豎向荷載下鉆孔灌注樁單樁的數(shù)值模擬分析

秦 力，王麗歡，陳柄君，陳 浩

(1.東北電力大學(xué) 建筑工程學(xué)院，吉林 吉林132012;2.長春供電公司，吉林長春130041;3.中國航空港建設(shè)第十工程總隊(duì)，河北保定071051)

樁基是建筑物和高聳構(gòu)筑物的一種重要基礎(chǔ)形式，在土木工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，近50年來，樁基礎(chǔ)一直是地基基礎(chǔ)或巖土工程中研究的熱點(diǎn)問題之一，目前，關(guān)于單樁豎向荷載下的工作性狀的理論分析方法主要有:荷載傳遞法、彈性理論法、剪切位移法及各種數(shù)值分析方法［1］。數(shù)值模擬方法主要是將整體進(jìn)行離散，然后通過模擬樁-土本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，所得到的結(jié)果一般比較合理，此方法也存在一些問題，如目前樁-土的本構(gòu)理論還不夠完善，樁-土接觸面處理具有很大的近似性，并且需要獲取合理的計(jì)算參數(shù)［2］。但與其他幾種方法相比具有易操作性，且結(jié)果也較準(zhǔn)確。雖然多年來對其進(jìn)行了大量的研究，但由于樁土共同作用的復(fù)雜性，需要多方面考慮，深入分析［3］。本文利用有限元軟件模擬樁土之間的相互作用，通過對數(shù)值結(jié)果和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的對比分析，確保模擬的正確性，從而合理的解決單樁豎向荷載作用下的樁側(cè)摩阻力、樁端摩阻力和沉降，以及其相關(guān)關(guān)系。

1 數(shù)值分析

1.1 本構(gòu)關(guān)系的選取

本文采用的Mohr-Coulomb模型，本模型參數(shù)較少，使用比較方便，能夠較好地描述巖土類材料的材料性質(zhì)，同時(shí)也可以將材料等向應(yīng)變軟化和硬化特性考慮在內(nèi)。Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則表示為:

其中:σ1，σ2與σ3分別代表第一、第二與第三主應(yīng)力;φ與c分別代表內(nèi)摩擦角與粘聚力。在σ-τ坐標(biāo)系下，屈服線見圖1。

圖1 Mohr-Coulomb屈服模型

圖2 偏應(yīng)力平面上屈服面的形狀

而摩擦角φ控制著材料在π平面上的屈服形狀，見圖2。當(dāng)摩擦角的取值范圍不同時(shí)，Mohr-Coulomb模型也會表現(xiàn)出不同的性狀［4］。

1.2 樁基試驗(yàn)概況與有限元模型的建立

試驗(yàn)時(shí)，由電動高壓油泵給置于試樁面的油壓千斤頂逐級加、卸載，其情況見表1，千斤頂作用線通過試樁中心。并取5個(gè)不同的樁基截面進(jìn)行內(nèi)力測試。

表1 試驗(yàn)加載值與受荷歷時(shí)

模擬時(shí)，將土體視為彈塑性體，其屈服準(zhǔn)則采用Mohr-Coulomb模型，樁體假設(shè)為線彈性體。在有限元分析中，樁體和土體均采用實(shí)體單元，由樁-土相對滑動的規(guī)律可知:用小滑移公式來模擬接觸關(guān)系是合理的，通過定義接觸對實(shí)現(xiàn)的，樁體面為剛性面定義為接觸面中的主控面，相對而言，土體定義為接觸面中的從屬面，從屬面節(jié)點(diǎn)不可以穿透主控面［7］。

從力學(xué)分析的角度來講，考慮到軸對稱性，采用軸對稱模型進(jìn)行分析［5，6］。分析區(qū)域樁端向下擴(kuò)展1.2倍樁長，水平方向取為25倍的樁徑。計(jì)算模型的物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)

針對以上內(nèi)容建立軸對稱模型見圖3。

2 算例計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比分析

對運(yùn)用有限元分析軟件建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)取當(dāng)荷載加至最大值11 000 kN時(shí)所對應(yīng)的樁-土體系應(yīng)力圖與x、y方向的位移圖見圖5。

由以上圖表可知，Mises應(yīng)力的最大值發(fā)生在樁頂?shù)闹行奈恢?。樁端在Y方向的位移小于樁頂位移，同樣在X方向的位移，也為樁端位移值小于樁頂位移值。通過對單樁的位移場的分析估算單樁的影響半徑，對于非均質(zhì)土層而言，單樁樁徑與其影響半徑有密切的關(guān)系，一般單樁的影響半徑隨著樁徑的增大而增大。

為了驗(yàn)證數(shù)值模擬的有效性，將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，其結(jié)果如圖8、圖9所示:

由以上圖表可以得知:數(shù)值模擬的結(jié)果比試驗(yàn)數(shù)據(jù)要大，比如:隨著豎向荷載的逐級增加，沉降也隨之增加，在樁頂荷載施加至11 000 kN時(shí)，試驗(yàn)得到的樁頂沉降為14.78 mm，而數(shù)值模擬計(jì)算得到的沉降要比試驗(yàn)大25.01%，沉降值為19.71 mm。樁側(cè)阻力占36%，端阻力占樁頂荷載的64%，屬于摩擦-端承樁，但以端承為主。

表3 樁身各斷面軸力對比表kN

數(shù)值分析的結(jié)果與試驗(yàn)值有著一定的差別這主要是由建立樁基模型的方式不同所造成的。在數(shù)值模擬成樁時(shí)，模型是通過坐標(biāo)定位及其相互間的約束將各部分組裝成型，并在相應(yīng)模塊中定義樁-土面接觸屬性從而建立二者之間的接觸，但在此過程中并沒有考慮樁側(cè)土體對樁身的擠壓作用。因此，數(shù)值模型中的豎向荷載主要有樁端阻力承擔(dān)。其次，樁定義為線彈性體，土體采用摩爾-庫倫模型，和樁土接觸的復(fù)雜的實(shí)際情況有所不同，也會造成數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果有一定的差異。由表7可知:樁身軸力符合樁的受力規(guī)律，沿樁的軸向自上向下逐級減小，與靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)規(guī)律相符。

3 結(jié) 論

通過運(yùn)用有限元分析軟件對鉆孔灌注樁單樁進(jìn)行數(shù)值模擬分析，雖然模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)存在一定的誤差，但總的發(fā)展趨勢是相同的，從而得出這種模擬方法是可靠的。此方法為群樁基礎(chǔ)的模擬打下基礎(chǔ)，同時(shí)也為單樁設(shè)計(jì)提供一定的參考。

［1］何思明，郭強(qiáng)，盧國勝.單樁沉降計(jì)算理論研究［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004，23(4):688-694.

［2］張公略.鉆孔灌注樁單樁豎向承載特性數(shù)值模擬研究［D］.河海大學(xué).2006.

［3］王先軍，周文宇，蔣鑫.ANSYS在模擬樁土接觸中的應(yīng)用［J］.森林工程，2006，22(3):49-51.

［4］黃晉.斜向受荷樁工作性狀試驗(yàn)與數(shù)值模擬分析研究［D］.浙江:浙江工業(yè)大學(xué).2009.

［5］蔣建平，高廣運(yùn)，汪明武.大直徑超長樁有效樁長的數(shù)值模擬［J］.建筑科學(xué)，2003，19(3):27-29.

［6］建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50007-2003)［S］.廣東:中國建筑工業(yè)出版社，2003:23-27.

［7］費(fèi)康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應(yīng)用［M］.北京:中國水利水電出版社，2009.