負(fù)摩擦阻力影響因素特性分析

■張濤

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司新疆烏魯木齊830002）

負(fù)摩擦阻力影響因素特性分析

■張濤

（新疆兵團(tuán)勘測(cè)設(shè)計(jì)院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司新疆烏魯木齊830002）

本文通過(guò)Mohr-Coulomb有限元分析模型計(jì)算負(fù)摩擦阻力的參數(shù)特性，并對(duì)其影響結(jié)果予以說(shuō)明

樁基 負(fù)摩擦阻力 有限元分析模型

本文以西北黃土地區(qū)實(shí)際工程為背景，借助數(shù)值分析軟件建立有限元分析模型，計(jì)算了樁頂加載及浸水工況下，樁身軸力及負(fù)摩阻力，并對(duì)影響樁身軸力及負(fù)摩阻力特性的參數(shù)進(jìn)行了分析。

1　靜態(tài)參數(shù)敏感性分析

靜態(tài)參數(shù)敏感性分析的計(jì)算參數(shù)可以分為兩大類，一類是材料參數(shù)，另一類是界面參數(shù)。在材料參數(shù)中，主要有樁或土的彈性模量，泊松比密度，對(duì)于土層還有兩個(gè)重要的參數(shù)一粘聚力和內(nèi)摩擦角。土體按照主要顆粒粒徑的大小分為粘性土、粉質(zhì)粘土、粉土、砂土、碎石土等，粘性土隨著含水量的不同又存在軟塑、可塑、硬塑等狀態(tài)。土的種類及各種物理性能是千變?nèi)f化的，在有限元分析中不可能將這些性質(zhì)一一進(jìn)行考慮。在計(jì)算中，對(duì)土體力學(xué)性能的模擬主要是利用其彈性模量￡，泊松比，密度以及剪切試驗(yàn)所反映出的粘聚力。和內(nèi)摩擦角中等幾個(gè)參數(shù)，不再考慮硬度、可塑性、密實(shí)性等其它物理特性。下面對(duì)這些主要參數(shù)進(jìn)行分析。

1.1黃土彈性模性模量對(duì)樁身軸力的影響

利用原有的單樁模型，樁頂受到外荷載6000KN時(shí)，分別采用黃土彈性模量E=7Mpa、E=6Mpa、E=5Mpa，的模型進(jìn)行模擬計(jì)算，提取樁身軸力的變化數(shù)據(jù)并繪制相應(yīng)曲線。首先，改變土體彈性模量得出的樁身軸力變化趨勢(shì)相同，而且相對(duì)比較穩(wěn)定。其次，土的彈性模量越大其軸力其樁身軸力越小，究其原因是因?yàn)橥恋膹椥阅Ａ吭酱笃渫辆驮接玻敲礃渡硎艿降淖枇σ苍酱?，所以軸力會(huì)變小。最后，黃土彈性模量的變化對(duì)樁頂和樁底的軸力影響很小，幾乎沒有變。

1.2黃土粘聚力對(duì)樁軸力的影響

（1）彈性模量反映了樁或土的剛度，土的剛度￡越大土越不易變形，且該土層在相同樁身位移的情況下側(cè)摩阻力發(fā)揮較大，增大土層的剛度可使在同樣受力情況下計(jì)算得出樁的位移較小。柱的剛度越大樁身變形越小，樁頂與樁底的位移越接近，頂部荷載越容易向下傳遞。

（2）泊松比是土的橫向與縱向的變形比，泊松比越大，在相同縱向位移的情況下土的橫向位移越大。通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，改變柱端和樁側(cè)土的泊松比對(duì)結(jié)果影響很小，說(shuō)明土的泊松效應(yīng)影響甚微。

（3）土的密度主要影響初始土應(yīng)力的計(jì)算，密度大的材料所受重力大，當(dāng)側(cè)壓力系數(shù)相同時(shí)土對(duì)樁施加的側(cè)向壓力大。

（4）土的粘聚力和內(nèi)摩擦角中是土體強(qiáng)度的主要影響指標(biāo)，粘聚力和內(nèi)摩擦角越大，土體越不易破壞，樁的側(cè)摩阻力計(jì)算值越大。粘聚力和內(nèi)摩擦角足夠大可使樁土之間的破壞發(fā)生在界面處，側(cè)摩阻力由Mohr-Coulomb模型所確定的界面摩擦力控制。粘聚力和內(nèi)摩擦角還會(huì)對(duì)初始土壓力造成影響。經(jīng)有限元分析可知，粘聚力值不變，內(nèi)摩擦角值越小，則自重引起的土體的側(cè)向壓力越大；內(nèi)摩擦角值若不變，粘聚力值越小則土的側(cè)向壓力越大。

（5）ADINA中界面最主要的參數(shù)是Mohr-Coulomb模型中的摩擦系數(shù)。摩擦系數(shù)越大，相同側(cè)向力的作用下極限側(cè)摩阻力越大。

2　浸水狀態(tài)下的參數(shù)敏感性分析

2.1樁頂荷載的影響

當(dāng)樁頂沒有荷載作用時(shí)，樁周土體沉降是樁土相互作用的主要原因。土體沉降在樁身產(chǎn)生負(fù)摩阻力，負(fù)摩阻力引起的下拽力使樁身產(chǎn)生壓縮變形和樁端沉降。而樁身壓縮變形和樁端沉降的出現(xiàn)又使樁土之間的相對(duì)位移關(guān)系發(fā)生改變并使樁的中性點(diǎn)上移。正負(fù)摩阻力的長(zhǎng)消使得樁土間共同作用重新達(dá)到平衡。只有在抽和土的沉降都穩(wěn)定時(shí)，樁的中性點(diǎn)以及摩阻力沿樁身的分布才能穩(wěn)定下來(lái)。

在有限元分析中，樁頂荷載分別取5000、6000、7000KN，以浸水10天為條件，以此研究樁頂荷載變化對(duì)于樁負(fù)摩阻力特性的影響規(guī)律。得到的樁側(cè)阻力與樁頂荷載關(guān)系曲線。反應(yīng)了不同樁頂荷載下的摩阻力沿著樁身的分布。由圖可以看出，首先，在樁頂受到荷載時(shí)的樁體摩阻力最大。再次，隨著樁頂荷載的增加，中性點(diǎn)的位置明顯地上移。由此可見，對(duì)于摩擦樁而言，樁頂荷載大小對(duì)于負(fù)摩阻力特性有很大的影響。隨著樁頂荷載的增加，中性點(diǎn)上移，樁身中性點(diǎn)以下提供正摩阻力的部分加長(zhǎng)，正摩阻力總量增'加。分析表明，不考慮樁頂荷載確定的中性點(diǎn)是位置最低的。樁頂荷載的存在可以使得中性點(diǎn)上移，而且隨著樁頂荷載的增大中性點(diǎn)會(huì)明顯地上移。

2.2樁剛度的影響

樁身的位移主要是由樁端沉降和樁身壓縮變形構(gòu)成的。對(duì)于承受負(fù)摩阻力的樁基而言，樁身材料的壓縮模量也會(huì)影響樁身的壓縮變形，進(jìn)而影響樁土之間的相對(duì)位移，影響負(fù)摩阻力沿著樁身的分布。樁身材料壓縮模量的變化對(duì)于樁基的負(fù)摩阻力特性是有明顯影響的。為了簡(jiǎn)化分析，在僅僅考慮柱身材料彈性模量的變化對(duì)于樁的負(fù)摩阻力特性產(chǎn)生的影響。

在有限元分析中，樁材料的彈性模量分別取6萬(wàn)、60萬(wàn)、600萬(wàn)Kpa并以在樁頂施加6000KN荷載為條件，以此研究樁材料彈性模量變化對(duì)于樁負(fù)摩阻力特性的影響規(guī)律。

3　總結(jié)

通過(guò)對(duì)影響樁身軸力及負(fù)摩阻力特性的參數(shù)分析可以得到以下結(jié)論：

3.1靜態(tài)參數(shù)分析結(jié)論

（1）樁的剛度越大樁身變形越小，樁頂與樁底的位移越接近，頂部荷載越容易向下傳遞。

（2）土的粘聚力和內(nèi)摩擦角中是土體強(qiáng)度的主要影響指標(biāo)，粘聚力和內(nèi)摩擦角越大，土體越不易破壞，樁的側(cè)摩阻力計(jì)算值越大。粘聚力和內(nèi)摩擦角足夠大可使樁土之間的破壞發(fā)生在界面處，側(cè)摩姐力由模型所確定的界面摩擦力控制。粘聚力和內(nèi)摩擦角還會(huì)對(duì)初始土壓力造成影響。

3.2浸水狀態(tài)參數(shù)分析結(jié)論

（1）低彈性模量樁的中性點(diǎn)位置距樁頂較淺，負(fù)摩阻力值較小，樁身下部分正摩阻力值也較小。高彈性模量樁的中性點(diǎn)位置距樁頂較深，負(fù)摩阻力值較大，樁身下部分正摩阻力值也較大。

（2）對(duì)于摩擦樁而言，樁頂荷載大小對(duì)于負(fù)摩阻力特性有很大的影響。隨著樁頂荷載的增加，中性點(diǎn)上移，樁身中性點(diǎn)以下提供正摩阻力的部分加長(zhǎng)，正摩阻力總量增加。分析表明，樁頂荷載的存在可以使得中性點(diǎn)上移，而且隨著樁頂荷載的增大中性點(diǎn)會(huì)明顯地上移。

（3）浸水壓力越大中性點(diǎn)位置距樁頂越淺，負(fù)摩阻力值較小，樁身下部分正摩阻力值也較小。浸水壓力越小則中性點(diǎn)位置距樁頂越深，負(fù)摩阻力值越大，樁身下部分正摩阻力值也越大。

P631[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-7-456-1