基于ADINA樁承臺基礎數值模擬分析

劉玉琳 王冬菊 冷建琛

(青島建國工程檢測有限公司，山東 青島 266000)

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基于ADINA樁承臺基礎數值模擬分析

劉玉琳 王冬菊 冷建琛

(青島建國工程檢測有限公司，山東 青島 266000)

基于ADINA，對某樁基承臺進行了二維和三維有限元分析，并將二維和三維計算結果與規范計算結果進行了對比，結果表明：三維數值模型計算得出的結果比二維數值模型計算得出的結果更接近規范方法，說明三維數值模型計算所得結果更加準確。

ADINA,樁承臺,有限元模型，地基

一般意義上的承臺指的是柱與樁之間的連接構件，上部結構的荷載通過承臺分配到各個樁頂，然后分別由各個樁身傳遞到樁側土和樁端層。承臺作為樁基的重要組成部分，起著承上啟下的作用。無論采用哪一種形式樁基都要設計承臺，樁基承臺把上部結構與其范圍內的各樁連成一個整體共同工作。在滿足一定強度和變形要求的前提下，成為一個可靠的轉換層[1-3]。

目前對承臺進行分析時將樁承臺簡化成梁進行分析計算，但由于承臺各個尺寸相差不多，這樣簡化會帶來比較大的誤差,甚至錯誤的結果[4,5]。本文利用大型通用有限元數值平臺ADINA，考慮樁土相互作用，對樁基承臺進行更精確的受力和變形分析，建立精確的二維和三維有限元模型。通過對該模型進行數值求解，并將計算結果與規范計算結果對比，得到一些對具有重要工程應用價值的結論。

1 基本資料與數值模型建立

1.1 基本資料

1)場地資料。建筑物場地位于非地震區，不考慮地震影響。場地地下水位離地表2.1 m，地基的土層分布情況及各土層物理、力學指標如表1所示。

表1 地基各土層物理、力學指標

由于第①層厚1.8 m，地下水位為離地表2.1 m，為了使地下水對承臺沒有影響，所以選擇承臺底進入第②層土0.3 m，即承臺埋深為2.1 m，樁基有效樁長即為23.1-2.1=21 m。樁截面尺寸350 mm×350 mm，為方形樁。樁基及土層分布如圖1所示。

承臺類型為四樁承臺，底面尺寸為1 900 mm×1 900 mm。樁距為1 200 mm，承臺邊緣至樁中心的距離為350 mm，承臺高度為1 000 mm，柱子尺寸為500 mm×500 mm，樁位平面布置如圖2所示。

3)荷載信息。荷載效應標準組合下，作用于承臺頂面的豎向力Fk=2 100 kN；作用于承臺底面，繞過樁群形心的y主軸的力矩Myk=78 kN·m；剪力Qk=47 kN。

1.2 數值模型建立

應用大型通用數值分析工具ADINA，對樁承臺基礎進行有限元建模。土體采用摩爾庫侖本構模型，樁土間相互作用通過設置無厚度接觸單元來實現(在兩個接觸體間施加接觸單元，通過接觸單元來跟蹤接觸位置，保證接觸協調性，并在接觸表面之間傳遞法向應力和切向摩擦力)。樁承臺基礎的二維有限元模型如圖3所示。

荷載效應標準組合下，作用于承臺頂面的豎向力Fk=2 100 kN。將豎向集中力轉化為線性分布壓力施加到柱頂端，柱的邊長為0.5 m，因此分布壓力大小為4 200 kN/m。荷載施加如圖4所示。

由于樁承臺基礎為對稱結構，且其所受荷載同樣對稱，因此建立結構的1/4三維有限元模型，如圖5所示。

2 樁基承臺受力及變形驗算

2.1 二維計算模型

為此，2018年8月河北省在北京建立了京津冀“河北福嫂”家政服務員輸出基地。該基地是河北省在北京設立的家政人員輸送平臺，也是河北籍家政服務人員向北京輸送的中轉站，基地為家政人員周轉期內提供免費食宿和對接服務。目前該基地已嘗試性開展相關工作，為70多名家政服務人員提供免費服務，并成功對接。

首先通過ADINA數值分析平臺提供的Initial Geological Stress功能來施加初始地應力。初始地應力通過A，B，C，D，E，F六個參數控制：B為土重度；C為側壓力系數，通常取為0.3～0.4；A,D,F指的是土體先期固結壓力，一般情況下假定水平土體正常固結，取A，D，F等于0；在土體為各向同性時，C與E可以取相同值。初始地應力參數見表2。

表2 初始地應力參數

土層ABCDEF①0175000．300．30②1620184000．300．30③-4440178000．300．30④24290191000．300．30

樁基承臺基礎及地基的豎向位移如圖6所示。樁承臺基礎頂部及地基局部沉降如圖7所示。

由圖6可知，豎向位移最大值為0.032 96 m(32.96 mm)。根據二維數值模型計算結果積分得出各層土的樁側摩阻力分別為：283 kN，343 kN，166 kN，樁側摩阻力大小為792 kN，樁端阻力大小為194 kN，樁側阻力與樁端阻力的比值為4.1∶1。

2.2 三維計算模型

三維有限元模型計算得出樁基承臺基礎的豎向位移見圖8。

由圖8可知，三維數值模型得出的豎向位移最大值為0.033 09 m(33.09 mm)。根據三維數值模型計算結果積分得出各層土的樁側摩阻力分別為：278 kN，365 kN，183 kN，樁側摩阻力大小為826 kN，樁端阻力大小為187 kN，樁側阻力與樁端阻力的比值為4.4∶1。

2.3 計算結果對比分析

基于JGJ 94—2008建筑樁基技術規范，根據經驗參數法按式(1)確定單樁豎向極限承載力標準值。

Quk=Qsk+Qpk=μ∑qsik+qpkAp

(1)

其中，μ為樁身周長；qsik為樁側第i層土的極限側阻力標準值；qpk為極限端阻力標準值；Ap為樁端面積。

除去雜填土外第②，③，④層土都是粘土，根據土的性質，查得第②，③，④層土的極限側阻力標準值分別為42 kPa，36 kPa和60 kPa，第④層土的極限端阻力為2 200 kPa。

將各層土參數代入式(1)中，計算得出樁側極限側阻力為1 159.2 kN，極限樁端阻力為269.5 kN，樁側極限側阻力與極限樁端阻力的比值為4.3∶1。

數值分析計算結果與規范法計算結果對比見表3。

表3 數值模擬與規范方法計算結果對比

3 結語

本文以算例的形式，介紹了有限元分析軟件ADINA在樁承臺基礎設計中的應用。計算結果表明，數值分析計算得到的沉降值與規范方法基本一致。數值分析得出的樁側摩阻力、樁端阻力均小于基于規范方法計算得出的樁側極限側阻力、極限樁端阻力，說明樁并未達到承載能力極限狀態。數值分析得出的樁側阻力與樁端阻力比值和基于規范法計算得出的樁側極限側阻力與極限樁端阻力的比值非常接近，說明了數值計算得出的樁側阻力、樁端阻力的合理性。三維數值模型計算得出的結果比二維數值模型計算得出的結果更接近規范方法，說明三維數值模型計算所得結果更加準確。

[1] 楊 穎,徐伽南.關于兩樁承臺設計方法的探索[J].山西建筑,2016,42(10):85-87.

[2] 常景峰.二樁承臺的有限元分析[J].山西建筑,2007,33(6):143-145.

[3] 唐海燕,張海濤.柱下兩樁承臺的設計方法[J].建筑結構,2013(22):77-79.

[4] 高丹盈,雷 杰,海 慧.鋼纖維高強混凝土三樁承臺受力性能及承載力計算方法[J].水利學報,2015,46(2):153-163.

[5] 龔維明,傅支黔,吳 堅,等.單樁及二樁承臺水平承載性能試驗研究[J].橋梁建設,2013,43(5):23-28.

Numerical simulation analysis of pile cap foundation based on ADINA

Liu Yulin Wang Dongju Leng Jianchen

(QingdaoJianguoEngineeringDetectionCo.,Ltd,Qingdao266000,China)

ADINA 2D and 3D finite element analysis of a pile cap and based on 2D and 3D calculation results and the calculation results were compared, the results show that the three-dimensional numerical model calculation results than the two-dimensional numerical model calculation results are closer to the standard method, 3D numerical model and the results are more accurate.

ADINA, pile cap, finite element model, foundation

1009-6825(2017)18-0064-02

2017-04-05

劉玉琳(1987- )，女，助理工程師

TU473.1

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