負摩擦阻力影響因素特性分析

■張濤

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司新疆烏魯木齊830002）

負摩擦阻力影響因素特性分析

■張濤

（新疆兵團勘測設計院（集團）有限責任公司新疆烏魯木齊830002）

本文通過Mohr-Coulomb有限元分析模型計算負摩擦阻力的參數特性，并對其影響結果予以說明

樁基 負摩擦阻力 有限元分析模型

本文以西北黃土地區實際工程為背景，借助數值分析軟件建立有限元分析模型，計算了樁頂加載及浸水工況下，樁身軸力及負摩阻力，并對影響樁身軸力及負摩阻力特性的參數進行了分析。

1　靜態參數敏感性分析

靜態參數敏感性分析的計算參數可以分為兩大類，一類是材料參數，另一類是界面參數。在材料參數中，主要有樁或土的彈性模量，泊松比密度，對于土層還有兩個重要的參數一粘聚力和內摩擦角。土體按照主要顆粒粒徑的大小分為粘性土、粉質粘土、粉土、砂土、碎石土等，粘性土隨著含水量的不同又存在軟塑、可塑、硬塑等狀態。土的種類及各種物理性能是千變萬化的，在有限元分析中不可能將這些性質一一進行考慮。在計算中，對土體力學性能的模擬主要是利用其彈性模量￡，泊松比，密度以及剪切試驗所反映出的粘聚力。和內摩擦角中等幾個參數，不再考慮硬度、可塑性、密實性等其它物理特性。下面對這些主要參數進行分析。

1.1黃土彈性模性模量對樁身軸力的影響

利用原有的單樁模型，樁頂受到外荷載6000KN時，分別采用黃土彈性模量E=7Mpa、E=6Mpa、E=5Mpa，的模型進行模擬計算，提取樁身軸力的變化數據并繪制相應曲線。首先，改變土體彈性模量得出的樁身軸力變化趨勢相同，而且相對比較穩定。其次，土的彈性模量越大其軸力其樁身軸力越小，究其原因是因為土的彈性模量越大其土就越硬，那么樁身受到的阻力也越大，所以軸力會變小。最后，黃土彈性模量的變化對樁頂和樁底的軸力影響很小，幾乎沒有變。

1.2黃土粘聚力對樁軸力的影響

（1）彈性模量反映了樁或土的剛度，土的剛度￡越大土越不易變形，且該土層在相同樁身位移的情況下側摩阻力發揮較大，增大土層的剛度可使在同樣受力情況下計算得出樁的位移較小。柱的剛度越大樁身變形越小，樁頂與樁底的位移越接近，頂部荷載越容易向下傳遞。

（2）泊松比是土的橫向與縱向的變形比，泊松比越大，在相同縱向位移的情況下土的橫向位移越大。通過有限元分析發現，改變柱端和樁側土的泊松比對結果影響很小，說明土的泊松效應影響甚微。

（3）土的密度主要影響初始土應力的計算，密度大的材料所受重力大，當側壓力系數相同時土對樁施加的側向壓力大。

（4）土的粘聚力和內摩擦角中是土體強度的主要影響指標，粘聚力和內摩擦角越大，土體越不易破壞，樁的側摩阻力計算值越大。粘聚力和內摩擦角足夠大可使樁土之間的破壞發生在界面處，側摩阻力由Mohr-Coulomb模型所確定的界面摩擦力控制。粘聚力和內摩擦角還會對初始土壓力造成影響。經有限元分析可知，粘聚力值不變，內摩擦角值越小，則自重引起的土體的側向壓力越大；內摩擦角值若不變，粘聚力值越小則土的側向壓力越大。

（5）ADINA中界面最主要的參數是Mohr-Coulomb模型中的摩擦系數。摩擦系數越大，相同側向力的作用下極限側摩阻力越大。

2　浸水狀態下的參數敏感性分析

2.1樁頂荷載的影響

當樁頂沒有荷載作用時，樁周土體沉降是樁土相互作用的主要原因。土體沉降在樁身產生負摩阻力，負摩阻力引起的下拽力使樁身產生壓縮變形和樁端沉降。而樁身壓縮變形和樁端沉降的出現又使樁土之間的相對位移關系發生改變并使樁的中性點上移。正負摩阻力的長消使得樁土間共同作用重新達到平衡。只有在抽和土的沉降都穩定時，樁的中性點以及摩阻力沿樁身的分布才能穩定下來。

在有限元分析中，樁頂荷載分別取5000、6000、7000KN，以浸水10天為條件，以此研究樁頂荷載變化對于樁負摩阻力特性的影響規律。得到的樁側阻力與樁頂荷載關系曲線。反應了不同樁頂荷載下的摩阻力沿著樁身的分布。由圖可以看出，首先，在樁頂受到荷載時的樁體摩阻力最大。再次，隨著樁頂荷載的增加，中性點的位置明顯地上移。由此可見，對于摩擦樁而言，樁頂荷載大小對于負摩阻力特性有很大的影響。隨著樁頂荷載的增加，中性點上移，樁身中性點以下提供正摩阻力的部分加長，正摩阻力總量增'加。分析表明，不考慮樁頂荷載確定的中性點是位置最低的。樁頂荷載的存在可以使得中性點上移，而且隨著樁頂荷載的增大中性點會明顯地上移。

2.2樁剛度的影響

樁身的位移主要是由樁端沉降和樁身壓縮變形構成的。對于承受負摩阻力的樁基而言，樁身材料的壓縮模量也會影響樁身的壓縮變形，進而影響樁土之間的相對位移，影響負摩阻力沿著樁身的分布。樁身材料壓縮模量的變化對于樁基的負摩阻力特性是有明顯影響的。為了簡化分析，在僅僅考慮柱身材料彈性模量的變化對于樁的負摩阻力特性產生的影響。

在有限元分析中，樁材料的彈性模量分別取6萬、60萬、600萬Kpa并以在樁頂施加6000KN荷載為條件，以此研究樁材料彈性模量變化對于樁負摩阻力特性的影響規律。

3　總結

通過對影響樁身軸力及負摩阻力特性的參數分析可以得到以下結論：

3.1靜態參數分析結論

（1）樁的剛度越大樁身變形越小，樁頂與樁底的位移越接近，頂部荷載越容易向下傳遞。

（2）土的粘聚力和內摩擦角中是土體強度的主要影響指標，粘聚力和內摩擦角越大，土體越不易破壞，樁的側摩阻力計算值越大。粘聚力和內摩擦角足夠大可使樁土之間的破壞發生在界面處，側摩姐力由模型所確定的界面摩擦力控制。粘聚力和內摩擦角還會對初始土壓力造成影響。

3.2浸水狀態參數分析結論

（1）低彈性模量樁的中性點位置距樁頂較淺，負摩阻力值較小，樁身下部分正摩阻力值也較小。高彈性模量樁的中性點位置距樁頂較深，負摩阻力值較大，樁身下部分正摩阻力值也較大。

（2）對于摩擦樁而言，樁頂荷載大小對于負摩阻力特性有很大的影響。隨著樁頂荷載的增加，中性點上移，樁身中性點以下提供正摩阻力的部分加長，正摩阻力總量增加。分析表明，樁頂荷載的存在可以使得中性點上移，而且隨著樁頂荷載的增大中性點會明顯地上移。

（3）浸水壓力越大中性點位置距樁頂越淺，負摩阻力值較小，樁身下部分正摩阻力值也較小。浸水壓力越小則中性點位置距樁頂越深，負摩阻力值越大，樁身下部分正摩阻力值也越大。

P631[文獻碼]B

1000-405X（2016）-7-456-1