盧笑芳 陳毅勇 羅昌財(cái) 楊 峰

(福建林業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 交通工程系，福建 南平 353000)

1 引言

樁基作為重要的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在橋梁結(jié)構(gòu)、房建結(jié)構(gòu)和港口工程等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用，在土體性質(zhì)較差的場(chǎng)地修建結(jié)構(gòu)時(shí)，需要修建不同類(lèi)型的樁基結(jié)構(gòu)，此時(shí)在外部荷載如偏載、波浪荷載、溫度荷載和地震荷載作用下會(huì)引起顯著的樁—土相互作用效應(yīng)，該效應(yīng)對(duì)樁基在不同荷載作用下的力學(xué)性能研究也越來(lái)越引起國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者的重視。

土體作為一種高度非線(xiàn)性材料，與樁基礎(chǔ)的相互作用較復(fù)雜，目前仍是許多研究者關(guān)注的熱點(diǎn)之一。許多學(xué)者對(duì)樁基的研究方式各有差異，有些考慮了土體的影響，而有些則忽略了土體對(duì)樁基的影響或?qū)⑼馏w簡(jiǎn)化為土彈簧的形式，如戎賢等對(duì)高強(qiáng)預(yù)應(yīng)力（PHC）管樁的抗震性能進(jìn)行了研究，并未考慮土體的影響；蘇振明對(duì)PHC管樁的水平受力性能也進(jìn)行了研究，研究中將土體簡(jiǎn)化為土彈簧的形式；黃福云等與莊一舟等對(duì)PHC管樁和鋼筋混凝土(RC)樁在砂土內(nèi)的抗震性能進(jìn)行了研究。因此，不同學(xué)者針對(duì)土體對(duì)樁基受力影響作用的研究方式各有差異，然而考慮土體對(duì)樁基受力影響的深入研究尚有不足。

2 三維ABAQUS有限元模型

2.1 模型介紹

本文采用ABAQUS有限元軟件建立了兩個(gè)模型：模型1為RC樁基—土相互作用有限元模型、模型2為單一RC樁基的有限元模型，以研究樁—土相互作用對(duì)RC樁基的水平受力性能的影響。土體和RC樁基采用縮減積分C3D8R單元，鋼筋（包括縱向受力筋和箍筋）采用T3D3單元。其中，樁基直徑和長(zhǎng)度分別為300mm和4m，埋入土體4m。

土體采用圓形狀，直徑為3m，高度為4m?？v向受力筋采用8根直徑12mm的鋼筋，鋼筋長(zhǎng)4m；箍筋直徑為8mm，沿樁身等間距布置，布置間距為100mm。模型1和模型2見(jiàn)圖1和圖2。

圖1 模型1：RC樁基—土相互作用有限元模型

圖2 模型2：RC樁基有限元模型

2.2 邊界關(guān)系

RC樁基與土體之間采用面—面接觸，切向采用摩擦罰函數(shù)，法向采用硬接觸?？v向鋼筋與箍筋合并成一個(gè)整體，嵌入RC樁基內(nèi)。土體側(cè)面限制其側(cè)向移動(dòng)，釋放豎向平動(dòng)，樁底與土體采用固結(jié)形式。

2.3 材料本構(gòu)關(guān)系

ABAQUS模型中，土體為粘土，采用Mohr—Coulomb本構(gòu)模型，其力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。RC樁基采用C40混凝土，采用單軸壓縮應(yīng)力—應(yīng)變曲線(xiàn)，其力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表2。鋼筋采用的是二折線(xiàn)本構(gòu)，其力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表1 粘土力學(xué)參數(shù)

表2 C40混凝土力學(xué)參數(shù)

表3 鋼筋力學(xué)參數(shù)

2.4 地應(yīng)力平衡

由于模型1考慮RC樁基—土的影響，因此，模型1需進(jìn)行土體地應(yīng)力平衡。地應(yīng)力平衡采用ODB導(dǎo)入方法，第一步將樁基與鋼筋通過(guò)Model Change進(jìn)行消除，限制土體外側(cè)與內(nèi)側(cè)側(cè)向平動(dòng)，土體底部固結(jié)，僅允許土體在豎直方向的運(yùn)動(dòng)；第二步將第一步計(jì)算完的ODB文件導(dǎo)入，進(jìn)行地應(yīng)力平衡，隨后施加荷載。圖3給出了模型1的土體地應(yīng)力平衡后的位移與應(yīng)力。從圖3可知，土體地應(yīng)力平衡后，土體的豎向最大位移為3.123×10-8mm，已足夠小，可滿(mǎn)足后續(xù)階段的加載。

圖3 平衡后土體Mises應(yīng)力與豎向位移

2.5 加載模式

文中采用單調(diào)加載制度和位移加載的方式，加載位移從0～10mm階段以ΔY=2mm的間隔進(jìn)行加載，隨后在10～120mm階段以ΔY=10mm的間隔進(jìn)行加載，詳見(jiàn)圖4。

圖4 加載制度

3 受力性能對(duì)比分析

3.1 樁基破壞現(xiàn)象比較

加載結(jié)束后，對(duì)樁基礎(chǔ)的破壞情況進(jìn)行比較，圖5和圖6分別給出了模型1和模型2加載結(jié)束后樁身的屈服應(yīng)力Mises和等效塑性應(yīng)變PEEQ分布情況。

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，樁—土相互作用的RC樁基最大應(yīng)力出現(xiàn)在4.5D埋深處（D為樁徑），最大應(yīng)力為26.8MPa, 剛好為材料的屈服應(yīng)力（26.8MPa），其等效塑性應(yīng)變大于0，說(shuō)明樁身混凝土已發(fā)生開(kāi)裂。不考慮樁—土相互作用的RC樁基的最大Mises應(yīng)力同樣也達(dá)到了材料的屈服應(yīng)力（26.8MPa），其等效塑性應(yīng)變也大于0，樁身混凝土同樣發(fā)生了開(kāi)裂，但其開(kāi)裂位置位于樁底處，破壞模式與模型1存在明顯差異。這主要因?yàn)橥馏w發(fā)揮了土彈簧的作用，對(duì)樁基提供較好的側(cè)向支承作用，使其破壞出現(xiàn)在較淺埋深處，而模型2的RC樁類(lèi)似懸臂結(jié)構(gòu)，在底部受力最大。說(shuō)明考慮樁—土相互作用與否對(duì)樁基的破壞模型存在顯著影響。

圖5 模型1：樁身Mises和PEEQ應(yīng)力分布

圖6 模型2：樁身Mises和PEEQ應(yīng)力分布

3.2 力—位移曲線(xiàn)比較

圖7給出了模型1與模型2的力—位移曲線(xiàn)比較。由圖7可知，模型1和模型2的力—位移曲線(xiàn)主要分為彈性階段與塑性階段，在彈性階段的力—位移曲線(xiàn)呈線(xiàn)性變化，荷載隨著位移呈快速增長(zhǎng)變化規(guī)律，到了塑性階段，荷載隨著位移加載呈現(xiàn)的增長(zhǎng)速率明顯減慢。

此外，還發(fā)現(xiàn)樁—土相互作用的模型2的RC樁基的樁頂荷載較模型1顯著增大，在120mm位移荷載下，模型1的荷載較模型2增大了445%，這主要由于粘土對(duì)樁基提供很好的支撐作用，在相同位移荷載作用下可承受更大的外面荷載，這也說(shuō)明樁—土相互作用對(duì)樁基的承載力影響很大。

3.3 樁身位移比較

圖8和圖9給出了模型1和模型2 的RC樁基的變形曲線(xiàn)。由圖8和圖9可知，模型1和模型2的樁身變形曲線(xiàn)存在明顯差異，模型1的RC樁基變形主要出現(xiàn)在0～8.3D范圍，表現(xiàn)出了彈性樁的變形形式，而模型2的RC樁基變形出現(xiàn)在0～樁底范圍，表現(xiàn)了剛性樁的變形形式。

彈性樁的變形形式更有利于樁基的安全受力，表現(xiàn)為延性破壞，而剛性樁的破壞表現(xiàn)為脆性破壞，較為不利。因此，樁—土相互作用對(duì)RC樁基的受力是有利的。

圖8 模型1的樁身變形

圖9 模型2的樁身變形

3.4 樁身彎矩比較

圖10給出了模型1和模型2的RC樁基沿埋深方向的彎矩分布。由圖10a&b對(duì)比可知，模型1和模型2的樁身彎矩沿埋深方向差異較大。模型1的RC樁基彎矩隨埋深呈現(xiàn)先減小后增大的變化規(guī)律，在埋深4.3D時(shí)達(dá)到最大，而模型2的RC樁基則沿埋深方向呈現(xiàn)不斷增大的變化規(guī)律，在樁底時(shí)達(dá)到最大。此外，模型1的最大彎矩也明顯較模型2大，這主要由于模型1的RC樁基承受較大的土抗力，使其彎矩明顯較模型1的大。

圖10 樁身彎矩分布

3.5 樁身剪力比較

圖11給出了模型1和模型2的RC樁基沿埋深方向的剪力分布。由圖11a&b對(duì)比可知，模型1的RC樁基沿埋深方向的剪力分布與模型2存在較大差異，模型1的剪力沿埋深首先呈現(xiàn)減小的變化規(guī)律，至6.2D埋深后基本保持不變，而模型2的RC樁基剪力沿埋深方向基本一致。同樣，模型1在樁—土相互作用的影響下明顯較模型2的大。

圖11 樁身剪力分布

4 結(jié)語(yǔ)

本文采用ABAQUS軟件建立了樁—土相互作用的RC樁基與單一RC樁基的有限元模型，研究樁—土相互作用對(duì)RC樁基受力的影響，得到以下結(jié)論：

（1）樁—土相互作用對(duì)RC樁基的破壞模式有較大影響，考慮樁—土相互作用的RC樁基破壞出現(xiàn)在埋深4.5D處，單一RC樁基的破壞模式出現(xiàn)在樁底處。

（2）土體對(duì)RC樁基具有較強(qiáng)的支承作用，引起的樁—土相互作用會(huì)使RC樁基的承載力大大增加。

（3）樁—土相互作用的RC樁基表現(xiàn)為彈性樁的變形形式，以延性破壞為主，單一的RC樁基表現(xiàn)為剛性樁的變形形式，以脆性破壞為主，更為不利。

（4）樁—土相互作用對(duì)樁身彎矩的影響很大，樁—土相互作用的RC樁基最大彎矩出現(xiàn)在4.3D埋深處，單一的RC樁基最大彎矩出現(xiàn)在樁底。

（5）樁—土相互作用對(duì)樁身剪力的影響很大，樁—土相互作用的RC樁基剪力在0～6.2D埋深呈減小變化規(guī)律，超過(guò)后基本不變，而單一的RC樁基最大剪力沿埋深呈現(xiàn)不斷增大變化規(guī)律，至樁底時(shí)最大。