梁力,張成金.旋入式螺旋樁[J].世界橋梁,2004（4）.

[3]孫鳴.鋼筋混凝土螺旋樁可行性分析[J].天津城市建學院學報,2001（9）.

[4]賈志杰,梁力,董天文.預制混凝土螺旋樁樁頭力學特性數值分析[J].山西建筑,2006（2）.

[5]董天文,李士偉,張亞軍,等.軟土地基螺旋樁豎向抗拔極限承載力計算方法[J].巖石力學與工程學報,2009（5）.

[6]呂有界,王玉興.基于ANSYS的螺旋樁葉片仿生曲面接觸有限元仿真[J].機電工程技術,2007（7）.