樁筏基礎(chǔ)前排樁的工作參數(shù)分析研究

劉澤偉，劉 忠

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

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樁筏基礎(chǔ)前排樁的工作參數(shù)分析研究

劉澤偉，劉 忠

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

針對樁筏基礎(chǔ)力學(xué)性能分析，基于荷載分擔(dān)比率和曲線的代表性，主要研究參數(shù)改變下前排中層樁的力學(xué)性能改變.利用有限元軟件ANSYS10.0為平臺來模擬原位樁筏基礎(chǔ)試驗，針對橫向荷載受力，考慮合理的網(wǎng)格劃分、樁-土之間的滑動及脫離、邊界條件等因素的影響并進(jìn)行了模型驗證.通過改變模型參數(shù)如樁距、樁長和樁徑參數(shù)較準(zhǔn)確的反映了樁筏基礎(chǔ)的受力機(jī)理，有較好的參考價值.

橫向荷載；樁距；樁長；樁徑

0 引 言

隨著我國高層建筑的迅速發(fā)展，樁筏基礎(chǔ)以其承載力高,變形性能好等優(yōu)點得到了廣泛的應(yīng)用.由于樁筏基礎(chǔ)的受力機(jī)理的復(fù)雜性，樁土協(xié)同作用及按變形控制設(shè)計等問題一直是目前研究的熱點.

本文主要針對樁筏基礎(chǔ)受橫向荷載的情況做受力分析.樁筏基礎(chǔ)由筏板承受橫向荷載，通過樁將所承受的側(cè)向荷載傳遞到樁側(cè)的土體中去.例如橋梁、高層建筑、近海鉆采平臺、支擋建筑以及抗震工程中，樁筏基礎(chǔ)承受來自側(cè)向的風(fēng)力、波浪力、土壓力和地震力以及經(jīng)由上部結(jié)構(gòu)向樁基傳遞的水平荷載.在單方向受橫向荷載作用時，樁被區(qū)分成了前排樁(最靠近橫向力的豎排樁)、中排樁、后排樁(最遠(yuǎn)離橫向力的豎排樁)[1].由于前排樁的荷載分擔(dān)比率[1]、樁身位移等數(shù)據(jù)大于且相似其他樁，具有代表性，所以本文主要研究前排樁的工作性狀.這里利用有限元軟件ANSYS對樁筏基礎(chǔ)做簡化模型，并對模型進(jìn)行分析.模型將樁-筏-土都視為彈性體單元，不考慮筏板的配筋、裂縫等鋼筋混凝土材料的特性，三者之間直接采用節(jié)點連接達(dá)到受力、變形的協(xié)調(diào)，考慮樁-土之間的滑動及脫離.該方法避免了傳統(tǒng)有限元分析中的繁瑣計算，使其不僅可以較精準(zhǔn)的得出數(shù)據(jù)還可以使其模型在普通的計算機(jī)中不必運(yùn)行過長的時間，從而對工程的設(shè)計有一定的參考價值.

1 ANSYS建模與模型驗證

本文模型采用satio所做的模型[1]，具體樁筏基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)布置如圖1所示.筏板尺寸3.185 mm×3.185 m,厚度為0.8 m.筏板下面布置3×3的圓樁，樁徑d=318.5 mm，樁長l=14.8 m(在土中為14.5 m)，樁距s=2.5d=796 mm .上部結(jié)構(gòu)自重1970 kN，簡化成集中力作用于筏板頂面中心處.地基土有6層土，土體參數(shù)如表1所示.

表1 土體參數(shù)

圖1 樁筏基礎(chǔ)布置圖

利用有限元軟件ANSYS10.0，結(jié)合上面原尺寸試驗[2]的數(shù)據(jù)建立二分之一模型.樁與筏板采用線彈性本構(gòu)模型，土體采用Drucker-prager模型[2,3,6].邊界條件視情況而定，模型的底部是全部約束，所有的對稱面是約束面的法向方向，其它的沿面的方向是自由運(yùn)動，但在模型的左右兩側(cè)是用彈簧阻尼單元連接(Kelvin單元)[3].在網(wǎng)格劃分中在樁周圍土中采用細(xì)網(wǎng)格劃分，在遠(yuǎn)離樁的土采用粗網(wǎng)格劃分[3,4,5].由于結(jié)構(gòu)承受橫向作用，故在樁與土之間需做接觸單元，樁體表面用Targe170單元來模擬，土體表面用Conta173單元來模擬.圖2為模型計算樁頭位移曲線與試驗結(jié)果對比.

圖2 隨荷載增加樁頭側(cè)移圖

2 水平荷載作用下前排樁工作性狀分析

2.1 樁距變化對前排樁的工作性狀影響

在進(jìn)行樁筏基礎(chǔ)設(shè)計時，樁間距的選定對基礎(chǔ)的工作性能極為重要，這是由于樁間距的變化對基礎(chǔ)的平均沉降、差異沉降、筏板內(nèi)力、樁頭位移以及樁土荷載分擔(dān)比等工作性狀均有顯著的影響.圖3為在不同樁距相同荷載情況下，前排樁的樁身側(cè)移曲線圖，從圖中可以看出，樁身水平位移曲線具有一樣的趨勢以及非線性特征.隨著樁距的慢慢增大，各樁的樁身側(cè)移越來越越小，其中當(dāng)樁距為4D和6D時，樁的樁身側(cè)移幾乎一致.當(dāng)樁距超過8D樁距時，群樁效應(yīng)減小，各個樁的側(cè)移幾乎一致.樁的位移零點隨著樁距增大，這將使得深土層的土抗力得到更進(jìn)一步的發(fā)揮，有利于樁筏的水平承載力提高.樁身位移主要集中在0～4 m深度范圍內(nèi)，在6～14.5 m內(nèi)樁身側(cè)移趨近于零.

圖4為在不同樁距相同荷載情況下，前排樁的樁身彎矩圖.圖中彎矩變化趨勢隨著樁距增加而變小，在0～4 m內(nèi)變化很大并出現(xiàn)了反彎點，在4～10 m樁長范圍內(nèi)變化較大，在10 m以上變化趨勢趨近于零.曲線在分別2.3 m(2.5D樁距)，2.6 m(4D樁距)，3.2 m(6D樁距)，3.2 m(8D樁距)處達(dá)到正彎矩最大值，超過8D樁距后正彎矩坐標(biāo)值位移變化趨勢基本不變.在彎矩曲線中樁間距為6D和8D時曲線基本一致，隨著樁距大于8D以后曲線趨勢基本沒有變化，這一點也證明前面所提的超過8D樁距后，群樁效應(yīng)減小，趨于穩(wěn)定.

圖3 不同樁距下的樁身側(cè)移圖

圖4 不同樁距下的樁身彎矩圖

2.2 樁長變化對前排樁工作性狀的影響

樁長的調(diào)整對樁筏基礎(chǔ)工作性能的影響很大，但對水平荷載下樁身位移及樁身彎矩影響較小.圖5分別為不同樁長相同荷載情況下，前排樁樁身側(cè)移沿著深度的變化曲線圖.從圖中可以看出，樁身位移的減小區(qū)間主要在0～4 m，6 m時趨向于0.當(dāng)樁長的增大，土的荷載分擔(dān)比減小，但當(dāng)樁長增加到一定值時，變化將不再明顯.所以對于短樁長度變化時，樁頭側(cè)移變化比較快，隨著樁長的增加變化趨勢減慢趨向于穩(wěn)定.從圖5可以看出隨著樁長的加深樁身的位移緩慢增大，在1.3 L樁長時樁頭側(cè)移達(dá)到峰值77 mm，超過1.3 L再增加樁長樁頭側(cè)移將減少并趨向于穩(wěn)定.因此可以把1.3 L看成此模型的樁長穩(wěn)定值，樁長到達(dá)穩(wěn)定值后，再增加深度對控制樁身側(cè)移作用很小，改變樁長并非減小樁身位移等保持工作穩(wěn)定性狀的經(jīng)濟(jì)解決方案.

圖5 不同樁長下的樁身側(cè)移圖

圖6 不同樁長下的樁身彎矩圖

圖6分別為不同樁長相同荷載情況下，前排樁的樁身彎矩圖.圖中彎矩變化趨勢隨著樁長增加基本不變.樁身在0～4 m內(nèi)彎矩變化很大并出現(xiàn)了反彎點，在4～8 m樁長范圍內(nèi)變化較大，在8 m以上變化趨勢趨近于零.彎矩曲線在分別2.3 m(1 L樁長)，2.3 m(1.2 L樁長)，2.6 m(1.3 L樁長)，2.3 m(1.4 L樁長)處達(dá)到正彎矩最大值，其中在1.3 L樁長下產(chǎn)生最大彎矩值94.57 kN·m，相比較其他三個彎矩最大值85.98、88.21和94.22 kN·m.由圖5和圖6得出，樁長變化對樁筏基礎(chǔ)的樁身位移及樁身彎矩變化很小并且經(jīng)濟(jì)性差，所以不推薦通過改變樁長來增大樁筏基礎(chǔ)橫向承載穩(wěn)定性.

2.3 樁徑變化對前排樁工作性狀的影響

在工程中調(diào)整樁徑是最為直接改變承受橫向荷載能力的方法但同時也是經(jīng)濟(jì)性較差的方法之一.圖7是在不同樁徑相同荷載情況下，前排樁樁身側(cè)移曲線圖.從圖上看，樁身位移具有明顯的非線性特征及變化，改變樁徑也是使得結(jié)構(gòu)承受橫向荷載更穩(wěn)定的最直接的辦法.在同水平荷載作用下，前排樁的樁身位移相比樁距與樁長的位移變化，樁徑變化引起的樁身位移最大.可看出，在水平荷載作用下，當(dāng)樁徑較小時，隨著樁徑的增大，樁頭側(cè)移急劇減小，急劇變化區(qū)間0～3.7 m，平穩(wěn)區(qū)間8～14.5 m.當(dāng)樁徑較大時，隨著樁徑的增大，樁頭側(cè)移減小，樁身側(cè)移變化速率減慢.

圖7 不同樁徑下的樁身側(cè)移圖

圖8是在不同樁徑相同荷載情況下，前排樁的樁身彎矩圖.隨著樁徑的增大0～3.7 m內(nèi)負(fù)彎矩急劇增大，3.7～14.8 m內(nèi)正彎矩先變大后減小，越往深處走樁身側(cè)移減小速率越大.彎矩曲線在分別2.3 m(1D樁徑)，2.6 m(1.2D樁徑)，3.2 m(1.5D樁徑)，5.0 m(2.0D樁徑)處達(dá)到正彎矩最大值，從曲線上看增加樁徑效果比較明顯.相對于樁間距以及樁長的調(diào)整引起的彎矩改變，樁徑調(diào)整引起的彎矩改變最大.推薦設(shè)計上結(jié)合樁徑改變和樁距改變一起提高樁筏基礎(chǔ)橫向承載穩(wěn)定性.

圖8 不同樁徑下的樁身彎矩圖

3 結(jié) 論

(1)前中后排樁的變化由于剛性筏板存在導(dǎo)致樁的位移以及彎矩差別不大，其中前樁受荷載分擔(dān)比最大，最具代表性.

(2)在樁長、樁徑、樁間距的變化比較中，樁徑改變效果最明顯，樁距變化效果居中，樁長改變效果最小.建議結(jié)合樁徑以及樁距一起變化從而達(dá)到效果更好.

(3)前排樁的樁身位移以及樁身彎矩變化區(qū)間都很相似，均在0～4 m區(qū)間內(nèi).隨著土的深度加大，趨勢逐漸平緩直至趨向于零.

(4)在水平荷載下，樁距的調(diào)整超過8D樁距后受益很小、樁長的調(diào)整不宜超過1.3 L樁長(僅限長樁)、樁徑的調(diào)整效果比其他兩種要明顯得多.

(5)建議根據(jù)實際情況采取不均勻布樁的方法來取得經(jīng)濟(jì)效益更大化.

[1] Satio, A., Hanko, M. , Gose, and Yi, F.A Study of Pile Foundation Behavior at Larget-scale Horizontal Deformation[J]. Structural Engineering Letter, JSCE, 1993, 39A:1395-1407.

[2] Akihiko Wakai,Shingo Gose and Keizo Ugai,3-D Elastic-plastic Finite Element Analysis of Pile Foundations Subject to Lateral Loading,J.Geot.Engng,1999,39(1).

[3] 陳 鋮，劉 忠.單樁橫向非線性靜力響應(yīng)的三維有限元數(shù)值模擬[J].湘潭大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2005(1)：94-96.

[4] 錢家歡，殷宗澤.土工原理與計算[M].北京：中國水利水電出版社，1996.

[5] 鄭穎人，龔曉南.巖土塑性力學(xué)原理[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2002.

[6] 郝文化.ANSYS在土木工程應(yīng)用實例[M].北京：中國水利水電出版社，2005.

Study on Work Properties of Pile in Front of Raft Foundation Based on Parameter Change

LIU Ze-wei，LIU Zhong

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

In view of the pile raft foundation mechanic performance and based on the load sharing and the representation of the curve, the main research focuses on the mechanical performance changes of the front middle pile under the conditions of the parameter changes.The finite element software ANSYS10.0 as a platform is used to simulate the pile raft foundation.The factors such as the lateral load stress,reasonable meshing, the pile-soil sliding and out and the boundary conditions are taken into consideration to carry out the model verification.By changing the model parameters such as pile distance, pile length and pile diameter of the pile raft foundation, the working performances are better shown,which provides good reference.

lateral load stress; pile distance,; pile length; pile diameter

2014-12-20

劉澤偉(1988-)，男，碩士，研究方向：結(jié)構(gòu)工程.

TU3

A

1671-119X(2015)02-0091-04