堆載時瀝青涂層鋼管樁周土體變形特性研究

□周 哲 謝俊南 李 河

（河南大學土木建筑學院 河南 開封 475004）

堆載時瀝青涂層鋼管樁周土體變形特性研究

□周 哲 謝俊南 李 河

（河南大學土木建筑學院 河南 開封 475004）

使用有限元軟件Abaqus進行數值模擬，分析瀝青涂層不同分布范圍對不同堆載下鋼管單樁和樁周土體之間的位移影響。研究結果表明：在中性點以上的樁身加瀝青涂層后中性點的位置會下降31.4%，并且可以有效的減小樁體的位移，提高鋼管樁的承載能力。堆載作用下樁和樁周土體沉降變化較大，隨著堆載等級的增加樁端沉降量為34.3mm～507.8mm，土體表面沉降量為87.7mm～882.9mm，堆載過大會嚴重降低樁基的承載能力。

堆載；瀝青涂層；鋼管樁；土體變形

根據負摩阻力的產生機理，當土體產生相對樁體向下的位移時會對樁產生負摩阻力，負摩阻力較大時會驗證影響樁基的承載能力[1]。在堆載作用下，樁周土體會產生沉降，從而影響到樁體所受的摩阻力的大小，所以研究清楚在堆載作用下樁土間的相對位移的變化對改善和優化樁基的承載能力有很大的幫助。而且隨著研究發現，瀝青土層可以改善鋼管樁與樁周土體的接觸，可以以此來改善樁體所受摩阻力[2],提高樁基的承載能力。所以本文使用有限元軟件模擬分析在不同的堆載下加瀝青涂層的鋼管樁與樁周土體的變形特性，來研究涂層范圍對樁體的位移影響。

1 參數選取及模型建立

研究所用有限元軟件為Abaqus，為了模擬真實狀態下的樁土關系，所以采用三維模型。為了模擬的真實性，在Abaqus許多的本構模型中選用摩爾-庫侖模型[3-5]和彈性模型分別模擬土體和鋼管樁。鋼管樁的長度l取24m，直徑d取0.6m，土體的三維模型設置為一個直徑為50倍鋼管樁直徑，高為2倍樁長的圓柱體，土體分為樁周土和持力層土兩種，詳細參數見表1。因為研究的是堆載時瀝青涂層鋼管樁周土體變形特性研究，所以將樁-瀝青涂層-樁周土體三者之間全部設置接觸單元，參考Burland[6]所做的研究，瀝青涂層的摩擦系數取0.04。鋼管樁的其他參數為彈性模量E為 198GPa，泊松比為 0.35，重度為 80.7kN·m-3。

表1 土體參數

模擬分析主要分為三步，第一步：初始地應力平衡，并消除土體位移；第二步：將鋼管樁體植入土體，樁與樁周土之間設置接觸單元，鋼管樁與土間摩擦系數μ取0.35，鋼管樁-涂層-土間摩擦系數μ取0.04，在鋼管樁樁頂中心位置設參考點，建立參考點與樁頂面的耦合，然后給樁頂施加50kN豎向集中荷載；第三步：給樁周土體上表面施加不同等級的堆載[7]，依次為 50kPa、200kPa、350kPa、500kPa， 分析瀝青涂層對不同堆載下樁土位移的影響。

通過試算，發現在不加瀝青涂層的情況下，鋼管樁在不同等級堆載下中性點的位置變化不大，都在15m左右。故此次對比分析了全樁加涂層和僅樁頂到15m之間有涂層兩種情況下鋼管樁周土體的位移特性。

2 結果分析

圖1為50kPa堆載下在樁頂至15m處加涂層的鋼管樁及樁周土體的位移云圖，圖2是施加不同等級堆載時樁身及樁周土體沉降圖。這兩張圖表可以很好地反映堆載下樁與樁周土體的位移變化，根據摩阻力的產生原理，可以發現鋼管樁樁身側摩阻力的變化過程，同時也能體現出樁基沉降量的大小進而反映樁基的整體承載性能。

圖1 堆載為50KPa時樁頂至15m處加涂層的樁和樁周土體的豎向位移

圖2 施加不同等級堆載時樁身及樁周土體沉降

因為鋼管樁彈性模量很大，所以我們可以在圖1中看到樁的上部與下部的位移值為34mm和32mm變化不大，而土體的位移變化值得范圍是87mm～20mm有較大的變化。通過圖1中（b）和（c）的對比我們發現樁與土體的位移值相等的位移在樁身的3/4處，與計算得到的中性點位置在19.2m處的結果一致。在圖2中，可以看到在整個樁身加涂層的鋼管樁中性點位置為15m，而在樁頂至15m處加涂層的鋼管樁中性點位置為19.2m左右，中性點位置下降了31.4%，涂層的范圍對鋼管樁在不同堆載等級下的位移有明顯減小，但是對樁周土體的影響卻不大。

總結發現，將瀝青涂層加到中性點以上的位置時可以降低樁身的沉降位移，提高樁的承載能力。樁和樁周土體受堆載等級的影響很大，隨著堆載越來越來，樁身和樁周土體沉降量也在變得越來越大，樁端沉降 34.3mm～507.8mm，土體表面沉降 87.7mm～882.9mm。在堆載作用下，樁土的接觸面處土體上部位移大于樁體上部位移，而土體下部位移卻小于樁體下部位移，根據摩阻力的定義可以知道，樁體上部表現為負摩阻力，下部表現為正摩阻力。同時，隨著堆載的增大樁身及樁周土體沉降依次增大，樁與樁周土之間的差值會越來越大，意味著樁所受到的負摩阻力也會越來越大，更容易導致樁基過度不均勻沉降，降低樁基整體承載能力。

結束語

通過數值模擬的結果我們可以看到當將瀝青涂層加到中性點以上時，樁身的沉降位移有顯著的減小，這就表示這樣可以有效的提高樁基的承載能力。

樁土沉降量受不同堆載等級作用明顯。不同堆載下，樁身和樁周土體沉降量隨著堆載增加依次增大，樁端沉降量為34.3mm～507.8mm，土體表面沉降量為87.7mm～882.9mm。

在整個樁身加瀝青涂層鋼管樁樁與樁周土表面的相對位移隨著堆載等級的增加小于在樁頂至s=15m之間加涂層條件下的樁與樁周土表面的相對位移，這就會使樁身受到的負摩阻力增大，降低樁基的承載能力。

[1]MAKARAND G.K.,SHAILESH R.G.Skin friction of pilescoated with bituminouscoats [J].GSP 158 Contemporary Issues in Deep Foundations,ASCE,2007.

[2]孫軍杰.樁基負摩阻力研究中幾個基本理論問題的探討.巖土力學與工程學報[J]，2006.

[3]朱向榮，王金昌.ABAQUS軟件中部分土模型簡介及其工程應用[J].巖土力學，2004.

[4]費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用[M].中國水利水電出版社，2010.

[5]王玉鐲,傅傳國.ABAQUS結構工程分析及實例詳解[J].中國建筑出版社.2010.

[6]BURLAND,J.B.(1973).“Shaft friction of piles in claya simple fundamental approach.”Ground Engineering,vol.7,30-42.

[7]韓東亞，曹平，林杭，范文臣.堆載和樁頂荷載組合作用下的樁土響應分析[J].中南大學學報（自然科學版），2017.

1004-7026（2016）18-0104-02

TU476

A

DOI：10.16675/j.cnki.cn14-1065/f.2016.18.078