樁基負摩阻力變化規律

文／蘇鋼 南昌鐵路勘測設計院有限責任公司 江西南昌 330000

引言：

樁的基礎在使用中經常會出現多樣的病害，其中因負摩阻力而引起的沉降病害將直接影響行車安全。為保證樁基礎在使用的過程中安全，則需保證樁基礎保持安全的狀態，不允許出現下沉以防止樁基礎在使用中因此而出現的故障。

1、負摩阻力的理論計算

1.1 負摩阻力主要條件

（1）樁基礎進入填土或欠固結軟黏土進而將樁端放在類似巖石等樁端持力層上時，填土或欠固結軟黏土將產生自重固結從而發生下沉的現象；

（2）飽和軟土層中如密集打群樁將發生超孔隙水壓力，土層將被大量擠出，隨后飽和軟土又因超孔隙水壓力的消散重新固結并下沉；

（3）粉土或欠固結黏土地基，因為下臥砂層及砂、礫石層抽地下水或者其他因素使地下水位降低，從而巖土層產生自重而固結沉降；

（4）樁周因大量堆載產生而大量下沉，也將產生負摩阻力；

（5）土層應力松弛也會引起負摩阻力，例如某些工程中板樁的變形或者因施工等原因引發沉降時，樁周非黏性土在動力等作用下也將產生負摩阻力。

1.2 負摩阻力的計算方法

為了了解樁負摩阻力的變化規律，須研究樁基礎和土共同工作特點。為了實驗簡單化，負摩阻力的計算方法均為假定工況，樁周的負摩阻力是分布均勻的，并且對于地基分層而言，也假定在同土層內的負摩阻力是分布均勻。

現在國內外，對樁基礎負摩阻力的計算方法大多采用有效應力法，國內很多規范也均有推薦該法，其計算公式也較為簡單，具體如下：

2、研究方法

2.1 有限元方法的基本方程

本次計算模型采用的有限單元法是數值計算分析方法的一種,它是從變分原理出發把泛函極值問題轉化為一組多元線性方程組來解答。從物理科學和幾何科學的研究角度,有限單元法被稱作矩陣方程法，在彈塑性力學和結構力學領域有著廣泛的應用和發展。

將計算模型用網格法分出有限個數量的小單元體,小單元體之間在節點處相互鉸結，這種結構被稱為離散結構，用這些離散結構替代連續體結構,以此便于分析應力變化和變形情況。將荷載作用于離散結構的節點上成為節點荷載。應變和應力公式表述如下:

運用虛位移原理和應變應力公式，可建立節點荷載和節點位移之間方程式,如下：

2.2 基本假定

有限單元分析計算中為使計算簡化且能業映計算過程中問題的主要特征,本實驗只考慮模型在豎向荷載條件下的假設：

（1）計算模型分析盡可能采用空間軸對稱的辦法，利用對稱性原理不僅能較快的計算出結果，準確性也較高；

（2）計算過程中假定樁側和樁底端巖土的性質相同且連續均勻的彈塑性材料,破壞準則采用D-P 準則，混凝土樁基礎采用線彈性的計算模型；

（3）計算模型中的各巖土層土是均勻且性質相同的；

（4）計算模型中樁基礎和巖土體相互作用的變形相協調且作用的交界面沒有滑移。由于樁基礎和巖土接觸面的單元特性，樁基礎的剛度遠大于巖土的剛度，樁基礎和巖土界面應設置一種接觸面單元體。

2.3 單樁和巖土體相互作用的有限元計算模型

從ANSYS 計算模型理論上來說,計算模型范圍選擇的越大,計算過程中所需劃分單元體就需越細，計算結果就越準確且精度越高，但是計算范圍劃分的越大，單元體劃分的越小，計算所需的時間就越長，計算所需的費用就越高。在此之前這類研究一般都假設模擬巖土體為線彈性體,其所要求計算區域明顯偏大。實際上,巖土體抗拉的性能和傳遞剪切變形能力很差，樁基礎周邊的剪應力在巖土中的傳遞隨距離增大而很快衰減。經過幾次仔細的試算，計算區域選取: 徑向5 到20 倍樁基礎直徑,豎向1 到2 倍的樁長,從而使計算時收斂。為了降低單元體的自由度和壓縮計算所需的時間,建立計算模型時應充分利用單元體的對稱性,例如樁基礎和巖土體取1/4 的單元體進行計算,并在對稱面上設立正對稱邊界條件。計算實體模型如下圖1、2：

圖1 正面圖

圖2 立體圖

2.4 計模擬算的過程

考慮研究樁基礎沉降規律的經驗，在滿足真實情況下，可以按計算需要假設模擬的工況情況。在地質條件和受頂部受力不變的條件下，分別模擬樁長為35m，40m，45m，50m，55m,60m 沉降的規律。由于樁沉降所受原因多，本文主要在上一步計算基礎之上，分別對修改樁基礎端部半徑0.5m，1m，1.5m，2m，2.5m。在以上計算基礎上，對樁基礎沉降問題，在樁急促頂部分別施加1m，2m，3m，4m，5m，6m，7m，8m，9m，10m 的巖土。綜合以上各種計算結果，從而取得其負摩阻力的變化規律，在實際的樁基礎設計和施工中利用負摩阻力的變化規律。

2.5 計算結果分析

35 米樁半徑為0.5 米時，在地質條件和受頂部受力不變只改變樁基礎頂端壓覆巖土厚度條件下，從計算結果我們可以看出隨著壓覆巖土厚度的增加，樁基礎的沉降量不斷加大。

從計算結果得出，相同樁基礎半徑下樁基礎的沉降不但與樁周負摩阻力有關還與樁基礎頂端壓覆巖土的壓縮量有關。土的壓縮量如下圖3：

圖3

參考上述表格，模型計算得出在35m 樁基礎條件下在不同樁基礎半徑下的沉降量，從模擬結果我們可以得出：

（1）所有相同樁基礎直徑下，樁基礎下沉量都是在不斷增加的。

（2）隨著樁基礎直徑的變大，樁基礎直徑大的總體沉降要比小的樁徑大。

樁基礎的樁長不同但樁徑和樁基礎頂端壓覆巖土相同情況下，計算取樁徑為0.5m 且頂端壓覆巖土為1m的沉降量，其變形沉降量圖如下圖4：

從圖4中得出在樁基礎不同且其他條件相同情況下，隨著樁基礎樁長的增大，沉降量也是在增大的。

圖4

在樁徑相同同時改變樁長和覆土的情況下，沉降量表格如下圖5：

從圖5 中得出在樁基礎樁徑相同條件下，隨著樁基礎樁長增長，沉降量總體是在增加的。

圖5

結語：

樁基礎設置單元體單一且結構較為簡單,由于樁基礎周邊介質( 巖土) 復雜性,無論是樁基礎的承載力計算理論，還是樁基礎沉降計算分析方法均有待進一步完善。

摩擦樁基沉降是復雜問題，目前規范推薦的是分層總和法,對于樁基礎長特別是樁周邊巖土條件較好的長樁基礎,其模擬單元體的計算沉降量與實際的下沉量相差較大，主要原因是實際樁基礎頂部所受的力傳遞投影面積較大且產生附加應力較小，同時沉降經驗系數存在局限性。

樁基礎和樁周巖土共同作用的計算研究較多,計算軟件和計算理論也比較多。本文主要介紹了ANSYS 軟件在計算樁基礎和土共同作用的負摩阻力的應用,本方法簡便易行且免去了編輯程序代碼的編輯過程,進而極大的提高了計算基準度和效率。關于建立的三維模型問題的計算中，接觸面設置比較困難且模型所需的摩擦系數也較難確定，建立的模型計算需耗費大量時間且如果建立的模型計算參數設置不正確,容易造成求解不收斂。本文認為在運用ANSYS 軟件分析計算樁基礎和巖土共同作用時,一定要根據模型計算的選擇且確定模型計算時所需巖土、物理及力學參數。

使用仿真模擬計算技術能有效得出人工計算不太容易完成的仿真模擬計算任務，能為土木工程及相關工作提供了有力的計算工具及方法。