變樁徑復合地基承載力發(fā)揮機制的數值分析

張四化 ，張馨月 ，劉云龍 ，吳軼彬

（1.鄭州大學綜合設計研究院，河南鄭州 450001；2.鄭州大學土木工程學院，河南鄭州 450001；3.中國二冶集團有限公司，內蒙古包頭 014020）

0 引言

由于上部結構施加荷載不同和施工區(qū)域地質條件的差異，通常對復合地基的剛度進行調整。鄭俊杰[1-2]、鄭剛[3-4]、郭院成[5-7]等研究學者們通過改變復合地基剛度分布方式來進行研究。

張建輝[8]、林智勇[9]、朱葉[10]等學者已進行了相關的研究，但針對變樁徑平面變剛度復合地基承載力發(fā)揮機制研究并未進行詳細研究。本文運用ABAQUS 對其承載力發(fā)揮機制問題進行研究。

1 數值模擬分析

目前對于長短樁復合地基課題的研究，數值模擬是其中一種研究手段，針對數值模擬研究方法，復合地基土體采用Mohr-Coulomb 模型居多。針對接觸面設置來說，一般通過罰函數參數設置達到樁土接觸面為彈塑性模型的效果，對于樁土接觸面為軟化模型等其他模型時，則需要運用ABAQUS 軟件編輯相關程序實現(xiàn)。

1.1 三維有限元模型

1.1.1 基本假定

為了簡化計算和分析，則在建立有限元模型時作出以下假設：采用剛性承臺板，認為承臺板頂部荷載均勻分布；地基土體為均質、各向同性彈塑性連續(xù)體；且在荷載作用下，樁與樁周土之間考慮產生相對滑動。

1.1.2 幾何建模

選取16 樁為一個計算單元并采用相同的應力邊界條件進行1:1 建模，三維建模如圖1 所示，并對其他4 組進行建模計算，分組建模表如表1 所示。

圖1 有限元模型

1.1.3 材料參數

樁間土體參數依據鄭州地區(qū)粉土、粉砂土性特征選取，選用Mohr-Coulomb 本構模型[11]，模型材料參數參考文獻郭院成、張四化[6]，如表 2 所示。

1.1.4 摩擦模型和邊界條件

對于樁土界面特性影響因素研究，牟洋洋[12]、占川[13]等對樁土界面進行分析時均采用了理想彈塑性模型。所建模型中土體、樁體、褥墊層及承臺板之間的表面接觸采用摩擦接觸，法向采用硬接觸，對于接觸面的切向力學行為默認用摩擦模型模擬。

表1 分組建模

表2 材料物理性質

表3 發(fā)揮度系數匯總

ABAQUS 中計算極限剪應力方法為庫倫定律，計算公式為：τcrit=p×μ（p：法向接觸應力；μ：接觸面上的摩擦系數），這里通過ABAQUS 設置摩擦系數為tan（0.75φ）來定義，φ 為土體的內摩擦角[14-16]。

設置模型土體邊界條件，兩個側面約束法向方向位移，且在兩個對稱面上采用對稱邊界條件，底面約束XYZ 三個方向的位移，土體頂面為自由面。

分為11 級進行，其中第1、2 級荷載加載皆為31.15kPa，其他9 級每級加載62.3kN。

1.2 承載性狀及發(fā)揮機制（見圖2）

圖 2（a）是變剛度樁樁徑分別為 I、III、V 三組復合地基沉降對比圖，由圖可知，樁徑從第I 組的400mm 減小到從第V 組240mm 時，即樁徑減小了原來的40%，復合地基在上部額定荷載623kPa 作用下沉降增加5.9%，在此種加載水平下，變樁徑平面變剛度復合地基總能滿足正常使用極限狀態(tài)要求。

通過以上分析，在特定工況下，在沉降允許范圍內選擇合適的樁徑不僅提高工程時間效益，更能提高工程中的經濟效益。

由圖2（b）～（d）可知，變剛度樁樁徑減小，則荷載更多地轉移給較大直徑樁，因此較大直徑樁荷載分擔比增大，土體荷載分擔比減小，但變剛度樁因刺入褥墊層較深而增加了應力集中。復合地基中樁體、土體之間進行相互協(xié)調，共同維持力的平衡。

圖2 中（e）可知，在額定荷載10085.92kN 作用下，隨著變剛度樁樁徑減小，從而樁側摩阻力減小，且呈現(xiàn)變剛度樁的中性點向樁端方向移動的規(guī)律。

由表3 樁、土承載力發(fā)揮度系數，對比第I 組、第V 組結果可知，第I 組復合地基厚徑比為0.5 時，變剛度樁的承載力發(fā)揮度為0.45；第V 組模型計算結果顯示，比第I 組提高17.7%，且常規(guī)樁提高11.1%，相應的土體的承載力提高6.74%，這是由于常規(guī)樁樁以及土體承擔了更多的荷載，使得常規(guī)樁和樁間土得到更好的發(fā)揮。

圖2 相關規(guī)律結果對比

2 結論

主要結論如下：

（1）平面變剛度復合地基在增加較小的沉降時有效減小變剛度樁樁徑，實現(xiàn)經濟效益。

（2）正常使用荷載作用下，在滿足上部承載力以及沉降允許范圍內，減小一定的變剛度樁樁徑能更加充分地發(fā)揮樁和樁間土的承載能力，實現(xiàn)提高工程經濟效益，優(yōu)化復合地基設計方案的目標。