李平均, 郭小剛, 傅文橋

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基于ANSYS的組合荷載作用下水平受荷樁的有限元分析

李平均, 郭小剛, 傅文橋

(湘潭大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院, 湖南湘潭, 411105)

根據(jù)泰州市郊某一擬建工程中樁的水平靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù), 運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS, 對水平荷載單獨(dú)作用下的單樁進(jìn)行了三維有限元數(shù)值模擬與分析, 并在此基礎(chǔ)上對模型進(jìn)行改進(jìn), 研究了組合荷載作用下樁的工作性狀。主要分析了水平荷載、軸向荷載、樁的抗彎剛度、樁徑以及自由段樁長對樁身響應(yīng)的影響。研究結(jié)果表明: 樁身水平位移和彎矩隨著水平荷載和軸向荷載的增加而增大, 且當(dāng)水平荷載較大時(shí), 軸向荷載作用引起的–效應(yīng)(軸向荷載引起的附加位移)比較明顯, 其隨自由段樁長的增加而增大, 隨抗彎剛度和樁徑的增加而減小。

水平荷載; 組合荷載; 樁; ANSYS

在港口、碼頭、大橋梁、海上油田開采平臺(tái)、基坑開挖與支護(hù)、滑坡的防護(hù)等工程中, 樁基礎(chǔ)[1]不僅要承受豎向荷載, 更多的還要承受較大的水平荷載、傾斜荷載[2–3]或力矩的作用。這種水平荷載和組合荷載[4–5], 對建筑物和基礎(chǔ)都將產(chǎn)生不同程度的影響, 如四川省渡口鐵路支線103站大滑坡問題, 采用65根抗滑樁并設(shè)置相配套的排水溝、盲溝、支撐滲溝等防護(hù)措施, 才將滑坡問題解決。

目前, 國內(nèi)外關(guān)于樁的研究, 一般是將水平荷載和軸向荷載分開單獨(dú)研究, 對承受水平荷載[6–9]和軸向荷載共同作用樁的研究還比較少。因此, 研究組合荷載作用下樁的工作性狀具有非常重要的實(shí)際意義。本文采用有限元軟件ANSYS對承受組合荷載作用的樁基礎(chǔ)[10–11]的工作性狀進(jìn)行研究。根據(jù)泰州市郊某一擬建工程中樁的水平靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模擬并驗(yàn)證模型的正確性, 再在此基礎(chǔ)上對模型改進(jìn), 研究組合荷載作用下樁的工作性狀。主要分析了水平荷載、軸向荷載、樁的抗彎剛度、樁徑以及自由段樁長對樁身響應(yīng)的影響, 得到了一些有用的結(jié)論。

1 有限元模型的建立

擬建工程樁土的具體參數(shù)見表1、表2?？紤]樁在實(shí)際工程中的受力情況以及為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間, 采用對稱樁—土模型。樁土模型參數(shù)的選取與實(shí)際工程的參數(shù)一致, 土體寬度取樁徑的20倍, 樁體和土體均采用3D實(shí)體單元SOLID45, 樁—土接觸單元選用CONTA173和TARGE170, 土體的非線性采用ANSYS自帶的D–P模型[12–13]。在計(jì)算中, 樁底按照固定端考慮。

表1 樁參數(shù)

表2 地基土參數(shù)

計(jì)算模型如圖1所示。本文采用的是不相關(guān)聯(lián)的流動(dòng)法則, 剪脹角取值為0, 摩擦系數(shù)取0.25,少數(shù)其他參數(shù)取經(jīng)驗(yàn)值。

圖1 樁—土計(jì)算模型

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 ANSYS模型的正確性驗(yàn)證

為了分析不同水平荷載作用下樁頂水平位移的變化情況, 在樁頂施加固定的豎向荷載和彎矩, 水平荷載的施加采用線性增加方式。樁頂水平位移模擬結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對比如圖2所示。

圖2 水平荷載作用下, 樁頂位移實(shí)測與模擬值對比

從圖2可知, ANSYS有限元模擬的樁頂水平位移結(jié)果與現(xiàn)場水平靜載試驗(yàn)結(jié)果吻合得非常好。在不大的水平荷載作用下(<120 kN), 隨著荷載增加, 樁頂?shù)乃轿灰凭徛黾? 在較大水平荷載作用下(>120 kN), 樁頂?shù)乃轿灰齐S荷載增加而加速增大, 說明樁體開始屈服。

2.2 水平荷載對樁的影響

2.2.1 水平荷載對無自由段樁的樁身彎矩的影響

在不同水平荷載作用下, 樁身彎矩響應(yīng)曲線如圖3所示, 圖中為水平荷載(kN),為彎矩(kN·m), 下同。

由圖3可知, 樁的彎矩隨著水平荷載和彎矩的增加而增加, 且彎矩的增幅較大; 最大彎矩發(fā)生在距離樁頂(地面)10 m左右, 在距離樁頂43 m左右, 樁身開始出現(xiàn)很小的負(fù)彎矩; 由于土層的復(fù)雜性和軸向荷載的–效應(yīng), 樁身的彎矩響應(yīng)隨著埋深的增加呈現(xiàn)出非線性變化, 樁身最大彎矩發(fā)生在距離樁頂一定范圍之內(nèi)。

圖3 水平荷載作用下, 無自由段樁長的樁身響應(yīng)

2.2.2 水平荷載對有自由段樁的樁身彎矩的影響

在模型正確性被驗(yàn)證的基礎(chǔ)上, 增加樁長使其伸出土體5 m, 研究水平荷載對有自由段樁的樁身彎矩的響應(yīng), 模擬結(jié)果如圖4所示。

從圖4可知, 當(dāng)樁伸出土體一定的長度時(shí), 樁身的彎矩響應(yīng)相對于無自由段樁而言會(huì)有所不同, 這是因?yàn)楹奢d經(jīng)過樁的自由段后再傳遞給地面以下樁, 其荷載作用和–效應(yīng)都有所加強(qiáng); 樁身最大彎矩發(fā)生在離樁頂15 m左右, 負(fù)彎矩出現(xiàn)在埋深37 m左右, 這與無自由段樁的模擬結(jié)果相比有所減小, 說明樁的有自由段對樁身彎矩產(chǎn)生了影響。同時(shí), 樁在不同的荷載條件以及約束下, 都存在著一個(gè)臨界樁長, 當(dāng)樁長超過臨界值時(shí), 繼續(xù)增加樁長對樁身響應(yīng)的影響非常小。

圖4 水平荷載作用下, 有5 m自由段樁長的樁身響應(yīng)

3 影響樁身響應(yīng)因素分析

為進(jìn)一步研究樁身水平位移和彎矩在不同影響因素條件下的響應(yīng), 在模型驗(yàn)證正確的基礎(chǔ)上, 采用同樣的建模方法對模型進(jìn)行簡化改進(jìn), 分析水平荷載、軸向荷載、樁的抗彎剛度、樁徑以及自由段樁長度對樁身響應(yīng)的影響。

入土樁長為30 m, 自由段樁長為15 m, 為簡化計(jì)算, 自由段均布荷載取0, 忽略樁身自重軸向力對軸向荷載的影響。樁頂和樁底無約束, 均為自由端。簡化模型參數(shù)見表3和表4, 簡化模型如圖5所示。

圖5 樁土簡化模型

表3 樁參數(shù)

表4 地基土參數(shù)

3.1 水平荷載

在加載時(shí), 首先增加一恒定的軸向荷載= 1 000 kN, 再考慮在樁頂自由及樁底鉸接的條件下, 不同水平荷載對樁的水平位移沿樁身分布的影響, 結(jié)果如圖6所示。

從圖6可知, 樁身的水平位移隨著水平荷載和彎矩的增加而增大, 且在樁頂處, 它的水平位移增大幅度最大。在樁底處, 由于樁底無約束處于自由狀態(tài), 故樁底出現(xiàn)了負(fù)位移, 但是樁底的位移增加幅度要比樁頂?shù)男? 這是因?yàn)殡S著樁埋深的增加, 樁身土反力也增大。在相同水平荷載作用下, 增加彎矩, 樁身的水平位移增大幅度較小, 說明在假定樁和土體材料都是線性材料的條件下, 彎矩和軸向荷載作用產(chǎn)生的–效應(yīng)對樁身位移有一定的影響, 故而樁身的水平位移響應(yīng)與水平荷載屬于非線性關(guān)系。

圖6 水平荷載作用下樁身水平位移響應(yīng)

3.2 軸向荷載

在樁頂和樁底自由的條件下, 樁頂水平位移、地面處樁身的水平位移以及樁身最大彎矩在不同水平荷載條件下與軸向荷載的關(guān)系, 分別如圖7(a), (b), (c)所示, 樁身最大彎矩距離樁頂?shù)木嚯x和軸向荷載的關(guān)系如圖8所示。

圖8 樁身最大彎矩距樁頂距離與軸向荷載的關(guān)系

從7圖可知, 在水平荷載不變的情況下, 樁頂水平位移、地面處樁身的水平位移和樁身最大彎矩都隨著軸向荷載的增加而增大。當(dāng)軸向荷載不大時(shí), 其增加幅度不大, 軸向荷載引起的–效應(yīng)不是很明顯。隨著軸向荷載的不斷增加,–效應(yīng)越來越明顯, 樁頂水平位移、地面處樁身的水平位移和樁身最大彎矩的增加幅度越來越明顯。從圖7(a)中曲線后半段可知, 在水平荷載較大的情況下, 隨著軸向荷載的增加, 樁身位移和最大彎矩的增速都有略微的加大趨勢, 因此可以推測, 在水平荷載足夠大及軸向荷載和自由段樁長都較大時(shí),–效應(yīng)不容忽視。

3.3 樁身抗彎剛度

在研究樁的抗彎剛度對樁身響應(yīng)的影響時(shí), 假定樁端承受水平力= 200 kN, 彎矩= 600 kN·m, 軸向荷載= 1 000 kN, 得到樁頂自由時(shí)樁頂水平位移、地面處樁身水平位移和樁身最大彎矩在不同水平荷載作用下的關(guān)系分別如圖9(a), (b), (c)所示, 樁身最大彎矩距離樁頂?shù)木嚯x與水平荷載的關(guān)系如圖10所示, 圖中為抗彎剛度, 單位kN·m2,為樁直徑, 單位m,下同。

圖10 不同抗彎剛度下, 最大彎矩距樁頂距離隨水平荷載的變化

從圖9(a)和圖9(b)可知, 樁頂水平位移和地面處樁身水平位移隨著水平荷載的增加而增加, 隨著樁的抗彎剛度的減小而增大, 這是因?yàn)闃兜目箯潉偠仍叫? 樁抵抗側(cè)向變形的能力就越弱, 水平位移就會(huì)越大。由圖9(c)可知, 樁身最大彎矩隨著樁的抗彎剛度的減小逐漸增大, 隨著水平荷載的增加而增加, 從曲線后半段可以看出, 隨著水平荷載的繼續(xù)增加, 樁身最大彎矩的增大越來越明顯。從圖10可知, 樁身最大彎矩距離樁頂?shù)木嚯x隨著樁的抗彎剛度的增大而增大, 這是因?yàn)榭箯潉偠却? 導(dǎo)致樁身位移較小, 樁身土反力也較小。

3.4 樁直徑

在研究不同直徑樁對樁身響應(yīng)的影響時(shí), 假定樁端承受水平力= 200 kN, 彎矩= 600 kN·m, 軸向荷載= 1 000 kN, 得到樁頂自由時(shí)樁頂水平位移、地面處樁身水平位移和樁身最大彎矩在不同水平荷載作用下的關(guān)系分別如圖11(a), (b), (c)所示, 樁身最大彎矩距離樁頂距離與水平荷載的關(guān)系如圖12所示。

從圖11可知, 樁頂水平位移和地面處樁身水平位移隨著水平荷載的增加而增加, 隨著樁直徑的增加而減小, 且在樁直徑為0.8 m時(shí)的水平位移比樁直徑為1.6 m和2.4 m時(shí)要明顯大很多, 這是因?yàn)槠浣孛鎽T性矩較小, 樁的抗彎剛度較小, 這也證明了上面關(guān)于樁的抗彎剛度對樁身響應(yīng)的影響的研究結(jié)果是正確的。樁徑為1.6 m和2.4 m時(shí)樁身響應(yīng)差別較小, 說明樁直徑增大對樁身響應(yīng)的影響不是很敏感。從圖12可知, 最大彎矩距樁頂距離隨著水平荷載的增加而略微減小, 而隨著樁徑的增大而增大。

圖12 不同樁徑下, 最大彎矩距樁頂距離隨水平荷載的變化

3.5 自由段樁長度

樁頂、樁底自由時(shí), 樁頂水平位移、地面處樁身水平位移和樁身最大彎矩在不同水平荷載作用下與不同自由段樁長的關(guān)系分別如圖13(a), (b), (c)所示; 樁身最大彎矩距地面處距離和自由段樁長的關(guān)系如圖14所示。

從圖13可知, 樁頂水平位移、地面處樁身水平位移和樁身最大彎矩隨著自由段樁長的增加而快速增加, 主要原因是自由段樁長的增加, 軸向荷載作用引起的–效應(yīng)加大, 從而導(dǎo)致地面以下樁身土反力的加大。從圖14可知, 樁身最大彎矩距地面的距離隨自由段樁長的增加而近似呈線性減小。

圖14 不同荷載下, 最大彎矩距地面距離隨自由段樁長的變化

4 結(jié)論

本文在對水平靜載試驗(yàn)進(jìn)行模擬驗(yàn)證的基礎(chǔ)上, 利用ANSYS軟件, 對樁土的相互作用進(jìn)行了模擬分析。研究了水平荷載、軸向荷載、樁的抗彎剛度、樁徑以及自由段樁長對樁身響應(yīng)的影響, 所得結(jié)論如下:

(1) 樁基礎(chǔ)存在一個(gè)樁長臨界值和樁徑最優(yōu)值。當(dāng)樁長增加到一定長度, 再增加樁長對樁的工作性狀影響不大; 樁徑有一個(gè)最佳樁徑值, 增大樁徑對于樁的水平承載能力影響不大。

(2) 樁身水平位移和彎矩響應(yīng)隨著水平荷載和軸向荷載的增加而增大, 且當(dāng)水平荷載和軸向荷載較大時(shí), 軸向荷載作用引起的–效應(yīng)會(huì)越來越明顯, 在樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)引起重視。

(3) 樁身水平位移和彎矩隨自由段樁長的增加而增大, 最大彎矩距離地面的距離成線性減小; 樁身水平位移和彎矩隨著樁抗彎剛度和樁徑的增加而減小。

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(責(zé)任編校: 江河)

Finite element analysis of piles with standing horizontal loads in complex foundation

Li Pingjun, Guo Xiaogang, Fu Wenqiao

(College of Civil Engineering and Mechanics, Xiangtan University, Xiangtan 411105, China)

According to the level of static load test data of pile, which from the proposed construction project of Taizhou suburb, the pile under horizontal load is analyzed in three-dimensional finite element numerical simulation by ANSYS, and the work character of pile under combined loads by the improved model is studied. The influence of the horizontal load, axial load, bending stiffness of pile, pile diameter and free period of pile length to the response of pile body is analyzed. The results show that: The horizontal displacement and bending moment of pile increase with the increasing of horizontal load and axial load, and the axial load effect of-(additional displacement caused by axial load) is obvious when the horizontal load is bigger, and it increases with the increasing of the free period of pile length, also it decreases with the increasing of bending stiffness and pile diameter.

horizontal load; combined load; pile; ANSYS

10.3969/j.issn.1672–6146.2015.03.014

TU 473

1672–6146(2015)03–0055–07

李平均, 493941619@qq.com。

2015–03–10