抗拔樁樁土相互作用的有限元分析

張俊清

（大連理工大學(xué)土木設(shè)計(jì)研究院，大連市高新區(qū)軟件園路80號(hào)1401室 116023）

抗拔樁樁土相互作用的有限元分析

張俊清

（大連理工大學(xué)土木設(shè)計(jì)研究院，大連市高新區(qū)軟件園路80號(hào)1401室 116023）

本文作者通過(guò)建立了抗拔樁和土體相互作用的有限元模型，通過(guò)詳細(xì)的計(jì)算結(jié)果與其工程實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了其所建立模型的正確性。

傾斜荷載、有限單元、抗拔樁

0 引言

但是，在實(shí)際工程中，比較少見(jiàn)基樁單純承受豎向或橫向荷載的情況，基本上都是同時(shí)承受豎向荷載和橫向荷載(即傾斜荷載)的作用。各種規(guī)范工程的算法一般將樁頂?shù)乃搅拓Q向力分開(kāi)考慮，然后依據(jù)在小變形條件下的疊加原理，可計(jì)算樁身的位移及相應(yīng)的應(yīng)力，修正方法是在強(qiáng)度的設(shè)計(jì)過(guò)程中將彎矩乘以偏心距增大系數(shù)。

但這種簡(jiǎn)化方法沒(méi)有考慮到土體抗力的作用效應(yīng)，僅適用于線彈性的小變形情況，具有一定的局限性。早在上世紀(jì)70年代，橫山幸滿[1]就指出，應(yīng)力迭加原理不適用于傾斜荷載受力下的樁。

1 傾斜荷載作用下基樁的受力特性

1.1 基樁的承載力

基樁在傾斜荷載受力作用下，基樁的破壞模式相對(duì)較為復(fù)雜，其中和基樁本身的強(qiáng)度和抗彎剛度、樁側(cè)土體的抗力以及摩阻力、樁端土體的承載力以及所受荷載的傾角等影響因素相關(guān)。

1.2 基樁的破壞機(jī)理

在傾斜荷載作用下，土對(duì)基樁的破壞一般與兩方面的因素有關(guān)0：1、樁的豎向承載力可能由于樁側(cè)摩阻力和樁端阻力不夠而使土體產(chǎn)生剪切破壞；2、樁側(cè)土體對(duì)樁的水平抗力不足而使土體發(fā)生屈服破壞，樁結(jié)構(gòu)功能失效。

2 有限元模型的實(shí)現(xiàn)

2.1 有限單元模型的建立

由于樁基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和荷載具有對(duì)稱性，因此采用錯(cuò)誤！未找到引用源。所示的整體結(jié)構(gòu)的一半建立有限元計(jì)算模型。計(jì)算程序?yàn)榇笮头蔷€性分析商業(yè)軟件ADINA。假設(shè)模型中的土層和樁為均質(zhì)材料。有限元網(wǎng)格采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元，并考慮了樁土界面的接觸特性。其中，樁長(zhǎng)L為10m，直徑D為0.6m，周?chē)馏w橫向長(zhǎng)度取30倍樁徑（10m），縱向深度取3倍樁長(zhǎng)（30m）。土體邊界，底面采用縱向約束，側(cè)面水平約束。

圖1 有限元模型

2.2 樁土界面的處理

樁土界面接觸面的研究，主要包含兩個(gè)方面：一是接觸面本身的本構(gòu)關(guān)系；二是接觸面單元，它是有限元計(jì)算時(shí)用來(lái)模擬接觸面變形和力學(xué)特性的一種特殊單元。兩方面的研究是互相聯(lián)系的，接觸面單元是為了模擬接觸面上的變形，接觸面變形又要適應(yīng)所選用的接觸面單元。

3 有限單元實(shí)例

淮河干流上的城西湖進(jìn)洪閘采用抗拔鉆孔灌注樁來(lái)解決構(gòu)筑物的抗浮穩(wěn)定性問(wèn)題，2#試樁實(shí)測(cè)成孔的平均直徑為1190mm，成孔深度14.0m，實(shí)測(cè)抗拔極限承載力為2640kN，極限樁頂位移17.65mm，共分11級(jí)荷載完成抗拔試驗(yàn)。文獻(xiàn)0給出了試驗(yàn)測(cè)得的樁頂位移與上拔荷載的關(guān)系曲線。本文對(duì)這一工程實(shí)例進(jìn)行數(shù)值模擬，以驗(yàn)證所建立有限元模型的正確性。需要指出的是，土體的破壞性狀極大地受到土體內(nèi)的初始應(yīng)力的影響，尤其是受到沿可能破壞面上的初始法向應(yīng)力以及初始剪應(yīng)力與初始法向應(yīng)力之比的影響0。

樁體和地層參數(shù)如表1所示，D-P模型的內(nèi)摩擦角22°、18°和32°對(duì)應(yīng)摩爾-庫(kù)倫模型的內(nèi)摩擦角為10.91°、8.87°和16.44°。為土體初始應(yīng)力云圖，表2對(duì)比了模型中的2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力理論值與計(jì)算值，對(duì)比發(fā)現(xiàn)理論值和ADINA計(jì)算得到的應(yīng)力基本相同，可以認(rèn)為初始應(yīng)力計(jì)算是可行的。

圖2 實(shí)例模型點(diǎn)的設(shè)置

圖3 土體初始豎向應(yīng)力云圖

圖4 模型中應(yīng)力監(jiān)測(cè)

表1 計(jì)算參數(shù)

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的比較

根據(jù) Randolph和 Wroth(1978)等的研究，在樁側(cè)距離樁軸 nD（n＝8～15，D為樁徑）處剪應(yīng)變減小到零。本文經(jīng)過(guò)試算，計(jì)算距離取n為10與n為15的計(jì)算結(jié)果幾乎無(wú)差異。本文取n為 10。土體計(jì)算范圍水平向?yàn)?10倍樁徑，豎向 2倍樁長(zhǎng)。模擬三維8節(jié)點(diǎn)塊單元，樁側(cè)和樁端與土之間設(shè)置面面接觸單元。模擬結(jié)果如圖5所示。

圖5 有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果Q-S曲線比較

5 結(jié)論

分析有限元的數(shù)值模擬結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其結(jié)果表明數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果基本吻合，趨勢(shì)基本一致，充分說(shuō)明該有限元模型是正確的，能夠較好地模擬抗拔樁的承載性狀。后面將基于該數(shù)值模型，通過(guò)一系列的計(jì)算和對(duì)比考查影響斜向抗拔樁承載性狀的主要因素。

[1] 橫山幸滿. 樁結(jié)構(gòu)物的計(jì)算方法和計(jì)算實(shí)例. 唐業(yè)清, 吳慶蓀譯.北京: 中國(guó)鐵道出版社.1984.

[2] 鄔寶林. 傾斜荷載下群樁內(nèi)力的非線性有限元分析: [D]. 長(zhǎng)沙: 湖南大學(xué).2003.

[3] 史鴻林,王維雅,劉慶展. 用抗拔樁處理水工建筑物抗浮的試驗(yàn)研究[J].水利水電技術(shù). 1996(7).

[4] 徐蓉, 何炎平, 譚家華. 幾種新型深海錨泊形式概念.中國(guó)海洋平臺(tái)2005,20(2)

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