橋梁工程

方　欣

(重慶交通大學土木建筑學院)

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樁—土共同作用下大直徑薄壁管樁的豎向受力性能數值模擬

橋梁工程

方欣

(重慶交通大學土木建筑學院)

摘要：以樁—土耦合作用理論為基礎，運用ABAQUS有限元軟件建立管樁在豎向荷載作用下的模型，通過分析管樁的內摩阻力、外摩阻力及荷載—沉降結果，得到管樁在豎向荷載作用下的受力、變形機理，結果表明：二維有限元模型代替三維模型進行管樁—土共同作用下的受力性狀分析結果合理；大直徑管樁內樁徑摩阻力的分布不同于外樁徑摩阻力，其受力的分布隨樁身的深度而變化，受力主要集中在端部，范圍為樁端以上2～3倍樁直徑范圍以內，其受力圖形呈喇叭型，且其作用的發(fā)揮相比于外摩阻力晚，為研究管樁的受力及破壞機理提供理論參考，具有一定的工程指導意義。

關鍵詞：樁土耦合；管樁；豎向荷載；受力狀態(tài)

1引言

天然地基作為一種傳統的承擔上部結構荷載的形式，具有經濟、施工簡單、快速等優(yōu)點，但是由于高層建筑的出現，天然地基在承載力或變形方面已無法滿足建筑物的要求，于是樁作為一種分擔荷載及控制變形的手段得到廣泛應用。

樁基礎具有承載力高、穩(wěn)定性好、基礎沉降及差異變形小、抗震性能好及適用性強等優(yōu)點，被廣泛應用于高層建筑、大型橋梁工程建設及大型動力機器基礎等基礎工程中。以單樁在水平荷載下的樁—土耦合作用計算理論為基礎，考慮，通過改變管樁剛度、直徑、壁厚、樁長等結構參數，深入研究薄壁管樁在水平荷載作用下的受力、變形及破壞機理，具有重要的工程應用背景及重要的理論意義。

2樁—土共同作用的理論基礎

有限單元法是隨著計算機的發(fā)展而發(fā)展起來的一種新的計算樁—土共同作用下樁的豎向應力、位移及破壞形式的方法，這種方法克服了其它各種方法的局限性，已經廣泛的應用到建筑結構、大跨徑橋梁結構、大型土工結構以及復雜的樁基工程的各類土木工程結構的計算分析中。一般情況下，有限單元法可以計算考慮許多影響因素(土的非線性、固結時效性及動力特性、滲水等)的樁基的工作性能，但由于在對實際的工程具體計算時，需要更多的參數、更加復雜的準備工作，且計算量成本高，耗時耗費等原因在群樁的結構分析中較少采用。但對于單樁而言，有限單元法是計算器工作性狀的不二方法，且在具有可靠地本構關系的基礎上，真實的反映單樁的受力、變形及破壞機理。

3算例

3.1　模型概況

某工程中有一樁長為15 m, 外徑為0.5 m，內徑為0.3 m，壁厚200 mm，樁側摩擦系數為μ=0.3。樁周土體采用Mohr—Coulomb(摩爾庫侖)模型模擬，土體為砂土，彈性模量E=20 MP，c=0.1 kp,φ=30°，剪脹角為φ=0°，模擬過程中為排水情況，分析時不考慮孔壓的存在，荷載全部由有效應力承擔。截面形式為空心管樁，研究大直徑空心管樁的豎向受荷下的受力狀態(tài)及破壞機理時，采用樁—土結構軸對稱模型進行有限元分析。為準確分析邊界條件對樁—土共同作用的影響，分析時將土體深度設置成兩倍樁長，徑向方向設置成40倍樁徑長度，樁體材料采用線彈性模型模擬，不考慮樁體的彈塑性，樁土之間進行硬接觸，摩擦系數取為0.2，土體采用Mohr—Coulomb模型。三維模型中結點總數為24 570，單元總數為21 497，采用C3D8R單元；二維模型中結點總數為4 492，單元總數為4 260，采用CAX4R單元。

3.2　軟件的計算流程分析

基于ABAQUS的建模及參數化思想，實現了有限元模型的循環(huán)建立，調整參數進行計算，最終提取了有大直徑管樁在水平及豎向力作用下反應結果，計算流程如圖1所示：

圖1　ABAQUS計算流程圖

4豎向荷載下管樁的受力性能響應分析

4.1　豎向荷載作用下三維與二維管樁模型內外摩阻力分析

為了模擬管樁在豎向荷載作用下受力及沉降破壞的全過程，在運用有限元軟件進行分析時，將樁頂指定向下0.06 m的位移，在此工程中樁體發(fā)生破壞，得到樁體在下沉工程中的受到的阻力的過程，進而分析其受力機理。

由于樁管內部存在土芯，管樁的工作性狀比閉口樁要復雜一些。除了樁設置過程中擠土效應的差異之外，其豎向荷載傳遞機理也有所區(qū)別。一般認為管樁的極限承載力由三部分組成，即樁管外側摩阻力、樁管內側摩阻力和環(huán)底端阻力。具體計算中有兩種方式：第一類是分別計算管內側阻力、管外側阻力、管環(huán)底端阻力。具體計算中有兩種方式：第一類是分別計算管內側阻力、管外側阻力、管環(huán)底端阻力，三者之和為單樁承載力，但當土芯與管壁的摩阻力大于實心樁的端承載力時，應采用實心樁的端承載力；第二類是分別計算管外側阻力和端阻力，計算側阻力時考慮擠土效應，計算端阻力時一并將樁端的土芯效應考慮在內。無論哪一類方法中，都必須要涉及到對土芯性狀及工作機理的研究，尤其是內阻力是否可按外側摩阻力的公式進行估計，是否沿土芯全高度發(fā)揮等。

由圖2、圖3可以得出，二維有限元模型的樁體內摩阻力、外摩阻力計算結果稍大于三維模型的有限元分析結果，但結果非常接近，為簡化模型計算，本文用二維有限元模型代替三維模型進行管樁—土共同作用下的受力性狀。

圖2　有限元管樁模型樁體外側摩阻力對比曲線

圖3　有限元管樁模型樁體內側摩阻力對比曲線

圖4、圖5給出了大直徑管樁在下沉過程中不同時刻的樁外側與樁內側的摩阻力隨深度變化的曲線，計算結果得出：在樁身下沉過程中的不同時刻，外摩阻力隨深度大致呈線性分布，作用發(fā)揮的較早，受載中后期其受力基本維持在極限值狀態(tài)，其最大值為13.28 kPa；內摩阻力的分布不同于外摩阻力，其受力的分布隨樁身的深度有很大不同，其受力主要集中在端部，范圍為樁端以上2~3倍樁直徑范圍以內，其受力圖形呈喇叭型，且其作用的發(fā)揮相比于外摩阻力晚，其最大值為25.36 kPa，約為外摩阻力的2倍；出現上述現象的主要原因是：側摩阻力的發(fā)揮來源于樁土之間的相對位移，內外摩阻力的發(fā)揮不同正是由于管樁內徑包圍的土芯和樁外側土的不同邊界條件和位移模式的結果。

圖4　樁外側摩阻力隨時間的變化曲線

與樁外周無限大的土體不同，管樁內徑包圍的土芯相當于一維土樁，樁外周土體變形主要為剪切變形，而土芯則往往伴隨著壓縮變形，側向要膨脹，在相對剛性的樁管的限制下，水平力有交大的提高，致使內摩阻力增加。同時，大直徑管樁在豎向荷載作用之下，樁體向下移動，樁與樁外側土的差異變形由上向下發(fā)展，外側摩阻力由上向下發(fā)揮；而對于管樁內側土芯，載荷較小是土芯隨樁管同步下沉，只有當土芯底部受到足夠大的反力時，土芯才會產生相對管壁的向上的位移是側阻力充分發(fā)揮出來，總而造成了管樁內、外側摩阻力的發(fā)揮時間出現差異。

4.2　豎向荷載作用下管樁的極限承載力

由圖8的荷載—沉降曲線能夠得出，豎向荷載作用下樁體沉降破壞的全過程，也能夠反映樁的工作機理、破壞模式及破壞機理，是樁—土共同工作情況下總體的荷載傳遞、樁側摩阻力及樁端端阻力性能發(fā)揮的綜合體現，所以研究樁體在豎向荷載作用下的荷載—沉降曲線是研究其受力機理的重要途徑。當豎向沉降位移為0.85 cm，即荷載為549.829 kN,荷載與沉降位移大致呈直線關系，之后樁體的沉降位移變化速率加大，產生了快速的刺入變形，當沉降位移為1.15 cm時，管樁發(fā)生破壞，此時對應的荷載為676.779 kN，表明樁體的豎向極限承載力為676.779 kN。

由圖6、圖7的荷載—沉降對比曲線可以得出，三維與二維有限元管樁模型樁體的荷載—沉降位移對比曲線基本重合，得到的極限承載力非常接近，再次驗證運用二維有限元模型代替三維模型進行管樁—土共同作用下的受力性狀分析的合理性。

圖6　荷載—沉降位移曲線

圖7　三維與二維有限元管樁模型樁體荷載—沉降位移對比曲線

4.3　管樁內土芯變形研究

為了更好的研究土芯的變形模式，圖8給出了管樁樁端附近的土芯、樁壁和樁周土的沉降等值線云圖。由圖10中可以看到，由于土芯受到底部土體的反力，產生豎向壓縮水平膨脹的變形模式，土芯和樁壁之間產生了較大的摩阻力，使得土芯和樁壁一起下沉，樁呈類似閉口樁的破壞模式。

圖8　土芯周圍的豎向位移圖

由圖8可以得到，管樁內土芯變形時出現的發(fā)揮時間出現差異原因是大直徑管樁在豎向荷載作用之下，樁體向下移動，樁與樁外側土的差異變形由上向下發(fā)展，外側摩阻力由上向下發(fā)揮；而對于管樁內側土芯，載荷較小是土芯隨樁管同步下沉，只有當土芯底部受到足夠大的反力時，土芯才會產生相對管壁的向上位移，此時側阻力才充分發(fā)揮出來。

5結論

(1)對比分析了三維及二維有限元管樁模型在豎向荷載作用下樁體的內摩阻力、外摩阻力及荷載—沉降曲線的受力計算結果，得出二維有限元模型與三維有限元模型的分析結果非常接近，為簡化模型計算，用二維有限元模型代替三維模型進行管樁—土共同作用下的受力性狀分析具有合理性。

(2)大直徑管樁在下沉過程中不同時刻的樁外側與樁內側的摩阻力隨深度的變化，得出：在樁身下沉過程中的不同時刻，外摩阻力隨深度大致呈線性分布，作用發(fā)揮的較早，受載中后期其受力基本維持在極限值狀態(tài)。

(3)內摩阻力的分布不同于外摩阻力，其受力的分布隨樁身的深度有很大不同，其受力主要集中在端部，范圍為樁端以上2～3倍樁直徑范圍以內，其受力圖形呈喇叭型，且其作用的發(fā)揮相比于外摩阻力晚，最大值約為外摩阻力的2倍。

(4)對于管樁內側土芯，載荷較小是土芯隨樁管同步下沉，只有當土芯底部受到足夠大的反力時，土芯才會產生相對管壁的向上位移，此時產生向上的承載力。

參考文獻：

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Under pile-soil interaction numerical simulation of large diameter

thin-walled pipe pile under vertical load performance

FANG Xin

(School of Civil Engineering&Architecture,Chongiqing University of Communication)

Abstract:Put pile-soil coupling theory as the foundation, the establishment of pipe pile under vertical load using the finite element software ABAQUS to model, through the settlement results internal frictional resistance, analysis of pile shaft resistance and the external load, get the stress, deformation mechanism of pile under vertical load, the results show that: the 2D finite element model instead of three dimensional model of force character interaction pile - soil analysis result of the reasonable distribution of large diameter pile; the inner diameter of pile friction is different from the outer diameter of pile friction, the distribution of the stress varies with the depth of pile, the stress mainly concentrated in the end, the scope for the pile end more than 2 ~ 3 times of the pile diameter range, the stress pattern is in horn shape, and the role of play than the outer friction resistance of late, to provide a theoretical reference for the research of pile stress and failure mechanism, which have certain engineering significance.

Key words:pile-soil interaction；pile；vertical load；stress state

作者簡介：方欣(1984-)，男，重慶人，主要從事巖土工程設計與施工方面的研究。

收稿日期：2014-11-10

中圖分類號：TU473.16

文獻標識碼：C

文章編號：1008-3383(2015)08-0091-03