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超長(zhǎng)支盤(pán)樁承載性能影響因素有限元分析

2016-10-20 05:46:35謝志杰
關(guān)鍵詞:有限元分析影響因素

謝志杰

【摘要】利用有限元,通過(guò)改變不同因素的參數(shù),研究了對(duì)受壓超長(zhǎng)支盤(pán)單樁承載性能的影響。

【關(guān)鍵詞】超長(zhǎng)支盤(pán)樁;承載性能;影響因素;有限元分析

【Abstract】Using the finite element , this paper analyzes the effect factors of the bearing force performance of super-long single pile with plates by changing the parameters of different factors.

【Key words】super-long pile with plates;bearing behavior;effect factors;FEA

1、引言

支盤(pán)樁以普通樁為基礎(chǔ),充分利用較好土層設(shè)置承力盤(pán),在支盤(pán)處擴(kuò)大單樁局部截面,對(duì)土體進(jìn)行擠密,大幅度提高單樁承載性能,在工程中廣泛應(yīng)用。[1]

超長(zhǎng)樁有較高承載性能和較小樁頂沉降,近年來(lái)在高層建筑中得到廣泛應(yīng)用,而將支盤(pán)用于超長(zhǎng)樁從而提高基礎(chǔ)的承載性能較少,也缺乏相關(guān)的研究;超長(zhǎng)樁與普通樁在承載機(jī)理上差別較大。[2]

本文利用有限元,改變樁身因素、土體參數(shù)和地下水位等參數(shù),對(duì)超長(zhǎng)支盤(pán)單樁承載性能影響進(jìn)行研究。

2、有限元計(jì)算模型及參數(shù)選取

采用軸對(duì)稱幾何模型建模,樁和土體均采用15節(jié)點(diǎn)三角形單元,樁土界面上設(shè)置界面單元來(lái)模擬樁土的相互作用。[3]

2.1土體

采用Mohr-Coulomb非線性模型,土體自重應(yīng)力場(chǎng)的形成采用自重加載方案,并將自重加載工序的計(jì)算位移設(shè)為0。土體計(jì)算范圍取半徑60m,深度100m。主要參數(shù)如表1。

2.2樁

樁身材料由混凝土澆筑制成,其變形遠(yuǎn)小于土體,在荷載作用下基本處于彈性狀態(tài),故采用線彈性模型。

2.3加載方式

僅考慮豎向荷載作用下樁軸向受力,施加豎向荷載時(shí),采用分級(jí)加載。

3、超長(zhǎng)多支盤(pán)樁承載性能影響因素的有限元模擬

3.1樁身因素的影響

(1)支盤(pán)數(shù)影響

分別對(duì)樁長(zhǎng)60m的2盤(pán)樁(分別在地下10、40m)、4盤(pán)樁(分別在地下10、20、30、40m)、6盤(pán)樁(分別在地下5、10、20、30、40、50m)和7盤(pán)樁(分別在地下5、10、20、30、40、50、55m)加壓,得出Q-s曲線如圖所示。

當(dāng)樁身由 2 支盤(pán)增加到 6 支盤(pán)時(shí),承載力提高了將近 50%,但當(dāng) 支盤(pán)數(shù)從 6 增加到 7 時(shí),樁的 Q-s 曲線十分接近承載力幾乎不再增加。 因此隨著支盤(pán)數(shù)量的增加,樁的承載力明顯增加,但當(dāng)支盤(pán)增加到一 定數(shù)量時(shí),承載力的增長(zhǎng)幅度減小,可見(jiàn)支盤(pán)數(shù)量并不是越多越好, 過(guò)多設(shè)置支盤(pán)會(huì)降低支盤(pán)樁的經(jīng)濟(jì)性,同時(shí)會(huì)導(dǎo)致施工困難、施工速 度慢等問(wèn)題。

(2)盤(pán)徑影響 為方便研究,建立單支盤(pán)樁進(jìn)行模擬,支盤(pán)中心位于地下 24m 處,盤(pán)形狀為圓形,分別取承力盤(pán)直徑 D=2m、2.4m、3m 計(jì)算,Q-s 曲線 如下圖。

支盤(pán)直徑由 2m 增加到 2.6m 時(shí),樁極限承載力明顯提高,但繼續(xù) 提高當(dāng)支盤(pán)直徑到 3 倍主樁直徑時(shí),承載力的增長(zhǎng)幅度不大,這是因 為此時(shí)支盤(pán)樁達(dá)到極限承載力所需的沉降較大,一般都會(huì)超過(guò)正常使 用狀態(tài)下的控制的沉降量,過(guò)大的支盤(pán)直徑對(duì)提高支盤(pán)樁極限承載力 的意義不大,故盤(pán)徑應(yīng)該控制在 2-3 倍樁身直徑范圍。 (3)盤(pán)間距影響取 2 盤(pán)樁進(jìn)行研究,并將上盤(pán)固定在樁頂 5m 處,下盤(pán)分別設(shè)置 在 10m、20m、30m、40m 處,得到樁身軸力分布圖如圖。

盤(pán)間距不同時(shí),距樁頂 5m 以上和 40m 以下的樁身軸力差別不大, 兩支盤(pán)間的樁身軸力差別較大。兩支盤(pán)間樁身減小的軸力,由支盤(pán)間 的土體所分擔(dān),當(dāng)盤(pán)間距較小時(shí),在未達(dá)到極限承載力時(shí),容易引起 盤(pán)間土體破壞,因此,超長(zhǎng)支盤(pán)樁在設(shè)置多個(gè)支盤(pán)時(shí),應(yīng)該適當(dāng)增加 支盤(pán)間的間距,防止支盤(pán)間土體的提前破壞,進(jìn)而影響整個(gè)支盤(pán)樁的 承載能力。

(4)樁身模量影響

取單支盤(pán)樁研究,支盤(pán)位于地下 24m 處,樁身模量分別為 23GPa、30GPa、40GPa。

當(dāng)樁身模量增加時(shí),在實(shí)際工程中,都會(huì)引起樁的承載能力的增 加,當(dāng)樁身模量增加到一定程度時(shí),超長(zhǎng)支盤(pán)樁的承載能力增長(zhǎng)速度 會(huì)相對(duì)減慢,圖中當(dāng)樁身模量由 30GPa 增加到 40GPa 時(shí)承載能力提高 明顯低于由 23GPa 增加到 30GPa 時(shí)的增加。

3.2 土體參數(shù)及地下水位的影響

樁身設(shè)兩個(gè)承力盤(pán),上盤(pán)距樁頂 10m,下盤(pán)距樁頂 40m 處,樁周土體均勻。

(1)土的壓縮模量的影響隨著土體壓縮模量的增大,樁身的沉降有所減小,沉降曲線變得越來(lái)越平緩,即提高土體的壓縮模量對(duì)減小樁的沉降作用越來(lái)越小, 故提高土體的壓縮模量對(duì)樁的承載性能有所提高,但是作用不是十分 明顯。

(2)土內(nèi)摩擦角的影響

由圖中可以看出,內(nèi)摩擦角越大,樁的承載性能就越大,對(duì)應(yīng)的土體沉降就越小,這是因?yàn)橥馏w內(nèi)摩擦角增大導(dǎo)致土的變形模量增 大,從而由荷載引起的應(yīng)變變小,故而土體沉降量變小。

(3)泊松比的影響

土體泊松比增大時(shí),樁身沉降量隨著變小,當(dāng)泊松比為 0.4 時(shí), 樁的沉降量明顯減小,樁承載能力明顯提高,這是因?yàn)楫?dāng)泊松比較大 時(shí),樁周土體避免了出現(xiàn)較強(qiáng)的塑性,能夠更多的分擔(dān)樁頂?shù)暮奢d。 因此在泊松比小的土體中,應(yīng)注意樁周土體出現(xiàn)塑性而引起的樁身沉 降。

(4)地下水位的影響

由圖中可以看出,地下水位加深時(shí),樁的沉降明顯減小,承載能 力明顯提高,這是因?yàn)榈叵滤辉缴睿a(chǎn)生的水壓就越小,對(duì)樁產(chǎn)生 的影響就越小。

4結(jié)論

本文采用有限元方法進(jìn)行超長(zhǎng)支盤(pán)樁的承載性狀模擬,分析了超 長(zhǎng)樁在不同因素下承載性能的變化,得出了如下結(jié)論。

(1)增加樁身支盤(pán)數(shù)和支盤(pán)盤(pán)徑時(shí),超長(zhǎng)支盤(pán)樁承載力明顯提 高,但當(dāng)達(dá)到一定限度時(shí),增長(zhǎng)幅度變緩,因此樁身支盤(pán)數(shù)和盤(pán)徑應(yīng) 控制在合理范圍內(nèi);

(2)支盤(pán)間樁身軸力減小部分由周?chē)馏w承擔(dān),為避免樁體在 未達(dá)到極限承載力時(shí)引起盤(pán)間土體破壞,設(shè)置多個(gè)支盤(pán)時(shí),應(yīng)適當(dāng)增 加支盤(pán)間的間距;

(3)隨樁體彈性模量和土體壓縮模量的增加,單樁承載力得到 提高,在土層條件和施工方法一定時(shí),樁土彈性模量存在最佳值;

(4)土體內(nèi)摩擦角、泊松比越大,樁的抗壓承載力越大,但是 增長(zhǎng)的速度較慢;地下水位越深,支盤(pán)樁的承載力越高。

參考文獻(xiàn):

[1]姚凱駿.擠擴(kuò)支盤(pán)樁在軟土地基中的引用[J].工程技術(shù), 2009[15];54-56.

[2]白偉亮.支盤(pán)應(yīng)用于超長(zhǎng)樁的有限元分析[J].工程質(zhì)量, 2015[3];58-60.

[3]范孟華.支盤(pán)樁承載性能的有限元分析[J].山西建筑, 2012[35];647-649.

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