基于Abaqus的楔形樁泥皮效應(yīng)動力分析

曾新發(fā)

[摘 要]樁基礎(chǔ)由于工藝原因會在樁土接觸側(cè)面留下一定厚度的泥皮，泥皮對樁承載力的影響一直以來受到關(guān)注。文章利用Abaqus軟件自帶的D-P準則，建立了樁土有限元三維模型，對豎向簡諧荷載動力荷載下樁土接觸面泥皮效應(yīng)進行研究。分別從樁土應(yīng)力比、樁身應(yīng)力、樁頂沉降三個方面進行對比討論，分析指出泥皮對樁側(cè)摩阻力影響顯著，應(yīng)該加強施工工藝，嚴格控制泥皮厚度。

[關(guān)鍵詞]有限元；D-P準則；泥皮；樁基礎(chǔ)

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2015.41.114

1 引 言

現(xiàn)階段基礎(chǔ)建設(shè)規(guī)模繼續(xù)擴大，樁基礎(chǔ)作為常用的基礎(chǔ)形式得到了廣泛應(yīng)用，其中成孔灌注樁由于工藝原因（如泥漿護壁成孔）會在樁土接觸側(cè)面留下一定厚度的軟泥（泥皮），樁側(cè)泥皮具有抗剪強度低、含水率高、壓縮性高、摩擦系數(shù)低等特點，樁側(cè)泥皮導(dǎo)致了樁土之間的薄弱層。

楔形樁即下小上大的圓臺型樁，其樁側(cè)壁傾斜受力合理，楔形樁承載能力主要有三部分構(gòu)成樁底、樁側(cè)摩阻力、樁側(cè)傾斜側(cè)壁法向反力的豎向分力，楔形樁受力顯然不同于等徑樁（圓柱型樁）。

泥皮對樁側(cè)阻力及承載力的影響目前學(xué)者觀點不一致。張忠苗的試驗表明，考慮泥皮效應(yīng)后，樁側(cè)極限摩阻力約為不考慮泥皮的50%左右，單樁極限承載力下降約20%。

但在動載作用下，泥皮的存在對楔形樁側(cè)摩阻力及承載力的影響如何還鮮見報道。本文考慮軟土樁處理路基在交通荷載（簡化為簡諧荷載）下的動力特性，探討泥皮條件下對樁身應(yīng)力變化、樁頂位移特征、樁土應(yīng)力比的影響。

2 模型參數(shù)

Abaqus軟件是著名的有限元分析軟件，軟件在工程領(lǐng)域廣泛運用并且模擬結(jié)果精度高，滿足工程需要。

模型各部件尺寸如下：土體模型1/4土體尺寸為長×寬×高=2m×2m×2.5m，碎石褥墊層總尺寸長×寬×高=0.9m×0.9m×0.2m。樁體尺寸上部直接100mm，下部直徑50mm，側(cè)壁傾角1.2度，樁長1200mm。模型參數(shù)中土體采用D-P模型，中密度2000kg/m3，填土摩擦角5.28度，粘聚力c=9.2e3pa，膨脹角取摩擦角一半，流應(yīng)力比0.778，彈性模量取3e7pa，泊松比0.25，硬化行為類型為壓縮型；樁體模型采用各項同性彈性模型，彈性模量E=300MPa，泊松比0.21；碎石墊層為各項同性彈性Mohr-Coulomb模型，采用8節(jié)點六面體線性縮減積分三維實體單元C3D8R，密度2000，彈性模量2e8，泊松比0.35。

在樁側(cè)-土接觸面設(shè)置接觸對，樁為從面土為主面，允許樁刺入土層但允許土層侵入狀體（即樁不破裂），摩擦系數(shù)法向1.0，切向摩擦系數(shù)分別為1.0、0.5（折減系數(shù)）、0（理想光滑側(cè)面）；碎石墊層接觸面及樁底接觸面摩擦很小均設(shè)置為1.0。

3 數(shù)值對比分析

數(shù)值分析采用簡諧荷載，無拉應(yīng)力，幅值4000N，頻率1Hz，振動時間50秒。限于篇幅本文僅以第20次震動結(jié)束是的各項數(shù)據(jù)比較分析，分別從樁頂位移、樁底應(yīng)力、基礎(chǔ)頂面樁土應(yīng)力比進行比較。

3.1 土層頂部及樁頂位移分析

由圖1～圖3可知，樁側(cè)無滑移是樁頂位移最小，光滑時最大；樁底位移在圖2、圖3中可以看出樁尖有刺入現(xiàn)象，圖1中刺入現(xiàn)象不明顯。

3.2 樁身應(yīng)力分析

樁身應(yīng)力分布規(guī)律基本相同，都是中部大，這和等徑樁有區(qū)別，楔形樁上部直徑大，平均分擔的應(yīng)力有所減小，但楔形樁樁底受到的壓力還是最大。

樁底應(yīng)力無滑移時最小1.377×104Pa，有泥皮時為1.448×104，側(cè)壁光滑時最大達到1.535×104Pa。樁側(cè)泥皮的影響比起無滑移情況樁底應(yīng)力增加8%，理想光滑時比無滑移增加11.5%，增加并不很明顯是因為楔形樁承載能力樁側(cè)摩阻力只是一部分，還要法向力的豎向分力也是承載力的一部分。

3.3 土層頂部樁-土應(yīng)力比分析

樁土應(yīng)力比即樁和樁周土應(yīng)力比值的倒數(shù)，數(shù)值越大反映樁周土分擔荷載越多，樁土協(xié)同工作基礎(chǔ)整體性越好。下表中樁側(cè)有泥皮時樁土應(yīng)力比0.49，相比無滑動情況降低了13%，樁分擔的荷載較多，原因是摩擦減小樁頂荷載通過樁體向樁尖傳遞，這從樁尖應(yīng)力也可以看出。

4 結(jié) 論

本文通過考慮樁側(cè)泥皮的存在以及設(shè)置接觸面摩擦系數(shù)的方式分別考慮樁側(cè)無滑動、樁側(cè)有泥皮、樁側(cè)光滑三種工況對比分析得到：樁側(cè)泥皮存在相對于樁側(cè)無滑動情況來說，樁頂位移增加9%、樁尖應(yīng)力增加11%、樁土應(yīng)力比降低13%。而樁側(cè)理想光滑狀態(tài)相對于無滑移狀態(tài)樁頂位移增加22.9%、樁尖應(yīng)力增加11.6%、樁土應(yīng)力比降低15%。由此可見，單樁樁側(cè)泥皮對樁基豎向位移影響較大，同時會增加樁尖應(yīng)力，對于低級深層軟土來說，會進一步增加基礎(chǔ)沉降以及降低承載力。此外，樁側(cè)泥皮存在會降低樁土應(yīng)力比，不利于樁周土來參與承擔荷載，不利于樁土協(xié)同工作。

參考文獻：

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