堆載作用下單樁負(fù)摩阻力性狀分析

郭開宇 趙 江

(1.望城區(qū)城市建設(shè)投資集團(tuán)有限公司，湖南長沙 410200;2.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院，湖南長沙 410008)

0 引言

樁的負(fù)摩阻力的產(chǎn)生，將使樁的外荷載加大，樁的承載力相對降低，且樁基沉降加大，因此，研究樁側(cè)負(fù)摩阻力問題對樁基設(shè)計具有重要的意義。目前，國內(nèi)外學(xué)者在理論計算［1］、現(xiàn)場試驗(yàn)［2，3］、室內(nèi)模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬等幾個方面對樁基負(fù)摩阻力進(jìn)行了研究。但由于理論模型方法是研究人員基于樁土相互作用作出的受力假設(shè)得出的，因此要精確地計算負(fù)摩阻力十分困難，目前，國內(nèi)外大都采用近似的經(jīng)驗(yàn)公式估算。近年來，國內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了一系列室內(nèi)模型試驗(yàn)研究［4，5］，并取得了一定的成果，但它只能部分反映某些較為簡單的地質(zhì)情況，適用范圍有一定的局限性。近年來，數(shù)值模擬技術(shù)在巖土工程界得到了廣泛應(yīng)用，LEE C J等［6，7］基于ABAQUS有限元軟件，建立了考慮樁土相對滑移的群樁負(fù)摩阻力特性分析的三維數(shù)值模型，分析了樁間距、樁基數(shù)目、樁基位置、打樁方法等對群樁效應(yīng)的影響。COMODROMOS等［8］利用FLAC3D軟件對層狀地基中樁基負(fù)摩阻力以及下拽力進(jìn)行了研究。HOQUEM［9］基于PLAXIS有限元軟件建立了考慮地基土體固結(jié)沉降的單樁負(fù)摩阻力數(shù)值計算模型，分析了樁土相對位移、中性點(diǎn)位置隨土體固結(jié)時間的變化規(guī)律。本文基于某大型通用有限元軟件，建立了三維樁土分析有限元模型，分析了負(fù)摩阻力的形成過程，揭示了摩擦型、端承型樁負(fù)摩阻力工作性狀的異同，研究了樁頂荷載大小對樁側(cè)負(fù)摩阻力的影響，所得結(jié)論為研究被動樁樁土相互作用及工程設(shè)計過程中負(fù)摩阻力的計算提供參考。

1 有限元模型

為了分析在堆載作用下單樁的負(fù)摩阻力效應(yīng)，本文參考文獻(xiàn)［6］［7］提供的模型，建立單樁三維有限元模型見圖1，模型中樁長為20 m，直徑為0.5 m，樁周為軟粘土，樁尖以下持力層為砂土，砂土層厚20 m，為一倍樁長。邊界條件設(shè)定為:模型底邊約束z方向位移，側(cè)面取15 m來減少邊界效應(yīng)，側(cè)面約束水平向位移，豎向可以自由移動。有限元計算以牛頓—拉菲遜迭代法為解題器，能量法為收斂準(zhǔn)則，樁土間采用Goodman接觸面單元，樁體和土體的材料參數(shù)如表1所示。

表1 材料參數(shù)表

2 結(jié)果分析

2.1 摩擦型單樁

為探討堆載對負(fù)摩阻力的影響，先在樁周分級施加堆載40 kPa，計算得到的樁身軸力圖和樁側(cè)摩阻力分布圖分別見圖2和圖3;堆載40 kPa時，計算得到的樁及樁周土體位移圖見圖4。圖2～圖4反映了在不同堆載作用下，摩擦型樁側(cè)負(fù)摩阻力的分布情況。堆載的作用，使樁周土的沉降量加大，沉降量隨著樁基入土深度增加而逐漸減小，地表處最大，其樁周土的沉降量達(dá)到144.2 mm，樁底處為47.3 mm，兩者相差 96.9 mm;由于未施加豎向荷載，堆載前樁基不會發(fā)生沉降，故在樁周上部深度范圍內(nèi)，樁周土體的沉降量大于樁身沉降量，在樁側(cè)表面產(chǎn)生負(fù)摩阻力。此時，樁身軸力自樁頂向下逐漸增大(見圖2)，而樁身軸力會使樁身產(chǎn)生壓縮，并且傳至樁端的力使樁底的土層產(chǎn)生壓縮，降低樁土相對位移;隨著樁身下拉力增加，樁身壓縮和樁底土層壓縮也隨之增加。然而，樁側(cè)負(fù)摩阻力達(dá)到一定值后會停止加大，將逐漸變小。在某一深度處，樁身向下位移量等于該處樁周土沉降量，樁土間相對位移為0，該點(diǎn)即為中性點(diǎn)。在中性點(diǎn)處，樁身軸力達(dá)到最大值，樁側(cè)摩阻力等于0。往下，樁身豎向位移量大于樁周土沉降量，樁身向下拖拽周圍土體，土體對樁身產(chǎn)生向上的摩擦作用，即正摩阻力，由于樁身要克服正摩阻力下沉，樁身軸力向下逐漸減小。

圖1 有限元網(wǎng)格圖（單位：m）

圖2 分級堆載作用下樁身軸力圖（摩擦型樁）

從圖3中可以看出中性點(diǎn)位置的變化情況:隨著地面堆載的增大而逐漸下移，并且中性點(diǎn)的深度主要出現(xiàn)在自樁頂向下12 m～16 m之間，即0.6倍～0.8倍樁長位置，該結(jié)果與JGJ 94-2008建筑樁基規(guī)范中關(guān)于中性點(diǎn)深度的規(guī)定吻合。另外，在不同堆載的作用下，上部土層的負(fù)摩阻力比下部土層先發(fā)揮作用;在某一級堆載作用下，樁側(cè)負(fù)摩阻力先增加后減小，這意味著樁側(cè)負(fù)摩阻力不僅與樁土的位移有關(guān)(見圖4)，還與土層上覆荷載等因素有關(guān)。

圖3 分級堆載作用下樁側(cè)摩阻力分布圖（摩擦型樁）

圖4 堆載40 kPa時樁及樁側(cè)土體位移圖（摩擦型樁）

2.2 端承型單樁

圖5～圖8為在堆載作用下端承型單樁的計算結(jié)果。從圖5和圖6中可以看出，端承型單樁樁側(cè)負(fù)摩阻力的形成規(guī)律與摩擦型單樁有些類似，樁身軸力自樁頂向下先增大，到一定深度達(dá)到最大值，然后隨深度逐漸減小，中性點(diǎn)位置隨地面堆載增大而下移;樁身上部的側(cè)摩阻力分布曲線與摩擦型單樁的也基本類似，也進(jìn)一步說明了樁側(cè)負(fù)摩阻力自上而下逐漸發(fā)揮的規(guī)律。但從圖7，圖8可以看出，在相同分級堆載作用下，端承型單樁樁側(cè)負(fù)摩阻力中性點(diǎn)的深度主要出現(xiàn)在自樁頂向下18 m～19 m之間，即0.9倍～0.95倍樁長處，小于摩擦型單樁;另外，隨著堆載加大，負(fù)摩阻力效應(yīng)加強(qiáng)，中性點(diǎn)位置卻基本不變，主要由于端承型單樁樁底持力層較堅硬而難于被壓縮，樁身豎向位移主要由樁身壓縮構(gòu)成，比樁側(cè)土體沉降小得多，因此樁土間相對位移較大，所產(chǎn)生的下拉摩阻力就更大，其影響深度也更深。

圖5 分級堆載作用下樁身軸力圖（端承型樁）

2.3 樁頂荷載的影響

在摩擦型單樁樁側(cè)土體先施加40 kPa堆載的基礎(chǔ)上，再分級施加樁頂荷載20 kN，40 kN，60 kN，100 kN，200 kN，300 kN，400 kN，計算結(jié)果如圖6和圖7所示。從圖7中可以看出，隨著樁頂荷載的增大，樁側(cè)的負(fù)摩阻力不斷減小，中性點(diǎn)的位置逐漸小幅上移。當(dāng)樁頂荷載為400 kN時，雖還存在樁側(cè)負(fù)摩阻力，但只在距地面3 m范圍內(nèi)分布，且樁側(cè)負(fù)摩阻力僅有0.4 kPa。樁頂荷載為420 kN時，樁側(cè)負(fù)摩阻力全部消失。從圖9中可以看出，隨著樁頂荷載的增大，樁身軸力自樁頂向下先增大的趨勢逐漸減弱，意味著樁周下拉荷載不斷減小，是由于樁側(cè)負(fù)摩阻力數(shù)值不斷減小而非中性點(diǎn)明顯上移導(dǎo)致樁周下拉荷載不斷減小，這一點(diǎn)在圖10中也得到了體現(xiàn)。樁側(cè)負(fù)摩阻力隨樁頂荷載的增大而減小的主要原因是:施加在樁頂?shù)暮奢d必然引起樁身的進(jìn)一步壓縮和樁底土的沉降，其壓縮量將沿樁長方向向下逐漸變小，樁土間的相對位移也將減小，從而使得樁的負(fù)摩阻力也將降低。由上述分析可知，樁頂荷載大小對負(fù)摩阻力的大小有顯著影響，隨著樁頂豎向荷載的增大，原來作用于樁基中的負(fù)摩擦力會減小甚至消失，是否考慮負(fù)摩擦力問題要看負(fù)摩擦力產(chǎn)生的下拉荷載的大小和樁頂荷載的大小，而在JGJ 94-2008建筑樁基規(guī)范中負(fù)摩阻力的計算方法未考慮樁頂荷載的影響，此種情況下樁的負(fù)摩阻力最大，樁受到的下拉荷載也最大，其計算結(jié)果顯然是偏大的。

圖6 分級堆載作用下樁側(cè)摩阻力分布圖（端承型樁）

圖7 堆載40 kPa時樁及樁側(cè)土體位移圖（端承型樁）

圖8 摩擦型樁及端承型樁側(cè)摩阻力分布對比

圖9 不同樁頂荷載作用下摩擦型樁樁身軸力圖

3 結(jié)語

1)端承型單樁樁側(cè)負(fù)摩阻力的形成規(guī)律與摩擦型單樁有些類似，在堆載的作用下，樁身軸力自樁頂向下先增大，到一定深度達(dá)到最大值，然后隨深度逐漸減小，中性點(diǎn)位置隨地面堆載增大而下移;但在相同的地面堆載作用下，端承型單樁樁側(cè)負(fù)摩阻力中性點(diǎn)的深度明顯低于摩擦型單樁，且中性點(diǎn)位置變化幅度更小。

圖10 不同樁頂荷載作用下摩擦型樁側(cè)摩阻力分布圖

2)不施加樁頂荷載，僅有樁側(cè)堆載作用時，樁側(cè)負(fù)摩阻力最大，樁的中性點(diǎn)最深，樁受到的下拉荷載也最大，可認(rèn)為是常規(guī)計算的上限值，故在工程設(shè)計中對負(fù)摩阻力的取值可適當(dāng)減小。

3)負(fù)摩阻力的大小與樁頂荷載大小有關(guān)。加大樁頂豎向荷載，將使原來作用于樁基中的負(fù)摩擦力減小甚至消失，是否考慮負(fù)摩擦力問題要看負(fù)摩擦力產(chǎn)生的下拉荷載的大小和樁頂荷載的大小。

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