港口軟土區(qū)超長(zhǎng)樁承載特性有限元分析①

李強(qiáng)++蔣建平等

摘 要：該文基于港口區(qū)工程地質(zhì)條件以及結(jié)合實(shí)際工程中高樁碼頭中超長(zhǎng)樁的尺寸、樁身材料屬性，在不考慮軟土地區(qū)群樁效應(yīng)及水平荷載作用下，利用ABAQUS有限元軟件簡(jiǎn)化建立了高樁碼頭豎向單樁二維樁—土結(jié)構(gòu)體系受力模型。得出豎向荷載作用下樁土位移及應(yīng)力圖，了解樁側(cè)土、樁端土層應(yīng)力分布。分析曲線與樁身側(cè)摩阻力分布曲線，了解在位于港口軟土地區(qū)中高樁碼頭超長(zhǎng)樁在較高荷載下的樁土變形性狀。同時(shí)結(jié)合工程實(shí)例，提出建議在超長(zhǎng)樁入土一定深度加強(qiáng)構(gòu)造措施。

關(guān)鍵詞：超長(zhǎng)樁 豎向荷載 ABAQUS 樁土變形

中圖分類號(hào)：TU47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）06（b）-0005-03

伴隨著“一帶一路”政策提出，港口基礎(chǔ)建設(shè)事業(yè)更加有著蓬勃的發(fā)展。高樁碼頭中采取的大直徑超長(zhǎng)樁可以提供非常大的承載力、沉降小而成為上海港口區(qū)主要碼頭形式。因此大直徑高樁在軟土地區(qū)運(yùn)用非常廣泛并成為一種趨勢(shì)，樁基受到豎向的上部荷載以及樁土間作用，隨著樁長(zhǎng)的不斷增加，樁土相對(duì)剛度減小，其受力機(jī)理十分復(fù)雜。對(duì)與軟土區(qū)超長(zhǎng)樁基于現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)所得到的數(shù)據(jù)分析較多，該文通過(guò)ABAQUS軟件建立樁—土結(jié)構(gòu)體系模型得到樁土之間的應(yīng)力與位移，簡(jiǎn)化復(fù)雜環(huán)境作用下豎向單樁樁體應(yīng)力應(yīng)變情況，結(jié)合實(shí)際工程中的數(shù)據(jù)分析，更加全面的了解超長(zhǎng)樁的受力情況。

1 研究方案與步驟

根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)資料與規(guī)范，對(duì)高樁碼頭超長(zhǎng)樁進(jìn)行模型簡(jiǎn)化。通過(guò)查閱港口地區(qū)大致土層分布以及簡(jiǎn)化樁基礎(chǔ)受力?？紤]到由群樁向大直徑超長(zhǎng)單樁發(fā)展是目前的趨勢(shì)[1]，所以該論文對(duì)大直徑超長(zhǎng)樁的理論分析主要以分析單個(gè)大直徑超長(zhǎng)樁為主。對(duì)于單個(gè)的大直徑超長(zhǎng)樁的軸向受荷有限元分析，可簡(jiǎn)化為平面軸對(duì)稱問(wèn)題進(jìn)行分析。從整體上來(lái)看考慮實(shí)際情況和讓ABAQUS更好的收斂從以下分析：第一，碼頭在土體自重應(yīng)力下的地應(yīng)力平衡[2]；第二，模擬高樁碼頭在工作期間的荷載作用下的樁-土位移狀態(tài)分析。

2 建立高樁碼頭受力模型

ABAQUS是國(guó)際上公認(rèn)的最優(yōu)秀的非線性分析軟件，其能夠駕馭非常龐大復(fù)雜的問(wèn)題和模擬高度非線性問(wèn)題，可以有效的模擬港口深層軟土地基條件下超長(zhǎng)樁在復(fù)雜荷載作用中的受力情況。樁周土體可劃分為一般的平面實(shí)體單元。土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則，樁土間用Surface-to-Surface接觸模型，摩擦特性選擇函數(shù)Penalty，樁端與土體采用Tie約束這種模型在巖土工程中應(yīng)用較多。

通過(guò)查閱相關(guān)的文獻(xiàn)與勘探資料，進(jìn)行相應(yīng)簡(jiǎn)化得出以下數(shù)據(jù)圖表（見(jiàn)表1，表2）。

3 數(shù)值模擬分析

3.1 豎向荷載變化下的樁土響應(yīng)

分析深基礎(chǔ)作用下，超長(zhǎng)樁在軟土地基下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)。總結(jié)分析地層結(jié)構(gòu)影響工程穩(wěn)定性、影響工程結(jié)構(gòu)受力變形的機(jī)理計(jì)算中假定土體為均質(zhì)各向同性的彈塑性體，服從Mohr-Coulomb準(zhǔn)則。土體側(cè)面和底部的約束分別為X方向和Y方向的約束（圖1，圖2）。

在軟土地區(qū)中，豎向受荷單樁多為摩擦型樁，樁的承載力由樁與土的摩阻力來(lái)提供，而樁土間的摩阻力通過(guò)土體變形來(lái)體現(xiàn)，隨變形增大而發(fā)揮，由圖1模型可以得出樁—土體位移變形從上到下變形逐漸變小，超長(zhǎng)樁側(cè)摩阻力主要由樁頂豎向荷載所激發(fā)。軟土地區(qū)中超長(zhǎng)樁側(cè)模阻力的發(fā)揮中下部應(yīng)力分布較大，上部應(yīng)力承擔(dān)較小。樁長(zhǎng)越長(zhǎng)，樁身直徑越大，所接觸的土體面積越大，在單位樁長(zhǎng)帶動(dòng)周圍的土體越多，對(duì)土的作用影響越大，樁土之間的作用更加明顯（如圖3所示）。

圖4中可以得出在橫向不作用力，只在豎向荷載作用下，超長(zhǎng)樁樁身、土體水平抗力主要集中在樁身和土體淺部位置。沉樁會(huì)引起樁周土體隆起。理想彈塑性模型的土的最大隆起量大約是線彈性模型的1.5倍左右。最大隆起量與樁徑的比值為7%～10%左右，發(fā)生在1～2倍樁徑處[2]。理想狀態(tài)下當(dāng)樁身尺寸和土體參數(shù)一定時(shí)，樁周土體抗力的峰值和駐點(diǎn)位置不隨外荷載的變化而改變[3]。樁的側(cè)模阻力主要分布在樁身的中下部，分布近似R形分布，隨著深度增加側(cè)模阻力也呈非線性增加。在工程設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)豎向耦合作用的超長(zhǎng)樁淺部樁周土體以及樁身的特定位置進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以使樁身軸力和土體應(yīng)力能往較深處傳遞，防止樁身局部破壞和土體屈服破壞。隨樁頂荷載增加，樁身某一位置處樁土相對(duì)位移的遞增幅度呈先增大后減小的趨勢(shì)[4]。

樁側(cè)阻力與端阻力的發(fā)揮過(guò)程就是樁土體系荷載的傳遞過(guò)程。樁頂受到豎向壓力時(shí)，樁身壓縮并向下壓縮并向下位移，樁側(cè)表面與土間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，樁側(cè)表面開(kāi)始受土的向上摩擦阻力，荷載通過(guò)側(cè)阻力向樁周土中傳遞，就使樁軸力與樁身的軸力與樁身壓縮變形量隨深度遞減。隨著樁頂荷載水平的增加，樁身上部土層側(cè)摩阻力增幅比下部土層側(cè)摩阻力增幅逐漸減小。在工作荷載下，對(duì)于一般摩擦型樁，側(cè)阻力發(fā)揮作用的比例明顯高于端阻力發(fā)揮作用比例。對(duì)超長(zhǎng)樁來(lái)說(shuō)，即使在最大加載條件下，樁身下部土層的側(cè)摩阻力也并未完全發(fā)揮。

3.2 基于樁身荷載模型理論分析

樁身荷載傳遞函數(shù)的雙曲線模型是由Seed和Reese提出的，側(cè)阻和端阻雙曲線模型因參數(shù)較少，參數(shù)取值明確而在荷載傳遞法中得到了廣泛應(yīng)用雙曲線模型假設(shè)樁側(cè)摩阻力與樁身沉降呈雙曲線關(guān)系，并且樁端阻力與樁端沉降也呈雙曲線關(guān)系。樁側(cè)阻力完全發(fā)揮前，雙曲線模型和側(cè)阻軟化模型都可以較好的模擬樁的受力性狀，但雙曲線模型不能反映側(cè)阻軟化特性，無(wú)法反映極限側(cè)阻的峰后效應(yīng)[5]。

在樁側(cè)有： （1）

在樁端有： （2）

式中：——樁身側(cè)模阻力和樁端阻力

S，Sb——樁身沉降和樁端沉降；

af，bf，ab，bb分別表示樁側(cè)土和樁端圖的荷載傳遞參數(shù)。雙曲線荷載傳遞模型如圖所示，圖中1/a，1/b分別是傳遞荷載的倒數(shù)。

樁側(cè)模阻力與樁身位移關(guān)系曲線，如圖5所示。

樁身荷載——沉降關(guān)系迭代模型

在樁身取一微段，根據(jù)靜力平衡可得到：

（3）

式中：P（Z）—樁身軸力；—樁截面周長(zhǎng)；

—樁側(cè)模阻力。

該單元體產(chǎn)生的彈性壓縮量為：

（4）

S-樁身位移量；E-樁身彈性模量；A-樁身橫截面面積。

對(duì)公式做微分變換可得到

（5）

（6）

將荷載傳遞函數(shù)的雙曲線模型式（1）帶入（6）式，并另可得到

寫(xiě)成增量形式

即為求解樁身荷載-沉降關(guān)系的迭代模型。

當(dāng)豎向荷載較小時(shí)，樁身上部深度范圍內(nèi)混凝土受力壓縮，導(dǎo)致該范圍內(nèi)的樁土發(fā)生相對(duì)位移。隨著荷載增加，樁身壓縮量不斷增大，使該樁土相對(duì)位移逐漸增加。隨之樁身側(cè)模阻力發(fā)揮隨著深度變化增大。當(dāng)其超過(guò)樁土極限一定位移值后，樁身上部土的側(cè)摩阻力達(dá)到極限值，此時(shí)樁身下部土的側(cè)摩阻力才得到發(fā)揮。

大直徑超長(zhǎng)樁端阻力達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的樁端沉降值至少在0.444d-123.433d之間，顯示超長(zhǎng)樁端阻力達(dá)到極限狀態(tài)時(shí)的樁端沉降基本上無(wú)定值，但大部分（約60%）在1.00 mm-40.00 mm之間[6]。

豎向荷載作用下，樁與地層通過(guò)接觸面的相互作用或共同作用來(lái)傳遞荷載。對(duì)于長(zhǎng)江三角港口區(qū)超長(zhǎng)樁，通常是軟土地層中的超長(zhǎng)摩擦樁，對(duì)這種樁，不能忽視樁身側(cè)阻力，可通過(guò)樁側(cè)注漿改變樁側(cè)地層結(jié)構(gòu)，從而提高樁側(cè)阻力。在軟土港口區(qū)，樁端阻力很難發(fā)揮基本可以忽略。樁土相對(duì)位移較小時(shí)，全樁長(zhǎng)范圍內(nèi)樁側(cè)摩阻力均隨樁土相對(duì)位移的增加而增加直至峰值。當(dāng)樁側(cè)摩阻力到達(dá)極限狀態(tài)后，而樁土相對(duì)位移一直隨樁頂荷載的增加而增大。使用荷載下，樁身壓縮占樁頂沉降的90%以上，最大試驗(yàn)荷載時(shí)樁頂沉降的70%來(lái)自樁身壓縮。

在對(duì)超長(zhǎng)樁進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，增加樁長(zhǎng)和樁徑是提高單樁承載力的有效的方法，樁身彈性模量對(duì)單樁承載特性的影響很小。但樁長(zhǎng)對(duì)單樁承載力的影響具有一定的限度，即當(dāng)樁長(zhǎng)超過(guò)一定值時(shí)，增加樁長(zhǎng)對(duì)提高單樁承載力的作用效果就不那么明顯了。同樣樁長(zhǎng)條件下，樁基極限承載力與樁徑之間近似于線性關(guān)系增加，因此，通過(guò)增大樁基的直徑來(lái)提高樁基極限承載力是一種比較有效的方法。不能忽視樁身壓縮對(duì)樁頂沉降的影響。超長(zhǎng)樁側(cè)上部土層摩阻力具有不同程度的軟化現(xiàn)象，而中下部土層側(cè)摩阻力未完全發(fā)揮[7]。均質(zhì)土體中大直徑超長(zhǎng)群樁及單樁達(dá)到其有效樁長(zhǎng)時(shí)，其樁側(cè)摩阻力均占其總承載力的90%以上，承載性狀表現(xiàn)為摩擦樁，這也與理論上達(dá)到有效樁長(zhǎng)時(shí)樁的承載性狀一致[8]。在實(shí)際工程中，提高單樁承載力，根據(jù)樁周土體性質(zhì)、工程實(shí)際情況、施工難度等因素綜合考慮的基礎(chǔ)上，對(duì)樁長(zhǎng)和樁徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語(yǔ)

該文通過(guò)對(duì)港口軟土區(qū)高樁碼頭超長(zhǎng)樁基礎(chǔ)在豎向荷載及，簡(jiǎn)化建立樁土相互作用數(shù)值模型，考慮樁土脫開(kāi)效應(yīng)，研究在軟土地基下超長(zhǎng)樁（摩擦樁）變形特征。

（1）根據(jù)模擬得出單樁豎向荷載作用下部樁土應(yīng)力圖得出樁中部受力較為集中，顯示樁端土層應(yīng)力向下部周圍土層擴(kuò)散。

（2）根據(jù)數(shù)據(jù)曲線圖得到樁側(cè)模阻力位于入土深度5-10 m左右迅速折減，隨著入土深度增加而變大。

（3）只在豎向荷載作用下，超長(zhǎng)樁樁身、土體水平抗力主要集中在樁身和土體淺部位置，因此建議樁入土深度在0-30 m左右處，可以加強(qiáng)構(gòu)造措施提高承載能力。

（4）在軟土地基中，在樁基礎(chǔ)深度一定的情況下可以通過(guò)增大樁的途徑直徑增加樁土相對(duì)剛度，可有效提高豎向樁基承載力。

參考文獻(xiàn)

[1] 王伯惠，上官興.中國(guó)鉆孔灌注樁新發(fā)展[M].北京：人民交通出版社，1999.

[2] 曹金鳳，石亦平.ABAQUS有限元分析[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009：123-129.

[3] 蔣建平，劉文白.彈塑性力，學(xué)理論基礎(chǔ)及工程應(yīng)用[M].北京：人民交通出版社，2011：214-226.

[4] 陳海峰.考慮沉樁擠土效應(yīng)的單樁極限承載力研究[D].南京：河海大學(xué)巖土工程研究所，2005：62-63.Chen haifeng.Research on ultimate carring capacity of single pile considering the effect of soil compaction during pile driving[D].Hohai University geotechnical engineering，2005：62-63.

[5] 尹武先，姚文娟，程澤坤.軸-橫向荷載作用下超長(zhǎng)樁數(shù)值模擬[J].水利水運(yùn)工程學(xué)報(bào)，2009（18）：17-20.YIN Wu-xian，YAO Wen-juan，CHENG Ze-kun. Numercial investigation on interaction of axial and lateral response for super-long pile[J].Hydro-Science and Engineering，2009（18）：17-20.

[6] 趙春風(fēng)，李俊，邱志雄，等.廣東地區(qū)大直徑超長(zhǎng)鉆孔灌注樁荷載傳遞特性試驗(yàn)研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2015 34（4）：849-855. ZHAO Chunfeng，LI Jun，QIU Zhixiong，et al.EXPERIMENTAL RESEARCH ON LOAD TRANSFER OF LARGE-DIAMETER AND SUPER-LONG BORED PILE IN GUANGDONG AREA[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2015，34（4）：849-855.

[7] 徐麗娜.大直徑樁基承載特性的仿真試驗(yàn)研究[D].吉林：吉林大學(xué)，2014.Xu lina.Research on numerical simulation of bearing performance of large-diameter bored piles[D].Jilin：Jilin University，2014.

[8] 蔣建平，章楊松，高廣運(yùn).基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的超長(zhǎng)樁端阻力承載性狀研究[J].工程力學(xué)，2010，27（2）：149-158.JIANG Jian-ping，ZHANG Yang-song，GAO Guang-yun.STUDY ON BEARING BEHAVIORS OF PILE TIP RESISTANCE OF SUPER-LENGTH PILES [J]Engineering Mechanics，2010，27（2）：149-158.

[9] 張騫，李術(shù)才，張乾青，等.軟土地區(qū)超長(zhǎng)單樁承載特性的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)，2013：35（增刊2）：1066-1068. ZHANG Qian，LI Shu-cai；ZHANG Qian-qing，et al.Bearing behaviors of super-long single pile in soft soil areas[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2013，35（supplementary issue 2）：1066-1068.

[10] 陳培震，欒茂田，羅強(qiáng).大直徑超長(zhǎng)群樁有效樁長(zhǎng)問(wèn)題的有限元參數(shù)分析[J].中國(guó)科學(xué)院研究生院學(xué)報(bào)，2012，29（3）：307-308.CHEN Pei-Zhen，LUAN Mao-Tian，LUO Qiang.Parametric finite element analysis of effective pile-length in super-long and large-diameter pile groups[J]. ournal of Graduate University of Chinese Academy of Sciences，2012，29（3）：307-308.