樁基負(fù)摩阻力變化規(guī)律

文／蘇鋼 南昌鐵路勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 江西南昌 330000

引言：

樁的基礎(chǔ)在使用中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)多樣的病害，其中因負(fù)摩阻力而引起的沉降病害將直接影響行車(chē)安全。為保證樁基礎(chǔ)在使用的過(guò)程中安全，則需保證樁基礎(chǔ)保持安全的狀態(tài)，不允許出現(xiàn)下沉以防止樁基礎(chǔ)在使用中因此而出現(xiàn)的故障。

1、負(fù)摩阻力的理論計(jì)算

1.1 負(fù)摩阻力主要條件

（1）樁基礎(chǔ)進(jìn)入填土或欠固結(jié)軟黏土進(jìn)而將樁端放在類(lèi)似巖石等樁端持力層上時(shí)，填土或欠固結(jié)軟黏土將產(chǎn)生自重固結(jié)從而發(fā)生下沉的現(xiàn)象；

（2）飽和軟土層中如密集打群樁將發(fā)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(jié)并下沉；

（3）粉土或欠固結(jié)黏土地基，因?yàn)橄屡P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(chǎn)生自重而固結(jié)沉降；

（4）樁周因大量堆載產(chǎn)生而大量下沉，也將產(chǎn)生負(fù)摩阻力；

（5）土層應(yīng)力松弛也會(huì)引起負(fù)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(fā)沉降時(shí)，樁周非黏性土在動(dòng)力等作用下也將產(chǎn)生負(fù)摩阻力。

1.2 負(fù)摩阻力的計(jì)算方法

為了了解樁負(fù)摩阻力的變化規(guī)律，須研究樁基礎(chǔ)和土共同工作特點(diǎn)。為了實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)單化，負(fù)摩阻力的計(jì)算方法均為假定工況，樁周的負(fù)摩阻力是分布均勻的，并且對(duì)于地基分層而言，也假定在同土層內(nèi)的負(fù)摩阻力是分布均勻。

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外，對(duì)樁基礎(chǔ)負(fù)摩阻力的計(jì)算方法大多采用有效應(yīng)力法，國(guó)內(nèi)很多規(guī)范也均有推薦該法，其計(jì)算公式也較為簡(jiǎn)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(jì)算模型采用的有限單元法是數(shù)值計(jì)算分析方法的一種,它是從變分原理出發(fā)把泛函極值問(wèn)題轉(zhuǎn)化為一組多元線性方程組來(lái)解答。從物理科學(xué)和幾何科學(xué)的研究角度,有限單元法被稱(chēng)作矩陣方程法，在彈塑性力學(xué)和結(jié)構(gòu)力學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

將計(jì)算模型用網(wǎng)格法分出有限個(gè)數(shù)量的小單元體,小單元體之間在節(jié)點(diǎn)處相互鉸結(jié)，這種結(jié)構(gòu)被稱(chēng)為離散結(jié)構(gòu)，用這些離散結(jié)構(gòu)替代連續(xù)體結(jié)構(gòu),以此便于分析應(yīng)力變化和變形情況。將荷載作用于離散結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)上成為節(jié)點(diǎn)荷載。應(yīng)變和應(yīng)力公式表述如下:

運(yùn)用虛位移原理和應(yīng)變應(yīng)力公式，可建立節(jié)點(diǎn)荷載和節(jié)點(diǎn)位移之間方程式,如下：

2.2 基本假定

有限單元分析計(jì)算中為使計(jì)算簡(jiǎn)化且能業(yè)映計(jì)算過(guò)程中問(wèn)題的主要特征,本實(shí)驗(yàn)只考慮模型在豎向荷載條件下的假設(shè)：

（1）計(jì)算模型分析盡可能采用空間軸對(duì)稱(chēng)的辦法，利用對(duì)稱(chēng)性原理不僅能較快的計(jì)算出結(jié)果，準(zhǔn)確性也較高；

（2）計(jì)算過(guò)程中假定樁側(cè)和樁底端巖土的性質(zhì)相同且連續(xù)均勻的彈塑性材料,破壞準(zhǔn)則采用D-P 準(zhǔn)則，混凝土樁基礎(chǔ)采用線彈性的計(jì)算模型；

（3）計(jì)算模型中的各巖土層土是均勻且性質(zhì)相同的；

（4）計(jì)算模型中樁基礎(chǔ)和巖土體相互作用的變形相協(xié)調(diào)且作用的交界面沒(méi)有滑移。由于樁基礎(chǔ)和巖土接觸面的單元特性，樁基礎(chǔ)的剛度遠(yuǎn)大于巖土的剛度，樁基礎(chǔ)和巖土界面應(yīng)設(shè)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(jì)算模型

從ANSYS 計(jì)算模型理論上來(lái)說(shuō),計(jì)算模型范圍選擇的越大,計(jì)算過(guò)程中所需劃分單元體就需越細(xì)，計(jì)算結(jié)果就越準(zhǔn)確且精度越高，但是計(jì)算范圍劃分的越大，單元體劃分的越小，計(jì)算所需的時(shí)間就越長(zhǎng)，計(jì)算所需的費(fèi)用就越高。在此之前這類(lèi)研究一般都假設(shè)模擬巖土體為線彈性體,其所要求計(jì)算區(qū)域明顯偏大。實(shí)際上,巖土體抗拉的性能和傳遞剪切變形能力很差，樁基礎(chǔ)周邊的剪應(yīng)力在巖土中的傳遞隨距離增大而很快衰減。經(jīng)過(guò)幾次仔細(xì)的試算，計(jì)算區(qū)域選取: 徑向5 到20 倍樁基礎(chǔ)直徑,豎向1 到2 倍的樁長(zhǎng),從而使計(jì)算時(shí)收斂。為了降低單元體的自由度和壓縮計(jì)算所需的時(shí)間,建立計(jì)算模型時(shí)應(yīng)充分利用單元體的對(duì)稱(chēng)性,例如樁基礎(chǔ)和巖土體取1/4 的單元體進(jìn)行計(jì)算,并在對(duì)稱(chēng)面上設(shè)立正對(duì)稱(chēng)邊界條件。計(jì)算實(shí)體模型如下圖1、2：

圖1 正面圖

圖2 立體圖

2.4 計(jì)模擬算的過(guò)程

考慮研究樁基礎(chǔ)沉降規(guī)律的經(jīng)驗(yàn)，在滿足真實(shí)情況下，可以按計(jì)算需要假設(shè)模擬的工況情況。在地質(zhì)條件和受頂部受力不變的條件下，分別模擬樁長(zhǎng)為35m，40m，45m，50m，55m,60m 沉降的規(guī)律。由于樁沉降所受原因多，本文主要在上一步計(jì)算基礎(chǔ)之上，分別對(duì)修改樁基礎(chǔ)端部半徑0.5m，1m，1.5m，2m，2.5m。在以上計(jì)算基礎(chǔ)上，對(duì)樁基礎(chǔ)沉降問(wèn)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(jì)算結(jié)果，從而取得其負(fù)摩阻力的變化規(guī)律，在實(shí)際的樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)和施工中利用負(fù)摩阻力的變化規(guī)律。

2.5 計(jì)算結(jié)果分析

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

從計(jì)算結(jié)果得出，相同樁基礎(chǔ)半徑下樁基礎(chǔ)的沉降不但與樁周負(fù)摩阻力有關(guān)還與樁基礎(chǔ)頂端壓覆巖土的壓縮量有關(guān)。土的壓縮量如下圖3：

圖3

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

（1）所有相同樁基礎(chǔ)直徑下，樁基礎(chǔ)下沉量都是在不斷增加的。

（2）隨著樁基礎(chǔ)直徑的變大，樁基礎(chǔ)直徑大的總體沉降要比小的樁徑大。

樁基礎(chǔ)的樁長(zhǎng)不同但樁徑和樁基礎(chǔ)頂端壓覆巖土相同情況下，計(jì)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(chǔ)不同且其他條件相同情況下，隨著樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)的增大，沉降量也是在增大的。

圖4

在樁徑相同同時(shí)改變樁長(zhǎng)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(chǔ)樁徑相同條件下，隨著樁基礎(chǔ)樁長(zhǎng)增長(zhǎng)，沉降量總體是在增加的。

圖5

結(jié)語(yǔ)：

樁基礎(chǔ)設(shè)置單元體單一且結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單,由于樁基礎(chǔ)周邊介質(zhì)( 巖土) 復(fù)雜性,無(wú)論是樁基礎(chǔ)的承載力計(jì)算理論，還是樁基礎(chǔ)沉降計(jì)算分析方法均有待進(jìn)一步完善。

摩擦樁基沉降是復(fù)雜問(wèn)題，目前規(guī)范推薦的是分層總和法,對(duì)于樁基礎(chǔ)長(zhǎng)特別是樁周邊巖土條件較好的長(zhǎng)樁基礎(chǔ),其模擬單元體的計(jì)算沉降量與實(shí)際的下沉量相差較大，主要原因是實(shí)際樁基礎(chǔ)頂部所受的力傳遞投影面積較大且產(chǎn)生附加應(yīng)力較小，同時(shí)沉降經(jīng)驗(yàn)系數(shù)存在局限性。

樁基礎(chǔ)和樁周巖土共同作用的計(jì)算研究較多,計(jì)算軟件和計(jì)算理論也比較多。本文主要介紹了ANSYS 軟件在計(jì)算樁基礎(chǔ)和土共同作用的負(fù)摩阻力的應(yīng)用,本方法簡(jiǎn)便易行且免去了編輯程序代碼的編輯過(guò)程,進(jìn)而極大的提高了計(jì)算基準(zhǔn)度和效率。關(guān)于建立的三維模型問(wèn)題的計(jì)算中，接觸面設(shè)置比較困難且模型所需的摩擦系數(shù)也較難確定，建立的模型計(jì)算需耗費(fèi)大量時(shí)間且如果建立的模型計(jì)算參數(shù)設(shè)置不正確,容易造成求解不收斂。本文認(rèn)為在運(yùn)用ANSYS 軟件分析計(jì)算樁基礎(chǔ)和巖土共同作用時(shí),一定要根據(jù)模型計(jì)算的選擇且確定模型計(jì)算時(shí)所需巖土、物理及力學(xué)參數(shù)。

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