單層土地基中靜壓樁連續(xù)貫入的數(shù)值模擬

賀曉明 唐 鵬 寇海磊

(1.青島理工大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，山東青島 266033;2.青島市房產(chǎn)置業(yè)集團(tuán)開發(fā)分公司，山東青島 266033;3.青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院，山東青島 266033)

靜壓樁施工具有無污染，噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，在國(guó)內(nèi)外得到廣泛應(yīng)用。成層土地基中靜壓PHC管樁過程模擬一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。Daichao Sheng等(2005)[1]利用摩擦接觸大變形有限元法模擬靜壓樁的貫入，但連續(xù)貫入的距離有限。鹿群[2]，李鏡培等[3]利用ANSYS有限元軟件對(duì)靜壓樁貫入機(jī)理進(jìn)行研究，但始終沒有實(shí)現(xiàn)全過程連續(xù)貫入。本文在大型有限元軟件ABAQUS的基礎(chǔ)上利用位移貫入法[4]對(duì)靜壓樁連續(xù)貫入的全過程進(jìn)行模擬，得出了貫入過程中樁周土位移場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)的變化，模擬結(jié)果比較接近壓樁實(shí)際，具有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 基本假定及計(jì)算參數(shù)

模擬過程中土體采用Mohr-Coulomb塑性模型，樁身采用彈性模型，為了在貫入過程中實(shí)現(xiàn)連續(xù)貫入，樁土計(jì)算假定如下所示:

1)模擬采用總應(yīng)力法;

2)計(jì)算過程考慮土體自重應(yīng)力場(chǎng);

3)土體假定為理想彈塑性體，遵守Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，采用CAX4R單元。鋼筋混凝土簡(jiǎn)化為線彈性體，采用更符合實(shí)際情況的線性縮減積分單元;

4)采用二維軸對(duì)稱平面模型能滿足模擬需要。

PHC管樁以及土體基本計(jì)算參數(shù)均采用勘察報(bào)告，符合實(shí)際情況。具體參數(shù)如表1所示。

表1 樁，土計(jì)算參數(shù)取值

2 模擬結(jié)果及分析

靜壓樁貫入過程中，樁土之間摩擦系數(shù)對(duì)樁周土的位移場(chǎng)以及應(yīng)力場(chǎng)有至關(guān)重要的作用。在不同樁土摩擦系數(shù)作用下，貫入過程中的樁表現(xiàn)出不同的特性，如圖1所示。

由圖1可以看出:不同樁土摩擦系數(shù)下樁周圍土的應(yīng)力場(chǎng)大致相似，當(dāng)樁土摩擦系數(shù)較大時(shí)，樁底端徑向應(yīng)力云圖以及豎向應(yīng)力云圖應(yīng)力變化明顯。樁周土體徑向位移場(chǎng)與樁土摩擦系數(shù)密切相關(guān)。樁土間摩擦系數(shù)的大小關(guān)系著樁貫入土體難易程度的大小。其值越大說明樁土間摩擦阻力越大，樁貫入越困難。

圖2說明當(dāng)樁側(cè)摩阻力為恒定值時(shí)，樁土之間摩擦力不發(fā)生變化，與深度呈明顯的線性關(guān)系。隨著樁土之間摩擦系數(shù)的增加，樁貫入土體的摩阻力也隨之增加。研究表明貫入阻力并不是隨著樁土間摩擦系數(shù)增大無限制的增大。樁土摩擦系數(shù)大于0.3時(shí)，摩阻力趨于一穩(wěn)定值，不再增大。

3 結(jié)語

1)在大型通用有限元軟件ABAQUS基礎(chǔ)上，通過設(shè)置樁土間摩擦系數(shù)，自適應(yīng)網(wǎng)格等技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了靜壓PHC管樁連續(xù)貫入的數(shù)值模擬。2)計(jì)算模擬結(jié)果符合實(shí)際情況，其結(jié)果為靜壓管樁設(shè)計(jì)提供依據(jù)，指導(dǎo)施工，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。3)樁土摩擦系數(shù)關(guān)系著沉樁過程中樁周土體應(yīng)力場(chǎng)以及位移場(chǎng)的變化。從模擬結(jié)果可以看出，樁側(cè)摩阻力隨樁土摩擦系數(shù)的增大而增大，當(dāng)樁側(cè)摩阻力增大到一定程度時(shí)，樁側(cè)摩阻力趨于一穩(wěn)定值，不再增大。

[1]Daichao Sheng，K.Dieter，Peter Wriggers.Finite Element Analysis of Pile Installation Using Large-slip Frictional Contact.Computers and Geotechnics，2005，32(1):17-26.

[2]鹿 群.成層地基中靜壓樁擠土效應(yīng)及防治措施[D].杭州:浙江大學(xué)博士論文，2007.

[3]李鏡培，何建鋒，梁發(fā)云.靜壓樁樁尖作用機(jī)理的數(shù)值模擬及參數(shù)分析[J].結(jié)構(gòu)工程師，2007，233(3):5-57.

[4]張明義，鄧安福，干滕君.靜力壓樁數(shù)值模擬的位移貫入法[J].巖土力學(xué)，2003，24(1):113-117.

[5]Bailighmm.Strain path method.Jour Geotech Engender，ASCE，1985，111(9):1108-1136.