港口軟土區(qū)超長樁承載特性有限元分析①

李強++蔣建平等

摘 要：該文基于港口區(qū)工程地質(zhì)條件以及結(jié)合實際工程中高樁碼頭中超長樁的尺寸、樁身材料屬性，在不考慮軟土地區(qū)群樁效應(yīng)及水平荷載作用下，利用ABAQUS有限元軟件簡化建立了高樁碼頭豎向單樁二維樁—土結(jié)構(gòu)體系受力模型。得出豎向荷載作用下樁土位移及應(yīng)力圖，了解樁側(cè)土、樁端土層應(yīng)力分布。分析曲線與樁身側(cè)摩阻力分布曲線，了解在位于港口軟土地區(qū)中高樁碼頭超長樁在較高荷載下的樁土變形性狀。同時結(jié)合工程實例，提出建議在超長樁入土一定深度加強構(gòu)造措施。

關(guān)鍵詞：超長樁 豎向荷載 ABAQUS 樁土變形

中圖分類號：TU47 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）06（b）-0005-03

伴隨著“一帶一路”政策提出，港口基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)更加有著蓬勃的發(fā)展。高樁碼頭中采取的大直徑超長樁可以提供非常大的承載力、沉降小而成為上海港口區(qū)主要碼頭形式。因此大直徑高樁在軟土地區(qū)運用非常廣泛并成為一種趨勢，樁基受到豎向的上部荷載以及樁土間作用，隨著樁長的不斷增加，樁土相對剛度減小，其受力機理十分復(fù)雜。對與軟土區(qū)超長樁基于現(xiàn)場載荷試驗所得到的數(shù)據(jù)分析較多，該文通過ABAQUS軟件建立樁—土結(jié)構(gòu)體系模型得到樁土之間的應(yīng)力與位移，簡化復(fù)雜環(huán)境作用下豎向單樁樁體應(yīng)力應(yīng)變情況，結(jié)合實際工程中的數(shù)據(jù)分析，更加全面的了解超長樁的受力情況。

1 研究方案與步驟

根據(jù)相關(guān)設(shè)計資料與規(guī)范，對高樁碼頭超長樁進行模型簡化。通過查閱港口地區(qū)大致土層分布以及簡化樁基礎(chǔ)受力。考慮到由群樁向大直徑超長單樁發(fā)展是目前的趨勢[1]，所以該論文對大直徑超長樁的理論分析主要以分析單個大直徑超長樁為主。對于單個的大直徑超長樁的軸向受荷有限元分析，可簡化為平面軸對稱問題進行分析。從整體上來看考慮實際情況和讓ABAQUS更好的收斂從以下分析：第一，碼頭在土體自重應(yīng)力下的地應(yīng)力平衡[2]；第二，模擬高樁碼頭在工作期間的荷載作用下的樁-土位移狀態(tài)分析。

2 建立高樁碼頭受力模型

ABAQUS是國際上公認(rèn)的最優(yōu)秀的非線性分析軟件，其能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問題和模擬高度非線性問題，可以有效的模擬港口深層軟土地基條件下超長樁在復(fù)雜荷載作用中的受力情況。樁周土體可劃分為一般的平面實體單元。土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，樁土間用Surface-to-Surface接觸模型，摩擦特性選擇函數(shù)Penalty，樁端與土體采用Tie約束這種模型在巖土工程中應(yīng)用較多。

通過查閱相關(guān)的文獻與勘探資料，進行相應(yīng)簡化得出以下數(shù)據(jù)圖表（見表1，表2）。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 豎向荷載變化下的樁土響應(yīng)

分析深基礎(chǔ)作用下，超長樁在軟土地基下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。總結(jié)分析地層結(jié)構(gòu)影響工程穩(wěn)定性、影響工程結(jié)構(gòu)受力變形的機理計算中假定土體為均質(zhì)各向同性的彈塑性體，服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。土體側(cè)面和底部的約束分別為X方向和Y方向的約束（圖1，圖2）。

在軟土地區(qū)中，豎向受荷單樁多為摩擦型樁，樁的承載力由樁與土的摩阻力來提供，而樁土間的摩阻力通過土體變形來體現(xiàn)，隨變形增大而發(fā)揮，由圖1模型可以得出樁—土體位移變形從上到下變形逐漸變小，超長樁側(cè)摩阻力主要由樁頂豎向荷載所激發(fā)。軟土地區(qū)中超長樁側(cè)模阻力的發(fā)揮中下部應(yīng)力分布較大，上部應(yīng)力承擔(dān)較小。樁長越長，樁身直徑越大，所接觸的土體面積越大，在單位樁長帶動周圍的土體越多，對土的作用影響越大，樁土之間的作用更加明顯（如圖3所示）。

圖4中可以得出在橫向不作用力，只在豎向荷載作用下，超長樁樁身、土體水平抗力主要集中在樁身和土體淺部位置。沉樁會引起樁周土體隆起。理想彈塑性模型的土的最大隆起量大約是線彈性模型的1.5倍左右。最大隆起量與樁徑的比值為7%～10%左右，發(fā)生在1～2倍樁徑處[2]。理想狀態(tài)下當(dāng)樁身尺寸和土體參數(shù)一定時，樁周土體抗力的峰值和駐點位置不隨外荷載的變化而改變[3]。樁的側(cè)模阻力主要分布在樁身的中下部，分布近似R形分布，隨著深度增加側(cè)模阻力也呈非線性增加。在工程設(shè)計時，對豎向耦合作用的超長樁淺部樁周土體以及樁身的特定位置進行補強，以使樁身軸力和土體應(yīng)力能往較深處傳遞，防止樁身局部破壞和土體屈服破壞。隨樁頂荷載增加，樁身某一位置處樁土相對位移的遞增幅度呈先增大后減小的趨勢[4]。

樁側(cè)阻力與端阻力的發(fā)揮過程就是樁土體系荷載的傳遞過程。樁頂受到豎向壓力時，樁身壓縮并向下壓縮并向下位移，樁側(cè)表面與土間發(fā)生相對運動，樁側(cè)表面開始受土的向上摩擦阻力，荷載通過側(cè)阻力向樁周土中傳遞，就使樁軸力與樁身的軸力與樁身壓縮變形量隨深度遞減。隨著樁頂荷載水平的增加，樁身上部土層側(cè)摩阻力增幅比下部土層側(cè)摩阻力增幅逐漸減小。在工作荷載下，對于一般摩擦型樁，側(cè)阻力發(fā)揮作用的比例明顯高于端阻力發(fā)揮作用比例。對超長樁來說，即使在最大加載條件下，樁身下部土層的側(cè)摩阻力也并未完全發(fā)揮。

3.2 基于樁身荷載模型理論分析

樁身荷載傳遞函數(shù)的雙曲線模型是由Seed和Reese提出的，側(cè)阻和端阻雙曲線模型因參數(shù)較少，參數(shù)取值明確而在荷載傳遞法中得到了廣泛應(yīng)用雙曲線模型假設(shè)樁側(cè)摩阻力與樁身沉降呈雙曲線關(guān)系，并且樁端阻力與樁端沉降也呈雙曲線關(guān)系。樁側(cè)阻力完全發(fā)揮前，雙曲線模型和側(cè)阻軟化模型都可以較好的模擬樁的受力性狀，但雙曲線模型不能反映側(cè)阻軟化特性，無法反映極限側(cè)阻的峰后效應(yīng)[5]。

在樁側(cè)有： （1）

在樁端有： （2）

式中：——樁身側(cè)模阻力和樁端阻力

S，Sb——樁身沉降和樁端沉降；

af，bf，ab，bb分別表示樁側(cè)土和樁端圖的荷載傳遞參數(shù)。雙曲線荷載傳遞模型如圖所示，圖中1/a，1/b分別是傳遞荷載的倒數(shù)。

樁側(cè)模阻力與樁身位移關(guān)系曲線，如圖5所示。

樁身荷載——沉降關(guān)系迭代模型

在樁身取一微段，根據(jù)靜力平衡可得到：

（3）

式中：P（Z）—樁身軸力；—樁截面周長；

—樁側(cè)模阻力。

該單元體產(chǎn)生的彈性壓縮量為：

（4）

S-樁身位移量；E-樁身彈性模量；A-樁身橫截面面積。

對公式做微分變換可得到

（5）

（6）

將荷載傳遞函數(shù)的雙曲線模型式（1）帶入（6）式，并另可得到

寫成增量形式

即為求解樁身荷載-沉降關(guān)系的迭代模型。

當(dāng)豎向荷載較小時，樁身上部深度范圍內(nèi)混凝土受力壓縮，導(dǎo)致該范圍內(nèi)的樁土發(fā)生相對位移。隨著荷載增加，樁身壓縮量不斷增大，使該樁土相對位移逐漸增加。隨之樁身側(cè)模阻力發(fā)揮隨著深度變化增大。當(dāng)其超過樁土極限一定位移值后，樁身上部土的側(cè)摩阻力達到極限值，此時樁身下部土的側(cè)摩阻力才得到發(fā)揮。

大直徑超長樁端阻力達到極限狀態(tài)時的樁端沉降值至少在0.444d-123.433d之間，顯示超長樁端阻力達到極限狀態(tài)時的樁端沉降基本上無定值，但大部分（約60%）在1.00 mm-40.00 mm之間[6]。

豎向荷載作用下，樁與地層通過接觸面的相互作用或共同作用來傳遞荷載。對于長江三角港口區(qū)超長樁，通常是軟土地層中的超長摩擦樁，對這種樁，不能忽視樁身側(cè)阻力，可通過樁側(cè)注漿改變樁側(cè)地層結(jié)構(gòu)，從而提高樁側(cè)阻力。在軟土港口區(qū)，樁端阻力很難發(fā)揮基本可以忽略。樁土相對位移較小時，全樁長范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力均隨樁土相對位移的增加而增加直至峰值。當(dāng)樁側(cè)摩阻力到達極限狀態(tài)后，而樁土相對位移一直隨樁頂荷載的增加而增大。使用荷載下，樁身壓縮占樁頂沉降的90%以上，最大試驗荷載時樁頂沉降的70%來自樁身壓縮。

在對超長樁進行設(shè)計時，增加樁長和樁徑是提高單樁承載力的有效的方法，樁身彈性模量對單樁承載特性的影響很小。但樁長對單樁承載力的影響具有一定的限度，即當(dāng)樁長超過一定值時，增加樁長對提高單樁承載力的作用效果就不那么明顯了。同樣樁長條件下，樁基極限承載力與樁徑之間近似于線性關(guān)系增加，因此，通過增大樁基的直徑來提高樁基極限承載力是一種比較有效的方法。不能忽視樁身壓縮對樁頂沉降的影響。超長樁側(cè)上部土層摩阻力具有不同程度的軟化現(xiàn)象，而中下部土層側(cè)摩阻力未完全發(fā)揮[7]。均質(zhì)土體中大直徑超長群樁及單樁達到其有效樁長時，其樁側(cè)摩阻力均占其總承載力的90%以上，承載性狀表現(xiàn)為摩擦樁，這也與理論上達到有效樁長時樁的承載性狀一致[8]。在實際工程中，提高單樁承載力，根據(jù)樁周土體性質(zhì)、工程實際情況、施工難度等因素綜合考慮的基礎(chǔ)上，對樁長和樁徑進行優(yōu)化設(shè)計。

4 結(jié)語

該文通過對港口軟土區(qū)高樁碼頭超長樁基礎(chǔ)在豎向荷載及，簡化建立樁土相互作用數(shù)值模型，考慮樁土脫開效應(yīng)，研究在軟土地基下超長樁（摩擦樁）變形特征。

（1）根據(jù)模擬得出單樁豎向荷載作用下部樁土應(yīng)力圖得出樁中部受力較為集中，顯示樁端土層應(yīng)力向下部周圍土層擴散。

（2）根據(jù)數(shù)據(jù)曲線圖得到樁側(cè)模阻力位于入土深度5-10 m左右迅速折減，隨著入土深度增加而變大。

（3）只在豎向荷載作用下，超長樁樁身、土體水平抗力主要集中在樁身和土體淺部位置，因此建議樁入土深度在0-30 m左右處，可以加強構(gòu)造措施提高承載能力。

（4）在軟土地基中，在樁基礎(chǔ)深度一定的情況下可以通過增大樁的途徑直徑增加樁土相對剛度，可有效提高豎向樁基承載力。

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